Digital Signal Processing for Optical Communications and Coherent LiDAR

Internet data traffic within data centre, access and metro networks is experiencing unprecedented growth driven by many data-intensive applications. Significant efforts have been devoted to the design and implementation of low-complexity digital signal processing (DSP) algorithms that are suitable for these short-reach optical links. In this thesis, a novel low-complexity frequency-domain (FD) multiple-input multiple-output (MIMO) equaliser with momentum-based gradient descent algorithm is proposed, capable of mitigating both static and dynamic impairments arising from the optical fibre. The proposed frequency-domain equaliser (FDE) also improves the robustness of the adaptive equaliser against feedback latencies which is the main disadvantage of FD adaptive equalisers under rapid channel variations. The development and maturity of optical fibre communication techniques over the past few decades have also been beneficial to many other fields, especially coherent light detection and ranging (LiDAR) techniques. Many applications of coherent LiDAR are also cost-sensitive, e.g., autonomous vehicles (AVs). Therefore, in this thesis, a low-cost and low-complexity single-photodiode-based coherent LiDAR system is investigated. The receiver sensitivity performance of this receiver architecture is assessed through both simulations and experiments, using two ranging waveforms known as double-sideband (DSB) amplitude-modulated chirp signal and single-sideband (SSB) frequency-modulated continuous-wave (FMCW) signals. Besides, the impact of laser phase noise on the ranging precision when operating within and beyond the laser coherence length is studied. Achievable ranging precision beyond the laser coherence length is quantified

Realization of Integrated Coherent LiDAR

LiDAR (Light Detection and Ranging) captures high-definition real-time 3D images of the surrounding environment through active sensing with infrared lasers. It has unique advantages that can compensate the fundamental limitations in camera-based 3D imaging via vision algorithms or RADARs, which makes it an important sensing modality to guarantee robust autonomy in self-driving cars. However, high price tag of existing commercial LiDAR modules based on mechanical beam scanners and intensity-based detection scheme makes them unusable in the context of mass produced consumer products.The focus of thesis is on the integrated coherent LiDAR with optical phased array-based solid-state beam steering, which has great potential to dramatically bring down the cost of a LiDAR module. It begins with an overview of LiDAR implementation options and system requirements in the context of autonomous vehicles, which leads us to conclude that beam-steering coherent FMCW LiDAR in optical C-band is indeed the best implementation strategy to realize low-cost automotive LiDARs. Motivated by this observation, a quantitative framework for evaluating FMCW LiDAR performance is also introduced to predict the design that satisfies car-grade performance requirements. Then the thesis presents the silicon implementation results from our single-chip optical phased array and integrated coherent LiDAR prototype. Our implementations leverage the 3D heterogeneous integration platform, where custom silicon photonics and nanoscale CMOS fabricated at a 300 mm wafer facility are combined at the wafer-scale to minimize the unit cost without I/O density issues. After discussing remaining challenges and possible ways to enhance the operating range and system reliability, this thesis finally addresses the problem of fundamental trade-off between phase noise and wavelength tuning in FMCW laser source, and present circuit- and algorithm-level techniques to enable FMCW measurements beyond inherent laser coherence range limit

