Microwave signal processing in the optical domain is investigated in this thesis. Two signal processors including an all-optical fractional Hilbert transformer and an all-optical microwave differentiator are investigated and experimentally demonstrated. Specifically, the photonic-assisted fractional Hilbert transformer with tunable fractional order is implemented based on a temporal pulse shaping system incorporating a phase modulator. By applying a step function to the phase modulator to introduce a phase jump, a real-time fractional Hilbert transformer with a tunable fractional order is achieved. The microwave bandpass differentiator is implemented based on a finite impulse response (FIR) photonic microwave delay-line filter with nonuniformly-spaced taps. A microwave bandpass differentiator based on a six-tap nonuniformly-spaced photonic microwave delay-line filter with all- positive coefficients is designed, simulated, and experimentally demonstrated. The reconfigurability of the microwave bandpass differentiator is experimentally investigated. The employment of the differentiator to perform differentiation of a bandpass microwave signal is also experimentally demonstrated.

Thanks to its compatibility with the current CMOS technology and its potential of seamless integration with electronics, silicon photonics has been attracting an ever-increasing interest in recent years from both the academia and industry. By applying silicon photonic technology in microwave photonics, on-chip integration of microwave photonic systems could be implemented with improved performance including a much smaller size, better stability and lower power consumption. This thesis focuses on developing silicon-based photonic integrated circuits for microwave photonic applications. Two types of silicon-based on-chip devices, waveguide Bragg gratings and optical micro-cavity resonators, are designed, developed, and characterized, and the use of the developed devices in microwave photonic applications is studied. After an introduction to silicon photonics and microwave photonics in Chapter 1 and an overview of microwave photonic signal generation and processing in Chpater2, in Chapter 3 a silicon-based on-chip phase-shifted waveguide Bragg grating (PS-WBG) is designed, fabricated and characterized, and its use for the implementation of a photonic temporal differentiator is experimentally demonstrated. To have a waveguide grating that is wavelength tunable, in Chapter 4 a tunable waveguide grating is proposed by incorporating a PN junction across the waveguide grating, to use the free-carrier plasma dispersion effect in silicon to achieve wavelength tuning. The use of a pair of wavelength-tunable waveguide gratings to form a wavelength-tunable Fabry-Perot resonator for microwave photonic signal processing is studied. Thanks to its electrical tunability, a high-speed electro-optic modulator, a tunable fractional-order photonic temporal differentiator and a tunable optical delay line are experimentally demonstrated. To increase the bandwidth of a waveguide grating, in Chapter 5 a linearly chirped waveguide Bragg grating (LC-WBG) is designed, fabricated and evaluated. By incorporating two LC-WBGs in two arms of a Mach-Zehnder interferometer (MZI) structure, an on-chip optical spectral shaper is produced, which is used in a photonic microwave waveform generation system based on spectral-shaping and wavelength-to-time (SS-WTT) mapping for linearly chirped microwave waveform (LCMW) generation. To enable the LC-WBG to be electrically tuned, in Chapter 6 a lateral PN junction is introduced in the grating and thus an electrically tunable LC-WBG is realized. By incorporating two tunable LC-WBGs in a Michelson interferometer structure, an electrically tunable optical spectral shaper is made. By applying the fabricated spectral shaper in an SS-WTT mapping system, a continuously tunable LCMW is experimentally generated. Compared with a waveguide Bragg grating device, an on-chip optical micro-cavity resonator usually has a much smaller dimension, which is of help to increase the integration density and reduce the power consumption. Different on-chip optical micro-cavity resonators are studied in this thesis. In Chapter 7, an on-chip symmetric MZI incorporating multiple cascaded microring resonators is proposed. By controlling the radii of the rings, the MZI could be designed to have a spectral response with a linearly-varying free spectral range (FSR), which could be used in photonic generation of an LCMW, and to have a multi-channel spectral response with identical channel spacing, which could be used in the implementation of an independently tunable multi-channel fractional-order temporal differentiator. To further reduce the footprint of an optical micro-cavity resonator, in Chapter 8 an ultra-compact microdisk resonator (MDR) with a single-mode operation and an ultra-high Q-factor is proposed, fabricated and evaluated, and its use for the implementation of a microwave photonic filter and an optical delay line is experimentally demonstrated. To enable the MDR to be electrically tunable, in Chapter 9 an electrically tunable MDR is realized by incorporating a lateral PN junction in the disk. The use of the fabricated MDR in microwave photonic applications such as a high-speed electro-optic modulator, a tunable photonic temporal differentiator and a tunable optical delay line is experimentally demonstrated.

