Self-adaptive integrated photonic transceiver for free space optics communications

Free-space optical (FSO) communication provides high-capacity and low-latency wireless links, but its practical deployment is constrained by a range of propagation and alignment impairments. Atmospheric attenuation caused by fog, haze, rain, snow, dust, and aerosols can severely limit link availability, while pointing errors arising from building sway, platform vibrations, and mobile terminals introduce additional power fluctuations. Under clear-sky conditions, however, the dominant performance limitation is imposed by atmospheric turbulence, which induces random fluctuations in optical amplitude, phase, and spatial structure. These turbulence-induced distortions reduce link reliability and pose fundamental challenges to the scalability of advanced modulation, coherent detection, and spatial multiplexing techniques. This thesis investigates adaptive receiver-side mitigation of turbulence-induced distortions using self-adaptive photonic integrated circuits (PICs). A multi-aperture silicon photonic receiver based on a reconfigurable mesh of Mach-Zehnder interferometers is designed to combine multiple spatial samples of a distorted optical wavefront coherently. A real-time closed-loop control strategy employing on-chip optical power monitors enables signal-agnostic operation and dynamic compensation of turbulence without prior knowledge of the transmitted signal. The proposed architecture is experimentally validated across multiple FSO communication paradigms. These include chaos-based optical communication, where synchronization and chaotic dynamics are recovered under strong turbulence; radio-over-FSO transmission, supporting high-order radio-frequency modulation formats up to 1024 QAM; and wavelength-division-multiplexed FSO links, demonstrating wavelength-agnostic turbulence compensation across the C-band. The thesis further investigates bidirectional PIC-to-PIC FSO links, demonstrating channel reciprocity in turbulent conditions and identifying limitations to stable control caused by channel loss and back-reflection. Pilot-tone-based labeling and wavelength-multiplexed architectures incorporating integrated Bragg filters are shown to significantly extend the operational power margin. High-speed data transmission at 25~Gb/s is demonstrated under adaptive control. Overall, the results establish self-adaptive photonic receivers as a scalable and low-latency platform for turbulence-resilient FSO communication, enabling adaptive operation across diverse modulation formats and system architectures.

La comunicazione ottica in spazio libero (Free-Space Optical, FSO) consente collegamenti wireless ad alta capacità e bassa latenza, ma la sua implementazione pratica è limitata da diverse problematiche di propagazione e di allineamento. L’attenuazione atmosferica causata da nebbia, foschia, pioggia, neve, polvere e aerosol può ridurre significativamente la disponibilità del collegamento, mentre gli errori di puntamento dovuti all’oscillazione degli edifici, alle vibrazioni delle piattaforme e ai terminali mobili introducono ulteriori fluttuazioni di potenza. In condizioni di cielo sereno, tuttavia, la principale limitazione delle prestazioni è imposta dalla turbolenza atmosferica, che induce fluttuazioni casuali dell’ampiezza ottica, della fase e della struttura spaziale del fascio. Queste distorsioni indotte dalla turbolenza riducono l’affidabilità del collegamento e pongono sfide fondamentali alla scalabilità di tecniche avanzate di modulazione, rivelazione coerente e multiplazione spaziale. Questa tesi studia la mitigazione lato ricevitore delle distorsioni indotte dalla turbolenza mediante circuiti integrati fotonici (PIC) auto-adattivi. Viene progettato un ricevitore fotonico multi-apertura in silicio, basato su una mesh riconfigurabile di interferometri Mach–Zehnder, per combinare coerentemente più campioni spaziali di un fronte d’onda ottico distorto. Una strategia di controllo in retroazione in tempo reale, che impiega monitor di potenza ottica integrati on-chip, consente un funzionamento indipendente dal segnale e la compensazione dinamica della turbolenza senza conoscenza preventiva del segnale trasmesso. L’architettura proposta è validata sperimentalmente su diversi paradigmi di comunicazione FSO. Tra questi rientrano le comunicazioni ottiche basate sul caos, in cui la sincronizzazione e la dinamica caotica vengono recuperate anche in presenza di forte turbolenza; la trasmissione radio-over-FSO, che supporta formati di modulazione a radiofrequenza ad alto ordine fino a 1024-QAM; e collegamenti FSO multiplati in lunghezza d’onda, che dimostrano una compensazione della turbolenza indipendente dalla lunghezza d’onda su tutta la banda C. La tesi analizza inoltre collegamenti FSO bidirezionali PIC-to-PIC, dimostrando la reciprocità del canale in condizioni di turbolenza e individuando i limiti alla stabilità del controllo dovuti alla perdita di canale e alle retro-riflessioni. Architetture basate su etichettatura tramite tono pilota e su multiplazione in lunghezza d’onda, che incorporano filtri di Bragg integrati, mostrano un significativo aumento del margine operativo di potenza. Viene inoltre dimostrata la trasmissione dati ad alta velocità a 25 Gb/s sotto controllo adattivo. Nel complesso, i risultati dimostrano che i ricevitori fotonici auto-adattivi rappresentano una piattaforma scalabile e a bassa latenza per comunicazioni FSO resilienti alla turbolenza, consentendo un funzionamento adattivo su diversi formati di modulazione e architetture di sistema.