Control strategies in large photonic integrated circuits

This thesis contributes to fill some of the existing gaps that currently prevent integrated photonics to move from a single-device level to a ``system-on-a-chip'' paradigm. The goal is to provide adequate control tools and strategies to enable the integration of many devices implementing complex optical functions. As for control systems, three main elements are required: detectors providing information on the current state of the circuit, actuators to modify its working point and a controller that closes the control loop driving the actuators according to specific algorithms. The work done in this thesis focuses on the use of non-invasive on-chip detectors and advanced control strategies to achieve control of complex photonic circuits, by means of conventional integrated actuators. Here we exploit a transparent integrated detector to control complex silicon photonic integrated circuit by monitoring the light intensity in strategic positions of the circuit. This approach can greatly simplify the management of complex photonic integrated circuits by reducing the control problem to a set of simpler problems with fewer degrees of freedom. The proposed approach is experimentally demonstrated on different complex architecture including an 8x8 silicon switch matrix and an integrated all-optical mode unscrambler for mode division multiplexing optical communications. We achieved automatic reconfiguration, devices tuning and locking as well as automatic compensation of thermal crosstalk. By means of a photonic circuit simulator, we demonstrated also advanced tuning algorithm capable of simultaneously tuning several degrees-of-freedom by using a single monitoring point. The tools and approaches shown here with silicon photonic circuits, are general and directly applicable to other semiconductor photonic platform.

Questa tesi contribuisce a colmare alcune delle lacune esistenti che attualmente impediscono il passaggio della fotonica integrata da un livello di singolo dispositivo ad un paradigma più complesso di “sistema-su-chip”. L'obiettivo è quello di fornire adeguati strumenti e strategie di controllo per consentire l'integrazione in un unico circuito di molti dispositivi fotonici che insieme siano in grado di realizzare funzioni ottiche complesse. Per quanto riguarda i sistemi di controllo, sono necessari tre elementi principali: rivelatori che forniscano informazioni sullo stato corrente del circuito, attuatori che modifichino il punto di lavoro e un controllore che chiuda l’anello di retroazione pilotando gli attuatori secondo algoritmi specifici. Il lavoro svolto in questa tesi si concentra sull'uso di rivelatori integrati non-invasivi e strategie di controllo avanzate per pilotare, mediante convenzionali attuatori termo-ottici integrati, circuiti fotonici complessi. In questo lavoro si realizza il controllo di circuiti fotonici in silicio mediante un rilevatore integrato non-invasivo che permette di misurare, senza perdite aggiuntive, l'intensità della luce in posizioni strategiche all’interno del circuito. Questo approccio può semplificare notevolmente la gestione dei circuiti fotonici integrati, riducendo un complicato problema di controllo ad una serie di problemi più semplice con un numero inferiore di gradi di libertà. L'approccio proposto è dimostrato sperimentalmente su diverse architetture complesse tra cui una matrice di commutazione 8x8 in silicio e un circuito, per applicazioni di comunicazioni a multiplazione modale, in grado di sbrogliare nel dominio ottico quattro canali miscelati da propagazione multimodale. Sono stati ottenute sia la messa a punto che l’aggancio che la riconfigurazione automatica di dispositivi integrati, nonché la compensazione di reciproci effetti spuri termici tra dispositivi. Per mezzo di un circuito simulatore circuitale, sono stati dimostrati anche algoritmi avanzati in grado di controllare contemporaneamente diversi gradi di libertà, utilizzando le informazioni provenienti da un unico punto di monitoraggio. Gli strumenti e gli approcci dimostrati qui con i circuiti fotonici in silicio, sono generali e direttamente applicabili ad altre piattaforme fotoniche basate su semiconduttori.