Integrated dual-laser photonic chip for high-purity carrier generation enabling ultrafast terahertz wireless communications

Photonic generation of Terahertz (THz) carriers displays high potential for THz communications with a large tunable range and high modulation bandwidth. While many photonics-based THz generations have recently been demonstrated with discrete bulky components, their practical applications are significantly hindered by the large footprint and high energy consumption. Herein, we present an injection-locked heterodyne source based on generic foundry-fabricated photonic integrated circuits (PIC) attached to a uni-traveling carrier photodiode generating high-purity THz carriers. The generated THz carrier is tunable within the range of 0-1.4 THz, determined by the wavelength spacing between the two monolithically integrated distributed feedback (DFB) lasers. This scheme generates and transmits a 131 Gbits-1 net rate signal over a 10.7-m distance with -24 dBm emitted power at 0.4 THz. This monolithic dual-DFB PIC-based THz generation approach is a significant step towards fully integrated, cost-effective, and energy-efficient THz transmitters

Integrated Semiconductor Laser Optical Phase Lock Loops

An Optical Phase Lock Loop (OPLL) is a feedback control system that allows the phase stabilization of a laser to a reference laser with absolute but adjustable frequency offset. Such phase and frequency locked optical oscillators are of great interest for sensing, spectroscopy, and optical communication applications, where coherent detection offers advantages of higher sensitivity and spectral efficiency than can be achieved with direct detection. As explained in this paper, the fundamental difficulty in realising an OPLL is related to the limitations on loop bandwidth and propagation delay as a function of laser linewidth. In particular, the relatively wide linewidth of semiconductor lasers requires short delay, which can only be achieved through shortening of the feedback path, which is greatly facilitated through photonic integration. This paper reviews the advances in the development of semiconductor laser-based OPLLs and describes how improvements in performance have been enabled by improvements in photonic integration technology. We also describe the first OPLL created using foundry fabricated photonic integrated circuits and off-the-shelf electronic components. Stable locking has been achieved for offset frequencies between 4 and 12 GHz with a heterodyne phase noise below -100 dBc/Hz at 10 kHz offset. This is the highest performance yet reported for a monolithically integrated OPLL and demonstrates the attractiveness of the foundry fabrication approach

TuB4.1-chip based thz emitter for ultra-high speed THz wireless communication (Invited)

By using a monolithically integrated dualdistributed feedback (DFB) laser chip attached to a photomixing uni-travelling carrier photodiode (UTC-PD) with a THz antenna, a single-channel THz photonic-wireless transmission system with a net rate of 131 Gbit/s over a wireless distance of 10.7 m has been achieved

Monolithically integrated microwave frequency synthesizer on InP generic foundry platform

A photonic integrated circuit for microwave generation is proposed and experimentally validated. On the microchip, two tunable monochromatic lasers spectrally separated by 0-10.7 nm are monolithically integrated with one high-speed photodiode in heterodyne configuration for enabling continuous RF synthesis from 2 to 42 GHz. Under free-running operation, the two lasers with 20-40 MHz optical linewidth produce RF beat note with ~90 MHz electrical linewidth at the on-chip photodiode. This is the first demonstration of such a fully integrated microwave photonic generator developed within an open-access generic foundry platform.This project has received funding from the European Union's Horizon 2020 research and innovation programme under the Marie Skłodowska-Curie grant agreement No. 642355 FiWiN5G

Integrated Dual-DFB Laser Chip-based PAM-4 Photonic-Wireless Transmission in W-band

We experimentally demonstrate lens-free photonic-wireless transmission in the W-band using a monolithically integrated dual-DFB laser, which is injection-locked by a frequency comb to generate two 90-GHz-spacing phase-stabilized carriers and modulated with a 40-Gbit/s PAM-4 signal

Optical Frequency Tuning for Coherent THz Wireless Signals

OAPACRWN THz wireless signals have become of interest for future broadband wireless communication. In a scenario where the wireless signals are distributed to many small remote antenna units (RAUs), this will require systems which allow flexible frequency tuning of the generated THz carrier. In this paper, we demonstrate experimentally the implementation of two tuning methods using an optical frequency comb generator (OFCG) for coherent optical frequency tuning in THz wireless-over-fiber systems. The first method is based on using a photonic integrated circuit optical phase lock loop (OPLL) sub-system implemented as a high quality optical filter for single comb line selection and optical amplification. The OPLL generates an optical carrier which is frequency and phase stabilized in reference to one of the optical comb lines with a frequency offset precisely selectable between 4 GHz and 12 GHz. The second method is based on optical single sideband suppressed carrier (SSB-SC) modulation from the filtered comb line using an optical IQ modulator. With this technique, it is possible to suppress the other unwanted optical tones by more than 40 dB. This generated optical carrier is then heterodyned with another filtered optical comb line to generate a tuneable and stable THz carrier. The full system implementations for both methods are demonstrated by transmitting THz wireless signal over fiber with 20 Gbps data in QPSK modulation. The system performance and the quality of the generated THz carrier are evaluated for both methods at different tuned THz carrier frequencies. The methods demonstrated confirm that a high quality tuneable THz carrier can easily be implemented in systems where dynamic frequency allocation is required

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

Photonic RF Channelization Based on Microcombs

In recent decades, microwave photonic channelization techniques have developed significantly. Characterized by low loss, high versatility, large instantaneous bandwidth, and immunity to electromagnetic interference, microwave photonic channelization addresses the requirements of modern radar and electronic warfare for receivers. Microresonator-based optical frequency combs are promising devices for photonic channelized receivers, enabling full advantage of multicarriers, large bandwidths, and accelerating the integration process of microwave photonic channelized receivers. In this paper, we review the research progress and trends in microwave photonic channelization, focusing on schemes that utilize integrated microcombs. We discuss the potential of microcomb-based RF channelization, as well as their challenges and limitations, and provide perspectives for their future development in the context of on-chip silicon-based photonics.Comment: This work has been submitted to the IEEE for possible publication. Copyright may be transferred without notice, after which this version may no longer be accessibl