Photonic circuits for wireless applications in the microwave, millimeter wave and terahertz bands
Authors:   , Nuño Gómez Daniel-Juan 
Published: August 2024

(English) This thesis focuses on the emission, processing and detection of electromagnetic radiation in applications where the
use of established technologies may limit the achievable frequency or bandwidth. Leveraging hybrid photonic-electronic approaches, different technologies allowing unique access to extremely high frequencies and bandwidths are studied in this thesis. Considering the world wide use of optical communications, Microwave Photonics (MWP) filtering stands as a technology that can potentially transform the signal distribution leveraging the existing optical fiber infrastructure. An in depth
analysis of Chromatic Dispersion (CD) effects on Microwave Photonic Filter (MPF) filters is presented, offering strategies to increase the MPF stopband attenuation. Phased Array Antenna (PAA) are widely extended for wireless communications,
radar, radio-astronomy and many other applications, and are also identified as a field that can benefit from photonic technologies, as typical electronic implementations may restrict the usable bandwidth and received power, introduce frequency or bandwidth dependent distortions in the radiation pattern, usually related to issues implementing wide-band true time delays. MWParises as a promising solution whose advantages and disadvantages are elaborated. Looking at more advanced applications of antenna arrays, Aperture Synthesis (AS) is a technique used to recover the brightness distribution observed by an antenna array through interferometric measurements, which has attracted considerable developments in the field of MWP as photonic correlators can provide key advantages. We review the State of the Art of photonic correlators for AS, and develop an alternative implementation of a single baseline photonic correlator which substitutes the optical filtering stage by leveraging CD frequency-to-time mapping. A multiple baseline photonic correlator is also developed, allowing to compute many correlations simultaneously, introducing high scalability and avoiding the pitfalls of other similar developments, such as optical phase stabilization and extremely demanding spatial precision requirements. This multiple baseline photonic correlator has culminated in a patent submission. Our research also deeps in extending the frequency range up to the THz, where Photoconductive Antenna (PCA) based THz Time Domain Spectroscopys (THz-TDSs) stand out as a very popular research platform. However, challenging alignment requirements impact on such systems, typically limiting its use to a single setup configuration (e.g. transmission or reflection spectroscopy setups) and influencing the emission characteristics. Optimization and alignment of a THz-TDS system is deeply addressed, identifying different causes affecting the emitted pulse and its beam characteristics. We develop and test a simple yet powerful method to characterize THz emissions from PCAs, with promising applications for PCA development, THz-TDS imaging, THz Arbitrary Waveform generation (AWG), etc. We apply our method to characterize 12 different PCAs using a meticulous alignment procedure and signal post-processing, with experimental results showing the spatial beam distribution, frequency power spectrum, polarization measurements and Laguerre-Gauss modal analysis. To the best of our knowledge, this represents the larger amount of PCAs characterized in a study. The data obtained with our characterization method is used to demonstrate THz AWG through beam transformations with transmission masks. Modification of THz-TDS is further explored, with different setup configurations developed and analyzed to improve the measurements through customization for different types of samples and measurement requirements, including a THz interferometer.

(Español) Esta tesis se centra en la emisión, procesado y detección de radiación electromagnética en aplicaciones donde el uso de tecnologías actualmente establecidas puede limitar la frecuencia o el ancho de banda. Aprovechando enfoques híbridos fotónico-electrónicos, se estudian diferentes tecnologías que facilitan el acceso a frecuencias y anchos de banda extremadamente altos. Teniendo en cuenta el uso extensivo a nivel mundial de las comunicaciones ópticas, el filtrado espectral mediante Microwave Photonics (MWP) se erige como una tecnología con el poder de transformar la distribución de señales aprovechando la infraestructura de fibra óptica existente. Presentamos un análisis en profundidad de los efectos de la Chromatic Dispersion (CD) en los filtros Microwave Photonic Filter (MPF), del cual derivamos estrategias optimizar la banda atenuada en MPF. Los arrays de antenas Phased Array Antenna (PAA), representan un campo que puede beneficiarse de las tecnologías fotónicas, ya que las implementaciones electrónicas típicas restringen el ancho de banda utilizable y la potencia recibida, o introducir distorsiones dependientes de la frecuencia o del ancho de banda en el patrón de radiación, generalmente relacionadas con problemas en la implementación de retrasos de tiempo auténtico en banda ancha. MWP surge como una solución prometedora cuyas ventajas y desventajas elaboramos. Considerando aplicaciones más avanzadas relacionadas con arrays de antenas, Aperture Synthesis (AS) es una técnica utilizada para recuperar la distribución de brillo observada por un array de antenas a través de mediciones interferométricas, que ha atraído considerables desarrollos en el campo de MWP, ya que los correladores fotónicos pueden proporcionar ventajas clave. Revisamos el Estado de la Técnica de los correladores fotónicos para AS y desarrollamos una implementación alternativa de un correlador fotónico de línea de base única que sustituye la etapa de filtrado óptico aprovechando el mapeo de frecuencia-a-tiempo de CD. También se desarrolla un correlador fotónico de múltiple línea de base, permitiendo calcular múltiples correlaciones simultáneamente, introduciendo una alta escalabilidad y evitando las desventajas de otros desarrollos similares, como la estabilización de fase óptica y los requisitos extremadamente exigentes de precisión espacial. Este correlador fotónico de múltiple línea de base ha culminado en la presentación de una patente.Nuestra investigación también profundiza en el aumento del rango de frecuencias hasta los THz, donde THz Time Domain Spectroscopy (THz-TDS) basados en Photoconductive Antenna (PCA) destacan como una plataforma de investigación muy popular. Sin embargo, exigentes requisitos de alineación afectan a dichos sistemas, limitando su uso a una configuración única (e.g., configuraciones de espectroscopia de transmisión o reflexión) e influyendo en las características de emisión. Abordamos la optimización y alineación de THz-TDS, identificando diferentes causas que afectan al pulso emitido sus características. Desarrollamos y probamos un método simple pero eficaz para caracterizar las emisiones de PCA, con prometedoras aplicaciones para el desarrollo de PCA, detección por imagen mediante THz-TDS, THz ArbitraryWaveform Generation (AWG), etc. Aplicamos nuestro método para caracterizar 12 PCA diferentes mediante un procedimiento de alineación meticuloso y un postprocesado de señal, con resultados que muestran la distribución espacial del haz, potencia espectral, mediciones de polarización y análisis modal de Laguerre-Gauss. Hasta donde sabemos, es la mayor cantidad de PCAs caracterizadas en un estudio. Los datos se utilizan para demostrar THz AWG a través de transformaciones del haz con máscaras de transmisión. Exploramos la modificación de THz-TDS, con diferentes configuraciones desarrolladas y analizadas según el tipo de muestras y requisitos de medición, incluyendo un interferómetro THz.