Interleavers

The chapter describes principles, analysis, design, properties, and implementations of optical frequency (or wavelength) interleavers. The emphasis is on finite impulse response devices based on cascaded Mach-Zehnder-type filter elements with carefully designed coupling ratios, the so-called resonant couplers. Another important class that is discussed is the infinite impulse response type, based on e.g. Fabry-Perot, Gires-Tournois, or ring resonators

PHASAR-based WDM-devices: principles, design and applications

Wavelength multiplexers, demultiplexers and routers based on optical phased arrays play a key role in multiwavelength telecommunication links and networks. In this paper, a detailed description of phased-array operation and design is presented and an overview is given of the most important application

Metamateriales sub-longitud de onda para microdispositivos fotónicos de altas prestaciones

Tesis inédita de la Universidad Complutense de Madrid, Facultad de Ciencias Físicas, leída el 28-04-2020Photonics has become of paramount importance in many areas of our everyday life owing to its inherent potential to develop not only telecom and datacom solutions, but also many other applications such as metrology [DeMiguel’18], energy generation and saving [Polman’12, Miller’17], spectrometry [Velasco’13a], sensing [Rodríguez-Barrios’10], medicine [Morgner’00] and industrial manufacturing [Malinauskas’16], to name a few. Particularly, integrated optics has attracted increasing industrial attention and scientific efforts to implement photonic integrated circuits (PICs) capable of tackling all abovementioned tasks in compact and efficient systems.Among all the available materials, silicon photonics leverages the maturity of the fabrication techniques reached by the microelectronics industry, enabling cost-effective mass production [Chen’18]. Different material platforms with a high refractive index contrast have been proposed for silicon photonics to achieve higher integration levels and perform more complex functions in a single chip, such as silicon-on-insulator (SOI) and silicon nitride (Si3N4, commonly simplified to SiN). The increased integration capacity of silicon photonics has enabled to tackle one of our greatest technological challenges: global data traffic inside data centers. Besides short-range optical interconnects for telecom and datacom applications, the progress in silicon photonics also encompasses many other untapped applications that are being explored by academia and industry: absorption spectroscopy and bio-sensing [Herrero-Bermello’17, Wangüemert-Pérez’19], light detection and ranging (LIDAR) [Poulton’17a], quantum computing [Harris’16], microwave and terahertz photonics [Marpaung’19, Harter’18], nonlinear optics [Leuthold’10], and many others...La fotónica ha adquirido una importancia fundamental en muchos ámbitos de nuestra vida cotidiana debido a su potencial intrínseco para desarrollar soluciones no sólo en el campo de las telecomunicaciones y las interconexiones de corto alcance, sino también en otras muchas áreas como la metrología [DeMiguel’18], la generación de energía [Polman’12, Miller’17], la espectrometría [Velasco’13a], la detección [Rodríguez-Barrios’10], la medicina [Morgner’00] y la fabricación industrial [Malinauskas’16]. En particular, la óptica integrada ha atraído tanto la atención de la industria como los esfuerzos científicos para implementar circuitos fotónicos integrados (PICs, Photonic Integrated Circuits) capaces de abordar todas las tareas mencionadas anteriormente en sistemas compactos y eficientes. Entre todos los materiales disponibles, la fotónica de silicio aprovecha la madurez de las técnicas de fabricación alcanzadas por la industria de la microelectrónica, permitiendo una producción en masa rentable [Chen’18]. Para maximizar su densidad de integración y poder realizar funciones más complejas en un único chip, diferentes plataformas materiales con un alto contraste de índice de refracción se han propuesto, como por ejemplo las plataformas de silicio sobre aislante (SOI, Silicon-On-Insulator) y de nitruro de silicio (Si3N4, comúnmente simplificada a SiN, Silicon Nitride). Esta mayor densidad de integración ha permitido abordar uno de nuestros mayores desafíos tecnológicos hasta la fecha: el tráfico de datos global dentro de los centros de datos. Además de las interconexiones ópticas de corto alcance, el progreso de la fotónica de silicio también comprende muchas otras aplicaciones inexploradas que están siendo estudiadas en el ámbito académico e industrial como, por ejemplo, la espectroscopía de absorción y biodetección [Herrero-Bermello’17, Wangüemert-Pérez’19], LIDAR (Light Detection And Ranging) [Poulton’17a], computación cuántica [Harris’16], fotónica de microondas y terahercios [Marpaung’19, Harter’18], óptica no lineal [Leuthold’10], y muchas otras...Fac. de Ciencias FísicasTRUEunpu

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

Analysis and design of concave grating-based devices for multi-wavelength optical networks.

