Optical Frequency Combs in Silicon Photonics for Optical
Signal Processing and Optical Communication

Misra, Arijit

doi:10.24355/dbbs.084-202207060801-0

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Optical Frequency Combs in Silicon Photonics for Optical Signal Processing and Optical Communication

English
German

An optical frequency comb (OFC) has a diverse application portfolio, including spectroscopy, ranging, photonic computing, optical communication, and microwave photonics. The silicon photonics technology can reshape all these application areas. It offers compact, energy-efficient, and high-performance integrated photonic systems-on-chip at low cost and high reliability. The primary motivation of the thesis has been to conceptualize and implement the optical frequency comb technology in high bandwidth optical signal processing and optical communication systems in an integrated silicon photonic chip. This thesis explores ways to synthesize and utilize a special kind of OFC in a silicon photonic integrated circuit, where all the comb lines are of equal amplitudes and phase-locked. Such a comb results in a sinc-shaped Nyquist pulse sequence. These pulses can transmit data with the maximum possible symbol rate. Moreover, signal converters that link the analog and digital realms can efficiently leverage orthogonality to optimally utilize the optoelectronic bandwidth if Nyquist pulses are used for sampling. This work presents flexible optical Nyquist pulse generation with repetition rates up to 30 GHz and pulse bandwidths up to 90 GHz using integrated silicon photonic modulators. Besides generating such pulses, this thesis presents a novel source-free all-optical Nyquist pulse sampling technique based on the convolution of the signal spectrum with a rectangular phase-locked OFC. The method presented here can achieve sampling rates of three to four times the optoelectronic bandwidths of the incorporated optical or electronic devices. Further, this sampling technique has been extended to demonstrate an integrated time-magnifier system based on a SiN microring resonator. The proposed OFC-based sampling technique has been further extended to demonstrate an integrated signal agnostic Nyquist transceiver that enables the transmission of signals with the theoretically maximum possible symbol rate in a rectangular bandwidth. Several such rectangular spectral channels were combined into a superchannel and de-multiplexed separately. Moreover, due to its signal agnostic nature, the transceiver can be used for digital communication and analog radio-over-fiber links. Additionally, this thesis will propose and experimentally demonstrate one modulation format aggregation scheme using linear signal processing with integrable photonic and electronic components and reduced system complexity.

Ein optischer Frequenzkamm hat vielfältige Anwendungen, unter anderem Spektroskopie, Ranging, photonisches Computing, optische Kommunikation und Mikrowelle-Photonik. Die Silizium-Photonik-Technologie ist ein wichtiger Bestandteil all dieser Anwendungsbereiche. Sie bietet die Möglichkeit, kompakte, energieeffiziente und hochleistungsfähige photonische Systeme auf Chips bei niedrigen Kosten und hoher Zuverlässigkeit zu integrieren. Die Hauptmotivation der Arbeit war es, die Frequenzkämme für das optische Signal-Processing auf integrierten Chips zu realisieren. In der Arbeit werden Wege zur Synthese und Nutzung einer speziellen Art von optischen Frequenzkämmen untersucht, bei der alle Kammlinien die gleiche Amplitude haben und in bestimmter Weise phasengekoppelt sind. Ein solcher ein Kamm führt auf eine sinc-förmige Nyquist-Impulsfolge. Diese Impulse ermöglichen eine Datenübertragung mit der maximal übertragbaren Symbolrate in einer gegebenen Bandbreite. Im Rahmen dieser Arbeit wird eine flexible optische Nyquist-Pulserzeugung mit Repetitionsraten bis 30 GHz und Pulsbandbreiten bis 90 GHz unter Verwendung integrierter Silizium-Photonik-Modulatoren demonstriert. Neben der Generierung solcher Pulse stellt diese Arbeit eine neuartige quellenfreie rein optische Nyquist-Puls-Sampling-Technik vor, die auf der Faltung des Signalspektrums mit einem rechteckigen phasengekoppelten optischen Frequenzkamm basiert. Das hier vorgestellte Verfahren kann Abtastraten erreichen, die drei- bis viermal so hoch sind wie die optoelektronischen Bandbreiten der eingebauten optischen oder elektronischen Geräte. Darüber hinaus wurde diese Abtasttechnik erweitert, um ein integriertes Time-Stretching-Verfahren basierend auf einem SiN-Mikroringresonator zu demonstrieren. Die vorgeschlagene frequenzkammbasierte Technik wurde ausgenutzt, um einen integrierten signalunabhängigen Nyquist-Transceiver zu realisieren, der die Übertragung von Signalen mit der theoretisch maximal möglichen Symbolrate in einer rechteckigen Bandbreite ermöglicht. Mehrere solcher rechteckiger Spektralkanäle wurden zu einem Superkanal kombiniert und separat gedemultiplext. Darüber hinaus wird in dieser Arbeit ein Modulationsformat-Aggregationsschema vorschlagen und experimentell demonstriert, wobei lineare Signalverarbeitung mit integrierbaren photonischen und elektronischen Komponenten und reduzierter System-Komplexität eingesetzt wird.