Arbitrary waveform generation based on Microwave Photonics Technology for Ultrawideband applications

摘要

The herein presented Ph.D. dissertation finds its application niche in pulse generation for optical communication schemes, specifically for Ultrawideband (UWB) purposes. In this sense, as the requirements in terms of capacity and bandwidth per user in the field of broadband communication services continuously increase, different technological techniques such as hybrid wireless-optical approaches including UWB systems and close competitors like the Worldwide Interoperability for Microwave Access (WIMAX) standard, Long Term Evolution (LTE) and the newcomer Light Fidelity (LI-FI) continue to be investigated as viable solutions to provide data rates exceeding Gigabit per second per user. Currently, Hybrid wireless-optical networks are the key providers for simpler backhaul and they are destined to play an important role in next-generation access networks which will demand flexible deployment, high capacity, upgradeability, scalability and feasibility. On the other hand, Arbitrary signal creation is a fundamental affair since it is widely employed for a myriad of practical approaches such as imaging layouts, radars, instrumentation, biomedical design and communications purposes. During the last years, all the efforts have been focused on proposals for direct generation within the optical domain because of the limitations presented by traditional electrical solutions when operating at high frequencies with large bandwidth. An extensive review and analysis of the previously proposed set ups has allowed us to establish the more relevant generation techniques at the same time that has provided the basis for conceptualizing designs of our own. The main objective of this doctoral thesis lies on the aforementioned mentioned analysis of the existent state of the art of photonics based pulse generation solutions as well as the proposal and experimental validation of new techniques that are proven to be successful in producing UWB high order pulses, which represent the best option when searching for compliance with the settle standard by the Federal Communications Commission (FCC). Specifically, the two main approaches that are handled in this research are: 1) The employment of non-linear effects to generate pulses with UWB features: In this segment of experiments I successfully took advantage of the nonlinear effects inherent to the Mach-Zehnder Interferometer (MZI) employed to produce the aspired waveforms. First, we test the designs abilities to generate low-order derivatives (monocycles and doublets) and finally the flexibility of this technique also allowed obtaining high-order pulses that provided a proper FCC spectral fitting. Other valuables characteristics identified in these set ups are the plausibility of excellent tuning and a wide reconfiguration range. 2) The use of PM-IM conversion: Although the initial set of proposals succeeded at creating the desired waveforms, working in the linear regime increases the systems stability. Hence, for the second set of experiments it was decided to work with layouts based on the phase modulation-to-intensity modulation conversion process. One key structure for these experiments was a customization stage located after the before mentioned conversion process. In both cases, a very important aspect that was always taken into consideration was the capacity of the designed systems to adapt themselves to integrated structures. Therefore, all the contributions originated from this work can be considered of special interest not only as pulse generation designs but, also as valid photonic processing structures. RESUMEN El trabajo de doctorado aquí presentado tiene su nicho de aplicación dentro de los esquemas de generación de pulsos para comunicaciones ópticas, específicamente para aplicaciones de Ultra banda Ancha (Ultrawideband, UWB). En este sentido, a medida que la capacidad y ancho de banda requerido por los usuario para los servicios de comunicaciones de banda ancha aumenta constantemente, diferentes tecnologías como híbridos entre esquemas ópticos-no cableados, sistemas UWB en conjunto con competidores como la norma de interoperabilidad mundial para acceso por microondas (Worldwide Interoperability for Microwave Access, WIMAX), el estándar de Evolución a largo plazo (Long Term Evolution ,LTE) y el reciente Light Fidelity (LI-FI) continúan siendo investigadas como soluciones viables para proporcionar tasas de velocidades de datos que superan los Gigabits por segundo por usuario. Actualmente, las redes híbridas ópticas no cableadas son los proveedores claves para las redes de retorno y definitivamente jugarán un papel estratégico en la siguiente generación de redes de acceso, las cuales requieren una estrategia de despliegue flexible, alta capacidad, capacidad de actualización, escalabilidad y factibilidad. Por otro lado, la creación de señales arbitrarias es un tema fundamental dada su amplia utilización para una miríada de aplicaciones prácticas como: ensambles para sistemas de imagen, radares, instrumentación, diseño de estructuras para biomedicina y soluciones de comunicaciones. Durante los últimos años, todos los esfuerzos han estado dirigidos hacia propuestas enfocadas en la generación directamente dentro del dominio óptico por las limitaciones presentes en las soluciones tradicionales eléctricas cuando operan a altas frecuencias y requieren largos anchos de banda. Una extensa revisión y un meticuloso análisis de las propuestas vigentes me ha permitido establecer las más relevantes técnicas de generación de señales, al mismo tiempo que ha proporcionado las bases para la conceptualización de diseños propios. El objetivo principal de esta tesis doctoral recae en el ya mencionado análisis del estado del arte de las soluciones fotónicas para generación de pulsos ya mencionadas, en conjunto con la propuesta y validación experimental de nuevas técnicas que sean exitosas en producir pulsos UWB de alto orden, los cuales representan la mejor alternativa para satisfacer el estándar establecido por la FCC. Específicamente, los dos enfoques estudiados en esta investigación son: 1) La utilización de los efectos no lineales para generar pulsos con características UWB: En este segmento de experimentos, exitosamente se tomó ventaja de los efectos no lineales inherentes al Interferómetro Mach- Zehnder (MZI) empleado para producir las formas de ondas deseadas. Primero, se probaron las habilidades del diseño en generar derivadas gaussianas de bajo orden (conocidas en el vocabulario de la tecnología UWB como “monociclos” y “dobletes”) y finalmente la flexibilidad de esta técnica para obtener aquellas derivadas de alto orden, que son las que proporcionan una concordancia apropiada en términos de la normativa espectral establecida por la FCC. Otros rasgos resaltantes identificados en estos esquemas son la factibilidad para su reproducción t excelente capacidad de sintonización y reconfiguración. 2) El uso de conversión PM-IM: A pesar de que las propuestas iniciales mostraron resultados óptimos en la búsqueda de las señales requeridas, operar dentro del régimen lineal incrementa la estabilidad del sistema, algo que definitivamente no era un factor favorable en los diseños iniciales. Por ende, para el segundo conjunto de experimentos llevados a cabo en esta investigación, se decidió trabajar con diseños basados en el proceso de conversión de modulación de fase a modulación de intensidad. Una de las estructuras claves para estos experimentos fue una unidad de reconfiguración de pulsos ubicada después del comentado proceso de conversión En ambos casos, un aspecto muy importante que ha sido tomado en cuenta en ambos casos fue la capacidad del sistema diseñado de adaptarse al esquema de estructuras ópticas integradas. Por lo tanto, todas las contribuciones originadas de este trabajo pueden ser estudiadas y consideradas de interés especial no solo como esquemas de generación de pulsos pero también como estructuras de procesamiento óptico válidas.