Design and control recipes for complex photonic integrated circuits

In this work, we present the key ingredients and the best practices for implementing simple, effective and robust control and calibration procedures for arbitrary Photonic Integrated Circuit (PIC) architectures. These procedures are introduced in different phases of PIC integration, from design and simulation to calibration and testing. Through design solutions and techniques we suggest effective approaches to guarantee the performance of the fabricated device in presence of fabrication imperfections and along the desired reconfiguration states. Tuning and calibration recipes like a technique to cancel out the effects of mutual crosstalk among thermal tuners, the exploitation of labeling to identify different optical signals, the use of input modulated signal to automatically reshape the frequency response of the device, offer robust control approaches for PIC. Examples of applications are then illustrated to show the validity and generality of these approaches, namely a cross-bar interconnect of Microring Resonator's (MRR), Mach-Zehnder Inteferometer (MZI) loaded with MRR as a tunable bandwidth filter, coupled MRR filter and MZI which are implemented in different technologies. Further, the automatic and dynamic generation of the lookup table on Dense Wavelength Division Multiplexing (DWDM) grid is demonstrated and applied to hitless tunable filters. The lookup table achieved with the proposed approach can dynamically update itself to new conditions of the chip or new requirements of operation, such as variations in channel modulation format or perturbation induced by neighboring devices due to a change in their working point. This work is concluded in two final chapters, mixing together all these receipts to design and control two complex family of PIC's and illustrate their performances through different applications. Re-configurable optical add/drop filter capable of Hitless tuning on C+L telecommunication band as the first device and integrated meshes capable of modification and manipulation of free space beams as the second PIC.

In questo lavoro, vengono presentati i componenti chiave e le migliori tecniche per implementare semplici, efficaci e robuste procedure di controllo e calibrazione per circuiti ottico-integrati (PIC). Tali metodi vengono introdotti nelle differenti fasi della costruzione del PIC, dalla progettazione e simulazione alla calibrazione e collaudo. Attraverso accorgimenti e soluzioni di progettazione vengono suggeriti approcci per garantire le performance dei dispositivi prodotti, in presenza di imperfezioni di fabbricazione e per tutti i punti di lavoro desiderati. Tecniche di sintonizzazione e calibrazione, come un metodo per cancellare gli effetti del mutuo accoppiamento termico fra i termo-attuatori, lo sfruttamento del labeling per identificare diversi segnali ottici, l’uso di un segnale modulato in input per modellare automaticamente la risposta in frequenza del dispositivo, offrono robuste soluzioni di controllo per i PIC. Quindi, esempi di applicazioni vengono illustrati, per dimostrare la validità e la generalità di tali tecniche, vale a dire interconnessioni cross-bar di micro-risonatori ad anello (MRR), interferometri Mach-Zehnder (MZI) caricati con MRR per realizzare filtri a banda modificabile, filtri a risonatori accoppiati e MZI, implementati in diverse tecnologie. Inoltre, la generazione automatica e dinamica di una lookup table (per una griglia DWDM) è stata dimostrata ed è stata applicata ad un filtro hitless sintonizzabile. La suddetta lookup table, ottenuta con l’approccio descritto, può essere dinamicamente aggiornata per rispondere a nuove condizioni dello stato del chip o del punto di lavoro, come ad esempio le variazioni del formato di modulazione del segnale entrante o le perturbazioni introdotte dai dispositivi nelle vicinanze a causa di modificazioni di utilizzo. Questo lavoro si conclude con due capitoli finali, che mettono insieme tutte queste tecniche per progettare e controllare due famiglie di PIC complessi, e illustrare le loro performance, in diversi utilizzi. Per primo, un filtro add/drop (hitless) riconfigurabile, sintonizzabile sulla banda per comunicazioni ottiche C+L. Come secondo dispositivo, una mesh di MZI integrata, capace di manipolare e modificare un fascio ottico in spazio libero.