Optimized digital platform for real-time control of integrated photonic circuits

Silicon Photonics is a promising technology that allows the realization of photonic integrated circuits of outstanding complexity. Its development has been hindered by the extreme sensibility of these architectures to temperature drift and fabrication tolerances. This limitation can be overcome with the use of the CLIPP (ContactLess Integrated Photonic Probe), an innovative and easily integrable sensor that allows non-invasive monitoring of light signals, potentially paving the way for real-time control and stabilization of photonic circuits. This thesis has addressed a multi-purpose motherboard that allows the low-noise readout of up to 16 CLIPP simultaneously and the control of 16 thermal actuators. The FPGA controlling all the functionalities of the board has been programmed in VHDL for the purpose. It also communicates with a specifically designed software interface, allowing an easy reconfiguration of the many parameters of the system and a convenient visualization of the obtained results. The sensitivity of the system has been boosted by a factor 6 with respect to previous realizations through the introduction of a two-step demodulation and optimized digital filtering techniques. Special care was taken in the realization of digital filters that allow the cancellation of all the high-frequency unwanted harmonics resulting from the demodulations performed to extract the signal. Eventually, embedded control algorithms have been coded and successfully tested on a real photonic integrated chip, demonstrating the effectiveness of the platform in stabilizing and controlling the photonic layer through closed-loop control. The experiments have proven that, even after the application of severe disturbances, the algorithm is able to bring back the system into its equilibrium condition in few seconds.

La Silicon Photonics è una promettente tecnologia che permette la realizzazione di circuiti ottici integrati di notevole complessità. Il suo sviluppo è stato però ostacolato dall'estrema sensibilità di queste architetture a cambi di temperatura e tolleranze di processo. Queste limitazioni vengono superate grazie all'introduzione della CLIPP, un sensore innovativo e di facile integrazione che permette una misura estensiva e non invasiva del segnale luminoso, aprendo così le porte per un'azione di controllo in tempo reale che permetta la stabilizzazione di circuiti fotonici. Questo lavoro di tesi è basato su una scheda multifunzione che permette la lettura a basso rumore di 16 CLIPP in contemporanea e il controllo di 16 attuatori termici. Un FPGA controlla tutte le funzionalità della board, ed è stato quindi programmato in VHDL per lo scopo. L'FPGA gestisce anche la comunicazione con un software appositamente realizzato, il quale consente una riconfigurazione dei parametri del sistema e una comoda visualizzazione dei risultati ottenuti. Attraverso l'introduzione di una demodulazione in due passaggi e lo sviluppo di precise tecniche di processing digitali, la sensitività del sistema è stata aumentata di un fattore 6 rispetto a soluzioni precedenti. Particolare cura è stata posta nella realizzazione di appositi filtri per la cancellazione delle armoniche ad alta frequenza risultanti dalle demodulazioni svolte. Infine, alcuni algoritmi di controllo sono stati programmati e testati su un circuito fotonico integrato, dimostrando l'efficacia della piattaforma nello stabilizzare e controllare il punto di lavoro di più dispositivi in simultanea. In particolare, gli esperimenti hanno provato che, anche in seguito all'applicazione di ingenti disturbi, l'algoritmo è in grado di riportare il sistema nella sua condizione di equilibrio in pochi secondi.