Coherent terabit/s communications using chip-scale optical frequency comb sources

Der Visual Networking Index (VNI) der Firma Cisco weist für den weltweiten Internetverkehr eine durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate von 26% aus und prognostiziert 2022 einen jährliche Datenverkehr von 4,8 Zettabyte [1]. Um diesem Anstieg des Netzwerkverkehrs zu begegnen, ist die kohärente Datenübertragung in Kombination mit sogenanntem Wellenlängenmultiplex (engl. wavelength-division multiplexing, WDM) in Langstrecken-Glasfasernetzwerken zum Standard geworden. Mit der verstärkten Nutzung von Cloud-basierten Diensten, dem wachsenden Trend, Inhalte in die Nähe der Endbenutzer zu bringen, und der steigenden Anzahl angeschlossener Geräte in sog. Internet-of-Things-(IoT-)Szenarien, wird der Datenverkehr auf allen Netzebenen voraussichtlich weiter drastisch ansteigen. Daher wird erwartet, dass die WDM-Übertragung mittelfristig auch kürzere Verbindungen verwendet werden wird, die in viel größeren Stückzahlen eingesetzt werden als Langstreckenverbindungen und bei denen die Größe und die Kosten der Transceiver-Baugruppen daher wesentlich wichtiger sind. In diesem Zusammenhang werden optische Frequenzkammgeneratoren als kompakte und robuste Mehrwellenlängen-Lichtquellen eine wichtige Rolle spielen. Sie können sowohl auf der Sender- als auch auf der Empfängerseite einer kohärenten WDM-Verbindung eine große Anzahl wohldefinierter optischer Träger oder Lokaloszillator-Signale liefern. Ein besonders wichtiger Vorteil der Frequenzkämme ist die Tatsache, dass die Spektrallinien von Natur aus äquidistant sind und durch nur zwei Parameter − die Mittenfrequenz und den freien Spektralbereich − definiert werden. Dadurch kann eine auf eine individuelle Frequenzüberwachung der einzelnen Träger verzichtet werden, und etwaige spektrale Schutzbänder zwischen benachbarten Kanälen können stark reduziert werden oder komplett wegfallen. Darüber hinaus erleichtert die inhärente Phasenbeziehung zwischen den Trägern eines Frequenzkamms die gemeinsame digitale Signalverarbeitung der WDM-Kanäle, was die Empfängerkomplexität reduzieren und darüber hinaus auch die Kompensation nichtlinearer Kanalstörungen ermöglichen kann. Unter den verschiedenen Kammgeneratoren sind Bauteile im Chip-Format der Schlüssel für künftige WDM-Transceiver, die eine kompakte Bauform aufweisen und sich kosteneffizient in großen Stückzahlen herstellen lassen sollen. Gegenstand dieser Arbeit ist daher die Untersuchung von neuartigen Frequenzkammgeneratoren im Chip-Format im Hinblick auf deren Eignung für die massiv parallele WDM-Übertragung. Diese Bauteile lassen sich nicht nur als Mehrwellenlängen-Lichtquellen auf der Senderseite einsetzen, sondern bieten sich auch als Mehrwellenlängen-Lokaloszillatoren (LO) für den parallelen kohärenten Empfang mehrerer WDM-Kanäle an. Bei den untersuchten Bauteilen handelt es sich um gütegeschaltete Laserdioden (engl. Gain-Switched Laser Diodes), modengekoppelte Laserdioden auf Basis von Quantenstrich-Strukturen (Quantum-Dash Mode-Locked Laser Diodes, QD-MLLD) und sog. Kerr-Kamm-Generatoren, die optische Nichtlinearitäten dritter Ordnung in Ringresonatoren hoher Güte ausnutzen. Der Schwerpunkt liegt dabei auf Datenübertragungsexperimenten, die die Eignung der verschiedenen Kammquellen untersuchen und die in den internationalen Fachzeitschriften Nature und Optics Express veröffentlicht wurden [J1]-[J4]. Kapitel 1 gibt eine allgemeine Einführung in das Thema der optischen Datenübertragung und der zugehörigen WDM-Verfahren. In diesem Zusammenhang werden die Vorteile optischer Frequenzkämme als Lichtquellen für die WDM-Datenübertragung und den WDM-Empfang erläutert. Die einige Inhalte dieses Kapitels sind dem Buchkapitel [B1] entnommen, wobei Änderungen zur Anpassung an die Struktur und Notation der vorliegenden Arbeit vorgenommen wurden. In Kapitel 2 wird eine grundlegende Einführung in optische Kommunikations-systeme mit Schwerpunkt auf Hochleistungsverbindungen gegeben, die auf WDM und kohärenten Übertragungsverfahren beruhen. Außerdem wird die integrierte Optik als wichtiges technologisches Element zum Bau kostengünstiger und kompakter WDM-Transceiver vorgestellt. Das Kapitel gibt ferner einen Überblick über verschiedene optische Frequenzkammgeneratoren im Chip-Format, die sich als Mehrwellenlängen-Lichtquellen für solche Transceiver anbieten, und es werden grundlegende Anforderungen an optische Frequenzkammgeneratoren formuliert, die für WDM-Anwendungen relevant sind. Das Kapitel endet mit einer vergleichenden Diskussion der verschiedenen Kammgeneratoren sowie einer Zusammenfassung ausgewählter WDM-Datenübertragungsexperimente, die mit diesen Kammgeneratoren demonstriert wurden. In Kapitel 3 wird die kohärente WDM-Sendetechnik und der kohärente WDM-Empfang mit einer gütegeschalteten Laserdiode (GSLD) diskutiert. Im Mittelpunkt der Arbeit steht ein Versuchsaufbau, in dem der empfängerseitige Kammgenerator aktiv mit dem senderseitigen Generator synchronisiert wurde. Das Experiment stellt die weltweit erste Demonstration einer kohärenten WDM-Übertragung mit Datenraten von über 1 Tbit/s dar, bei dem synchronisierte Frequenzkämme als Mehrwellenlängen-Lichtquelle am Sender und als Mehrwellenlängen-LO am Empfänger verwendet werden. Kapitel 4 untersucht das Potenzial von QD-MLLD