Design and characterisation of a fully integrated indium phosphide transmitter for satellite optical communications

Abstract

There is a growing demand for compact, high throughput optical satellite communications terminals, due to ever-increasing usage of CubeSats and NanoSats with tight volume and mass constraints, as well as increasing demands on the RF spectrum as a communications channel. In this work, atmospheric data was used to estimate an initial link budget. From this a fully integrated InP photonic QPSK (quadrature phase-shift keying) transmitter has been designed and simulated, with the intent of providing a solution to the technology gap. However, due to a failure of the phase modulators, the transmitter was instead tested as an OOK (on-off keying) transmitter with reduced transmission rate (3Gbps). A second set of chips were designed and measured in order to test individual components of the transmitter chip. Radiation testing has been performed on the transmitter and on an integrated laser on the same InP platform to gain some insight into the robustness of this technology in the radiation environment. This is the first time such radiation testing has been performed on this integrated photonics platform. This thesis describes the experimental results of the radiation test on different components and on a complete InP circuit. The measured results show a negligible degradation of the parameters of the various components. Only the integrated laser shows degraded end of life performance, but remains capable of establishing a lower transmission rate link with a ground station. These results confirm for the first time the ability of a coherent transmitter designed for LEO satellites in InP material to be used as a key component in satellite transmission systems. From the test results, it has been determined that the proposed transmitter design, even in the most demanding radiation environment of low Earth orbit, will be capable of establishing a ~0.3Gbps downlink, at a range of 550km, to a COTS ground station.

Los objetivos a adquirir durante el desarrollo de esta tesis son, en cuanto a conocimientos, habilidades y competencias: 1. Conocimientos sólidos sobre el estado actual del arte y la investigación teórica sobre láseres de ganancia conmutada y mecanismos de modulación directa y su aplicabilidad a sistemas QKD. 2. Aprender y dominar el software de simulación CAD para diseñar una fuente de luz de fase modulada directamente en el chip basada en un láser de preparación de señal gobernado por un segundo láser de fase modulada aleatoria. Dominar el software de simulación de circuitos fotónicos integrados para diseñar este transmisor utilizando plataformas de fundición estándar. 3. Definición de especificaciones de circuito y requisitos de dispositivos para ambos láseres: ruido, atenuación, longitud de la guía de ondas, ancho de línea y características del láser,…. 4. Fabricación, caracterización y prototipado del PIC anteriormente indicado. 5. Análisis de datos de la electrónica de posprocesamiento y evaluación del rendimiento del transmisor. 6. Competencias complementarias: publicaciones científicas, conferencias, talleres y escuelas.

Os obxectivos a adquirir durante o desenvolvemento desta tese son, en termos de coñecemento, habilidades e competencias: 1. Coñecemento sólido sobre o estado actual da arte e investigación teórica sobre láseres de ganancia conmutada e mecanismos de modulación directa e a súa aplicabilidade a sistemas QKD. 2. Aprender e dominar o software de simulación CAD para deseñar unha fonte de luz modulada en fase directamente no chip baseado nun láser de preparación de sinal gobernado por un segundo láser modulado en fase aleatorio. Software mestre de simulación de circuítos fotónicos integrados para deseñar este transmisor empregando plataformas de fundición estándar. 3. Definición das especificacións do circuíto e dos requisitos do dispositivo para ambos láseres: ruído, atenuación, lonxitude da guía de onda, ancho de liña e características do láser,…. 4. Fabricación, caracterización e prototipado do PIC indicado anteriormente. 5. Análise de datos electrónicos de postprocesamento e avaliación do rendemento do transmisor. 6. Habilidades complementarias: publicacións científicas, conferencias, talleres e escolas.