Optical System Design for Free Space Communications assisted by Photonic Integrated Circuits

Wireless communications are expected to be revolutionized by Free Space Optical (FSO) systems, which utilize optical links band to transmit large amounts of data across long distances. These systems offer numerous advantages, such as high optical bandwidth, license-free spectrum, immunity to radio frequency interference, quick deployment, scalability, and cost-effectiveness. However, atmospheric conditions, particularly wandering effects and turbulence, pose challenges for FSO systems. To overcome these issues, ongoing research and development efforts are focused on finding innovative solutions. This study aims to address these challenges through the use of a programmable optical processor (POP). The goal is to design a specific optical system to create an efficient interface between the integrated POP and the FSO channel, to minimize geometrical losses, and to achieve a suitable steering angle to compensate wondering effect. In order to improve the reliability of the simulator, accurate modeling of the optical coupling between the OPA elements, microlenses, and collimating optics has been integrated into an optical propagator. Furthermore, a code has been developed to estimate the Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) matrix of the entire FSO channel. The MIMO matrix provides the metric for determining crucial parameters for the OPA design, such as the number and position of antennas on the OPA. It can be also used to evaluate the best optical beam that can be transmitted to maximize the FSO system performance. To this aim, an accurate modeling of the optical coupling between the OPA elements, microlenses, and collimating optics In the end, some experiments have been conducted on a real and an emulated turbulent channel to validate the simulation tools developed, and the measure crucial parameters, such as the coherence radius and time of the beam.

Le comunicazioni wireless miglioreranno grazie ai sistemi Free Space Optical (FSO), che utilizzano bande ottiche per trasmettere grandi quantità di dati su lunghe distanze. Questi sistemi offrono numerosi vantaggi, come l'ampia larghezza di banda ottica, lo spettro senza licenza, l'immunità alle interferenze radio, una rapida implementazione, scalabilità ed economicità. Tuttavia, le condizioni atmosferiche, in particolare gli effetti di wondering e la turbolenza, rappresentano delle sfide per i sistemi FSO. Per superare tali problemi, gli sforzi di ricerca e sviluppo in corso sono concentrati nella ricerca di soluzioni innovative. Questo studio si propone di affrontare queste sfide attraverso l'utilizzo di un processore ottico programmabile (POP). L'obiettivo è progettare un sistema ottico specifico per creare un'efficace interfaccia tra il POP integrato e il canale FSO, al fine di minimizzare le perdite geometriche e ottenere un angolo di orientamento adeguato per compensare l'effetto di wondering. Per migliorare la affidabilità del simulatore, è stata integrata una modellazione accurata dell'accoppiamento ottico tra gli elementi dell'OPA, le microlenti e l'ottica di collimazione in un propagatore ottico. Inoltre, è stato sviluppato un codice per stimare la matrice Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) dell'intero canale FSO. La matrice MIMO fornisce la metrica per determinare parametri cruciali per la progettazione dell'OPA, come il numero e la posizione delle antenne sull'OPA. Può essere anche utilizzata per valutare il miglior raggio ottico che può essere trasmesso al fine di massimizzare le prestazioni del sistema FSO. A tal fine, è stata realizzata una modellazione accurata dell'accoppiamento ottico tra gli elementi dell'OPA, le microlenti e l'ottica di collimazione. Infine, sono stati condotti alcuni esperimenti su un canale turbolento reale e su uno emulato per convalidare gli strumenti di simulazione sviluppati e misurare parametri cruciali, come il raggio e il tempo di coerenza del fascio ottico.