als Mehrwellenlängen-Lichtquellen für die WDM-Datenübertragung. Diese Kammgeneratoren sind aufgrund ihrer kompakten Größe und des einfachen Betriebs besonders attraktiv. Die erzeugten Kammlinien weisen jedoch ein hohes Phasenrauschen auf, das die Modulationsformate in früheren Übertragungsexperimenten auf 16QAM begrenzte. In diesem Kapitel wird gezeigt, dass QD-MLLD die WDM-Übertragung mit Modulationsformaten jenseits von 16QAM unterstützen kann, wenn eine optische Rückkopplung durch einen externen Resonator zur Reduzierung des Phasenrauschens der Kammlinien verwendet wird. In den Experimenten wird eine Reduzierung der intrinsischen Linienbreite um etwa zwei Größenordnungen demonstriert, was eine 32QAM-WDM-Übertragung ermöglicht. Die Demonstration der Datenübertragung mit einer Rate von 12 Tbit/s über eine 75 km lange Faser mit einer spektralen Netto-Effizienz von 7,5 Bit/s/Hz stellt dabei die höchste für diese Bauteile gezeigte spektrale Effizienz dar. Gegenstand von Kapitel 5 ist die WDM-Übertragung und der kohärente Empfang mit QD-MLLD vor. Die Vorteile der Skalierbarkeit von QD-MLLD für massiv parallele WDM-Verbindungen werden also nicht nur am Sender, wie in Kapitel 4 beschrieben, sondern auch am Empfänger ausgenutzt. So konnte ein Datenstrom mit einer Rohdatenrate von 4,1 Tbit/s über eine Distanz von 75 km übertragen werden, indem ein Paar von QD-MLLD mit ähnlichen freien Spektralbereichen verwendet wurde – ein Bauteil zur Erzeugung der optischen Träger am WDM-Sender und ein weiteres Bauteil zur Bereitstellung der erforderlichen LO-Töne für den kohärenten WDM-Empfang. Kapitel 6 beschreibt WDM-Datenübertragungsexperimente mit Hilfe von Kerr-Kamm-Generatoren. Dazu werden sog. dissipative Kerr-Solitonen (engl. dissipative Kerr solitons, DKS) in integriert-optischen Mikroresonatoren genutzt, die wegen zur Erzeugung einer streng periodischen Folge ultra-kurzer optischer Impulsen im Zeitbereich und damit zu einem breitbandigen, für WDM-Systeme sehr gut geeigneten Frequenzkamm führen. Mit diesen DKS-Kämmen wird ein Datenstrom mit einer Rohdatenrate von 55,0 Tbit/s über eine 75 km lange Faser übertragen. Zum Zeitpunkt der Veröffentlichung war dies die höchste Datenrate, welche mit einer chip-basierten Frequenzkammquelle erreicht wurde. Das Ergebnis zeigt das Potenzial der Kammquellen für WDM-Übertragung. Darüber hinaus wird der kohärente Empfang von 93 WDM-Kanälen mit einer Datenrate von 37,2 Tbit/s unter Verwendung eines DKS-Kamms als Multiwellenlängen-LO demonstriert; die Übertragung erfolgt über eine 75 km lange Faser. Diese Arbeiten wurde in der international renommierten wissenschaftlichen Zeitschrift Nature publiziert. Kapitel 7 fasst die Arbeit zusammen und gibt einen Ausblick auf die Anwendung der diskutierten Kammgeneratoren in zukünftigen WDM-Systemen

Development of an integrated silicon photonic transceiver for access networks

Debido a la imparable aparición de dispositivos móviles multifunción junto con aplicaciones que requieren cada vez más un mayor ancho de banda en cualquier momento y en cualquier lugar, las futuras redes de acceso deberán ser capaces de proporcionar servicios tanto inalámbricos como cableados. Es por ello que una solución a seguir es el uso de sistemas de comunicaciones ópticas como medio de transporte de señales inalámbricas en enlaces de radio sobre fibra. Con ello, se converge a un dominio óptico reduciendo y aliviando el cuello de botella entre los estándares de acceso inalámbrico y cableado. En esta tesis, como parte de los objetivos establecidos en el proyecto europeo HELIOS en el que está enmarcada, se han investigado y desarrollado los bloques funcionales básicos necesarios para realizar un transceptor fotónico integrado trabajando en el rango de longitudes de onda milimétricas, y haciendo uso de los formatos de modulación más robustos y que mejor se adaptan al ámbito de aplicación considerado. El trabajo que se presenta en esta tesis se puede dividir básicamente en tres partes. La primera de ellas ofrece una descripción general de los beneficios del uso de la fotónica en silicio para el desarrollo de enlaces inalámbricos a velocidades de Gbps, así como el estado del arte de los transceptores desarrollados por los grupos de investigación más activos y punteros para satisfacer las necesidades de mercado, cada vez más exigentes. La segunda parte se centra en el estudio y desarrollo del transmisor integrado de onda milimétrica. Primero realizamos una breve introducción teórica tanto del funcionamiento de los dispositivos que forman parte del transmisor, como a los formatos de modulación existentes, centrando la atención en la modulación por desplazamiento de fase (PSK) que es la que se va a utilizar en el desarrollo de los dispositivos implicados, y más concretamente en la modulación (diferencial) de fase en cuadratura ((D)QPSK). También se presentan los bloques básicos que integran nuestro transmisor y se fijan las especificaciones que deben cumplir dichos bloques para conseguir una transmisión libre de errores. El transmisor está compuesto por un filtro/demultiplexor encargado de separar dos portadoras ópticas separadas una frecuencia de 60 GHz. Una de estas portadoras es modulada al pasar por un modulador DQPSK basado en una estructura de dos MachZehnders (MZs) anidados, para ser nuevamente combinada con