New photonic architectures and devices for generation and detection of sub-THz and THz waves

The development of high-quality and reliable devices in the THz frequency region to fill the existing technological gap has become a major concern. This is chiefly motivated by the need of a widespread exploitation of the extensive variety of identified applications in this frequency region by a wide range of users, including the non-scientific community. The photonic approaches used for these purposes offer important and exclusive advantages over other existing alternatives, which have as a main representative the all-electronic technology, especially in terms of frequency range coverage, possibility of photonic distribution using optical fibers, weight and Electromagnetic Interference (EMI) immunity. Nevertheless, the optical techniques have traditionally provided with worse performance in terms of phase noise, tunability and dynamic range (in generation), and conversion ratio (in detection) when compared to state-of-theart all-electronic THz technology. The work accomplished in this thesis focuses on the design, development and validation of new photonic architectures and devices for both generation and detection of sub-THz and THz waves which overcome the drawbacks of optical techniques at this frequency region while maintaining all their advantages. In this thesis, several photonic sub-THz and THz generation systems have been developed using Difference Frequency Generation (DFG) architectures in which the DFG source is provided by an Optical Frequency Comb Generator (OFCG) and optical mode selection. Different devices and techniques are investigated for each part of the system before arriving to the final high performance synthesizer. Passively Mode-Locked Laser Diodes (PMMLDs) are firstly evaluated as integrated OFCG. An improved design of the OFCG is achieved with a scheme based on a Discrete Mode (DM) laser under Gain- Switching (GS) regime and optical span expansion by the use of a single Electro- Optical (EO) phase modulator. As optical mode selection, both high selective optical filtering and Optical Injection Locking (OIL) are used and evaluated. A commercial 50 GHz photodiode (PD) and an n-i-pn-i-p superlattice THz photomixer are employed as photodetector for Optical to THz conversion. The final reported system consists on an OFCG based on GS, OIL as mode selection strategy and an n-i-pn-i-p superlattice photomixer. This synthesizer offers a wide frequency range (60-140 GHz), readily scalable to a range between 10 GHz and values well above 1 THz. Quasi-continuous tunability is offered in the whole frequency range, with a frequency resolution of 0.1 Hz at 100 GHz that can be straightforwardly improved to 0.01 Hz at 100 GHz and 0.1 Hz at 1 THz. The measured FWHM at 120 GHz is <10 Hz, only limited by the measurement instrumentation. The system offers excellent frequency and power stability with frequency and power deviations over 1 hour of 5 Hz and 1.5 dB, respectively. These values are also limited by both the accuracy and uncertainty of the measurement setup. The performance achieved by this photonic sub-THz and THz synthesizer for most figures of merit matches or even surpasses those of commercial stateof- the-art all-electronic systems, and overcomes some of their characteristics in more than one million times when compared to commercial state-of-the-art photonic solutions. The detection part of this thesis explores the use of photonic architectures based on EO heterodyne receivers and the key devices that encompass these architectures: photonic Local Oscillators (LOs) and EO mixers. First results are developed at microwave frequencies (<15 GHz) using an Ultra-Nonlinear Semiconductor Amplifier (XN-SOA) as EO mixer and a GS based photonic LO. It is demonstrated how this LO device based on GS provides with a significant improvement in the performance of the overall EO receiver when compared to a traditional linearly modulated LO. Furthermore, this detection architecture is validated in an actual application (photonic imaging array), featuring scalability, flexibility and reasonable conversion ratios. After this, an EO heterodyne receiver is demonstrated up to frequencies of 110 GHz. The photonic LO employed is the abovementioned photonic sub- THz synthesizer developed in this thesis, while the EO mixer is an np-i-pn quasi ballistic THz detector. The first fabricated sample of this novel device is used, which is optimized for homodyne/heterodyne detection. The resulting sub-THz EO heterodyne receiver has conversion ratios around -75 dB. It works under zero-bias conditions, which together with the photonic distribution of the LO offers a high potential for remote detection of sub-THz and THz waves. In summary, new photonic architectures and devices are able to provide with state-of-the-art performance for generation of sub-THz and THz waves. In the case of EO heterodyne detection at sub-THz and THz frequency regions, photonic techniques are improving their performance and are closer to offer an alternative to all-electronic detectors. ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------El desarrollo de dispositivos fiables y de alta calidad en el rango frecuencial de Terahercios (THz) con el fin de cubrir el actual vacío tecnológico se ha convertido en una importante inquietud científica. Esto está principalmente motivado por la necesidad de explotar el gran número de aplicaciones identificadas en esta región frecuencial por un gran número de usuarios, incluyendo a usuarios no científicos. El enfoque fotónico empleado para estos propósitos ofrece importantes y exclusivas ventajas sobre otras alternativas existentes, que tienen como principal representante a la tecnología electrónica, especialmente en términos de rango de frecuencia de funcionamiento, posibilidad de distribución fotónica con fibras ópticas, peso, e inmunidad electromagnética. No obstante, las técnicas fotónicas tradicionalmente han ofrecido peores prestaciones en términos de ruido de fase, sintonía y rango dinámico (en generación) y ratio de conversión (en detección) con respecto a la tecnología electrónica de THz en el estado del arte. El trabajo realizado en esta tesis se centra en el diseño, desarrollo y validación de nuevas arquitecturas y componentes fotónicos tanto para generación como detección de ondas de sub-THz y THz que permitan solucionar las desventajas de las técnicas ópticas manteniendo todas sus ventajas. En esta tesis, varios sistemas de generación de sub-THz y THz han sido desarrollados utilizando arquitecturas Difference Frequency Generation (DFG) en las que la fuente DFG es proveída por un Optical Frequency Comb Generator (OFCG) y selección de modos ópticos. Diferentes dispositivos y técnicas son investigados para cada parte del sistema hasta conseguir un sintetizador de altas prestaciones. Passively Mode-Locked Laser Diodes (PMMLDs) son inicialmente evaluados como OFCG integrados. Un diseño mejorado del OFCG es conseguido mediante el uso de un esquema basado en un láser Discrete Mode (DM) bajo régimen Gain Switching (GS) y expansión del ancho de banda óptico mediante el uso de un modulador de fase Electro-Óptico (EO). Como estrategia de selección de modos ópticos, tanto filtrado óptico altamente selectivo como Optical Injection Locking (OIL) son usados y evaluados. Un fotodiodo comercial de ancho de banda 50 GHz y un fotomezclador de THz de superred n-i-pn-i-p son empleados. El sistema de generación final que se presenta en esta tesis consiste en un OFCG basado en GS, OIL como técnica de selección de modos ópticos y un fotomezclador de THz de superred n-i-pn-i-p. Este sintetizador ofrece un rango de funcionamiento de 60 a 140 GHz, directamente escalable a un rango entre 10 GHz y valores más allá de un THz. Sintonía cuasi-continua es ofrecida en todo el rango de frecuencia de operación, con una resolución en frecuencia de 0.1 Hz a 100 GHz que puede ser directamente escalable a 0.01 Hz a 100 GHz y 0.1 Hz a 1 THz. El ancho de línea a 3-dB de la señal a 120 GHz es menor de 10 Hz, solo limitada por la instrumentación de medida. El sistema ofrece una excelente estabilidad en potencia y frecuencia, con desviaciones sobre una hora de operación de 1.5 dB y 5 Hz, respectivamente. Estos valores también están limitados por la precisión e incertidumbre de la instrumentación de medida. Las prestaciones conseguidas por este sintetizador fotónico de sub-THz y THz para la mayoría de figuras de mérito, igualan o superan aquellas de las mejores soluciones comerciales electrónicas en el estado del arte, y supera algunas de estas características en más de un millón de veces en el caso de soluciones fotónicas comerciales en el estado del arte. La parte de detección de esta tesis explora el uso de arquitecturas fotónicas basadas en receptores EO heterodinos y los componentes clave que forman estas arquitecturas: Oscilador Local (OL) fotónico y mezcladores EO. Los primeros resultados son desarrollados en el entorno de microondas (