Photonic integrated circuit for wavefront sensing of free space beams

Free space optical communications is a promising solution to provide advantages such as broadband and immunity to RF interference wherever it is not possible to lay down an optic fiber. Some key application areas are satellite communications and back-haul links for mobile network base stations, as an extension for the current microwave point to point links to enhance throughput when atmospheric conditions are favourable. Even in the best clear sky conditions, laser beams propagating through atmosphere are affected by turbulence, which can significantly impact signal integrity. These effects are best known as scintillation and beam wander. Astronomers have developed tools to sense and correct the perturbed wavefront of the incoming light, as turbulence limited the quality of their telescope images. However, in the framework of free-space optical communications sometimes volume, complexity and weight matter, so this instrumentation is simply non applicable. This thesis proposes a flexible and multi-purpose photonic integrated solution that in addition to compensating for atmospheric turbulence and unscrambling mixed optical modes can also serve as two distinct sensors, namely a wavefront sensor and a quadrant detector. The designs for these sensing devices are introduced conceptually in a first place, then validated through simulation and finally tested experimentally using silicon photonics integrated circuits. The promising outcomes open the door for future validations and refinements.

Le comunicazioni ottiche non cablate (wireless) sono una possibile soluzione per ottenere gli stessi vantaggi delle comunicazioni ottiche cablate come larga banda e immunità da interferenze a radiofrequenza ove non sia possibile posare una fibra ottica. Esempi di applicazioni di tale tecnologia sono le comunicazioni satellitari ed i collegamenti punto-punto tra stazioni radio base della rete cellulare. In quest'ultimo, il passaggio al dominio ottico in condizioni metereologiche favorevoli può incrementare la velocità massima delle trasmissioni grazie a una frequenza di portante sensibilmente maggiore rispetto alle microonde utilizzate ad oggi. Anche nelle migliori condizioni atmosferiche, un fascio laser che si propaga nell'atmosfera è soggetto alla turbolenza, che nel caso il fascio luminoso sia modulato con dell'informazione può causare un grave deterioramento dell'integrità del segnale. Questi effetti sono conosciuti come scintillazione e fluttuazione del fascio laser (spostamento sul piano di sezione). Negli anni, gli astronomi hanno sviluppato tecnologie per monitorare e correggere il fronte d'onda perturbato della luce ricevuta dai telescopi terrestri, che essendo affetta da turbolenza limitava la qualità delle immagini. Tuttavia, nel contesto delle comunicazioni ottiche wireless, a volte le dimensioni, la complessità ed il peso contano, per cui tali strumentazioni sono semplicemente inadatte. La soluzione flessibile proposta in questa tesi consiste in un circuito fotonico integrato, capace di svolgere, tra molte altre, le funzioni di due diversi sensori, cioè un sensore di fronte d'onda e un sensore di quadrante. Entrambi sono prima proposti sul lato concettuale e teorico, successivamente provati al simulatore e infine testati sperimentalmente per mezzo di circuiti fotonici integrati su silicio. I risultati promettenti aprono la strada per sviluppi futuri.