Sistemas electro-ópticos para aplicaciones clásicas y cuánticas

Este informe recopila mi experiencia de trabajo de los últimos tres años. Mi carrera como físico experimental y teórico me llevo a trabajar como investigador en distintos lugares. Específicamente, en el tiempo que respecta a este informe, tuve la posibilidad de trabajar en University of Otago con sede en Dunedin- Nueva Zelanda y en el Institute of Science and Technology Austria con sede en Klosterneuburg-Austria. Además, de mi trabajo actual como Senior lab Scientist en la empresa Scantinel photonics GmbH. con sede en Ulm-Alemania, donde actualmente desarrollo sensores de LiDAR para carros autónomos. El núcleo de mi especialización en física se cataloga como electro-óptica cuántica que investiga la interacción entre campos electromagnéticos ópticos y de radio-frecuencia al nivel fotónico. Este tipo de interacción, debido a la naturaleza de la radiación electromagnética solo se puede lograr en sistemas no lineales como cristales o en sistemas más modernos como nanoestructuras. En mi caso, he trabajado con cristales no lineales, cuya polarización dependen cuadraticamente del campo eléctrico aplicado ˜P = !(2)˜E ˜E , en el rango de microondas y óptico. El efecto Pockels, que es como se le denomina a la interacción de estos dos rangos de frecuencia, sirve como base para estudiar distintos sistemas físicos con usos muy interesantes no solo para la física cuántica, sino también para sistemas clásicos. Mi investigación en estos temas se desarrollan en las primeras secciones de este informe. En el apéndice de este trabajo he agregado las publicaciones en discusión. Desde hace más de un año trabajo en el desarrollo de sistemas ópticos controlados por sistemas electrónicos de alta banda en el rango de los Megahercios. En este caso no investigo para demostrar cierto tipo de efecto, sino trabajo en la mejora de sistemas ya establecidos y su proceso de integrarlos en productos comercialmente atractivos. Si bien ahora mi trabajo esta centrado en la ingeniería y el desarrollo de productos comerciales, mi entusiasmo por la física no ha cambiado. Ahora investigo y publico mis resultados de manera independiente en mi tiempo libre sin la condicional de un financiamiento o un superior

Enabling Technology in Optical Fiber Communications: From Device, System to Networking

This book explores the enabling technology in optical fiber communications. It focuses on the state-of-the-art advances from fundamental theories, devices, and subsystems to networking applications as well as future perspectives of optical fiber communications. The topics cover include integrated photonics, fiber optics, fiber and free-space optical communications, and optical networking

Electro-optic frequency combs and their applications in high-precision metrology and high-speed communications