La génération de signaux microondes à grande pureté spectrale est fondamentale pour différentes applications (systèmes RADAR, échantillonnage large bande). L’optique propose des solutions prometteuses pour la montée en fréquence des d’oscillateurs à bas bruit de phase. L’objectif de cette thèse est d’étudier différentes configurations d’oscillateurs optoélectroniques (OEO) à 10 GHz. Pour cela, nous avons développé puis validé expérimentalement un modèle décrivant le bruit de phase, que nous avons ensuite étendu aux OEOs à boucles multiples. Cet outil unique nous a permis de concevoir un OEO à double boucles à l’état de l’art avec un encombrement réduit (premier mode parasite avec un niveau de bruit de phase de -146 dBc/Hz à 187 kHz de la porteuse). Nous avons également étudié des OEOs à amplification optique qui permettent de lever les verrous associés aux amplificateurs RF lors de la montée en fréquence (contribution de bruit et bande passante) tout en conservant d’excellentes performances. Enfin, nous nous sommes intéressés aux oscillateurs optoélectroniques couplés (COEOs), qui associent un laser à verrouillage de modes à un OEO. Nous avons modélisé le bruit de phase du laser en tenant en compte pour la première fois la non-orthogonalité des modes de la cavité, puis initié un modèle pour le COEO. Après une étude expérimentale des paramètres clef, nous avons réalisé un COEO proche de l’état de l’art, dont le bruit phase au voisinage de la porteuse est amélioré par rapport aux OEOs pour des longueurs de boucle plus courtes. / High purity microwave signal generation is required in various applications (RADAR systems, wideband sampling). For high frequency operations, optics offer promising solutions to generate low noise oscillators. The objective of this thesis consists in studying various optoelectronic oscillator (OEO) configurations at 10 GHz. We first worked on a phase noise model and its experimental validation, further extended to multiple loop OEOs. This comprehensive model allowed the design of a state-of-the-art dual loop OEO with consideration to its compactness (first spur located at 187 kHz from the carrier with a phase noise level of 146 dBc/Hz).We then focused on all photonic gain OEOs to get rid of RF amplifiers whose bandwidth and noise contributions are a limit for high frequency operations. Finally, we studied coupled optoelectronic oscillators (COEOs) which may simply be described as a combination of a mode locked laser and an OEO. We worked on a phase noise model for active and harmonically mode locked laser taking into account for the first time the non-orthogonality of the cavity modes. This model is the basis to a COEO model we began to develop. After experimentally determining key parameters, we designed and optimized a low noise COEO exhibiting a close-to-carrier phase noise similar to the state-of-the-art.

La capacité et les performances des systèmes à fibres optiques et photoniques dépendent fortement du bruit et des non-linéarités des amplificateurs optiques. Dans ce contexte, les amplificateurs paramétriques à fibre optique (PS-FOPA), reposant sur le mélange à quatre ondes dans les fibres optiques, surpassent les amplificateurs conventionnels insensibles à la phase. En effet, leur sensibilité à la phase peut être exploitée pour l'amplification sans bruit et al compensation de la distortion non-linéaire. En conjonction avec leur large spectre de gain et d'autres fonctionnalités telles que la conversion de longueur d'onde, ils sont considérés comme des candidats prometteurs pour la prochaine génération d'amplificateurs optiques pour les communications et le traitement de signal tout optiques.Le PS-FOPA est classiquement décrit par les équations d'ondes couplées, dérivées de l'équation de Schrödinger non-linéaire qui ne contiennent que trois ou quatre ondes en interaction. Cependant, dans un cas plus général, l'apparition de fréquences supplementaires d’ordre plus élevé affectera inévitablement la sensibilité en phase.L’objectif de cette thèse est d'étudier de manière approfondie les propriétés non-linéaires, en termes de gain et de sensibilité en phase d'un PS-FOPA dégénéré à double pompe pour différentes configurations. Une analyse numérique plus précise est obtenue en utilisant le modèle à 7 ondes qui incorpore les ondes supplémentaires issues de processus de mélange à quatre ondes d’ordre élevé. Ce modèle permet de donner une interprétation physique plus précise des interactions multi-ondes en fonction des conditions d'accord de phase, révélant les relations sous-jacentes entre la dispersion et la sensibilité de phase. De plus, la capacité de régénération simultanée de phase et d'amplitude d'un PS-FOPA basique est évaluée pour l'optimisation globale. Il permet d'exploiter pleinement la capacité potentielle d'un PS-FOPA de base agissant comme un bloc de construction fondamental des futures fonctionnalités tout optiques. L’approche basée sur ce modèle permet une optimisation orientée vers l’application et revêt une importance particulière pour la conception et l'optimisation de tels PS-FOPAs dans divers scénarios. / The capability and performance of the widely deployed fiber-optic and photonic systems strongly depend on the noise and nonlinearities of the optical amplifiers. In this context, phase-sensitive fiber-optic parametric amplifiers (PS-FOPAs), relying on four-wave mixing in optical fibers, outperforms conventional phase-insensitive amplifier thanks to the unique phase-sensitivity that can be exploited for noiseless amplification and mitigation of the nonlinear impairment. In conjunction with the vast gain spectrum and other functionality such as wavelength conversion, they have been regarded as a promising candidate for the next generation optical amplifiers towards all-optical communication and processing.The PS-FOPA is conventionally described by the fundamental coupled wave equations derived from the nonlinear Schrödinger equation that contains only three or four interacting waves. However, for a more general case, the emergence of high-order waves will inevitably affect the phase-sensitivity. The objective of this thesis aims at the thorough investigation of the nonlinear properties in terms of the gain properties and the phase sensitivities with respect to different configurations of a dual-pump signal-idler degenerate PS-FOPA. The more accurate numerical analysis is obtained by using the 7-wave model that incorporates the first order high-order waves stemming from the high-order four-wave mixing processing. This model permits to assess a more precise physical interpretation of the multi-wave interactions based on phase matching conditions, revealing the underlying relations between the dispersion and the phase-sensitivity. Moreover, the simultaneous phase and amplitude regenerative capability of a basic PS-FOPA is evaluated for the overall optimization. It allows fully exploiting the potential ability of a basic PS-FOPA acting as a fundamental building block of the future all-optical functionalities. The analysis approach based on this model permits application-oriented optimization and is of particular guiding significance for design and optimization of PS-FOPA in various scenarios.