la otra portadora óptica que se ha mantenido intacta. Una vez combinadas, éstas son fotodetectadas para ser transmitidas inalámbricamente. En la tercera parte de esta tesis, se investiga el uso de un esquema de diversidad en polarización junto a un receptor DQPSK integrado para la demodulación de la señal recibida. El esquema de diversidad en polarización está formado básicamente por dos bloques: un separador de polarización con el objetivo de separar la luz a la entrada del chip en sus dos componentes ortogonales; y un rotador de polarización. En lo que se refiere al receptor DQPSK propiamente dicho, se ha investigado y optimizado cada uno de los bloques funcionales que lo componen. Éstos son básicamente un divisor de potencia termo-ópticamente sintonizable basado en un interferómetro MZ, en serie con un interferómetro MZ que introduce un retardo de duración de un bit en uno de sus brazos, para obtener una correcta demodulación diferencial. El siguiente bloque que forma parte de nuestro receptor DQPSK es un 2x4 acoplador de interferencia multimodal actuando como un híbrido de 90 grados, cuyas salidas van a parar a dos fotodetectores balanceados de germanio. Las contribuciones principales de esta tesis han sido: ¿ Demostración de un filtro/demultiplexor con tres grados de sintonización con una relación de extinción superior a 25dB. ¿ Demostración de un rotador con una longitud de tan sólo 25µm y CMOS compatible. ¿ Demostración de un modulador DPSK a una velocidad máxima de 20 Gbit/s. ¿ Demostración de un demodulador DQPSK a una velocidad máxima de 20 Gbit/s.Due to the relentless emergence of multifunction mobile devices with applications that require increasingly greater bandwidth at anytime and anywhere, future access networks must be capable of providing both wireless and wired services. The use of optical communications systems as transport medium of wireless signals over fiber radio links is a steady solution to be taken into account. This will make possible a convergence to an optical domain reducing and alleviating the bottleneck between wireless access standards and current wired access. In this thesis, as part of the objectives of the European project HELIOS in which it is framed, we have investigated and developed the basic functional blocks needed to achieve an integrated photonic transceiver working in the range of millimetre wavelengths, and using robust modulation formats that best fit the scope considered. The work presented in this thesis can be basically divided into three parts. The first one provides an overview of the benefits of using silicon photonics for the development of wireless links at rates of Gbps, and the state of the art of the transceivers reported by the most important research groups in order to meet the increasingly demanding needs¿ market. The second part focuses on the study and development of millimetre-wave integrated transmitter. First we provide a brief theoretical introduction of the operation principles of the devices involved in the transmitter such as a modulation formats, focusing on the phase shift keying (PSK) which is the one that will be used, particularly the (differential) quadrature phase shift keying ((D) QPSK). We also present the building blocks involved in our transmitter and we set the specifications that must be met by these devices in order to achieve an error-free transmission. The transmitter includes a filter/demultiplexer which must separate two optical carriers 60 GHz separated. One of these optical carriers is modulated by passing through a DQPSK Mach-Zehnder-based modulator (MZM) by arranging two MZMs in a nested configuration. Using a combiner, the modulated optical signal and the un-modulated carrier are combined and photodetected to be transmitted wirelessly. In the third part of this thesis, we investigate the use of a polarization diversity scheme with an integrated DQPSK receiver for demodulating of the wireless signal. The polarization diversity scheme basically consists of two blocks: a polarization splitter in order to separate the random polarization state of the incoming light into its two orthogonal components, and a polarization rotator. Regarding the DQPSK receiver itself, all the functional blocks that comprise it have been investigated and optimized. It basically includes a thermo-optically tunable MZ interferometer power splitter, in series with a MZ interferometer that introduces, in one of its arms, a delay of one bit length in order to obtain a correct differential demodulation. The next building block of our DQPSK receiver is a 2x4 multimode interference coupler acting as a 90 degree hybrid, whose outputs are connected to two balanced germanium photodetectors. The main contributions of this thesis are: ¿ Demonstration of a filter/demultiplexer with three degrees of tuning and an extinction ratio greater than 25dB. ¿ Demonstration of a polarization rotator with a length of only 25¿m and CMOS compatible. ¿ Demonstration of a DPSK modulator at a maximum rate of 20 Gbit/s. ¿ Demonstration of a DQPSK demodulator to a maximum rate of 20 Gbit/s.Aamer, M. (2013). Development of an integrated silicon photonic transceiver for access networks [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/31649TESI

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

