Photonic devices for optical and RF signal processing

O presente trabalho tem por objectivo o estudo de novos dispositivos fotónicos aplicados a sistemas de comunicações por fibra óptica e a sistemas de processamento de sinais RF. Os dispositivos apresentados baseiam-se em processamento de sinal linear e não linear. Dispositivos lineares ópticos tais como o interferómetro de Mach-Zehnder permitem adicionar sinais ópticos com pesos fixos ou sintonizáveis. Desta forma, este dispositivo pode ser usado respectivamente como um filtro óptico em amplitude com duas saídas complementares, ou, como um filtro óptico de resposta de fase sintonizável. O primeiro princípio de operação serve como base para um novo sistema fotónico de medição em tempo real da frequência de um sinal RF. O segundo princípio de operação é explorado num novo sistema fotónico de direccionamento do campo eléctrico radiado por um agregado de antenas, e também num novo compensador sintonizável de dispersão cromática. O processamento de sinal é não linear quando sinais ópticos são atrasados e posteriormente misturados entre si, em vez de serem linearmente adicionados. Este princípio de operação está por detrás da mistura de um sinal eléctrico com um sinal óptico, que por sua vez é a base de um novo sistema fotónico de medição em tempo real da frequência de um sinal RF. A mistura de sinais ópticos em meios não lineares permite uma operação eficiente numa grande largura espectral. Tal operação é usada para realizar conversão de comprimento de onda sintonizável. Um sinal óptico com multiplexagem no domínio temporal de elevada largura de banda é misturado com duas bombas ópticas não moduladas com base em processos não lineares paramétricos num guia de ondas de niobato de lítio com inversão periódica da polarização dos domínios ferroeléctricos. Noutro trabalho, uma bomba pulsada em que cada pulso tem um comprimento de onda sintonizável serve como base a um novo conversor de sinal óptico com multiplexagem no domínio temporal para um sinal óptico com multiplexagem no comprimento de onda. A bomba é misturada com o sinal óptico de entrada através de um processo não linear paramétrico numa fibra óptica com parâmetro não linear elevado. Todos os dispositivos fotónicos de processamento de sinal linear ou não linear propostos são experimentalmente validados. São também modelados teoricamente ou através de simulação, com a excepção dos que envolvem mistura de sinais ópticos. Uma análise qualitativa é suficiente nestes últimos dispositivos.

This work investigates novel photonic devices for optical fiber communication systems and microwave photonics. Such devices rely on linear and nonlinear optical signal processing. Basic linear optical devices such as the Mach-Zehnder delay interferometer enable delaying and adding optical signals with fixed or variable weights. Therefore, such device can be respectively used as an optical amplitude filter with two complementary optical outputs, or, as an optical phase filter with tunable group delay response. The first operation principle is explored in a novel instantaneous RF frequency measurement system, whereas the latter serves as basis to a novel photonic beamforming system for a phase array antenna, and also to a novel tunable optical dispersion compensator. Nonlinear optical signal processing is obtained when optical signals are delayed and mixed, instead of being linearly added. Such operation principle is behind electro-optical mixing, which is explored in a novel instantaneous RF frequency measurement system. All-optical mixing enables ultra-fast and thereby broad bandwidth operation. This operation principle is explored to obtain tunable wavelength conversion. An optical time division multiplexed signal with a large spectral width is parametrically mixed with two continuous wave pumps in a periodically-poled lithium niobate waveguide. Instead of continuous wave pumps, a pulsed pump in which each pulse has a tunable wavelength enables a novel routable optical time-to-wavelength division converter. The pump signal is parametrically mixed with the input optical signal in a highly nonlinear optical fiber. All the proposed linear and nonlinear optical signal processing devices are experimentally validated. In addition, theoretical modeling and simulations are presented in all concepts, with the exception of the ones which employ alloptical mixing. A qualitative analysis is sufficient for the latter devices.

Doutoramento em Engenharia Electrotécnica