Ces travaux portent sur l'insertion de résonateurs en anneau de silicium dans des boucles d’oscillateurs optoélectroniques (OEO) pour la génération de signaux micro-ondes à faible bruit de phase et constituent une contribution à la future intégration complète des systèmes OEO en photonique silicium. L'orientation de l'application qui a été explorée a été d'évaluer la performance de ces systèmes pour la détection de variations d’indice optique en volume. Deux configurations différentes de résonateurs en anneau de silicium à base d'OEO ont été proposées et démontrées : des OEO à base de résonateurs en anneau silicium millimétriques et des OEO accordables à base d’anneaux plus compacts et d'un schéma spécifique de réinjection de porteuse optique.Dans la première approche, le signal optique est utilisé comme porteuse optique, qui est modulée par un modulateur d'intensité qui produit un ensemble de deux bandes latérales dans le domaine optique, tandis que le résonateur en anneau génère un peigne optique qui agit comme un filtre optique, transposant son intervalle spectral libre (ISL) dans le domaine micro-onde. Par le battement des deux raies optiques adjacentes dans un photodétecteur, l’information est ainsi traduite dans le domaine RF. La contribution de notre travail a été de démontrer que la réalisation de résonateurs millimétriques (environ 6mm) en photonique silicium était une approche viable et intéressante pour la réalisation directe d'OEO. Dans les configurations étudiées, les résonateurs en anneau SOI ont été optimisés pour satisfaire la cible requise d'un ISL d’environ 15 GHz et un facteur de qualité optique supérieur à 10^5. Les résultats expérimentaux obtenus ont démontré la viabilité et la stabilité de l'approche proposée, tandis qu’un niveau de bruit de phase de -100dBc/Hz à un décalage de 100 kHz par rapport à la porteuse et une capacité de détection du système d’environ 3,72 GHz/RIU ont été quantifiés pour une variation de l'indice de réfraction comprise entre 1,572 et 1,688, en bon accord avec les résultats des simulations.En complément de cette première étape, nous avons abordé la question très importante de l'accordabilité de la fréquence du signal hyperfréquence généré. À cette fin, nous avons proposé, conçu, puis développé et testé une configuration d’OEO originale, basée sur l'utilisation d'une seule bande de modulation et d'un mécanisme de réinjection de la porteuse optique du laser de la boucle. Dans ce schéma, le signal oscillant est créé par le battement entre le faisceau laser et une bande latérale unique du signal de modulation sélectionnée par un résonateur en anneau. Dans l'implémentation que nous avons réalisée, un résonateur photonique SOI avec un ISL de 77 GHz et un facteur de qualité optique à 8,1×10^4 a été utilisé. En modifiant la fréquence du laser tout en conservant une longueur d'onde de résonance du résonateur fixe, une accordabilité de 5,8 GHz à 18,2 GHz a été démontrée, qui est seulement limitée par le fonctionnement de l'amplificateur RF utilisé dans les expériences réalisées. Parallèlement, un niveau de bruit de phase de -115 dBc/Hz à une fréquence de décalage de 1 MHz a été obtenu pour tous les signaux générés, démontrant la possibilité de créer des fréquences d'oscillation élevées avec le même niveau de bruit de phase. Nous avons ensuite appliqué cette approche à la détection de l'indice de réfraction en volume et démontré une sensibilité de détection de 94350 GHz/RIU et une limite de détection d'indice de 10^-8 RIU. Au-delà de ces résultats expérimentaux, l'apport de cette seconde approche apporte une solution simple et flexible au problème de la génération de signaux hyperfréquences à fréquences variables à la demande, et ouvre des perspectives d'application très riches.Tous les résultats de la thèse contribuent à la question de l'intégration des OEO sur puces silicium et permettent d'anticiper diverses applications dans le domaine des communications et des capteurs. / This work focuses on the insertion of silicon ring resonators into the loops of optoelectronic oscillators (OEO) for the generation of low phase noise microwave signals and is a contribution to the future full integration of OEO systems on single silicon chips. The application orientation that was explored was to evaluate the performance of these systems for bulk optical index detection. Two different configurations of silicon ring resonators based OEO have been proposed and demonstrated: OEO based on millimeter-long silicon ring resonators and tunable OEO based on more compact silicon ring resonators and a specific optical carrier reinjection scheme.In the first approach, the optical signal is used as an optical carrier, which is modulated by an intensity modulator that produces a set of sidebands in the optical domain, while the ring resonator generates an optical comb that acts as an optical filter, translating its Free Spectral Range (FSR) into the microwave domain. By the beating of two adjacent optical comb lines in a photodetector, the optical spectral lines are then translated into the RF domain. The contribution of our work has been to demonstrate that the realization of millimeter resonators (about 6mm) in silicon photonics was a viable and interesting approach for the direct realization of OEO. In the investigated configurations, SOI ring resonators were optimized to satisfy the required target of a FSR of around 15GHz and an optical quality factor above 10^5. The demonstrated experimental results showed the viability and the stability of the proposed approach, while phase noise level of -100dBc/Hz at an offset of 100 kHz from carrier was obtained and sensing capability of the studied system was quantified to around 3.72 GHz/RIU for a refractive index variation in the range of 1.572 to 1.688, in good agreement with simulation results.In a complementary direction to this first step, we addressed the very important issue of the tunability of the frequency of the microwave signal generated. To this end, we proposed, designed, and then developed and tested an original OEO configuration based on the use of a single modulation band and a mechanism for reinjection of the optical carrier from the loop laser. In this scheme, the oscillation signal is created under the beating between the laser light beam and a single modulation signal sideband selected by an add-drop ring resonator working as an effective optical bandpass filter. In the implementation we have carried out, a SOI photonic resonator with a FSR of 77 GHz and an optical quality factor at 8.1×10^4 was used. By changing the laser frequency while keeping a fixed resonator resonance wavelength, a tunability from 5.8GHz to 18.2GHz was demonstrated, being only limited by the working operation of the RF amplifier used in the carried out experiments. Meanwhile, a phase noise level of -115 dBc/Hz at 1MHz offset frequency was obtained for all generated signals, showing the possibility of creating high oscillation frequencies with the same phase noise level. We then applied this approach for bulk refractive index sensing application and demonstrated a sensing sensitivity of 94350GHz/RIU and an index limit of detection of 10^-8 RIU by considering a signal resolution of 1MHz. Beyond these experimental results, the contribution of this second approach provides a simple and flexible solution to the problem of generating microwave signals with variable frequencies on demand, and opens up very rich application perspectives.All the results of the thesis contribute to the question of the integration of OEOs on silicon chips and make it possible to anticipate various applications in the field of communications and sensors.