Optische Frequenzkämme haben sich in den letzten Jahren zu einem vielseitigen Werkzeug im Bereich der Optik und Photonik entwickelt. Sie ermöglichen den Zugang zu einer Vielzahl von schmalbandigen Spektrallinien, die einen breiten Spektralbereich abdecken und gleichzeitig hochgenau definierte Frequenzen aufweisen. Dadurch wurden Experimente in vielfältigen Anwendungsgebieten ermöglicht, zum Beispiel in den Bereichen optischer Atomuhren, der Präzisionsspektroskopie, der Frequenzmesstechnik, der Distanzmesstechnik und der optischen Telekommunikation. Allerdings umfassen übliche Frequenzkammquellen und die jeweiligen Laboraufbauten typischerweise komplexe opto-elektronische und opto-mechanische Anordnungen, welche aufgrund von Baugröße und fehlender Robustheit gegenüber Umwelteinflüssen wie Temperatur bislang kaum Einzug in breitere industrielle Anwendungen gefunden haben. Diese Arbeit legt deshalb ein besonderes Augenmerk auf die praktische Nutzbarkeit von frequenzkamm-basierten Systemen in industriellen Anwendungen. Im Fokus stehen dabei Robustheit, Kompaktheit und flexible Anpassungsmöglichkeiten an die jeweilige Anwendung. Das bezieht sich sowohl auf die Frequenzkammquellen selbst, als auch auf die zugehörigen anwendungsspezifischen optischen Systeme, in welchen die Frequenzkämme genutzt werden. In der vorliegenden Arbeit wird das Potential elektro-optischer Frequenzkämme in der optischen Messtechnik sowie der optischen Kommunikationstechnik anhand ausgewählter experimenteller Demonstrationen untersucht. Als Mittel zur Realisierung miniaturisierter optischer Systeme mit einem Flächenbedarf von wenigen Quadratmillimetern wird die photonische Integration in Silizium verfolgt. Ein integriertes System zur Frequenzkamm-basierten Distanzmessung sowie integriert-optische Frequenzkammquellen werden demonstriert. Die Erzeugung von Frequenzkämmen durch Dauerstrichlaser in Kombination mit elektro-optischen Modulatoren ist dabei ein besonders vielversprechender Ansatz. Zwar werden dabei üblicherweise kleinere optische Bandbreiten erzielt als bei der weitverbreiteten Frequenzkammerzeugung durch modengekoppelte Ultrakurzpulslaser oder durch Kerr-Nichtlinearitäten, aber es bieten sich andere wertvolle Vorteile an. So erlaubt die elektro-optische Kammerzeugung beispielsweise eine nahezu freie Wahl der Mittenfrequenz durch Auswahl oder Einstellung des Dauerstrichlasers. Durch den Einsatz verschiedener Laser können sogar gleichzeitig mehrere Frequenzkämme unterschiedlicher Mittenfrequenz erzeugt werden, was sich in verschiedenen Anwendungen vorteilhaft ausnutzen lässt. Dies wird in dieser Arbeit anhand zweier Beispiele aus der optischen Messtechnik demonstriert, siehe Kapitel 3 und Kapitel 5. Der Kammlinienabstand ist bei elektro-optisch erzeugten Kämmen definiert durch die elektronisch erzeugte Modulationsfrequenz. Das bietet mehrere Vorteile: Der Linienabstand ist frei einstellbar, sehr stabil, und einfach rückführbar auf einen Frequenzstandard. Der Verzicht auf einen optischen Resonator macht die Kammquelle robust gegenüber Umwelteinflüssen wie z.B. Vibration. Zudem machen Fortschritte bei der Entwicklung von hochintegrierten optischen Modulatoren auf Silizium eine Umsetzung der Frequenzkammquellen in Siliziumphotonik möglich. Die erste derartige Komponente und deren Anwendung in der optischen Telekommunikation wird in Kapitel 6 vorgestellt. Photonische Integration in Silizium bietet außerdem das Potential, miniaturisierte optische Systeme mit vielfältiger Funktionalität zu realisieren. Solche Systeme zeichnen sich durch extrem kleinen Platzbedarf, Kompatibilität mit hochentwickelten und massentauglichen Fertigungstechniken aus der CMOS-(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)-Mikroelektronik und durch die Möglichkeit zur Kointegration elektronischer Schaltungen auf demselben Chip aus. Die hohe Integrationsdichte eröffnet die Perspektive, optische Systeme z.B. für Sensorik tief in industriellen Maschinen zu integrieren. Kapitel 1 gibt eine kurze Einführung in optische Frequenzkämme und deren vielfältige Anwendungen in Wissenschaft und Technik. Der Stand der Technik zu unterschiedlichen Ansätzen zur Frequenzkammerzeugung und deren jeweiligen Eigenschaften werden diskutiert, und es werden die Vorzüge der in dieser Arbeit verwendeten elektro-optischen Frequenzkämme erläutert. Des Weiteren wird die Integration photonischer Systeme und Bauelemente auf Silizium vorgestellt. Schließlich werden die sich ergebenden Vorteile bei der Anwendung in optischer Messtechnik und optischer Telekommunikation diskutiert. Kapitel 2 fasst die physikalischen Grundlagen der Arbeit zusammen. Die Funktionsprinzipien elektro-optischer Modulatoren werden beschrieben sowie deren Anwendung zur Erzeugung von Frequenzkämmen. Zusätzlich wird das Konzept sogenannter synthetischer Wellenlängen eingeführt, welches in der optischen Distanzmesstechnik Anwendung findet. Kapitel 3 beschreibt ein Prinzip zur Distanzmessung mittels zweier elektro-optischer Frequenzkämme zur kontaktlosen Vermessung technischer Objekte. Die Leistungsfähigkeit des Ansatzes wird durch eine Erfassung von ausgedehnten Oberflächenprofilen in Form von Punktwolken demonstriert, wobei eine verhältnismäßig kurze Messzeit von 9.1 µs pro Punkt ausreichend ist. Dabei wird der faseroptisch angebundene Sensorkopf von einer Koordinatenmessmaschine über die Oberfläche bewegt. Durch Temperaturschwankungen im faser-optischen Aufbau ausgelöste Messabweichungen werden durch die Messung mit Lasern unterschiedlicher Emissionsfrequenz kompensiert. Kapitel 4 beschreibt ein integriert-optisches System auf Silizium zur frequenzkamm-basierten Distanzmessung. Das System beinhaltet das zum Heterodynempfang genutzte Interferometer inklusive eines einstellbaren Leistungsteilers sowie der Photodetektoren. Der Platzbedarf aller Komponenten auf dem Siliziumchip beträgt 0.25 mm$^{2}$. Der Chip wird in dem in Kapitel 3 eingeführten Messverfahren eingesetzt, wobei Distanzmessungen mit Root-mean-square-Fehlern von 3.2 µm und 14 µs Erfassungszeit demonstriert werden. Kapitel 5 stellt ein Distanzmesssystem vor, bei welchem eine grobauflösende Phasenlaufzeitmessung mit großem Eindeutigkeitsbereich mit einer interferometrischen Distanzmessung mit synthetischen Wellenlängen zur Verfeinerung der Messgenauigkeit kombiniert wird. Die durch vier Laser erzeugten synthetischen Wellenlängen bzw. die Frequenzabstände der Laser werden zeitgleich zur Distanzmessung mittels eines auf elektro-optischer Modulation basierenden Verfahrens vermessen. Durch diese Referenzierung wird der Einsatz freilaufender Laser ohne Wellenlängenstabilisierung ermöglicht. Es werden Messraten von 300 Hz und Genauigkeiten im Mikrometerbereich erreicht. Kapitel 6 beschreibt die weltweit erste Demonstration elektro-optischer Frequenzkammquellen auf Silizium und die hierzu genutzte hybride Materialplattform aus Silizium und organischen Materialien (Silicon-Organic Hybrid, SOH). Spektral flache Frequenzkämme mit 7 Linien innerhalb von 2 dB und Linienabständen von 25 GHz und 40 GHz werden erzeugt. Die praktische Anwendbarkeit solcher Frequenzkämme wird durch eine Reihe von Datenübertragungexperimenten demonstriert. Die einzelnen Kammlinien dienen als Träger für Daten in einem Wellenlängenmultiplex-System, womit eine spektral effiziente Datenübertragung mit Datenraten von über 1 Tbit/s über Distanzen von bis zu 300 km demonstriert wird. Kapitel 7 fasst die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit zusammen und gibt einen Ausblick auf die Möglichkeiten, die sich durch weiterentwickelte Kammquellen und fortschreitende Möglichkeiten in der photonischen Integration ergeben