Novel optical transmitters for high speed optical networks

The objective of this thesis is to investigate the performance of novel optical transmitter lasers for use in high speed optical networks. The laser technology considered is the discrete mode laser diode (DMLD) which is designed to achieve single wavelength operation by etching features on the surface of the ridge waveguide. This leads to a simplified manufacturing process by eliminating the regrowth step used in conventional approaches, presenting an economic approach to high volume manufacture of semiconductor lasers. Two application areas are investigated in this work. The bit rate in next generation access networks is moving to 10 Gbit/s. This work characterises the performance of DMLDs designed for high speed operation with the objective of identifying the limitations and improving performance to meet the specifications for uncooled operation at 10 Gbit/s. With the deployment of advanced modulation formats the phase noise of the laser source has become an important parameter, particularly for higher order formats. DMLDs were developed for narrow linewidth operation. The linewidth of these devices was characterised and a value as low as 70 kHz was demonstrated. Transmission experiments were also carried out using a coherent transmission test bed and the performance achieve is compared with that of an external cavity laser

Photonic Vector Processing Techniques for Radiofrequency Signals

[EN] The processing of radiofrequency signals using photonics means is a discipline that appeared almost at the same time as the laser and the optical fibre. Photonics offers the capability of managing broadband radiofrequency (RF) signals thanks to its low transmission attenuation, a variety of linear and non-linear phenomena and, recently, the potential to implement integrated photonic subsystems. These features open the door for the implementation of multiple functionalities including optical transportation, up and down frequency conversion, optical RF filtering, signal multiplexing, de-multiplexing, routing and switching, optical sampling, tone generation, delay control, beamforming and photonic generation of digital modulations, and even a combination of several of these functionalities. This thesis is focused on the application of vector processing in the optical domain to radiofrequency signals in two fields of application: optical beamforming, and photonic vector modulation and demodulation of digital quadrature amplitude modulations. The photonic vector control enables to adjust the amplitude and phase of the radiofrequency signals in the optical domain, which is the fundamental processing that is required in different applications such as beamforming networks for direct radiating array (DRA) antennas and multilevel quadrature modulation. The work described in this thesis include different techniques for implementing a photonic version of beamforming networks for direct radiating arrays (DRA) known as optical beamforming networks (OBFN), with the objectives of providing a precise control in terrestrial applications of broadband signals at very high frequencies above 40 GHz in communication antennas, optimizing the size and mass when compared with the electrical counterparts in space application, and presenting new photonic-based OBFN functionalities. Thus, two families of OBFNs are studied: fibre-based true time delay architectures and integrated networks. The first allow the control of broadband signals using dispersive optical fibres with wavelength division multiplexing techniques and advanced functionalities such as direction of arrival estimation in receiving architectures. In the second, passive OBFNs based on monolithically-integrated Optical Butler Matrices are studied, including an ultra-compact solution using optical heterodyne techniques in silicon-on-insulator (SOI) material, and an alternative implementing a homodyne counterpart in germanium doped silica material. In this thesis, the application of photonic vector processing to the generation of quadrature digital modulations has also been investigated. Multilevel modulations are based on encoding digital information in discrete states of phase and amplitude of an electrical signal to enhance spectral efficiency, as for instance, in quadrature modulation. The signal process required for generating and demodulating this kind of signals involves vector processing (phase and amplitude control) and frequency conversion. Unlike the common electronic or digital implementation, in this thesis, different photonic based signal processing techniques are studied to produce digital modulation (photonic vector modulation, PVM) and demodulation (PVdM). These techniques are of particular interest in the case of broadband signals where the data rate required to be managed is in the order of gigabit per second, for applications like wireless backhauling of metro optical networks (known as fibre-to-the-air). The techniques described use optical dispersion in optical fibres, wavelength division multiplexing and photonic up/down conversion. Additionally, an optical heterodyne solution implemented monolithically in a photonic integrated circuit (PIC) is also described.