Programmable integrated platform for optical spatial multiplexing

The integration of many optical components on small-sized chips represents a significant advancement in photonics, enabling high integration density. Photonic Integrated Circuits (PICs), thanks to their performance, low power consumption, and scalability, are progressively being adopted in various fields, such as optical communications, sensing, and analog signal processing. To validate their functionalities, it is necessary to calibrate and characterize them accurately, in order to understand the limits and applicability of the entire system, from both optical and electrical perspectives. In this context, photonic chips are typically installed on electronic boards to control and stabilize their tuning. However, in the case of complex PICs, a large number of actuation and acquisition channels are needed to reconfigure the optical circuit in real-time. To address this issue, digital control algorithms and systems can be adapted to the specific application, allowing the calibration of hundreds of integrated components. The objective of this thesis is to contribute to the development of a platform capable of controlling an innovative PIC of high complexity that can be used as an optical spatial mode multiplexer. Through a double mesh of reconfigurable Mach-Zehnder Interferometers (MZIs) arranged in two diagonal lines, this device can separate up to two incoming optical beams and produce the desired spatial modes on the output. Initially, the main optical components of the meshes were characterized besides other test structures to verify their performances. Subsequently, to program the photonic chip, a printed circuit board was designed, assembled and interfaced with a modular motherboard. Finally, a control algorithm that can be used to reconfigure and stabilize the implemented optical functionalities was experimentally tested.

La possibilità di integrare molti componenti ottici su chip di piccole dimensioni rappresenta un progresso significativo nella fotonica, permettendo di ottenere un’alta densità di integrazione. I Circuiti Fotonici Integrati (PIC), grazie alle loro prestazioni, bassi consumi e scalabilità, possono essere applicati in svariati settori, come le comunicazioni ottiche, la sensoristica e l’elaborazione analogica di segnali. Per convalidarne le funzionalità, è necessario calibrarli accuratamente e caratterizzarne i principali componenti per comprendere i limiti e l’applicabilità dell’intero sistema dal punto di vista ottico ed elettrico. In questo contesto, i chip fotonici vengono tipicamente installati su schede elettroniche per controllarne e stabilizzarne il funzionamento. Tuttavia, al crescere della complessità, è necessario impiegare un numero sempre più elevato di canali di attuazione e acquisizione per riconfigurare in tempo reale il funzionamento ottico. Per affrontare questo problema, algoritmi e sistemi digitali di controllo possono essere adattati all’applicazione specifica, consentendo di calibrare centinaia di componenti integrati. L’obiettivo di questa tesi è quello di contribuire allo sviluppo di una piattaforma in grado di controllare un circuito fotonico innovativo, ad alta complessità e utilizzabile come multitiplexer ottico per modi spaziali. Tramite un’architettura a doppia mesh di Interferometri Mach-Zehnder (MZI) riconfigurabili e disposti su due linee diagonali, questo dispositivo può separare fino a due fasci ottici in ingresso e ritrasmettere in uscita i modi spaziali desiderati. Inizialmente, i componenti ottici principali delle mesh sono stati caratterizzati insieme ad altre strutture di test per valutarne le prestazioni. Successivamente, per programmare il chip fotonico, è stato progettato e assemblato un circuito stampato interfacciabile con una scheda madre modulare. Infine, è stato verificato sperimentalmente un algoritmo di controllo digitale che può essere utilizzato per riconfigurare e stabilizzare le funzionalità ottiche implementate.