Integrated microwave photonics changes the scaling laws of information and communication systems offering architectural choices that combine photonics with electronics to optimize performance, power, footprint and cost. Application Specific Photonic Integrated Circuits, where particular circuits/chips are designed to optimally perform particular functionalities, require a considerable number of design and fabrication iterations leading to long-development times and costly implementations. A different approach inspired by electronic Field Programmable Gate Arrays is the programmable Microwave Photonic processor, where a common hardware implemented by the combination of microwave, photonic and electronic subsystems, realizes different functionalities through programming. Here, we propose the first-ever generic-purpose Microwave Photonic processor concept and architecture. This versatile processor requires a powerful end-to-end field-based analytical model to optimally configure all their subsystems as well as to evaluate their performance in terms of the radiofrequency gain, noise and dynamic range. Therefore, we develop a generic model for integrated Microwave Photonics systems. The key element of the processor is the reconfigurable optical core. It requires high flexibility and versatility to enable reconfigurable interconnections between subsystems as well as the synthesis of photonic integrated circuits. For this element, we focus on a 2-dimensional photonic waveguide mesh based on the interconnection of tunable couplers. Within the framework of this Thesis, we have proposed two novel interconnection schemes, aiming for a mesh design with a high level of versatility. Focusing on the hexagonal waveguide mesh, we explore the synthesis of a high variety of photonic integrated circuits and particular Microwave Photonics applications that can potentially be performed on a single hardware. In addition, we report the first-ever demonstration of such reconfigurable waveguide mesh in silicon. We demonstrate a world-record number of functionalities on a single photonic integrated circuit enabling over 30 different functionalities from the 100 that could be potentially obtained with a simple seven hexagonal cell structure. The resulting device can be applied to different fields including communications, chemical and biomedical sensing, signal processing, multiprocessor networks as well as quantum information systems. Our work is an important step towards this paradigm and sets the base for a new era of generic-purpose photonic integrated systems. / Los dispositivos integrados de fotónica de microondas ofrecen soluciones optimizadas para los sistemas de información y comunicación. Generalmente, están compuestos por diferentes arquitecturas en las que subsistemas ópticos y electrónicos se integran para optimizar las prestaciones, el consumo, el tamaño y el coste del dispositivo final. Hasta ahora, los circuitos/chips de propósito específico se han diseñado para proporcionar una funcionalidad concreta, requiriendo así un número considerable de iteraciones entre las etapas de diseño, fabricación y medida, que origina tiempos de desarrollo largos y costes demasiado elevados. Una alternativa, inspirada por las FPGA (del inglés Field Programmable Gate Array), es el procesador fotónico programable. Este dispositivo combina la integración de subsistemas de microondas, ópticos y electrónicos para realizar, mediante la programación de los mismos y sus interconexiones, diferentes funcionalidades. En este trabajo, proponemos por primera vez el concepto del procesador de propósito general, así como su arquitectura. Además, con el fin de diseñar, optimizar y evaluar las prestaciones básicas del dispositivo, hemos desarrollado un modelo analítico extremo a extremo basado en las componentes del campo electromagnético. El modelo desarrollado proporciona como resultado la ganancia, el ruido y el rango dinámico global para distintas configuraciones de modulación y detección, en función de los subsistemas y su configuración. El elemento principal del procesador es su núcleo óptico reconfigurable. Éste requiere un alto grado de flexibilidad y versatilidad para reconfigurar las interconexiones entre los distintos subsistemas y para sintetizar los circuitos para el procesado óptico. Para este subsistema, proponemos el diseño de guías de onda reconfigurables para la creación de mallados bidimensionales. En el marco de esta tesis, hemos propuesto dos nuevos nodos de interconexión óptica para mallas reconfigurables, con el objetivo de obtener un mayor grado de versatilidad. Una vez escogida la malla hexagonal para el núcleo del procesador, hemos analizado la configuración de un gran número de circuitos fotónicos integrados y de funcionalidades de fotónica de microondas. El trabajo se ha completado con la demonstración de la primera malla reconfigurable integrada en un chip de silicio, demostrando además la síntesis de 30 de las 100 funcionalidades que potencialmente se pueden obtener con la malla diseñada compuesta de 7 celdas hexagonales. Este hecho supone un record frente a los sistemas de propósito específico. El sistema puede aplicarse en diferentes campos como las comunicaciones, los sensores químicos y biomédicos, el procesado de señales, la gestión y procesamiento de redes y los sistemas de información cuánticos. El conjunto del trabajo realizado representa un paso importante en la evolución de este paradigma, y sienta las bases para una nueva era de dispositivos fotónicos de propósito general. / Els dispositius integrats de Fotònica de Microones oferixen solucions optimitzades per als sistemes d'informació i comunicació. Generalment, estan