Electronic-photonic co-design for optical computing

Modern computing architectures based on digital electronics operations are reaching their intrinsic technological limits, thus driving research towards new computational paradigms to meet increasingly demanding performance requirements. In this scenario, silicon photonics appears to offer a promising platform for the realization of integrated optical analog computers, with the objective of increasing computational speed and reducing energy consumption. However, these systems currently face numerous technological challenges due to non-idealities that affect the precision, scalability, and robustness of modern architectures. Fabrication tolerances and temperature variations can, in fact, lead to behavioral drifts in photonic meshes from ideal predictions, significantly reducing their usability and preventing the achievement of the scales needed to reach a computational breakthrough. Moreover, the programming process of current photonic systems is far from being fully automated and robust against environmental factors. To cope with these challenges, electronic-photonic co-designs are increasingly employed with the objective of monitoring the real-time behavior of light across the system and precisely adjusting the operational parameters of the entire structure. Following this trend, a FPGA-based control system and an innovative value setting and stabilization strategy are proposed to accurately set the working point of photonic coherent meshes, thus enabling vector-matrix multiplications in the optical domain while maintaining high re-configurability and reliability. This is achieved by employing highly-integrable transparent photodetectors with minimal insertion losses, that allow for non-invasive measurement of light in any point of the mesh thus marking a significant step towards precise large-scale photonic computing. The proposed electronic-photonic co-design has undergone extensive testing and validation using an integrated light interferometer. This process has confirmed the accuracy and flexibility of the proposed solution, paving the way for programming larger meshes and achieving finer control over light behavior, finally opening the path towards new control possibilities of optical-based computing and communications architectures.

Le moderne architetture di calcolo basate su operazioni digitali stanno raggiungendo il loro limite tecnologico, spingendo così la ricerca verso nuovi paradigmi di computazione per far fronte ai crescenti livelli di prestazione richiesti. In questo scenario, la fotonica su silicio propone una promettente piattaforma per la realizzazione di computer analogici ottici, con l'obiettivo di aumentare la velocità di computazione e ridurre i consumi energetici. Tuttavia, questi sistemi stanno attualmente affrontando numerose sfide tecnologiche a causa di non idealità che ne minano la precisione, la scalabilità e l'affidabilità. Tolleranze di fabbricazione e variazioni di temperatura possono infatti portare a comportamenti lontani da quelli idealmente previsti, riducendone significativamente l'impiegabilità e limitando il raggiungimento delle scale necessarie per un breakthrough computazionale. Inoltre, il processo di programmazione di questi sistemi è lontano dall'essere automatizzato e robusto contro i fattori ambientali. Per far fronte a queste sfide, architetture elettro-ottiche sono sempre più utilizzate con l'obiettivo di monitorare il comportamento effettivo della luce e reagire modificando i parametri operativi della struttura. Seguendo questo approccio, in questa tesi sono proposti un sistema di controllo basato su FPGA e una innovativa strategia di programmazione per fissare in modo preciso il punto di lavoro di circuiti fotonici coerenti, rendendo dunque possibili architetture per prodotti vettore-matrice altamente riconfigurabili e affidabili. Questo viene raggiunto mediante l'impiego per la prima volta di sensori trasparenti altamente integrabili, con perdite di inserzione minime, con lo scopo di effettuare misure di luce non invasive in ogni punto della struttura, step fondamentale per la realizzazione di circuiti fotonici su larga scala. Il sistema elettronico-fotonico presentato è stato sottoposto a misure e validazioni sperimentali su un singolo interferometro integrato. Queste, hanno dunque confermato la precisione e la flessibilità della soluzione proposta, introducendo nuovi approcci per la programmazione di circuiti fotonici integrati nonché un controllo più fine del comportamento della luce, aprendo infine la strada per nuove possibilità nel campo dell'ottica computazionale e delle comunicazioni.