Innovative Signal Processing Approaches with Silicon Photonics for Optical Signal Generation and Measurement
The escalating communications traffic in optical networks has driven the exploration of signal manipulation in the optical domain as a promising technology in the last two decades. The surge in data traffic results from the rapid expansion of distributed computing, sensor networks, artificial intelligence, machine learning, and cloud-based services. As we enter the era of quantum communication, autonomous driving, and 6G, the global data flow continues to grow exponentially. Traditional electronic systems have been instrumental in improving signal transmission and reception quality through electronic signal processing. However, they suffer from limitations such as finite operational bandwidth, signal degradation over transmission lines, latency issues, susceptibility to electromagnetic interference (EMI), high power consumption, and cost constraints.
Optical signal processing enabled by silicon photonics offers a solution with significantly higher bandwidth capabilities and faster data processing, along with cost-effective and lowlatency systems. Photonic devices are immune to environmental radiation and EMI, making them suitable for space and quantum applications. Silicon photonic technology has further propelled the application field harnessed by photonic integrated circuits, with matured CMOS-compatible fabrication enabling the development of high-performance optical processing units. The convergence of electronics and photonics on silicon photonic platforms has resulted in significant advancements in the field of optical communications and microwave photonics. This thesis explores the advancements in the field of silicon photonics aggregated with innovative optical signal processing to achieve pivotal improvements in novel methods for signal generation and measurement. It evaluates the performance of various silicon modulators in terms of data transmission and sinc-pulse sequence generation. These silicon modulators are utilized to develop novel photonic-assisted architectures to enhance the transmission channel capacity of the Nyquist transceiver system by addressing the limitations of the analog output bandwidth of generators and receivers in conventional optical transceiver systems. Furthermore, the presented research delves into silicon photonics for microwave photonics applications with the implementation of passive and active photonic devices. The study presents integrated photonic frequency measurement systems, showcasing their superior performance in real-time temporal and spectral analysis of micro and mm-wave signals with best-in-class measurement resolution and accuracy.
Der massiv erhöhte Kommunikationsverkehr in optischen Netzen hat in den letzten zwei Jahrzehnten die Erforschung der Signalmanipulation im optischen Bereich als vielversprechende Technologie vorangetrieben. Der sprunghafte Anstieg des Datenverkehrs resultiert aus der raschen Verbreitung von verteilter Datenverarbeitung, Sensornetzen, künstlicher Intelligenz, maschinellem Lernen und cloud-basierten Diensten. Mit dem Eintritt in das Zeitalter der Quantenkommunikation, des autonomen Fahrens und der 6G-Technologie wird der globale Datenfluss weiterhin exponentiell ansteigen. Herkömmliche elektronische Systeme haben dazu beigetragen, die Signalübertragung und die Empfangsqualität durch elektronische Signalverarbeitung zu verbessern. Sie leiden jedoch unter Einschränkungen wie begrenzter operativer Bandbreite, Signalverschlechterung über Übertragungsleitungen, Latenzproblemen, Anfälligkeit für elektromagnetische Störungen (EMI), hohem Stromverbrauch und Kostenbeschränkungen.
Die durch Silizium-Photonik ermöglichte optische Signalverarbeitung bietet eine Lösung mit deutlich höherer Bandbreite und schnellerer Datenverarbeitung sowie kostengünstigen Systemen mit geringer Latenzzeit. Photonische Bauelemente sind immun gegen Umgebungsstrahlung und EMI, was sie für Weltraum- und Quantenanwendungen geeignet macht. Die Silizium-Photonik hat den Anwendungsbereich der integrierten Photonikschaltungen weiter vorangetrieben, wobei die ausgereifte CMOS-kompatible Fertigung die Entwicklung leistungsstarker optischer Verarbeitungseinheiten ermöglicht. Das Zusammenspiel von Elektronik und Photonik auf Silizium-Photonik-Plattformen hat zu bedeutenden Fortschritten im Bereich der optischen Kommunikation und der Mikrowellenphotonik geführt. In dieser Arbeit werden die Fortschritte auf dem Gebiet der Silizium-Photonik in Verbindung mit innovativer optischer Signalverarbeitung untersucht, um entscheidende Verbesserungen bei neuartigen Methoden zur Signalerzeugung und -messung zu erzielen. Es wird die Leistung verschiedener Siliziummodulatoren in Bezug auf die Datenübertragung und die Erzeugung von Sincpulsfolgen bewertet. Diese Siliziummodulatoren werden zur Entwicklung neuartiger photonikgestützter Architekturen verwendet, um die Übertragungskanalkapazität des Nyquist-Transceiver-Systems zu erhöhen, indem die Beschränkungen der analogen Ausgangsbandbreite von Generatoren und Empfängern in herkömmlichen optischen Transceiver-Systemen umgangen werden.
Darüber hinaus befasst sich die vorgestellte Forschungsarbeit mit der Silizium-Photonik für Mikrowellen-Photonik-Anwendungen und der Implementierung von passiven und aktiven photonischen Bauelementen. Es werden integrierte photonische Frequenzmesssysteme vorgestellt, die ihre überlegene Leistung bei der zeitlichen und spektralen Echtzeitanalyse von Mikro- und Millimeterwellensignalen mit hoher Messauflösung und -genauigkeit demonstrieren.
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