Manipulation of free space optical beams enabled by programmable integrated photonic circuits

Photonic Integrated Circuits (PIC) developed in Silicon on Insulator (SOI) Platform have high potential of exploitation in many different fields for the advantageous features they offer, such as miniaturization of components and integration with CMOS-based devices, combining the operational speed of integrated photonics with the simplicity and low fabrication cost of electronics. Sensing, imaging, and optical communications are among the most attractive applications accessible through these devices. Mach-Zehnder Interferometers (MZI) combined as complex mesh structures that can be reconfigured on demand lead to the birth of powerful programmable photonic processors able to manipulate incoming in-waveguide travelling light. This technology has been exploited in this thesis work for manipulating free space optical beams, through the adaptive control of a mesh of Mach-Zehnder Interferometers driving an array of optical input/output radiating ports, enabling simple beam-steering operations as well as more complex applications such as automatic adaptive coupling, beam tracking and selective coupling to multiple beams shining from different directions. The objective is to have this device successfully receive multiple spatially orthogonal beams and selectively establish independent communication channels, achieving high capacity, high mutual channel rejection and good signal recovery, to implement Spatial-Division Multiplexing at the receiver of such a system. An evaluation of the strengths and limits of these devices will be carried out, complete with a proposal for improvement. At last, the characteristics of a new generation of PICs for free space optical communications designed during this thesis activity will be presented.

I Circuiti Fotonici Integrati (PIC) sviluppati sulla piattaforma Silicon-on-Insulator (SOI) hanno dimostrato un alto potenziale di impiego in molteplici campi grazie alle caratteristiche vantaggiose che essi offrono, come ad esempio la miniaturizzazione delle componenti e l'integrazione con dispositivi basati su tecnologia CMOS, combinando così l'alta velocità computazionale della fotonica con la semplicità ed il basso costo di fabbricazione dell'elettronica. La sensoristica, l'imaging e le comunicazioni ottiche sono tra le applicazioni più gettonate che beneficiano positivamente dell'utilizzo di questi dispositivi. Gli Interferometri Mach-Zehnder (MZI), combinati nella forma di complesse strutture mesh riconfigurabili a piacere, portano alla nascita di potenti processori fotonici programmabili in grado di manipolare la luce che viaggia nelle guide d’onda del circuito. Questa tecnologia è stata utilizzata in questo lavoro di tesi per la manipolazione di fasci ottici propaganti nello spazio, attraverso il controllo di una rete di interferometri Mach-Zehnder che pilotano in maniera adattiva un array di antenne ottiche, consentendo lo svolgimento di semplici operazioni come il beam-steering, così come di più complesse come l'accoppiamento adattivo automatico ad un fascio in ricezione, beam-tracking o l'accoppiamento selettivo a più fasci provenienti da direzioni diverse. L'obiettivo è far sì che questo dispositivo riceva con successo più fasci spazialmente ortogonali tra loro e stabilisca selettivamente canali di comunicazione indipendenti, ottenendo così un'elevata capacità di canale, un'elevata mutua reiezione con canali adiacenti e un buon recupero della potenza di segnale in caso di disallineamento, con il fine ultimo di implementare Spatial-Division Multiplexing al ricevitore. Sarà effettuata un'analisi dei punti di forza e dei limiti di questi dispositivi e saranno fornite delle proposte di miglioramento. Infine, verranno presentate le caratteristiche di un PIC per comunicazioni ottiche nel free-space progettato durante questa attività di tesi.