[ES] El procesamiento de señales de radiofrecuencia (RF) utilizando medios fotónicos es una disciplina que apareció casi al mismo tiempo que el láser y la fibra óptica. La fotónica ofrece la capacidad de manipular señales de radiofrecuencia de banda ancha, una baja atenuación, procesados basados en una amplia variedad de fenómenos lineales y no lineales y, recientemente, el potencial para implementar subsistemas fotónicos integrados. Estas características ofrecen un gran potencial para la implementación de múltiples funcionalidades incluyendo transporte óptico, conversión de frecuencia, filtrado óptico de RF, multiplexación y demultiplexación de señales, encaminamiento y conmutación, muestreo óptico, generación de tonos, líneas de retardo, conformación de haz en agrupaciones de antenas o generación fotónica de modulaciones digitales, e incluso una combinación de varias de estas funcionalidades. Esta tesis se centra en la aplicación del procesamiento vectorial en el dominio óptico de señales de radiofrecuencia en dos campos de aplicación: la conformación óptica de haces y la modulación y demodulación vectorial fotónica de señales digitales en cuadratura. El control fotónico vectorial permite manipular la amplitud y fase de las señales de radiofrecuencia en el dominio óptico, que es el procesamiento fundamental que se requiere en diferentes aplicaciones tales como las redes de conformación de haces para agrupaciones de antenas y en la modulación en cuadratura. El trabajo descrito en esta tesis incluye diferentes técnicas para implementar una versión fotónica de las redes de conformación de haces de en agrupaciones de antenas, conocidas como redes ópticas de conformación de haces (OBFN). Se estudian dos familias de redes: arquitecturas de retardo en fibra óptica y arquitecturas integradas. Las primeras permiten el control de señales de banda ancha utilizando fibras ópticas dispersivas con técnicas de multiplexado por división de longitud de onda y funcionalidades avanzadas tales como la estimación del ángulo de llegada de la señal en la antena receptora. En la segunda, se estudian redes de conformación pasivas basadas en Matrices de Butler ópticas integradas, incluyendo una solución ultra-compacta utilizando técnicas ópticas heterodinas en silicio sobre aislante (SOI), y una alternativa homodina en sílice dopado con germanio. En esta tesis, también se han investigado técnicas de procesado vectorial fotónico para la generación de modulaciones digitales en cuadratura. Las modulaciones multinivel codifican la información digital en estados discretos de fase y amplitud de una señal eléctrica para aumentar su eficiencia espectral, como por ejemplo la modulación en cuadratura. El procesado necesario para generar y demodular este tipo de señales implica el procesamiento vectorial (control de amplitud y fase) y la conversión de frecuencia. A diferencia de la implementación electrónica o digital convencional, en esta tesis se estudian diferentes técnicas de procesado fotónico tanto para la generación de modulaciones digitales (modulación vectorial fotónica, PVM) como para su demodulación (PVdM). Esto es de particular interés en el caso de señales de banda ancha, donde la velocidad de datos requerida es del orden de gigabits por segundo, para aplicaciones como backhaul inalámbrico de redes ópticas metropolitanas (conocida como fibra hasta el aire). Las técnicas descritas se basan en explotar la dispersión cromática de la fibra óptica, la multiplexación por división de longitud de onda y la conversión en frecuencia. Además, se presenta una solución heterodina implementada monolíticamente en un circuito integrado fotónico (PIC).[CA] El processament de senyals de radiofreqüència (RF) utilitzant mitjans fotònics és una disciplina que va aparèixer gairebé al mateix temps que el làser i la fibra òptica. La fotònica ofereix la capacitat de manipular senyals de radiofreqüència de banda ampla, una baixa atenuació, processats basats en una àmplia varietat de fenòmens lineals i no lineals i, recentment, el potencial per implementar subsistemes fotònics integrats. Aquestes característiques ofereixen un gran potencial per a la implementació de múltiples funcionalitats incloent transport òptic, conversió de freqüència, filtrat òptic de RF, multiplexació i demultiplexació de senyals, encaminament i commutació, mostreig òptic, generació de tons, línies de retard, conformació de feix en agrupacions d'antenes i la generació fotònica de modulacions digitals, i fins i tot una combinació de diverses d'aquestes funcionalitats. Aquesta tesi es centra en l'aplicació del processament vectorial en el domini òptic de senyals de radiofreqüència en dos camps d'aplicació: la conformació òptica de feixos i la modulació i demodulació vectorial fotònica de senyals digitals en quadratura. El control fotònic vectorial permet manipular l'amplitud i la fase dels senyals de radiofreqüència en el domini òptic, que és el processament fonamental que es requereix en diferents aplicacions com ara les xarxes de conformació de feixos per agrupacions d'antenes i en modulació multinivell. El treball descrit en aquesta tesi inclou diferents tècniques per implementar una versió fotònica de les xarxes de conformació de feixos en agrupacions d'antenes, conegudes com a xarxes òptiques de conformació de feixos (OBFN), amb els objectius de proporcionar un control precís en aplicacions terrestres de senyals de