'THz Torch' wireless communications links

The low-cost 'THz Torch’ technology, which exploits the thermal infrared spectrum (ca. 10 to 100 THz), was recently introduced to provide secure low data rate communications links across short ranges. In this thesis, the channel model for 'THz Torch’ wireless communications links is redeveloped from a thermodynamics perspective. Novel optimization-based channel estimators are also proposed to calibrate parameters in the channel model. Based on these theoretical advances, a cognitive 'THz Torch’ receiver, which combines conventional digital communications with state-of-the-art deep learning techniques, is presented to achieve cognitive synchronization and demodulation. The newly reported 'THz Torch’ wireless link is capable of bypassing the thermal time constant constraints normally associated with both the thermal emitter and sensor, allowing truly asynchronous data transfer with direct electronic modulation. Experimental results obtained in both laboratory environments and field trials demonstrate step-change improvements in channel range, bit rate, bit error rate and demodulation speed. This work represents a paradigm shift in modulation-demodulation with a thermal-based physical layer and offers a practical solution for implementing future ubiquitous secure 'THz Torch’ wireless communications links. The cognitive receiver concept also has wide-ranging implications for future communications and sensor technologies, making them more resilient when operating in harsh environments.Open Acces

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

Ultralow noise pre-amplified receiver for free-space optical communications

The demand for high data rate in space communication links is increasing due to the growth of space exploration missions inter-satellite, and satellite-to-Earth data transmission. Optical communication systems capable of handling hundreds of Gigabits per second data transmission with a single light carrier and are suitable for such space links. In addition, light offers smaller beam divergence in space due to the shorter wavelength compared to radio frequency beams (RF), resulting in smaller link loss and smaller size receiver apertures required.The receiver sensitivity is one of the key factors that determines the capacity and reach for such long haul communication links. Currently, there is a search for the optimal modulation format and receiver implementation combination to achieve the best sensitivity for error-free transmission. In this thesis, we discuss and implement the best possible combination of these, both theoretically and experimentally. Phase sensitive parametric optical amplifier (PSA) can amplify optical signals ideally without adding any excess noise, limited only by quantum fluctuations. Employing these as preamplifiers in free-space receivers can thus improve the sensitivity compared to erbium doped fiber amplifiers. We implement a two-mode PSA with a noise figure of 1.2 dB, which can amplify both quadratures of a signal, being used as a pre-amplifier in coherent receiver setup. We experimentally demonstrate a record black-box sensitivity of 1 photon-per-bit using PSA receiver for quadrature phase shift keying (QPSK) modulation format at 10.5 Gbps with 100 % overhead forward error correction code. This sensitivity also includes ultra-low pump power (-72 dBm) which is recovered using pre-amplified injection locking. We also investigate the most power efficient modulation formats, where a combination of m-(pulse-position modulation) PPM+QPSK with higher m-values provides best sensitivity at relatively high received SNR-per-bit, while QPSK outperforms all formats investigated at very low SNR-per-bit, which is ideal for space communications

Novel linear and nonlinear optical signal processing for ultra-high bandwidth communications

The thesis is articulated around the theme of ultra-wide bandwidth single channel signals. It focuses on the two main topics of transmission and processing of information by techniques compatible with high baudrates. The processing schemes introduced combine new linear and nonlinear optical platforms such as Fourier-domain programmable optical processors and chalcogenide chip waveguides, as well as the concept of neural network. Transmission of data is considered in the context of medium distance links of Optical Time Division Multiplexed (OTDM) data subject to environmental fluctuations. We experimentally demonstrate simultaneous compensation of differential group delay and multiple orders of dispersion at symbol rates of 640 Gbaud and 1.28 Tbaud. Signal processing at high bandwidth is envisaged both in the case of elementary post-transmission analog error mitigation and in the broader field of optical computing for high level operations (“optical processor”). A key innovation is the introduction of a novel four-wave mixing scheme implementing a dot-product operation between wavelength multiplexed channels. In particular, it is demonstrated for low-latency hash-key based all-optical error detection in links encoded with advanced modulation formats. Finally, the work presents groundbreaking concepts for compact implementation of an optical neural network as a programmable multi-purpose processor. The experimental architecture can implement neural networks with several nodes on a single optical nonlinear transfer function implementing functions such as analog-to-digital conversion. The particularity of the thesis is the new approaches to optical signal processing that potentially enable high level operations using simple optical hardware and limited cascading of components