Due to the massive increase of active transmitters broadcasting over wideband frequencies, such as 5G wireless systems, LEO/MEO satellites, satellite constellations, and the increase of IoT devices in the average home, the radio frequency spectrum is becoming more and more congested by interference. Passive receivers face additional challenges due to the growing use of wideband frequency transmissions aimed at boosting communication system throughput. As a result, passive receivers must adopt more robust and intricate techniques to mitigate radio frequency interference. A proposed RFI removal system, known as the true time delay Hadamard projection algorithm, has been introduced in previous work to eliminate a single RFI source while preserving a narrowband signal of interest. An RF frontend is developed to assess the effectiveness of the Hadamard projection algorithm implemented on an RFSoC ZCU216. Additionally, the TTD Hadamard projection algorithm is expanded to enable the cancellation of multiple RFI sources rather than just a single source for a uniform linear array and a uniform rectangular array. Over-the-air tests are conducted to verify the performance of the interference cancellation algorithms and demonstrate the algorithms' ability to preserve the signals of interest while removing the wideband interference. Multiple algorithms are proposed to estimate the time delays used by the interference cancellation algorithm to effectively eliminate wideband interference. These algorithms address diverse scenarios encompassing interference sources ranging from strong to weak SNR. Detailed reports of algorithm performance provide insights into their effectiveness and suitability across specific interference conditions.

[ES] Las fibras de multiplexación por división espacial surgieron en la última década como solución al cuello de botella en la capacidad en las redes de comunicación de fibra óptica monomodo. Utilizan el espacio, la última técnica de multiplexación en comunicaciones ópticas, para aumentar la capacidad total en comunicaciones digitales al tiempo que reducen las necesidades de espacio. Las fibras multinúcleo, un tipo de fibras de multiplexación por división espacial compuestas por varios núcleos individuales dentro de la misma cubierta, son prometedoras para las comunicaciones de largo alcance por su compatibilidad inmediata con las redes de fibra actuales. Además, las fibras multinúcleo han despertado interés en otros campos de aplicación, como las interconexiones de centros de datos, las comunicaciones cuánticas, las redes de acceso radio y la Fotónica de Microondas. Además, estas fibras presentan un gran potencial no sólo para la distribución de señales, sino también para su procesado. Las funcionalidades de procesado de señal pueden beneficiarse significativamente del uso de estas fibras en términos de compacidad y peso, garantizando al mismo tiempo versatilidad, reconfigurabilidad y rendimiento estable de banda ancha. En esta Tesis, proponemos la explotación del paralelismo inherente que se encuentra en las fibras multinúcleo para implementar el procesado distribuido de señales ópticas y de microondas. En primer lugar, estudiamos la realización de un componente óptico clave en el procesado de señales en Fotónica de Microondas, la línea de retardo en tiempo real muestreada, con fibras multinúcleo heterogéneas. Esto comprende la validación del rendimiento de una fibra heterogénea de 7 núcleos previamente fabricada, la demostración experimental de las funcionalidades de procesado de señales de microondas; incluyendo el filtrado de señales, la conformación óptica de haces y la generación de formas de onda arbitrarias; y el diseño y fabricación de una fibra heterogénea de 19 núcleos que se comporta como una línea de retardo en tiempo real sintonizable. Esta fibra se fabricó escalando 3 preformas diferentes, cada una con un perfil de índice refractivo específico, para obtener núcleos con unas características de propagación determinadas. Por último, proponemos diferentes diseños de fibras multinúcleo heterogéneas específicos para aplicaciones novedosas de distribución y procesado de señales ópticas, incluyendo la distribución de claves cuánticas, la compensación paralela de la dispersión cromática y los efectos Talbot temporales paralelos. / [CA] Les fibres de multiplexació per divisió espacial van sorgir en la darrera dècada per a solucionar el coll de botella en la capacitat de les xarxes de comunicació de fibra òptica monomode. Utilitzen l'espai, l'última tècnica de multiplexació en comunicacions òptiques, per a incrementar la capacitat total en comunicacions digitals al mateix temps que redueixen les necessitats espacials. Les fibres multinucli, un tipus de fibres de multiplexació