banda ampla a freqüències molt altes per sobre de 40 GHz en antenes de comunicacions, optimitzant la mida i el pes quan es compara amb els homòlegs elèctrics en aplicacions espacials, i la presentació de noves funcionalitats fotòniques per agrupacions d'antenes. Per tant, s'estudien dues famílies de OBFNs: arquitectures de retard en fibra òptica i arquitectures integrades. Les primeres permeten el control de senyals de banda ampla utilitzant fibres òptiques dispersives amb tècniques de multiplexació per divisió en longitud d'ona i funcionalitats avançades com ara l'estimació de l'angle d'arribada del senyal a l'antena receptora. A la segona, s'estudien xarxes de conformació passives basades en Matrius de Butler òptiques en fotònica integrada, incloent una solució ultra-compacta utilitzant tècniques òptiques heterodinas en silici sobre aïllant (SOI), i una alternativa homodina en sílice dopat amb germani. D'altra banda, també s'ha investigat en aquesta tesi tècniques de processament vectorial fotònic per a la generació de modulacions digitals en quadratura. Les modulacions multinivell codifiquen la informació digital en estats discrets de fase i amplitud d'un senyal elèctric per augmentar la seva eficiència espectral, com ara la modulació en quadratura. El processat necessari per generar i desmodular aquest tipus de senyals implica el processament vectorial (control d'amplitud i fase) i la conversió de freqüència. A diferència de la implementació electrònica o digital convencional, en aquesta tesi s'estudien diferents tècniques de processament fotònic tant per a la generació de modulacions digitals (modulació vectorial fotònica, PVM) com per la seva demodulació (PVdM). Això és de particular interès en el cas de senyals de banda ampla, on la velocitat de dades requerida és de l'ordre de gigabits per segon, per a aplicacions com backhaul sense fils de xarxes òptiques metropolitanes (coneguda com fibra fins l'aire). Les tècniques descrites es basen en explotar la dispersió cromàtica de la fibra òptica, la multiplexació per divisió en longitud d'ona i la conversió en freqüència. A més, es presePiqueras Ruipérez, MÁ. (2016). Photonic Vector Processing Techniques for Radiofrequency Signals [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/63264TESI

Quantum Dash Multi-Wavelength Lasers for Next Generation High Capacity Multi-Gb/s Millimeter-Wave Radio-over-Fiber Wireless Communication Networks

The ever-increasing proliferation of mobile users and new technologies with different applications and features, and the demand for reliable high-speed high capacity, pervasive connectivity and low latency have initiated a roadmap for the next generation wireless networks, fifth generation (5G), which is set to revolutionize the existing wireless communications. 5G will use heterogeneous higher carrier frequencies from the plentifully available spectra in the higher microwave and millimeter-wave (MMW) bands, including licensed and unlicensed spectra, for achieving multi-Gb/s wireless connectivity and overcoming the existing wireless spectrum crunch in the sub-6 GHz bands, resulting from the tremendous growth of data-intensive technologies and applications. The use of MMW when complemented by multiple-input-multiple-output (MIMO) technology can significantly increase data capacity through spatial multiplexing, and improve coverage and system reliability through spatial diversity. However, high-frequency MMW signals are prone to extreme propagation path loss and are challenging to generate and process with conventional bandwidth-limiting electronics. In addition, the existing digitized fronthaul for centralized radio access network (C-RAN) architecture is considered inefficient for 5G and beyond. Thus, to fully exploit the promising MMW 5G new radio (NR) resource and to alleviate the electronics and fronthaul bottleneck, microwave photonics with analog radio-over-fiber (A-RoF) technology becomes instrumental for optically synthesizing and processing broadband RF MMW wireless signals over optical links. The generation and distribution of high-frequency MMW signals in the optical domain over A-RoF links facilitate the seamless integration of high-capacity, reliable and transparent optical networks with flexible, mobile and pervasive wireless networks, extending the reach and coverage of high-speed broadband MMW wireless communications. Consequently, this fiber-wireless integration not only overcomes the problem of high bandwidth requirements, transmission capacity and span limitation but also significantly reduces system complexity considering the deployment of ultra-dense small cells with large numbers of 5G remote radio units (RRUs) having massive MIMO antennas with beamforming capabilities connected to the baseband units (BBU) in a C-RAN environment through an optical fiber-based fronthaul network. Nevertheless, photonic generation of spectrally pure RF MMW signals either involves complex circuitry or suffers from frequency fluctuation and phase noise due to uncorrelated optical sources, which can degrade system performance. Thus simple highly integrated and cost-efficient low-noise optical sources are required for next-generation MMW RoF wireless transmission systems. More recently, well-designed quantum confined nanostructures such as semiconductor quantum