compostos per diferents arquitectures en què subsistemes òptics i electrònics s'integren per a optimitzar les prestacions, el consum, la grandària i el cost del dispositiu final. Fins ara, els circuits/xips de propòsit específic s'han dissenyat per a proporcionar una funcionalitat concreta, requerint així un nombre considerable d'iteracions entre les etapes de disseny, fabricació i mesura, que origina temps de desenrotllament llargs i costos massa elevats. Una alternativa, inspirada per les FPGA (de l'anglés Field Programmable Gate Array), és el processador fotònic programable. Este dispositiu combina la integració de subsistemes de microones, òptics i electrònics per a realitzar, per mitjà de la programació dels mateixos i les seues interconnexions, diferents funcionalitats. En este treball proposem per primera vegada el concepte del processador de propòsit general, així com la seua arquitectura. A més, a fi de dissenyar, optimitzar i avaluar les prestacions bàsiques del dispositiu, hem desenrotllat un model analític extrem a extrem basat en els components del camp electromagnètic. El model desenrotllat proporciona com resultat el guany, el soroll i el rang dinàmic global per a distintes configuracions de modulació i detecció, en funció dels subsistemes i la seua configuració. L'element principal del processador és el seu nucli òptic reconfigurable. Este requerix un alt grau de flexibilitat i versatilitat per a reconfigurar les interconnexions entre els distints subsistemes i per a sintetitzar els circuits per al processat òptic. Per a este subsistema, proposem el disseny de guies d'onda reconfigurables per a la creació de mallats bidimensionals. En el marc d'esta tesi, hem proposat dos nous nodes d'interconnexió òptica per a malles reconfigurables, amb l'objectiu d'obtindre un major grau de versatilitat. Una vegada triada la malla hexagonal per al nucli del processador, hem analitzat la configuració d'un gran nombre de circuits fotónicos integrats i de funcionalitats de fotónica de microones. El treball s'ha completat amb la demostració de la primera malla reconfigurable integrada en un xip de silici, demostrant a més la síntesi de 30 de les 100 funcionalitats que potencialment es poden obtindre amb la malla dissenyada composta de 7 cèl·lules hexagonals. Este fet suposa un rècord enfront dels sistemes de propòsit específic. El sistema pot aplicarse en diferents camps com les comunicacions, els sensors químics i biomèdics, el processat de senyals, la gestió i processament de xarxes i els sistemes d'informació quàntics. El conjunt del treball realitzat representa un pas important en l'evolució d'este paradigma, i assenta les bases per a una nova era de dispositius fotónicos de propòsit general. / Pérez López, D. (2017). Integrated Microwave Photonic Processors using Waveguide Mesh Cores [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/91232 / TESIS

In future cellular radio networks Radio over Fiber (RoF) is a very attractive technology to deliver microwave and millimeter-wave signals containing broad band multimedia services to numerous base stations of the network. The radio signals are placed on an optical carrier and distributed by means of an optical fiber network to the base stations (BS). In the BS the optical signals heterodyne in a photodiode to produce the radio signals which are then sent via a wireless link to the mobile units (MU). The optical fiber network provides high frequency, wideband, low loss and a means of signal distribution immune to electromagnetic interference. In this thesis, different methods of electrooptical upconversion were investigated. The generation of an optical double-sideband with suppressed carrier (DSB-SC) signal is a straightforward method due to the fact that only one optical modulator driven at half the millimeter-wave frequency is required. One or both sidebands were ASK-modulated with baseband data rates of up to 10 Gbps. Optical single sideband modulation proves to be dispersion resilient as error free transmission was demonstrated after 53 km of single mode fiber transmission for data rates up to 10 Gbps. Wireless links up to 7 m were also demonstrated, proving the feasibility of this approach for broadband wireless inhouse access systems. / Für zukünftige zellulare Funknetze ist „Radio over Fiber (RoF)“ eine sehr attraktive Technologie, um breitbandige Multimedia-Dienste mit Mikro- und Millimeterwellen zu übertragen. Die Funksignale werden dabei auf eine optische Trägerwelle aufmoduliert und mittels eines optischen Fasernetzes zu den Basisstationen (BS) verteilt. In den BS erfolgt die Überlagung der optischen Signale durch eine Fotodiode, um die Funksignale zu erzeugen. Diese werden dann über eine drahtlose Verbindung zu den beweglichen Multimedia-Endgeräten geschickt. Vorteile des optischen Fasernetzes sind Breitbandigkeit, geringe Dämpfung und eine gegenüber elektromagnetischen Störungen immune Signalverteilung. In dieser Arbeit werden verschiedene Methoden der elektrooptischen Aufwärtskonversion erforscht und die wichtigsten Eigenschaften dieser untersucht. Die Erzeugung eines optischen Zweiseitenbandsignales mit unterdrücktem Träger (DSB-SC) ist eine einfache Methode, da nur ein optischer Modulator, betrieben mit der halben elektrischen Trägerfrequenz, benötigt wird. Eine oder beide Seitenbänder konnten mit Bitraten bis zu 10 Gbps amplitudenmoduliert werden. Optische Einseitenbandmodulation ist extrem tolerant bezüglich der chromatischen Dispersion der Faser, wie die fehlerfreie Übertragung nach 53 km Glasfaser beweist. Drahtlose Links bis zu 7 m wurden realisiert und zeigen die Möglichkeit dieser Verfahren für breitbandige drahtlose Inhouse-Zugangssysteme.