per divisió espacial compostes per diversos nuclis individuals situats dins la mateixa coberta, són prometedores per a les comunicacions de llarg abast per la immediata compatibilitat amb les xarxes de fibra òptica actuals. Per aquest motiu, les fibres multinucli han despertat interès en altres àmbits d'aplicació, com les interconnexions de centres de dades, les comunicacions quàntiques, les xarxes d'accés radio i la Fotònica de Microones. A més, aquestes fibres presenten un gran potencial no només per a la distribució de senyals, sinó també per al seu processament. Les funcionalitats de processament de senyals poden beneficiar-se significativament del seu ús en relació a la compacitat i al pes, mentre garanteixen versatilitat, reconfigurabilitat i rendiment estable de banda ampla. En aquesta Tesi, proposem l'explotació del paral·lelisme inherent de les fibres multinucli per a implementar processament distribuït de senyals òptiques i de microones. En primer lloc, estudiem la realització d'un component òptic clau en el processament de senyals en la Fotònica de Microones, la línia de retard en temps real mostrejada, amb fibres multinucli heterogènies. Això comprèn la validació del rendiment d'una fibra de heterogènia 7 nuclis fabricada prèviament, la demostració experimental de les funcionalitats de processament de senyals de microones sobre aquesta mateixa fibra; la qual cosa inclou el filtrat de senyals, la conformació òptica de feixos i la generació de formes d'ona arbitràries; i el disseny i fabricació d'una fibra heterogènia de 19 nuclis que es comporta com una línia de retard en temps real sintonitzable. Aquesta fibra es va fabricar escalant 3 preformes diferents, cadascuna amb un perfil d'índex refractiu específic, per obtindre nuclis amb característiques de propagació determinades. Per últim, proposem diversos dissenys específics de fibres multinucli heterogènies per a aplicacions innovadores de distribució i processament de senyals òptiques, incloent la distribució de claus quàntiques, la compensació paral·lela de la dispersió cromàtica i els efectes Talbot temporals en paral·lel. / [EN] Space-division multiplexing fibers emerged in the last decade as a solution to the capacity bottleneck in single-mode optical fiber communication networks. They utilize space, the last multiplexing technique in optical communications, to increase the total capacity in digital communications whilst reducing space needs. Multicore fibers, a type of space-division multiplexing fibers comprised of multiple individual cores within the same cladding, are promising for long-reach communications because of their immediate compatibility with current fiber networks. Moreover, multicore fibers have raised interest in other fields of application such as data-center interconnects, quantum communications, radio access networks and Microwave Photonics. Apart from that, these fibers exhibit great potential not only for signal distribution but also for signal processing. Signal processing functionalities can benefit significantly from using these fibers in terms of compactness and weight, while assuring broadband versatility, reconfigurability, and performance stability. In this Thesis, we propose the exploitation of the inherent parallelism found in multicore fibers to implement distributed signal processing for optical and microwave signals. First, we study the realization of a key optical component in Microwave Photonics signal processing, the sampled true-time delay line, with heterogeneous multicore fibers. This comprises the performance validation of a previously fabricated heterogeneous 7-core fiber, the experimental demonstration of microwave signal processing functionalities including signal filtering, optical beamforming, and arbitrary waveform generation, and the design and fabrication of a heterogeneous 19-core fiber that behaves as a tunable true-time delay line. This fiber was fabricated by scaling down 3 different preforms, each with a specific refractive index profile, with a different ratio to obtain cores with determined propagation characteristics. Lastly, we propose different custom heterogeneous multicore fiber designs for novel optical signal distribution and processing applications, including quantum key distribution, parallel chromatic dispersion compensation and parallel temporal Talbot effects. / Ureña Gisbert, M. (2023). Novel Multicore Optical Fibers for Signal Distribution and Processing [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/196862

