Models and methods for future generation Free Space Optics assisted by optical signal processing

The transition to 6G networks demands transport technologies capable of supporting ultra-high throughput and pervasive coverage, placing significant pressure on both backhaul and fronthaul segments. While E-band microwave technology currently addresses backhaul needs, its data rate limitations necessitate new solutions for future fronthaul, particularly in cell-free Radio Access Network (RAN) architectures. Free-Space Optics (FSO), leveraging a vast optical spectrum and advancements in photonic integrated circuits, has re-emerged as a promising candidate. However, its performance is impaired by atmospheric turbulence and weather conditions. Legacy FSO systems, based on single-input single-output (SISO) architectures and direct detection, are well-understood. In contrast, novel photonic-assisted FSO systems, which incorporate optical signal processing (OSP) before electrical conversion, require new modeling and design tools to capture the complex interplay between atmospheric propagation, optical coupling, and system parameters. This work addresses this need by developing comprehensive frameworks and models for photonic-assisted FSO. We present a general numerical simulation framework for efficient modeling of complex FSO channel matrices. Furthermore, we derive a novel statistical channel model for fiber-coupled FSO links under turbulence, accurately capturing the variability introduced by waveguide coupling. This model is used to evaluate the performance of a single-input multiple-output (SIMO) FSO system assisted by a photonic coherent combiner. We also investigate optical antenna array design for turbulence mitigation, proposing evaluation metrics and demonstrating two integrated silicon photonic arrays. A co-design approach for the array and its control mesh is disclosed to simultaneously mitigate fading and acquire pointing information. Finally, we explore the application of over-the-air OSP to realize multiple-input multiple-output (MIMO) multiplexing across a turbulent FSO link. We generalize a known power algorithm for singular value decomposition (SVD) computation and analyze its convergence over a long-haul link using realistic channel data, yielding critical insights for optical front-end design and its impact on channel gain and estimation. Collectively, this research provides foundational models and design insights aimed at enabling high-performance, photonic-assisted FSO systems to meet the stringent transport requirements of future 6G networks.

La transizione verso le reti 6G richiede tecnologie di trasporto in grado di supportare throughput ultra-elevati e copertura pervasiva, esercitando una pressione significativa sui segmenti di backhaul e fronthaul. Sebbene la tecnologia a microonde in banda E soddisfi attualmente le esigenze del backhaul, i suoi limiti in termini di velocità di dati rendono necessarie nuove soluzioni per il fronthaul futuro, specialmente nelle architetture di rete di accesso radio (RAN) cell-free. L'ottica nello spazio libero (Free-Space Optics, FSO), che sfrutta un vasto spettro ottico e i progressi nei circuiti fotonici integrati, è riemersa come candidato promettente. Tuttavia, le sue prestazioni sono compromesse dalla turbolenza atmosferica e dalle condizioni meteorologiche. I sistemi FSO tradizionali, basati su architetture single-input single-output (SISO) e rilevamento diretto, sono ben compresi. Al contrario, i nuovi sistemi FSO assistiti dalla fotonica, che incorporano l'elaborazione ottica del segnale (OSP) prima della conversione elettrica, richiedono nuovi strumenti di modellazione e progettazione per catturare la complessa interazione tra propagazione atmosferica, accoppiamento ottico e parametri di sistema. Questo lavoro affronta questa necessità sviluppando quadri di riferimento e modelli completi per i sistemi FSO assistiti dalla fotonica. Presentiamo un quadro generale di simulazione numerica per la modellazione efficiente di matrici di canale FSO complesse. Inoltre, sviluppiamo un nuovo modello statistico di canale per collegamenti FSO accoppiati a fibra in condizioni di turbolenza, che cattura accuratamente la variabilità introdotta dall'accoppiamento alla guida d'onda. Questo modello viene utilizzato per valutare le prestazioni di un sistema FSO single-input multiple-output (SIMO) assistito da un combinatore coerente fotonico. Indaghiamo inoltre la progettazione di array di antenne ottiche per la mitigazione dell'effetto di fading dovuto alla turbolenza, proponendo metriche di valutazione e dimostrando la realizzazione di due array integrati su chip di fotonica al silicio. Viene presentato un approccio di progettazione congiunta dell'array e della sua rete di controllo per contrastare simultaneamente la turbolenza e acquisire informazioni di puntamento. Infine, esploriamo l'applicazione dell'elaborazione ottica del segnale over-the-air per realizzare multiplazione multiple-input multiple-output (MIMO) attraverso un collegamento FSO turbolento. Generalizziamo un noto algoritmo di potenza per il calcolo della decomposizione ai valori singolari (SVD) e ne analizziamo la convergenza su un collegamento a lungo raggio utilizzando dati di canale realistici, ottenendo insight critici per il progetto del front-end ottico e il suo impatto sul guadagno e sulla stima del canale. Collettivamente, questa ricerca fornisce modelli fondazionali e indicazioni progettuali mirate a consentire a sistemi FSO ad alte prestazioni, assistiti dalla fotonica, di soddisfare i rigorosi requisiti di trasporto delle future reti 6G.