Photonic-assisted wireless millimeter-wave and terahertz imaging and communications

Abstract

(English) This thesis investigates the design, development, and characterization of optical-enabled wireless systems operating in the millimeter wave (mmWave) and Terahertz (THz) frequency ranges, addressing the need for high-capacity, low-latency networks in next-generation communication systems. In the context of optical networks, analog radio-over-fiber (A-RoF) systems are optimized for 5G frequencies wireless communication. Key advancements include the demonstration of cascaded optical modulators capable of performing optical frequency conversion (OFC), and optical power budget (OPB) enhancement. The study follows with the integration of photodetectors (PDs) and antennas, where reconfigurable photonically-aided antennas are designed and experimentally validated for operation at 30GHz and 50 GHz. These antennas showcase optimal impedance matching and efficient performance, leveraging flip-chip bonding techniques to ensure compact and scalable designs. For beam steering, a photonic-assisted lens array system is developed, showing excellent control of directional beams through theoretical analysis and experimental validations, with potential applications in satellite communications and advanced sensor networks. In the THz domain, photoconductive antennas (PCAs) are evaluated for time domain spectroscopy (TDS). Alignment procedures are improved, and a novel cross-polar beam pattern analysis method is introduced to identify fabrication tolerances and improve performance. These contributions enhance the precision and reliability of THz imaging and spectroscopy setups. The results present in this thesis highlight the potential of photonically integrated systems to contribute on bridging the gap between optical and wireless domains, offering robust solutions for next-generation communication networks and high-frequency sensing applications.

(Català) Aquesta tesi investiga el disseny, desenvolupament i caracterització de sistemes de comunicacions sense fils assistits òpticament que operen en les bandes de freqüència d’ones mil·limètriques (mmWave) i Teraherzs (THz), abordant la necessitat de xarxes d’alta capacitat i baixa latència per als sistemes de comunicació de pròxima generació. En el context de les xarxes òptiques, els sistemes analògics de radio sobre fibra (A-RoF) s’optimitzen per a les comunicacions sense fils en freqüències 5G. Els avenços clau inclouen la capacitat dels moduladors òptics en cascada per realitzar la conversió fotònica de freqüència (OFC) i millorar la de potencia òptica (OPB). L’estudi continua amb la integració de fotodetectors (PDs) i antenes, on s’han dissenyat i validat experimentalment antenes reconfigurables assistides fotònicament per operar a 30GHz i 50 GHz. Aquestes antenes presenten un òptim acoblament d’impedància i un rendiment eficient, pensant en tècniques de muntatge flip-chip per garantir dissenys compactes i escalables. Pel que fa al direccionament dels feixos radiats, s’ha desenvolupat una matriu d’antenes assistides fotònicament amb la integració d’una lent, mostrant un excel·lent control dels feixos direccionals mitjançant anàlisi teòrica i validació experimental, amb aplicacions potencials en comunicacions per satèl·lit i xarxes avançades de sensors. En el domini dels THz, s’avaluen antenes fotoconductores (PCAs) per als sistemes de espectroscòpia en domini temporal (TDS). Es milloren els procediments d’alineació i s’introdueix un nou mètode d’anàlisi del patró de radiació en polarització creuada per identificar toleràncies de fabricació i millorar-ne el rendiment. Aquests avenços augmenten la precisió i la fiabilitat dels sistemes d’imatge i espectroscòpia en l’àmbit dels THz. Els resultats d’aquesta tesi destaquen el potencial dels sistemes fotònics integrats per connectar els dominis òptic i sense fils, oferint solucions robustes per a xarxes de comunicació de nova generació i aplicacions de detecció en alta freqüència.

(Español) Esta tesis investiga el diseño, desarrollo y caracterización de sistemas inalámbricos asistidos por fotónica que operan en las bandas de frecuencia de ondas milimétricas (mmWave) y Terahercios (THz), abordando la necesidad de redes de alta capacidad y baja latencia para los sistemas de comunicación de próxima generación. En el contexto de las redes ópticas, los sistemas analógicos de radio sobre fibra (A-RoF) se optimizan para las comunicaciones inalámbricas en frecuencias 5G. Los avances clave incluyen la capacidad de los moduladores ópticos en cascada para realizar la conversión fotónica de frecuencia (OFC) y mejorar la potencia óptica (OPB). El estudio continua con la integración de fotodetectores (PDs) y antenas, donde se han diseñado y validado experimentalmente antenas reconfigurables asistidas fotónicamente para operar a 30GHz y 50 GHz. Estas antenas presentan un óptimo acoplamiento de impedancia y un rendimiento eficiente, con el objetivo de emplear técnicas de montaje flip-chip para garantizar diseños compactos y escalables. En cuanto al direccionamiento de los haces radiados, se ha desarrollado una matriz de antenas asistidas fotónicamente con la integración de una lente, mostrando un excelente control de los haces direccionales mediante análisis teórico y validación experimental, con aplicaciones potenciales en comunicaciones por satélite y redes avanzadas de sensores. En el dominio de los THz, se evalúan antenas fotoconductoras (PCAs) para los sistemas de espectroscopia en el dominio temporal (TDS). Se mejoran los procedimientos de alineación y se introduce un nuevo método de análisis del patrón de radiación en polarización cruzada para identificar tolerancias de fabricación y mejorar su rendimiento. Estos avances aumentan la precisión y la fiabilidad de los sistemas de imagen y espectroscopia en el ámbito de los THz. Los resultados presentados en esta tesis destacan el potencial de los sistemas fotónicos integrados para conectar los dominios óptico e inalámbrico, ofreciendo soluciones robustas para redes de comunicación de nueva generación y aplicaciones de detección en alta frecuencia.