This thesis deals with optical synthesis of unmodulated and modulated microwave signals. Generation of microwave signals based on optical heterodyning is discussed in detail. The effect of phase noise of laser on heterodyned output has been studied for different phase noise profiles. Towards this, we propose a generic algorithm to numerically model the linewidth broadening of a laser due to phase noise. Generation of microwave signals is demonstrated practically by conducting an optical heterodyning experiment. Signals ranging in frequency from 12.5 MHz to 27 GHz have been generated. Limitations of optical heterodyning based approach in terms of phase noise performance and frequency stability are discussed and practically demonstrated. A hardware-efficient Optical Phase Locked Loop (OPLL) is proposed to overcome these issues. Phase noise tracking performance of the proposed OPLL has been experimentally demonstrated. Phase noise values as low as -105 dBc/Hz at 10 KHz offset have been achieved. Optical modulators, owing to their extremely low electro-optic response time, can support high frequency modulating signals. This makes them highly attractive in comparison to their microwave counterparts. In this thesis, we propose techniques to generate microwave signals modulated at very high bit rates by down-converting the corresponding modulated optical signals to microwave domain. Down-conversion required for this process is achieved by optical heterodyning. The proposed concept has been theoretically analyzed, simulated and experimentally validated. Amplitude Modulated and ASK modulated microwave signals have been generated as Proof-of-Concept. Limitations posed by OPLL in generation of angle modulated microwave signals by optical heterodyning have been brought out. Schemes overcoming these limitations have been proposed towards generation of BPSK and QPSK modulated microwave signals. Integrated Optics (IO) technology has been studied as a means of implementation of the proposed concepts. IO components like Sinusoidal bends, Y-branch splitters and Electro-Optic-Modulators (EOMs) have been designed towards optical synthesis of modulated microwave signals. Propagation of modulated optical signal through these IO components has also been studied. An all-optic scheme based on Optical Beam Forming is proposed for transmission of QPSK modulated signal. Limitation of phase-shifting based approach, in terms of beam-squint, has been brought out. True-Time-Delay based approach has been proposed for applications demanding wide instantaneous bandwidth to avoid beam-squint. Algorithms / numerical methods required for analyses and simulations associated with the above-mentioned tasks have been evolved. This study is envisaged to provide useful insight into the realization of high-speed, compact, light-weight data transmitting systems based on Integrated Optics for future onboard spacecraft applications. This work, we believe, is a step towards realization of an Integrated Optic System-on-Chip solution for specific microwave data transmission applications.

[EN] The processing of radiofrequency signals using photonics means is a discipline that appeared almost at the same time as the laser and the optical fibre. Photonics offers the capability of managing broadband radiofrequency (RF) signals thanks to its low transmission attenuation, a variety of linear and non-linear phenomena and, recently, the potential to implement integrated photonic subsystems. These features open the door for the implementation of multiple functionalities including optical transportation, up and down frequency conversion, optical RF filtering, signal multiplexing, de-multiplexing, routing and switching, optical sampling, tone generation, delay control, beamforming and photonic generation of digital modulations, and even a combination of several of these functionalities. This thesis is focused on the application of vector processing in the optical domain to radiofrequency signals in two fields of application: optical beamforming, and photonic vector modulation and demodulation of digital quadrature amplitude modulations. The photonic vector control enables to adjust the amplitude and phase of the radiofrequency signals in the optical domain, which is the fundamental processing that is required in different applications such as beamforming networks for direct radiating array (DRA) antennas and multilevel quadrature modulation. The work described in this thesis include different techniques for implementing a photonic version of beamforming networks for direct radiating arrays (DRA) known as optical beamforming networks (OBFN), with the objectives of providing a precise control in terrestrial applications of broadband signals at very high frequencies above 40 GHz in communication antennas, optimizing the size and mass when compared with the electrical counterparts in space application, and presenting new photonic-based OBFN functionalities. Thus, two families of OBFNs are studied: fibre-based true