dash/dot multi-wavelength lasers (QD-MWLs) have attracted more interest in the photonic generation of RF MMW signals due to their simple compact and integrated design with highly coherent and correlated optical signals having a very low phase and intensity noise attributed to the inherent properties of QD materials. The main theme of this thesis revolves around the experimental investigation of such nanostructures on the device and system level for applications in high-speed high-capacity broadband MMW RoF-based fronthaul and wireless access networks. Several photonic-aided high-capacity long-reach MMW RoF wireless transmission systems are proposed and experimentally demonstrated based on QD-MWLs with the remote distribution and photonic generation of broadband multi-Gb/s MMW wireless signals at 5G NR (FR2) in the K-band, Ka-band and V-band in simplex, full-duplex and MIMO configurations over 10 to 50 km optical fiber and subsequent wireless transmission and detection. The QD-MWLs-based photonic MMW RoF wireless transmission systems’ designs and experimental demonstrations could usher in a new era of ultra-high-speed broadband multi-Gb/s wireless communications at the MMW frequency bands for next-generation wireless networks. The QD-MWLs investigated in this thesis include a simple monolithically integrated and highly coherent low-noise single-section semiconductor InAs/InP QD buried heterostructure passively mode-locked (PML) laser-based optical coherent frequency comb (CFC) and a novel monolithic highly correlated low-noise semiconductor InAs/InP buried heterostructure common-cavity QD dual-wavelength distributed feedback laser (QD-DW-DFBL). The performance of each device is thoroughly characterized experimentally in terms of optical phase noise, relative intensity noise (RIN), timing jitter and RF phase noise exhibiting promising results. Based on these devices, different long-reach photonic MMW RoF wireless transmission systems, including simplex single-input-single-output (SISO) and multiple-input-multiple-output (MIMO) and bidirectional configurations, are proposed and experimentally demonstrated with real-time remote electrical RF synthesizer-free all-optical frequency up-conversion, wireless transmission and successful reception of wide-bandwidth multi-level quadrature amplitude modulated (M-QAM) RF MMW wireless signals having bit rates ranging from 4 Gb/s to 36 Gb/s over different hybrid fiber-wireless links comprising of standard single mode fiber (SSMF) and indoor wireless channel. The end-to-end links are thoroughly investigated in terms of error-vector-magnitude (EVM), bit-error-rat (BER), constellations and eye diagrams, realizing successful error-free transmission. Finally, novel high-capacity spectrally efficient MIMO and optical beamforming enabled photonic MMW RoF wireless transceivers design and methods based on QD-MWLs with wavelength division multiplexing (WDM) and space division multiplexing (SDM) are proposed and discussed. A proof-of-concept implementation of the proposed photonic MMW RoF wireless transmission system is also simulated in a simple WDM-based configuration with bidirectional 4×4 MIMO MMW carrier streams

Silicon Photonics for All-Optical Processing and High-Bandwidth-Density Interconnects

Silicon photonics has emerged in recent years as one of the leading technologies poised to enable penetration of optical communications deeper and more intimately into computing systems than ever before. The integration potential of power efficient WDM links at the first level package or even deeper has been a strong driver for the rapid development this field has seen in recent years. The integration of photonic communication modules with very high bandwidth densities and virtually no bandwidth-distance limitations at the short reach regime of high performance computers and data centers has the potential to alleviate many of the bandwidth bottlenecks currently faced by board, rack, and facility levels. While networks on chip for chip multiprocessors (CMP) were initially deemed the target application of silicon photonic components, it has become evident in recent years that the initial lower hanging fruit is the CMP's I/O links to memory as well as other CMPs. The first chapter of the thesis provides more detailed motivation for the integration of silicon photonic modules into compute systems and surveys some of the recent developments in the field. The second chapter then proceeds to detail a technical case study of silicon photonic microring-based WDM links' scalability and power efficiency for these chip I/O applications which could be developed in the intermediate future. The analysis, initiated originally for a workshop on optical and electrical board and rack level interconnects, looks into a detailed model of the optical power budget for such a link capturing both single-channel aspects as well as WDM-operation-related considerations which are unique for a microring physical characteristics. The holistic analysis for the full link captures the wavelength-channel-spacing dependent characteristics, provides some methodologies for device design in the WDM-operation context, and provides performance predictions based on current best-of-class silicon photonic devices. The key results of the analysis are the determination of