Digital design of a modular architecture for the control of dense photonic systems

Technological advances in the fabrication of integrated photonic chips have led to an outbreak of silicon-based optical systems for telecommunication and computing applications. However, despite the technology has the potential of integrating thousands of devices in the same chip, the diffusion of large-scale architectures is still hindered by the sensitivity of silicon to temperature variations, that requires to monitor and stabilize in real-time the behaviour of each photonic device. Electronic control systems and algorithms have thus emerged as fundamental elements to ensure reliable optical operations even in presence of thermal instabilities, aging and fabrication tolerances. The control of multiple photonic components is obtained by using a growing number of detectors and actuators in parallel, up to a level that cannot be reached with the current electronic systems. A custom platform has thus been designed. The board features 144 programmable input/output channels that can be used to implement multiple feedback control loops and stabilize large-scale optical systems by locally addressing each photonic device. The system has a modular architecture, with a motherboard hosting 6 pluggable modules and a FPGA. The FPGA manages the functionality of all the components, implements the digital control algorithms for the photonic devices and manages the communication with the PC. In the context of this thesis, the VHDL firmware required to operate the platform has been developed, tested and experimentally validated. Considering the large number of parallel channels of the system, several strategies have been implemented to optimize the use of digital resources. In particular, an optimized digital lock-in processing chain has been developed for acquiring with high resolution the signal coming from the integrated photodetectors, exploiting time-multiplexing of the FPGA resources and advanced digital filters structures. Similar strategies have been used for efficiently driving the large number of actuators that can be controlled by the electronic platform. Particular efforts have been made to conceive the digital system in a modular way, to be able to easily adapt it to different configurations of the pluggable modules. The implemented digital architecture has been thoroughly tested and validated, both with behavioral simulations and experimental measurements, confirming its correct functionality. The new control platform is now ready to be used in real experiments, to control state-of-the-art photonic circuits with increasing complexity and sophisticated functionalities.

I progressi nei processi di fabbricazione di circuiti fotonici integrati hanno scatenato una diffusione su larga scala dei sistemi ottici su silicio, dalle telecomunicazioni alle applicazioni di elaborazione dati. Tuttavia, nonostante la tecnologia abbia il potenziale di integrare un altissimo numero di componenti sullo stesso chip, la diffusione di architetture su larga scala è rallentata dalla sensibilità che il silicio mostra nei confronti delle variazioni di temperatura, le quali rendono necessario monitorare e stabilizzare in tempo reale il comportamento di ogni dispositivo ottico. Un sistema elettronico di controllo è dunque necessario per bilanciare gli effetti delle variazioni locali di temperatura e delle tolleranze di processo. Il controllo di molti componenti ottici in parallelo è reso possibile dall'impiego di un numero sempre più alto di sensori e attuatori, un numero che gli attuali sistemi elettronici non sono in grado di raggiungere. A tale scopo è stata dunque progettata una piattaforma ad-hoc. La scheda include 144 canali programmabili di ingresso/uscita che possono essere usati per implementare un alto numero di controlli in anello chiuso e stabilizzare densi e complessi sistemi ottici agendo sui singoli componenti. Il sistema ha un'architettura modulare, con una scheda madre che alloca connettori per 6 moduli e un FPGA. Quest'ultimo si occupa di programmare tutti i componenti del sistema, di implementare gli algoritmi di controllo necessari per i dispositivi ottici e di gestire la comunicazione con il PC. Nel contesto di questa tesi, il firmware in VHDL necessario per gestire l'intero sistema è stato sviluppato, testato e validato sperimentalmente. Visto l'alto numero di canali che il sistema deve controllare in parallelo, numerose strategie per ottimizzare l'uso delle risorse digitali sono state implementate. In particolare, sfruttando tecniche di time-multiplexing delle risorse dell'FPGA e strutture avanzate nei filtri digitali, è stata realizzata una catena di elaborazione digitale ottimizzata di tipo lock-in per acquisire con alta risoluzione i segnali provenienti dai fotorilevatori integrati. Strategie simili sono state adottate per la generazione di un ampio numero di segnali al fine di pilotare tutti gli attuatori che il sistema deve controllare. Il sistema di elaborazione digitale dei segnali è stato concepito in maniera modulare, in modo da potersi adattare a diverse configurazioni e combinazioni dei moduli inseriti nella scheda madre. L'architettura digitale implementata è stata ampiamente testata e validata, attraverso sia simulazioni sia misure sperimentali, confermando il funzionamento atteso del sistema. La nuova piattaforma elettronica è pronta per essere usata in esperimenti su banco ottico, al fine di controllare le nuove generazioni di circuiti fotonici con funzioni sempre più complesse.