Light Propagation and Gas Absorption Studies in Turbid Media Using Tunable Diode Llaser Techniques

Optical absorption spectroscopy is a widely used analytical tool for constituent analysis in many applications. According to the Beer-Lambert law, the transmitted light intensity through a homogeneous medium is an exponential function of the product of the concentration, the total pathlength, and the absorption cross-section of the absorbing substance. By studying the intensity loss at the unique absorption band of the absorbing substance, its concentration can be retrieved. However, this method will encounter some difficulties if the light is not only absorbed but also strongly scattered in the material, e.g., in a turbid medium (biological tissues, porous ceramics, wood), which results in an unknown absorption pathlength. Such a problem can be solved by studying light propagation with different theoretical models, and the scattering and absorption properties are then retrieved. One aim of the present thesis work is to develop a new experimental approach to study light propagation in turbid media – frequency-modulated light scattering interferometry (FMLSI), originating from the well-known frequency-modulated continuous-wave technique in telecommunication field. This method provides new possibilities to study optical properties and Brownian motion simultaneously, which is particularly useful in biomedical applications, food science, and for colloidal suspensions in general. Another important application of absorption spectroscopy is to monitor gas concentration in turbid media, where the gas absorption pathlength is a priori unknown due to heavy light scattering in the porous medium. The technique is referred to as gas in scattering media absorption spectroscopy (GASMAS), and is based on the principle that the absorption spectrum of gases is much narrower than that for the solid- or liquid-phase host materials. By linearly scanning the wavelength of the light source across an absorption line of the gas and examining the absorption imprint superimposed on the transmitted light signal, the very weak intensity loss due to the gas of interest can be measured for gas concentration assessment. In order to obtain the absolute gas concentration, a focus in the present thesis work is to determine the gas absorption pathlength in turbid media. The FMLSI technique is proposed to obtain the mean optical pathlength – the total pathlength through both the pores and the matrix material. The combined method of FMLSI and GASMAS techniques is then developed to study porous media, where an average gas concentration in the porous media can be obtained. A conventional method for pathlength or optical properties determination – frequency domain photon migration – is also combined with the GASMAS technique to study the total gas absorption pathlength and the porosities of ceramics, which, as a result, also contributes to further understanding of light propagation in porous media. Another method is also proposed to get the absolute gas concentration without knowing the optical pathlength. It is based on absorption line shape analysis – relying on the fact that the line shape depends upon the concentration of the buffer gas. This method is found to be very useful for, e.g., gas concentration monitoring in food packaging

