Integrated Optical Filters for Microwave Photonic Applications

Abstract

[EN] Microwave photonics (MWP) is a well-established research field that investigates the use of photonic technologies to generate, distribute, process and analyze RF waveforms in the optical domain. Despite its great potential to solve long-standing problems faced by both the microwave and electronics industries, MWP systems are bulky, expensive and consume a lot of power. Integrated microwave photonics (IMWP) is an emerging area of research that promises to alleviate most of these drawbacks through the use of photonic integrated circuits (PIC).

In this work, we have aimed at further closing the gap between the worlds of MWP and integrated optics. In particular, we have focused on the design and experimental characterization of PICs with reconfigurable, ring-assisted Mach-Zehnder interferometer filters (RAMZI), and demonstrated its potential use in different IMWP applications. These filters consist of a symmetric MZI loaded with ring resonators, which are coupled to the MZI branches by different optical couplers.

The contributions of this thesis can be split into two sections. In the first one, we demonstrate integrated optical couplers and reflectors with variable power splitting and reflections ratios. These exploit the well-known properties of tapered multimode interference couplers (MMI), and their inherent robustness makes them highly suitable for the implementation of both RAMZI and reflective filters. Besides, we study in detail the impact of manufacturing deviations in the performance of a 4x4 MMI-based 90º hybrid, which is a fundamental building block in coherent optical communication systems.

In the second section, we demonstrate the use of integrated RAMZI filters for three different IMWP applications, including instantaneous frequency measurement (IFM), direct detection of frequency-modulated signals in a MWP link, as well as in tunable, coherent MWP filters. A theoretical analysis of the limits and trade-offs that exist in photonics-based IFM systems is also provided. Even though these are early proof-of-concept experiments, we hope that further technological developments in the field will finally turn MWP into a commercial reality.

[ES] La fotónica de microondas (MWP) es un campo de investigación que estudia el uso de tecnologías ópticas para generar, distribuir, procesar y analizar señales de RF. A pesar de su gran potencial para resolver algunos de los problemas a los que se enfrentan las industrias electrónica y de microondas, estos sistemas son voluminosos, caros y consumen mucha potencia. La fotónica de microondas integrada (IMWP) es un área emergente que promete solucionar todos estos inconvenientes a través de la utilización de circuitos ópticos integrados (PIC).

En esta tesis, hemos pretendido avanzar un poco más en el acercamiento entre estas dos disciplinas. En concreto, nos hemos centrado en el diseño y caracterización experimental de PICs con filtros reconfigurables basados en interferómetros Mach-Zehnder cargados con anillos (RAMZI), y demostrado su potencial uso en diferentes aplicaciones de IMWP. Los filtros RAMZI están hecho básicamente de un MZI simétrico cargado con anillos, los cuales a su vez se acoplan a las ramas del interferómetro a través de distintos acopladores ópticos.

Las contribuciones de este trabajo se pueden dividir en dos partes. En la primera, hemos demostrado acopladores y reflectores ópticos integrados con coeficientes de acoplo y reflexión variables. Éstos explotan las propiedades de los acopladores por interferencia multimodal (MMI), y su robustez les hace muy atractivos para la implementación de filtros RAMZI y de tipo reflectivo. Además, hemos analizado el impacto que las tolerancias de fabricación tienen en el rendimiento de un híbrido óptico de 90º basado en un MMI 4x4, el cual es un elemento fundamental en los sistemas de comunicaciones ópticas coherentes.

En la segunda parte, hemos demostrado el uso de filtros RAMZI en tres aplicaciones distintas de IMWP. En concreto, hemos utilizado dichos filtros para implementar sistemas de medida de frecuencia instantánea (IFM), detección directa de señales moduladas en frecuencia para enlaces fotónicos, así como en filtros coherentes y sintonizables de MWP. También hemos desarrollado un análisis teórico de las limitaciones y problemas que existen en los sistemas IFM. A pesar de que todos los experimentos realizados han consistido en prototipos para una prueba de concepto, esperamos que futuros avances tecnológicos permitan que la fotónica de microondas se convierta algún día en una realidad comercial.

[CA] La fotònica de microones (MWP) és un camp d'investigació que estudia l'ús de tecnologies òptiques per a generar, distribuir, processar y analitzar senyals de radiofreqüència. A pesar del seu gran potencial per a resoldre alguns dels problemes als que s'enfronten les indústries electrònica i de microones, estos sistemes son voluminosos, cars i consumixen molta potència. La fotònica de microones integrada (IMWP) és un àrea emergent que promet solucionar tots estos inconvenients a través de la utilització de circuits òptics integrats (PIC).

En esta tesi, hem pretés avançar un poc més en l'acostament entre estes dos disciplines. En concret, ens hem centrat en el disseny i caracterització experimental de PICs amb filtres reconfigurables basats en interferòmetres Mach-Zehnder carregats amb anells (RAMZI), i demostrat el seu potencial en diferents aplicacions d' IMWP. Els filtres RAMZI estan fets bàsicament d'un MZI simètric carregat amb anells, els quals, al seu torn, s'acoblen a les branques del interferòmetre a través de distints acobladors òptics.

Les contribucions d'este treball es poden dividir en dos parts. En la primera, hem demostrat acobladors i reflectors òptics integrats amb coeficients de transmissió i reflexió variables. Estos exploten les propietats dels acobladors per interferència multimodal (MMI), i la seua robustesa els fa molt atractius per a la implementació de filtres RAMZI i de tipo reflectiu. A més a més, hem analitzat l'impacte que les toleràncies de fabricació tenen en el rendiment d'un híbrid òptic de 90 graus basat en un MMI 4x4, el qual és un element fonamental en els sistemes de comunicacions òptiques coherents.

En la segona part, hem demostrat l'ús de filtres RAMZI en tres aplicacions diferents de IMWP. En concret, hem utilitzat estos filtres per a implementar sistemes de mesura de freqüència instantània (IFM), detecció directa de senyals modulades en freqüència per a enllaços fotònics, així com en filtres coherents i sintonitzables de MWP. També hem desenvolupat una anàlisi teòrica de les limitacions i problemes que existixen en els sistemes IFM. A pesar de que tots els experiments realitzats han consistit en prototips per a una prova de concepte, esperem que futurs avanços tecnològics permeten que la fotònica de microones es convertisca algun dia en una realitat comercial.