Microwave photonics beamforming for satellite radio communication links

Abstract

Satellite communications face a unique opportunity to connect the parts of the Globe that are yet to be connected, thus ending with the digital divide. However, fulfilling such a mission will require satellite and fiber communications to work together, both providing the same bandwidth at the same cost. Achieving such a performance requires a new generation of communications satellites based on high-capacity signal processors, for allowing a dynamic allocation of hundreds of beams with total throughput higher than 1 Tb s-1. Various photonic techniques have proved to be capable of serving as basis for implementing such a high-capacity signal processor, however with reduced mass and power consumption, while at the same time enabling a flexible coverage. However, an unavoidably disruptive implementation of such photonic techniques will have to be modular, which until today has not been demonstrated. In this thesis, a photonic-aided coherent receiver that meet such demands is demonstrated. A photonic beamforming system for phased array antenna receiver is proposed. Such system relies on optical tunable delay lines implemented with Mach-Zenhder interferometers, and on self-heterodyne coherent detection. The proposed architecture offers maximum sensitivity, phase noise cancellation, optical phase shifting equivalent to RF phase shifting and also RF frequency conversion. The design of the proposed architecture is presented in a silicon pho- tonic integrated circuit relying on three different types of phase shifters: thermo-optic, carrier-injection and carrier-depletion. Carrier-depletion is demonstrated as the most suitable technology for the targeted application. Finally, the separation of two beams performed by a photonic beam- forming system is demonstrated for the first time ever. Such a demonstration proves that a modular high-capacity signal processor is feasible resorting to photonic technologies, paving the way to the introduction of photonics in next-generation communications satellites.

Comunicações via satélite deparam-se com uma oportunidade única para conectar as partes do Globo ainda por conectar, acabando assim com a exclusão digital. Contudo, cumprir tal missão apenas será possível se comunicações via satélite e por fibra cooperarem para o mesmo fim, providenciando a mesma largura de banda ao mesmo custo. Tal desempenho requer uma nova geração de satélites de comunicações assentes em processadores de alta capacidade, que permitam uma alocação dinâmica de centenas de feixes com débito total superior a 1Tb s-1. Várias técnicas fotónicas têm demonstrado ser capazes de servir como base à implementação de um processador de grande capacidade com massa e consumo energético reduzidos, bem como com possibilidade de reconfiguração para uma cobertura flexível. Contudo, uma implementação inevitavelmente disruptiva de tais técnicas fotónicas terá que ser modular, o que até ao momento não foi demonstrado. Nesta tese, demonstra-se que um receptor coerente assente em técnicas fotónicas atende a tais demandas. O recetor coerente proposto consiste num sistema de controlo fotónico que processa os sinais recebidos por um agregado de antenas. O sistema baseia-se em linhas de atraso sintonizáveis óticas implementadas com interferómetros de MachZenhder e em deteção coerente auto-heteródina. A arquitetura proposta oferece elevada sensibilidade, cancelamento de ruído de fase, atraso de fase de RF equivalente a atraso de fase ótico e também conversão de frequência RF. É apresentado o desenho da arquitetura proposta num circuito integrado de silício baseado em três atrasos de fase assentes em diferentes efeitos: termo ótico, injeção de portadores de carga e depleção de portadores de carga. A tecnologia de depleção de portadores de carga é demonstrada como a mais adequada para a aplicação em mãos. Por fim, é demonstrada pela primeira vez a separação de dois feixes num sistema de controlo fotónico para um receptor com base num agregado de antenas. Tal demonstração prova que um processador de grande capacidade implementado modularmente é efetivamente viável com recurso técnicas fotónicas, o que abre caminho à introdução de tecnologias fotónicas em satélites de comunicações da próxima geração.