high-fidelity control of femtosecond laser written universal photonic processors

Universal photonic processors (UPPs) are photonic integrated devices capable of performing any unitary transformation between the input and output modes. UPPs represent a promising technology in the landscape of integrated photonics, ranging from classical communications to quantum information processing. The critical aspect of UPPs is reconfigurability, i.e. the ability to change the transformation applied to the state of light from input to output at will. In this context, femtosecond laser micromachining (FLM) offers a promising fabrication platform for UPPs, due to its cost-effective and rapid prototyping, in which reconfigurability is achieved through the thermo-optic effect. Nonetheless, up to now, FLM UPPs have been proven capable only of routing the light, lacking of a method to exploit their full potential. This work focuses on two 6-mode FLM UPPs, the first operating at 785 nm and the second at 1550 nm. We will propose a method to calibrate these devices by controlling the thermal shifters and compensating for all the thermal cross-talk effects. Then, we will show a fully automated setup and use the calibration results to implement two sets of transformations: the first composed of 30 switching unitaries, obtaining a fidelity of $0.9963 pm 0.0009$ for the first device and $0.9956 pm 0.0016$ for the second, and another composed of one thousand Haar random unitaries obtaining a fidelity of $0.9979 pm 0.0009$ for the first device and $0.9969 pm 0.0017$ for the second. Hence, we will present the FLM as the best platform for fabricating a 6-mode UPP and a promising technology for scaling up these devices. Finally, we will develop a simulated 6-mode UPP that enables us to confront different versions of the fidelity metric and their correlation. In particular, we will show that the fidelity parameter used in the measurements cited above, which considers only the absolute value of the compared matrices, is usually enough to evaluate the performance of the device. To conclude, we will experimentally implement a minimization protocol capable of tuning any unitary matrix implementation to reach a fidelity higher than 0.9995.

I processori fotonici universali (UPP) sono dispositivi fotonici integrati in grado di eseguire qualsiasi trasformazione unitaria fra gli stati della luce tra ingresso e uscita. Gli UPP rappresentano una tecnologia promettente nel panorama della fotonica integrata, spaziando dalle comunicazioni classiche all'elaborazione dell'informazione quantistica. L'aspetto essenziale delle UPP è la riconfigurabilità, cioè la capacità di cambiare a piacimento la trasformazione implementata. In questo contesto, la micro-lavorazione laser a femtosecondi (FLM) offre una promettente piattaforma di fabbricazione per le UPP, grazie alla sua economicità e rapidità di prototipazione, in cui la riconfigurabilità è ottenuta attraverso l'effetto termo-ottico. Tuttavia finora le UPP FLM si sono dimostrate capaci solo di guidare la luce, mancando di un metodo per sfruttarne appieno il potenziale. Questo lavoro si concentra su due UPP FLM a 6 modi, il primo operante a 785 nm e il secondo a 1550 nm. Proporremo un metodo per calibrare i dispositivi controllando gli sfasatori termici e tutti gli effetti di cross-talk. Presenteremo poi un setup completamente automatizzato e utilizzeremo i risultati della calibrazione per implementare due set di trasformazioni: il primo composto da 30 matrici di commutazione, ottenendo una fidelity di $0.9963 pm 0.0009$ per il primo dispositivo e $0.9956 pm 0.0016$ per il secondo e un altro composto da mille matrici casuali Haar, ottenendo una fidelity di $0.9979 pm 0.0009$ per il primo dispositivo e $0.9969 pm 0.0017$ per il secondo. Pertanto, presenteremo l'FLM come la migliore piattaforma per la fabbricazione di un UPP a 6 modi e come una tecnologia promettente per scalare le dimensioni di questi dispositivi. Infine, svilupperemo una UPP simulata che ci permetterà di confrontare diverse versioni del parametro di fidelity e la loro correlazione. In particolare, dimostreremo che il parametro di fidelity utilizzato nelle misure sopra citate, che considera solo il valore assoluto delle matrici confrontate, è solitamente sufficiente per valutare le prestazioni del dispositivo. Per concludere, implementeremo sperimentalmente un protocollo di minimizzazione in grado di regolare qualsiasi implementazione di matrice unitaria per raggiungere una fidelity superiore a 0.9995.