Die Vermischung von Mikrowellen- und optischen Technologien – Mikrowellenphotonik – ist ein neu aufkommendes Feld mit hohem Potential. Durch die Nutzung der Vorzüge beider Welten hat die Mikrowellenphotonik viele Anwendungsfälle und ist gerade erst am Beginn ihrer Erfolgsgeschichte. Der Weg für neue Konzepte, neue Komponenten und neue Anwendungen wird dadurch geebnet, dass ein höherer Grad an Integration sowie neue Technologien wie Silicon Photonics verfügbar sind. In diesem Werk werden zuerst die notwendigen grundlegenden Basiskomponenten – optische Quelle, elektro-optische Wandlung, Übertragungsmedium und opto-elektrische Wandlung – eingeführt. Mithilfe spezifischer Anwendungsbeispiele, die von Chipebene bis hin zur Systemebene reichen, wird der elektrooptische Codesign-Prozess veranschaulicht. Schließlich werden zukünftige Ausrichtungen wie die Unterstützung von elektrischen Trägern im Millimeterwellen- und THz-Bereich sowie Realisierungsoptionen in integrierter Optik und Nanophotonik diskutiert. / The hybridization between microwave and optical technologies – microwave photonics – is an emerging field with high potential. Benefitting from the best of both worlds, microwave photonics has many use cases and is just at the beginning of its success story. The availability of a higher degree of integration and new technologies such as silicon photonics paves the way for new concepts, new components and new applications. In this work, first, the necessary basic building blocks – optical source, electro-optical conversion, transmission medium and opto-electrical conversion – are introduced. With the help of specific application examples ranging from chip level to system level, the electro-optical co-design process for microwave photonic systems is illustrated. Finally, future directions such as the support of electrical carriers in the millimeter wave and THz range and realization options in integrated optics and nanophotonics are discussed.

[EN] Space-division multiplexing fibers emerged as a promising solution to overcome the imminent capacity crunch of conventional singlemode fiber networks. Despite these fibers were initially conceived as distribution media for long-haul high-capacity digital communications, they can be applied to a wide variety of scenarios including centralized radio access networks for wireless communications, data-center interconnects, Microwave Photonics signal processing and fiber sensing. Particular interest is raised by emerging communications paradigms, such as 5G and The Internet of Things, which require a full integration between the optical fiber and the wireless networks segments. Microwave Photonics, discipline that focuses on the generation, processing, control and distribution of radiofrequency signals by photonics means, is called to play a decisive role. One of the major challenges that Microwave Photonics has to overcome to satisfy next-generation communication demands relates to the reduction of size, weight and power consumption while assuring broadband seamless reconfigurability and stability. There is one revolutionary approach that has however been left untapped in finding innovative ways to address that challenge: exploiting space, the last available degree of freedom for optical multiplexing. In this Thesis, we propose to exploit the inherent parallelism of multicore and few-mode fibers to implement sampled discrete true time delay lines, providing, in a single optical fiber, a compact and efficient approach for both Microwave Photonics signal distribution and processing. For the multicore fiber approach, we study the influence of the refractive index profile of each heterogeneous core on the propagation characteristics as to feature specific group delay and chromatic dispersion values. We designed and fabricated two different heterogeneous trench-assisted 7-core fibers that behave as sampled true time delay lines. While one of them was fabricated by using 7 different preforms to feature a plenary performance, the other one employed a single preform with the aim of minimizing fabrication costs. In the case of few-mode fibers, we propose the implementation of a tunable true time delay line by means of a custom-designed fiber with a set of inscribed long period gratings that act as mode converters to properly tailor the sample group delays. We designed and fabricated a true time delay line on a 4-mode fiber by inscribing 3 long period gratings at specific positions along the fiber link. As a proof-of-concept validation, we experimentally demonstrated different Microwave Photonics signal processing functionalities implemented over both multicore and few-mode fiber approaches. This work opens the way towards the development of distributed signal processing for microwave and millimeter wave signals in a single optical fiber. These true time delay lines can be applied to a wide range of Information and Communication Technology paradigms besides fiber-wireless communications such as broadband satellite communications, distributed sensing, medical imaging, optical coherence tomography and quantum communications. / [ES] La multiplexación por división espacial en fibras ópticas surgió como una solución prometedora al inminente colapso en la capacidad de las redes de fibra monomodo convencionales. Aunque estas fibras fueron concebidas inicialmente como medio de distribución en comunicaciones digitales de larga distancia y alta capacidad, pueden emplearse en una amplia variedad de escenarios, incluyendo redes de acceso radio centralizadas para comunicaciones inalámbricas, interconexiones en centros de datos, así como procesado de señal en Fotónica de Microondas y sensado en fibra. Los paradigmas de comunicaciones emergentes despiertan un interés particular, como 5G y el Internet de las Cosas, que requieren una integración total entre el segmento de red de fibra óptica y el inalámbrico. La Fotónica de Microondas, disciplina que se focaliza en la generación, procesado, control y distribución de señales de radiofrecuencia por medio de la fotónica, está destinada a jugar un papel decisivo. Uno de los mayores desafíos que la Fotónica de Microondas debe superar para