time delay architectures and integrated networks. The first allow the control of broadband signals using dispersive optical fibres with wavelength division multiplexing techniques and advanced functionalities such as direction of arrival estimation in receiving architectures. In the second, passive OBFNs based on monolithically-integrated Optical Butler Matrices are studied, including an ultra-compact solution using optical heterodyne techniques in silicon-on-insulator (SOI) material, and an alternative implementing a homodyne counterpart in germanium doped silica material. In this thesis, the application of photonic vector processing to the generation of quadrature digital modulations has also been investigated. Multilevel modulations are based on encoding digital information in discrete states of phase and amplitude of an electrical signal to enhance spectral efficiency, as for instance, in quadrature modulation. The signal process required for generating and demodulating this kind of signals involves vector processing (phase and amplitude control) and frequency conversion. Unlike the common electronic or digital implementation, in this thesis, different photonic based signal processing techniques are studied to produce digital modulation (photonic vector modulation, PVM) and demodulation (PVdM). These techniques are of particular interest in the case of broadband signals where the data rate required to be managed is in the order of gigabit per second, for applications like wireless backhauling of metro optical networks (known as fibre-to-the-air). The techniques described use optical dispersion in optical fibres, wavelength division multiplexing and photonic up/down conversion. Additionally, an optical heterodyne solution implemented monolithically in a photonic integrated circuit (PIC) is also described. / [ES] El procesamiento de señales de radiofrecuencia (RF) utilizando medios fotónicos es una disciplina que apareció casi al mismo tiempo que el láser y la fibra óptica. La fotónica ofrece la capacidad de manipular señales de radiofrecuencia de banda ancha, una baja atenuación, procesados basados en una amplia variedad de fenómenos lineales y no lineales y, recientemente, el potencial para implementar subsistemas fotónicos integrados. Estas características ofrecen un gran potencial para la implementación de múltiples funcionalidades incluyendo transporte óptico, conversión de frecuencia, filtrado óptico de RF, multiplexación y demultiplexación de señales, encaminamiento y conmutación, muestreo óptico, generación de tonos, líneas de retardo, conformación de haz en agrupaciones de antenas o generación fotónica de modulaciones digitales, e incluso una combinación de varias de estas funcionalidades. Esta tesis se centra en la aplicación del procesamiento vectorial en el dominio óptico de señales de radiofrecuencia en dos campos de aplicación: la conformación óptica de haces y la modulación y demodulación vectorial fotónica de señales digitales en cuadratura. El control fotónico vectorial permite manipular la amplitud y fase de las señales de radiofrecuencia en el dominio óptico, que es el procesamiento fundamental que se requiere en diferentes aplicaciones tales como las redes de conformación de haces para agrupaciones de antenas y en la modulación en cuadratura. El trabajo descrito en esta tesis incluye diferentes técnicas para implementar una versión fotónica de las redes de conformación de haces de en agrupaciones de antenas, conocidas como redes ópticas de conformación de haces (OBFN). Se estudian dos familias de redes: arquitecturas de retardo en fibra óptica y arquitecturas integradas. Las primeras permiten el control de señales de banda ancha utilizando fibras ópticas dispersivas con técnicas de multiplexado por división de longitud de onda y funcionalidades avanzadas tales como la estimación del ángulo de llegada de la señal en la antena receptora. En la segunda, se estudian redes de conformación pasivas basadas en Matrices de Butler ópticas integradas, incluyendo una solución ultra-compacta utilizando técnicas ópticas heterodinas en silicio sobre aislante (SOI), y una alternativa homodina en sílice dopado con germanio. En esta tesis, también se han investigado técnicas de procesado vectorial fotónico para la generación de modulaciones digitales en cuadratura. Las modulaciones multinivel codifican la información digital en estados discretos de fase y amplitud de una señal eléctrica para aumentar su eficiencia espectral, como por ejemplo la modulación en cuadratura. El procesado necesario para generar y demodular este tipo de señales implica el procesamiento vectorial (control de amplitud y fase) y la conversión de frecuencia. A diferencia de la implementación electrónica o digital