upper bounds on the aggregate achievable communication bandwidth per link, identifying design trade-offs for bandwidth versus power efficiency, and highlighting the need for continued technological improvements in both laser as well as photodetector technologies to allow acceptable power efficiency operation of such systems.The third chapter, while continuing on the theme silicon photonic high bandwidth density links, proceeds to detail the first experimental demonstration and characterization of an on-chip spatial division multiplexing (SDM) scheme based on microrings for the multiplexing and demultiplexing functionalities. In the context of more forward looking optical network-on-chip environments, SDM-enabled WDM photonic interconnects can potentially achieve superior bandwidth densities per waveguide compared to WDM-only photonic interconnects. The microring-based implementation allows dynamic tuning of the multiplexing and demultiplexing characteristic of the system which allows operation on WDM grid as well device tuning to combat intra-channel crosstalk. The characterization focuses on the first reported power penalty measurements for on-chip silicon photonic SDM link showing minimal penalties achievable with 3 spatial modes concurrently operating on a single waveguide with 10-Gb/s data carried by each mode. The chapter also details the first demonstration of WDM combined with SDM operation with six separate wavelength-and-spatial 10-Gb/s channels with error free operation and low power penalties. The fourth, fifth, and sixth chapters shift in topic from the application of silicon photonics to communication links to the evolving use of silicon waveguides for nonlinear all-optical processing. The unique tight mode confinement in sub-micron cross-sections combined with the high response of silicon have motivated the development of four-wave mixing (FWM)-based processing silicon devices. The key feature of the silicon platform for these nonlinear processing platforms is the ability to finely and uniformly control the dispersive properties of the optical structures in a way that enables completely offsetting the material dispersion and achieve dispersion profiles required for effective parametric interaction of waves in the optical structures. Chapter four primarily introduces and motivates nonlinear processing in communication applications and focuses on recent achievements in non-silicon and silicon FWM platforms. Chapter five describes some of the author's contributions on parametric processing of high speed data in silicon nonlinear devices, with first of a kind demonstrations of wavelength conversion of 160-Gb/s optically time division multiplexed (OTDM) data as well as the wavelength-multicasting of a 320-Gb/s OTDM stream. The chapter then details a methodical characterization and demonstration of several record wavelength conversion experiments of data in silicon with 40-Gb/s data wavelength-converted across more than 100 nm with only 1.4-dB of power penalties as well as the wavelength and format conversion of 10-Gb/s data across up to 168 nm with sensitivity gains stemming from the format conversion of about 2 dB and a residual conversion penalty of only 0.1 dB, achieved by implementing an improved experimental setup. Both experiments highlight the performance uniformity of the conversion process for a wide range of probe-idler detuning settings, showcasing the silicon platform's unique broadband phase matching properties. The sixth chapter presents a slight shift in motivation for parametric processing from traditional telecom-wavelength applications to functionalities developed targeting mid-IR operation. Parametric-processing in the silicon platform at long wavelengths holds large potential for performance improvements due to the elimination of two-photon absorption in silicon at long wavelengths as well as silicon's dispersion engineering capabilities which uniquely position the silicon platform for effective phase matching of significantly wavelength detuned waves. Four-wave mixing signal generation and reception at mid-IR wavelengths are attractive candidates for tunable flexible operation with modulation and detection speeds which are currently only available at telecom wavelengths. With this vision in mind, several contributions detailing extension of FWM functionalities in silicon to operate at wavelengths close to 2 μm with performance equivalent to much smaller detuning setting measurements. The contributions detail the experimental demonstration of the first silicon optical processing functionalities achieved at such long wavelengths including the wavelength conversion and unicast of 10-Gb/s signals with up to 700 nm of probe-idler detuning, the combined two-stage 10-Gb/s FWM-link in which both data generation and detection at 1900 nm is facilitated by parametric processing in silicon with only 2.1-dB overall penalty, the first ever 40-Gb/s receiver at 1900 nm based on a FWM stage for simultaneous temporal demultiplexing and wavelength conversion, and lastly, the demonstration of a 40-Gb/s FWM-link operation with only 3.6 dB of penalty. The chapter concludes with a short discussion on possible extensions to enable silicon parametric processing at even longer wavelengths targeting the mid-IR spectral transmission window of 3-5 μm