satisfacer los requisitos de las nuevas generaciones de comunicaciones se basa en la reducción de tamaño, peso y consumo de potencia, mientras se garantiza reconfiguración y estabilidad de banda ancha. Encontramos aquí un enfoque revolucionario capaz de abordar este desafío de una manera innovadora que, sin embargo, no ha sido aprovechado en este contexto: la explotación del espacio, el último grado de libertad para multiplexación óptica. En esta Tesis, proponemos explotar el paralelismo inherente de las fibras ópticas multinúcleo y de pocos modos para implementar líneas de retardo en tiempo real muestreadas que proporcionan, en una sola fibra óptica, una solución compacta y eficiente tanto para distribución como para procesado de señales de Fotónica de Microondas. En el caso de fibras multinúcleo, estudiamos la influencia del perfil de índice de refracción de cada núcleo heterogéneo en las características de propagación para que exhiba unos valores concretos de retardo de grupo y dispersión cromática. Diseñamos y fabricamos dos fibras distintas de 7 núcleos con zanjas que se comportan como líneas de retardo en tiempo real muestreadas. Mientras que una de ellas se fabricó utilizando 7 preformas diferentes para garantizar un funcionamiento completo, la segunda se fabricó utilizando una única preforma con el objetivo de minimizar costes de fabricación. En el caso de fibras de pocos modos, proponemos la implementación de líneas de retardo en tiempo real sintonizables mediante el uso de una fibra específicamente diseñada y la inscripción de un conjunto de redes de difracción de periodo largo que actúan como conversores de modos para ajustar adecuadamente el retardo de grupo de las muestras. Diseñamos y fabricamos una línea de retardo en tiempo real en una fibra de 4 modos mediante la inscripción de 3 redes de difracción de periodo largo en posiciones concretas a lo largo de enlace de fibra. Como validación de prueba de concepto, demostramos experimentalmente diferentes funcionalidades de procesado de señal de Fotónica de Microondas implementadas en fibras multinúcleo y de pocos modos. Este trabajo abre el camino hacia el desarrollo del procesado de señal distribuido para señales de microondas y ondas milimétricas en una única fibra óptica. Además, las líneas de retardo en tiempo real desarrolladas pueden aplicarse a una amplia variedad de paradigmas de Tecnologías de la Información y Comunicaciones más allá de las comunicaciones radio sobre fibra, como es el caso de las comunicaciones de banda ancha por satélite, el sensado distribuido, la imagen médica, la tomografía óptica coherente y las comunicaciones cuánticas. / [CA] La multiplexació per divisió espacial en fibres òptiques va sorgir com una solució prometedora a l'imminent col·lapse en la capacitat de les xarxes de fibra monomode convencionals. Encara que estes fibres foren concebudes inicialment com a mitjà de distribució en comunicacions digitals de llarga distància i alta capacitat, poden emprar-se en una àmplia varietat d'escenaris, incloent xarxes d'accés radio centralitzades per a comunicacions sense fils, interconnexions en centres de dades, així com processat de senyal en Fotònica de Microones i sensat en fibra. Els paradigmes de comunicacions emergents desperten un interès particular, com el 5G i la Internet de les Coses, que requereixen una integració total entre els segments de xarxa de fibra òptica i el de sense fils. La Fotònica de Microones, disciplina que es focalitza en la generació, processat, control i distribució de senyals de radiofreqüència per mitjà de la fotònica, està destinada a jugar un paper decisiu. Un dels majors desafiaments que la Fotònica de Microones ha de superar per satisfer els requisits de les noves generacions de comunicacions es basa en la reducció de grandària, pes i consum de potència, mentre es garanteix reconfiguració i estabilitat de banda ampla Trobem ací un enfocament revolucionari capaç d'abordar aquest desafiament d'una manera innovadora que, no obstant això, no ha sigut aprofitat encara en este context: la explotació de l'espai, l'últim grau de llibertat per a multiplexat òptic. En aquesta Tesi, proposem explotar el paral·lelisme inherent de les fibres òptiques multinucli i de pocs modes per a implementar línies de retard en temps real de mostres discretes que proporcionen, en una sola fibra òptica, una solució compacta i eficient tant per a distribució com per a processat de senyals de Fotònica de Microones. En el cas de fibres multinucli, estudiem la influència del perfil d'índex de refracció de cada nucli heterogeni en les característiques de propagació perquè exhibisca uns valors concrets de retard de grup i dispersió cromàtica. Dissenyem i fabriquem dues fibres distintes de 7 nuclis amb rases que es comporten com a línies de retard en temps real mostrejades. Mentre que una d'elles es va fabricar utilitzant 7 preformes diferents per a garantir un funcionament complet, la segona va fabricar-se utilitzant una única preforma amb l'objectiu de minimitzar costos de fabricació. En el cas de fibres de pocs modes, proposem la implementació de línies de retard en temps real sintonitzables mitjançant l'ús d'una fibra específicament dissenyada i la inscripció d'un conjunt de xarxes de difracció de període llarg que actuen com a convertidors de modes per tal d'ajustar adequadament el retard de grup de les mostres. Dissenyem i fabriquem una línia de retard en temps real en una fibra de 4 modes mitjançant la inscripció de 3 xarxes de difracció de període llarg en posicions concretes al llarg de l'enllaç de fibra. Com a validació de proba de concepte, demostrem experimentalment diferents funcionalitats de processat de senyal de Fotònica de Microones implementades en fibres multinucli i de pocs modes. Aquest treball obri el camí cap al desenvolupament del processat de senyal distribuït per a senyals de microones i ones mil·limètriques en una única fibra òptica. A més, aquestes línies de retard en temps real poden aplicar-se a una àmplia varietat de paradigmes de Tecnologies de la Informació i Comunicacions més enllà de les comunicacions radio sobre fibra, com es el cas de les comunicacions de banda ampla per satèl·lit, el sensat distribuït, la imatge mèdica, la tomografia òptica coherent i les comunicacions quàntiques. / Agradezco al Ministerio de Economía y Competitividad del Gobierno de España por la financiación recibida mediante la ayuda FPI. / García Cortijo, S. (2020). Distributed radiofrequency signal processing based on space-division multiplexing fibers [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/147858 / TESIS