convencional, en esta tesis se estudian diferentes técnicas de procesado fotónico tanto para la generación de modulaciones digitales (modulación vectorial fotónica, PVM) como para su demodulación (PVdM). Esto es de particular interés en el caso de señales de banda ancha, donde la velocidad de datos requerida es del orden de gigabits por segundo, para aplicaciones como backhaul inalámbrico de redes ópticas metropolitanas (conocida como fibra hasta el aire). Las técnicas descritas se basan en explotar la dispersión cromática de la fibra óptica, la multiplexación por división de longitud de onda y la conversión en frecuencia. Además, se presenta una solución heterodina implementada monolíticamente en un circuito integrado fotónico (PIC). / [CA] El processament de senyals de radiofreqüència (RF) utilitzant mitjans fotònics és una disciplina que va aparèixer gairebé al mateix temps que el làser i la fibra òptica. La fotònica ofereix la capacitat de manipular senyals de radiofreqüència de banda ampla, una baixa atenuació, processats basats en una àmplia varietat de fenòmens lineals i no lineals i, recentment, el potencial per implementar subsistemes fotònics integrats. Aquestes característiques ofereixen un gran potencial per a la implementació de múltiples funcionalitats incloent transport òptic, conversió de freqüència, filtrat òptic de RF, multiplexació i demultiplexació de senyals, encaminament i commutació, mostreig òptic, generació de tons, línies de retard, conformació de feix en agrupacions d'antenes i la generació fotònica de modulacions digitals, i fins i tot una combinació de diverses d'aquestes funcionalitats. Aquesta tesi es centra en l'aplicació del processament vectorial en el domini òptic de senyals de radiofreqüència en dos camps d'aplicació: la conformació òptica de feixos i la modulació i demodulació vectorial fotònica de senyals digitals en quadratura. El control fotònic vectorial permet manipular l'amplitud i la fase dels senyals de radiofreqüència en el domini òptic, que és el processament fonamental que es requereix en diferents aplicacions com ara les xarxes de conformació de feixos per agrupacions d'antenes i en modulació multinivell. El treball descrit en aquesta tesi inclou diferents tècniques per implementar una versió fotònica de les xarxes de conformació de feixos en agrupacions d'antenes, conegudes com a xarxes òptiques de conformació de feixos (OBFN), amb els objectius de proporcionar un control precís en aplicacions terrestres de senyals de banda ampla a freqüències molt altes per sobre de 40 GHz en antenes de comunicacions, optimitzant la mida i el pes quan es compara amb els homòlegs elèctrics en aplicacions espacials, i la presentació de noves funcionalitats fotòniques per agrupacions d'antenes. Per tant, s'estudien dues famílies de OBFNs: arquitectures de retard en fibra òptica i arquitectures integrades. Les primeres permeten el control de senyals de banda ampla utilitzant fibres òptiques dispersives amb tècniques de multiplexació per divisió en longitud d'ona i funcionalitats avançades com ara l'estimació de l'angle d'arribada del senyal a l'antena receptora. A la segona, s'estudien xarxes de conformació passives basades en Matrius de Butler òptiques en fotònica integrada, incloent una solució ultra-compacta utilitzant tècniques òptiques heterodinas en silici sobre aïllant (SOI), i una alternativa homodina en sílice dopat amb germani. D'altra banda, també s'ha investigat en aquesta tesi tècniques de processament vectorial fotònic per a la generació de modulacions digitals en quadratura. Les modulacions multinivell codifiquen la informació digital en estats discrets de fase i amplitud d'un senyal elèctric per augmentar la seva eficiència espectral, com ara la modulació en quadratura. El processat necessari per generar i desmodular aquest tipus de senyals implica el processament vectorial (control d'amplitud i fase) i la conversió de freqüència. A diferència de la implementació electrònica o digital convencional, en aquesta tesi s'estudien diferents tècniques de processament fotònic tant per a la generació de modulacions digitals (modulació vectorial fotònica, PVM) com per la seva demodulació (PVdM). Això és de particular interès en el cas de senyals de banda ampla, on la velocitat de dades requerida és de l'ordre de gigabits per segon, per a aplicacions com backhaul sense fils de xarxes òptiques metropolitanes (coneguda com fibra fins l'aire). Les tècniques descrites es basen en explotar la dispersió cromàtica de la fibra òptica, la multiplexació per divisió en longitud d'ona i la conversió en freqüència. A més, es prese / Piqueras Ruipérez, MÁ. (2016). Photonic Vector Processing Techniques for Radiofrequency Signals [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/63264