Scalability Analysis and Designs for Large-Scale Programmable RF-Photonic Integrated Circuits: Modelling, Design and Implementation

Abstract

[ES] La fotónica de microondas, la cual une los mundos de la ingeniería de radiofrecuencia y la optoelectrónica, ha generado un gran interés en las últimas décadas. Su valor añadido se deriva del hecho de que, por un lado, permite la realización de funcionalidades clave en los sistemas de microondas que son complejas o directamente imposibles en el dominio de la radiofrecuencia. Por otro lado, crea nuevas oportunidades para los sistemas y redes de información y comunicación. Por lo tanto, la fotónica de microondas se utiliza para habilitar funciones especializadas como generación de señales de alta frecuencia, modulación, procesamiento de señales, particularmente en aplicaciones de comunicación, radar y detección. En el contexto de la fotónica programable, la versatilidad surge al permitir la manipulación dinámica de las señales de luz, haciéndolas adaptables para propósitos genéricos a través de redes ópticas, computación óptica, óptica adaptativa, investigación y desarrollo y fotónica cuántica. Por lo que, proporciona una plataforma flexible para aplicaciones ópticas, mostrando funciones complementarias a la tecnología fotónica moderna.

Por lo tanto, los circuitos integrados fotónicos programables proponen y prometen ser una solución para competir con diseños específicos de aplicaciones. Sin embargo, las demostraciones actuales y las pruebas de concepto solo han integrado un número limitado de componentes y representan circuitos de complejidad pequeña y moderada. Este trabajo tiene como objetivo responder a las preguntas relacionadas con la escalabilidad del sistema y la evolución de futuros circuitos integrados fotónicos programables. El análisis y propuesta de soluciones constará de dos partes principales: la primera estudiará la escalabilidad de los circuitos programables en términos de integración de sistemas, incluyendo un estudio exhaustivo de las interfaces ópticas. En segundo lugar, debido a la necesidad de compensación de pérdidas que surge al utilizar fotónica integrada, consideraremos el rendimiento de modelos analíticos de fotónica de microondas de extremo a extremo con enlaces amplificados (balance de potencia óptica, ruido de señal, indicadores clave de rendimiento de enlaces fotónicos de microondas y consumo de energía). Una vez completado, utilizaremos diseños de complejidad moderada para evaluar nuestros estimadores de rendimiento tanto para el procesamiento de señales ópticas como para aplicaciones fotónicas de microondas.

[CA] La fotònica de micrones, la qual uneix els mons de l'enginyeria de radiofreqüència i l'optoelectrònica, ha generat un gran interés en les últimes dècades. El seu valor afegit es deriva del fet que, d'una banda, permet la realització de funcionalitats clau en els sistemes de microones que són complexes o directament impossibles en el domini de la radiofreqüència. D'altra banda, crea noves oportunitats per als sistemes i xarxes d'informació i comunicació. Per tant, la fotònica de microones s'utilitza per a habilitar funcions especialitzades com a generació de senyals d'alta freqüència, modulació, processament de senyals, particularment en aplicacions de comunicació, radar i detecció. En el context de la fotònica programable, la versatilitat sorgeix en permetre la manipulació dinàmica dels senyals de llum, fent-les adaptables per a propòsits genèrics a través de xarxes òptiques, computació òptica, òptica adaptativa, recerca i desenvolupament i fotònica quàntica. Pel que, proporciona una plataforma flexible per a aplicacions òptiques, mostrant funcions complementàries a la tecnologia fotònica moderna.

Per tant, els circuits integrats fotònics programables proposen i prometen ser una solució per a competir amb dissenys específics d'aplicacions. No obstant això, les demostracions actuals i les proves de concepte sol han integrat un nombre limitat de components i representen circuits de complexitat xicoteta i moderada. Aquest treball té com a objectiu respondre a les preguntes relacionades amb l'escalabilitat del sistema i l'evolució de futurs circuits integrats fotònics programables. L'anàlisi i proposta de solucions constarà de dues parts principals: la primera estudiarà l'escalabilitat dels circuits programables en termes d'integració de sistemes, incloent-hi un estudi exhaustiu de les interfícies òptiques. En segon lloc, a causa de la necessitat de compensació de pèrdues que sorgeix quan s'utilitza fotònica integrada, considerarem el rendiment de models analítics de fotònica de microones d'extrem a extrem amb enllaços amplificats (balanç de potència òptica, soroll de senyal, indicadors clau de rendiment d'enllaços fotònics de microones i consum d'energia). Una vegada completat, utilitzarem dissenys de complexitat moderada per a avaluar els nostres estimadors de rendiment tant per al processament de senyals òptics com per a aplicacions fotòniques de microones.

[EN] Microwave photonics brings together the worlds of radiofrequency engineering and optoelectronics and it has attracted great interest in the last few decades. It added value stems from the fact that, on one hand, it enables the realization of key functionalities in microwave systems that either are complex or even not directly possible in the radiofrequency domain. On the other hand, it creates new opportunities for information and communication systems and networks. Hence, microwave photonics is used to enable specialized functions such as high-frequency signal generation, modulation, and signal processing, particularly in communication, radar, and sensing applications. In the context of programmable photonics, versatility emerges by allowing dynamic manipulation of light signals, making them adaptable for generic purposes across optical networks, optical computing, adaptive optics, research and development, and quantum photonics. Then, it provides a flexible platform for optical applications, showcasing their complementary roles in modern photonics technology.

Hence, programmable photonic integrated circuits have been recently proposed and promise to be a solution to compete with application-specific designs. However, current demonstrations and proof-of-concepts have only integrated a limited number of components and represent small and moderate-complex circuits. This work aims to answer the questions dealing with the system scalability and evolution of future programmable photonic integrated circuits. The analysis and proposal of solutions will include two main parts: the first one will study the scalability of programmable circuits in terms of system integration, including a comprehensive study of optical interfacing. Secondly, due to the need for loss compensation that arises when using integrated photonics, we will consider the performance of end-to-end analytical microwave photonics models with amplified links (optical power budget, signal noise, microwave photonic links key performance indicators, and power consumption). Once completed, we will make use of moderate complexity designs to evaluate our performance estimators for both optical signal processing and microwave photonic applications.