Control of tunable integrated photonic meshes for light beam manipulation

Technologies for efficient generation and fast scanning of narrow free-space laser beams find major applications in three-dimensional (3D) imaging and mapping, like Lidar systems for remote sensing and navigation, and secure free-space optical communications. In this field, photonic integrated circuit (PIC) enables the realization of low-cost, compact, robust and energy-efficient devices. For instance, integrated meshes of tuneable beam couplers made of Mach Zehnder Interferometers represent promising architectures for the implementation of programmable PICs, which can be used for manipulating the wavefront of the light and implementing a variety of functionality like beam steering and shaping. Conventionally, such meshes of interferometers are calibrated by characterizing each beam coupler individually, which can be time consuming and can limit scaling for larger meshes. The purpose of this thesis is to design an automatic re-configurable photonic mesh overwhelming this limitation. A numerical simulator has been developed to identify design guidelines for photonic meshes, in order to find the performances for specific applications. The proposed automatic self-calibration procedure is based on the use of suitable phase dithering signals applied to the tunable couplers of the mesh. Therefore, a numerical study has been carried out to specifically investigate the phase perturbations employed to implement the control system on the optical performance of the mesh, in order to maximize the performance in terms of calibration speed, accuracy and robustness. New generation mesh architectures have been designed according to these rules. Preliminary experimental results show the feasibility of the proposed schemes and the scalability to larger devices.

Le tecnologie per la generazione efficiente e la scansione rapida di raggi laser a spazio libero ristretto trovano applicazioni importanti nell'imaging e mappatura tridimensionale (3D), come i sistemi Lidar per il telerilevamento e la navigazione, e nelle comunicazioni ottiche nello spazio libero. In questo campo, il circuito integrato fotonico (PIC) consente la realizzazione di dispositivi a basso costo, compatti, robusti ed efficienti dal punto di vista energetico. Ad esempio, le reti integrate di accoppiatori di raggi coerenti realizzati con Interferometri Mach Zehnder rappresentano architetture promettenti per l'implementazione di PIC programmabili, che possono essere utilizzati per manipolare il fronte d'onda della luce e implementare una varietà di funzionalità come la guida e la modellatura del fascio. Convenzionalmente, tali reti di interferometri sono calibrate caratterizzando ciascun accoppiatore di fascio singolarmente, il che può richiedere molto tempo e può limitare il ridimensionamento per strutture più grandi. ewline Lo scopo di questa tesi è di progettare una piattaforma fotonica riconfigurabile automatica che superi questo limite. È stato sviluppato un simulatore numerico per identificare le linee guida di progettazione per le reti fotoniche, al fine di trovare le prestazioni per applicazioni specifiche. La procedura di autocalibrazione proposta si basa sull'uso di opportuni segnali di dithering di fase applicati agli accoppiatori sintonizzabili della rete. Pertanto, è stato condotto uno studio numerico per studiare in modo specifico le perturbazioni di fase impiegate per implementare il sistema di controllo sulle prestazioni ottiche della rete, al fine di massimizzare le prestazioni in termini di velocità di calibrazione, precisione e robustezza. Le reti interferometri di nuova generazione sono state progettate secondo queste regole. I risultati sperimentali preliminari mostrano la fattibilità degli schemi proposti e la scalabilità su dispositivi più grandi.