This thesis is focused on the analysis and design of concave holographic gratings for applications in wavelength division multiplexed (WDM) optical network devices, such as multi/demultiplexers, routers and channel equalizers. The main advantage of this approach is that a single optical element can perform both functions of dispersion and imaging. However, the design of such gratings for operation in optical fibre communication networks requires the understanding and control of dominant optical aberrations, stray light, and polarization sensitivity. The solution of these problems forms the basis of the work in this thesis. Chapter 1 presents the motivation for the work, describes the major objectives and lists the main original contributions. Chapter 2 reviews related works in the field of WDM optical networks. Different published methods and techniques used for channel separation are described. Chapter 3 describes the analysis of crosstalk in free-space WDM demultiplexers and wavelength routers due to aberrations, diffraction at the aperture, and diffuse scattering from non-uniformities. It is demonstrated experimentally that holographic grating can give background crosstalk as low as -60 dB. Holographic grating-based wavelength routers are shown to be absolutely scalable from the coherent crosstalk point of view, allowing a large number of subscribers/nodes to be interconnected. Chapter 4 presents aberration analysis of concave grating. New general analytic formulae that define the parameters of concave grating mounts providing stationary and superstationary astigmatism are derived. These mounts offer diffraction-limited imaging within operating spectral range of WDM demultiplexers. A novel retro-reflective scheme of demultiplexer with concave grating and convex mirror resulting in double dispersion and large image field is proposed and analyzed. Chapter 5 describes in detail all stages of design and adjustment of an athermal 49-channel demultiplexer. The method for accurate calculation of transmission spectra is developed. Tolerances and environmental stability are analyzed and the experimentally measured performance characteristics of fully packaged device are presented. Chapter 6 presents the design and analysis of 91x91 wavelength router with 0.33 nm channel spacing based on stationary anastigmatic Littrow mount of concave grating. The problem of additional complexity with respect to a demultiplexer relating to the wide field of view in dispersion direction is successfully solved. Chapter 7 describes the design, analysis and experimental verifications of WDM channel equalizer based on concave grating. In chapter 8, novel method of flattening and broadening demultiplexer passband is proposed. The final chapter, presents a summary of the research, and provides suggestions for future work

Building blocks of a silicon photonic integrated wavelength division multiplexing transmitter for detector instrumentation = Bausteine für einen integrierten siliziumphotonischen Wellenlängenmultiplexsender zur Detektorinstrumentierung

In dieser Arbeit werden Datenübertragungssysteme für die Detektorinstrumentierung und die Herausforderungen dieser einzigartigen Anwendung untersucht. Begrenzt durch die hohe Strahlungsintensität, den verfügbaren Platz, niedrige Temperaturen usw., liegt die Auslesebandbreite von Detektoren nach dem derzeitigen Stand der Technik im Bereich von einigen zehn Gb/s pro Faser. Angesichts des ständig wachsenden Datenvolumens ist die Verbesserung der Übertragungsbandbreite ein dringend zu lösendes Problem. Daher wird in dieser Arbeit ein universell einsetzbares Konzept für einen integrierten, siliziumphotonischen Sender auf Basis der Wellenlängenmultiplex-Technologie vorgeschlagen. Die angestrebte Übertragungsbandbreite in der ersten Version beträgt 40 Gb/s. Zwei Schlüsselbausteine des integrierten Senders, der Mach-Zehnder-Modulator und der Wellenlängen-Demultiplexer, werden im Detail untersucht. Eine Reihe von Modulatoren mit unterschiedlichen Längen und Ätztiefen werden entworfen, hergestellt und charakterisiert. Für den Entwurf des Demultiplexers wird eine angepasste Entwurfsmethode entwickelt, die mit zwei dedizierten Brennpunkten arbeitet. Ein neuer Entwurfsparameter wird in diese Methode eingeführt, um sie flexibler und leichter anwendbar zu machen. Die Auswirkung der Modifizierung des eingeführten Parameters wird anhand einer Reihe vergleichbarer Bauelemente untersucht. Alle Charakterisierungen bestätigen die Machbarkeit des vorgeschlagenen Konzepts