Nonlinear Optics in Chip-based Microresonators and their Applications

Optical micro-resonators have been studied for decades as a platform to investigate optical physics, and to miniaturize bulky optical systems. In the last decade, optical frequency combs, which have revolutionized the precision measurement of time and frequency, have been demonstrated in optical micro-resonators via the combined effect of parametric oscillation and cascaded four-wave mixing. More recently, soliton mode-locking has made possible low-noise/reproducible generation of these miniature combs (microcombs). In this thesis, we demonstrated the generation of soliton microcombs from silica wedge disk micro-resonators and the characteristics of the soliton microcombs are described. We also applied soliton microcombs to dual-comb spectroscopy and distance measurement (LIDAR) for the first time. Also, ways to improve spectral resolution, signal-to-noise ratio, and spectral coverage are discussed. In addition to soliton microcombs, a novel spiral resonator is studied as a stable optical frequency reference. Combined with a frequency comb, this new type of chip-based reference cavity is also applied to generate stable microwaves via optical frequency division. Lastly, we generated a stimulated Brillouin laser (SBL) from the optical micro-resonator and its phonon-limited linewidth is studied. Application of the SBL for rotation measurement is also demonstrated. This thesis is organized into six chapters. Throughout the thesis, the implication and potential of my PhD work toward chip-based advanced optics system are discussed.</p

Silicon Integrated Arrays: From Microwave to IR

Integrated chips have enabled realization and mass production of complex systems in a small form factor. Through process miniaturization many novel applications in silicon photonics and electronic systems have been enabled. In this thesis I have provided several examples of innovations that are only enabled by integration. I have also demonstrated how electronics and photonics circuits can complement each other to achieve a system with superior performance.</p

Abstracts on Radio Direction Finding (1899 - 1995)

The files on this record represent the various databases that originally composed the CD-ROM issue of "Abstracts on Radio Direction Finding" database, which is now part of the Dudley Knox Library's Abstracts and Selected Full Text Documents on Radio Direction Finding (1899 - 1995) Collection. (See Calhoun record https://calhoun.nps.edu/handle/10945/57364 for further information on this collection and the bibliography). Due to issues of technological obsolescence preventing current and future audiences from accessing the bibliography, DKL exported and converted into the three files on this record the various databases contained in the CD-ROM. The contents of these files are: 1) RDFA_CompleteBibliography_xls.zip [RDFA_CompleteBibliography.xls: Metadata for the complete bibliography, in Excel 97-2003 Workbook format; RDFA_Glossary.xls: Glossary of terms, in Excel 97-2003 Workbookformat; RDFA_Biographies.xls: Biographies of leading figures, in Excel 97-2003 Workbook format]; 2) RDFA_CompleteBibliography_csv.zip [RDFA_CompleteBibliography.TXT: Metadata for the complete bibliography, in CSV format; RDFA_Glossary.TXT: Glossary of terms, in CSV format; RDFA_Biographies.TXT: Biographies of leading figures, in CSV format]; 3) RDFA_CompleteBibliography.pdf: A human readable display of the bibliographic data, as a means of double-checking any possible deviations due to conversion