Cette distinction est également valable pour le genre des individus (homme/femme). L'étude menée a montré que l'approche utilisant l'information spectrale des contours des phalanges permet une identification par seulement trois phalanges, à un taux EER (Equal Error Rate) inférieur à 0.24 %. Par ailleurs, il a été constaté « de manière surprenante » que la technique fondée sur les rapports de vraisemblance entre les phalanges permet d'atteindre un taux d'identification de 100 % et un taux d'EER de 0.37 %, avec une seule phalange. Hormis l'aspect identification/authentification, notre étude s'est penchée sur l'optimisation de la dose de rayonnement permettant une identification saine des individus. Ainsi, il a été démontré qu'il était possible d'acquérir plus de 12500/an d'images radiographiques de la main, sans pour autant dépasser le seuil administratif de 0.25 mSvL'avancement de la communication numérique optique dans les réseaux longue distance et d'accès a déclenché les technologies émergentes dans le domaine micro-ondes / ondes millimétriques. Ces systèmes hybrides sont fortement influencés non seulement par les déficiences de liens optiques mais aussi des effets de circuits électriques. Les effets optiques et électriques peuvent être ainsi étudiés en même temps en utilisant des outils assistés par ordinateur en développant des modèles de circuit équivalent de l'ensemble des composants de liaison tels que les lasers à semi-conducteurs, modulateurs, photo-détecteurs et fibre optique. Dans cette thèse, les représentations de circuit des composants de liaison photoniques sont développées pour étudier des architectures différentes. Depuis la source de lumière optique est le principal facteur limitant de la liaison optique, une attention particulière est accordée aux caractéristiques, y compris les plus importants de simples lasers en mode semi-conducteurs. Le modèle de circuit équivalent de laser qui représente l'enveloppe du signal optique est modifié pour inclure les propriétés de bruit de phase du laser. Cette modification est particulièrement nécessaire d'étudier les systèmes où le bruit de phase optique est important. Ces systèmes comprennent des systèmes de télécommande hétérodynes optiques et des systèmes auto-hétérodynes optiques. Les résultats de mesure des caractéristiques de laser sont comparés aux résultats de simulation afin de valider le modèle de circuit équivalent dans des conditions différentes. Il est démontré que le modèle de circuit équivalent peut prédire avec précision les comportements des composants pour les simulations au niveau du système. Pour démontrer la capacité du modèle de circuit équivalent de la liaison photonique pour analyser les systèmes micro-ondes / ondes millimétriques, le nouveau modèle de circuit du laser avec les modèles comportementaux des autres composants sont utilisés pour caractériser différents radio sur fibre (RoF) liens tels que la modulation d'intensité - détection directe (IM-DD) et les systèmes RoF hétérodynes optique. Signal sans fil avec des spécifications conformes à la norme de IEEE 802.15.3c pour la bande de fréquence à ondes millimétriques est transmis sur les liens RoF. La performance du système est analysée sur la base de l'évaluation de l'EVM. L'analyse montre que l'analyse efficace des systèmes de photonique micro-ondes / ondes millimétriques est obtenue en utilisant des modèles de circuit qui nous permet de prendre en compte les comportements à la fois électriques et optiques en même temps / The advancement of digital optical communication in the long-haul and access networks has triggered emerging technologies in the microwave/millimeter-wave domain. These hybrid systems are highly influenced not only by the optical link impairments but also electrical circuit effects. The optical and electrical effects can be well studied at the same time using computer aided tools by developing equivalent circuit models of the whole link components such as semiconductor lasers, modulators, photo detectors and optical fiber. In this thesis, circuit representations of the photonic link components are developed to study different architectures. Since the optical light source is the main limiting factor of the optical link, particular attention is given to including the most important characteristics of single mode semiconductor lasers. The laser equivalent circuit model which represents the envelope of the optical signal is modified to include the laser phase noise properties. This modification is particularly necessary to study systems where the optical phase noise is important. Such systems include optical remote heterodyne systems and optical self-heterodyne systems. Measurement results of the laser characteristics are compared with simulation results in order to validate the equivalent circuit model under different conditions. It is shown that the equivalent circuit model can precisely predict the component behaviors for system level simulations. To demonstrate the capability of the equivalent circuit model of the photonic link to analyze microwave/millimeter-wave systems, the new circuit model of the laser along with the behavioral models of other components are used to characterize different radio-over-fiber (RoF) links such as intensity modulation – direct detection (IM-DD) and optical heterodyne RoF systems. Wireless signal with specifications complying with IEEE 802.15.3c standard for the millimeter-wave frequency band is transmitted over the RoF links. The system performance is analyzed based on EVM evaluation. The analysis shows that effective analysis of microwave/millimeter-wave photonics systems is achieved by using circuit models which allows us to take into account both electrical and optical behaviors at the same time