Advanced Control Techniques for Heterogeneous and Densely-Integrated Photonic Circuits

Technologies advances have allowed the fabrication of complex yet reasonably cheap integrated photonic chips. The potentialities of these structures are enormous, ranging from the creation of short-range optical interconnection schemes, to the implementation of artificial intelligence and all-optical signal processors. However, integrated photonic systems have not reached the expected diffusion yet, hindered by the necessity of an electronic layer to be operated. Electronic control algorithms are indeed fundamental to counteract the effect of fabrication mismatches and thermal and wavelength instabilities, that prevent open-loop operations. In this work, a closed-loop control scheme is proposed, designed to easily scale up for heterogeneous and densely-integrated photonic circuits. The dithering technique is first presented, showing how it can be used to implement a power-independent and calibration-free feedback loop to stabilize the controlled devices on the stationary points of their transfer function. The approach is experimentally validated, showing how it is possible to control multiple cascaded devices with a single external detector by exploiting the concepts of frequency orthogonality and frequency selectivity of the lock-in readout. The dithering technique is then further developed, showing how it is possible to realize a similar control loop for integrated modulators, stabilized on the maximum-slope working condition. This allows the use of the same control scheme in heterogeneous architectures combining both classes of devices, paving the way to the integration of complex functionalities on the same chip. The huge flexibility achieved by the implemented design is possible thanks to the adoption of a digital core. To maximize the performance of the control, an FPGA is chosen to operate the system, allowing an unprecedented grade of parallelization. An efficient implementation of all the building blocks of the digital design is presented, allowing further scaling of the system to accommodate future growth of photonic circuits. Finally, a plasmonic-assisted ultra-compact bolometric sensor is presented, that can be offered as a fundamental building block for the next-generation plasmonic circuits. The effect of the sensor dimensions on the propagation of the plasmonic modes are assessed and the device is designed accordingly. The resulting structure, fabricated in a TiO2 platform, is fully characterized in terms of sensitivity and time response, and it is eventually used in a first control experiment.

I progressi tecnologici hanno consentito la fabbricazione di circuiti fotonici complessi ma ancora ragionevolmente economici. Le potenzialità di queste strutture sono enormi, e vanno dalla creazione di schemi di interconnessioni ottiche a breve distanza, all'implementazione di intelligenza artificiale e processori ottici. Tuttavia, tali sistemi fotonici non hanno raggiunto l'attesa diffusione, ostacolati dalla necessità della presenza di una controparte elettronica per essere utilizzati. Algoritmi di controllo elettronici sono infatti fondamentali per contrastare l'effetto di mismatch di fabbricazione e delle instabilità termiche e in lunghezza d'onda, che impediscono di fatto un loro utilizzo in anello aperto. In questo lavoro, uno schema di controllo in anello chiuso viene proposto, progettato per scalare facilmente per circuiti fotonici eterogenei e densamente integrati. La tecnica del dithering viene innanzitutto presentata, dimostrando come possa essere utilizzata per implementare un controllo ad anello che sia indipendente dalla potenza presente in guida e che non richieda calibrazioni. L'anello è in grado di stabilizzare i dispositivi controllati sui punti stazionari della loro funzione di trasferimento. La soluzione proposta viene validata sperimentalmente, dimostrando come sia possibile controllare più dispositivi in cascata con un singolo fotodiodo esterno, sfruttando il concetto di ortogonalità delle frequenze e la selettività in frequenza della lettura lock-in. La tecnica del dithering viene poi ampliata, dimostrando come si possa realizzare un sistema di controllo simile a quello descritto anche per modulatori integrati, stabilizzati sul punto a massima pendenza della loro funzione di trasferimento. Ciò consente l’utilizzo dello stesso schema di controllo in architetture eterogenee che integrano entrambe le classi di dispositivi, aprendo la strada all'integrazione di funzionalità complesse sullo stesso chip. L'enorme flessibilità ottenuta nel sistema proposta è resa possibile dall'adozione di un FPGA per operare il sistema, permettendo un grado di parallelizzazione senza precedenti. Tutti i blocchi realizzati vengono discussi e implementati in maniera efficiente, al fine di poter accomodare una futura crescita di complessità dei circuiti fotonici. Infine, viene presentato un sensore bolometrico ultracompatto basato su risonanza plasmonica, nell’ottica che possa essere reso disponibile come elemento costitutivo per futuri circuiti plasmonici. L'effetto delle dimensioni del sensore sulla propagazione del modo plasmonico viene studiato e simulato, e il dispositivo viene progettato di conseguenza. Le strutture realizzate, fabbricate in una piattaforma con guide d'onda in TiO2, sono state caratterizzate in termini di sensitività e tempo di risposta. Un primo semplice esperimento di controllo è poi riportato.