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POLITesi - Archivio digitale delle tesi di laurea e di dottorato

Linear optical networks constitute a core technology for both classical and quantum photonics, enabling applications that range from optical signal processing and analog optical computing to quantum interferometry, communication, and computation. Universal Photonic Processors (UPPs) are integrated optical devices that provide a scalable hardware platform for such applications by implementing arbitrary unitary transformations through meshes of reconfigurable 2-by-2 unit cells. "Calibration" in this sense means obtaining an accurate model representing the relationship between the control variables of the reconfigurable cells and the implemented unitary transformation. Femtosecond Laser Waveguide Writing (FLWW) in glass is a fabrication platform that offers several advantages such as rapid prototyping, three-dimensional optical structure writing, and substrate machining at the micro-scale. This platform, together with photolithography-based methods to fabricate resistive heaters on top of the glass substrate, enables the creation of highly performant UPPs. However, the behavior of FLWW UPPs is affected by fabrication imperfections and, critically, by thermal cross-talk between the densely packed resistive heaters, which complicates modeling and calibration. All these factors contribute to making high fidelities more difficult to achieve. This work presents a comprehensive experimental study of calibration and operation strategies for FLWW UPPs, with a focus on scalability, automation, and high-fidelity performance. Fully automated calibration pipelines are developed, reducing the total calibration time from multiple days to a few hours, while enabling completely automated and scalable optimization algorithms. On a 6-mode processor, the proposed approach achieves an average amplitude fidelity of 0.9979 ± 0.0009. Leveraging the speed of the automated calibration, a single-matrix optimization method based on current fine-tuning is demonstrated, increasing the mean amplitude fidelity for selected target matrices up to 0.9996 on average, highlighting fine-tuning as a viable strategy to push past the limits of the calibration in FLWW UPPs for a variety of applications. The robustness of the calibrated devices is further investigated with respect to polarization effects. Despite waveguide birefringence that is intrinsic to the fabrication platform, the experiments show that the polarization state of the input light alters the average fidelity of the UPP only by a negligible amount even when confronting opposite polarization states, without the need to recalibrate the device. Scalability is addressed through the extension of the calibration setup to larger meshes and through the introduction of machine-learning-based "digital twin" models trained on large matrix datasets. The proposed setups are capable of both gathering the data and applying the algorithms autonomously. Using these methods and setups, a 6-mode processor achieves an average amplitude fidelity of 0.9978 ± 0.0008, an 8-mode processor achieves an average amplitude fidelity of 0.9948 ± 0.002, while a 12-mode device achieves 0.9907 ± 0.0063, with single matrix acquisition times below 10 seconds. From the point of view of mitigating side-effects in UPPs, thermal cross-talk is investigated in detail through vacuum-enhanced device operation. By operating the UPP at medium vacuum conditions (0.03 mbar), heat transfer is reduced, leading to a marked increase in thermal isolation between adjacent heaters. Quantitative cross-talk metrics show an improvement of an order of magnitude when transitioning from air to vacuum. While vacuum conditions modify the thermal dynamics of the system, introducing longer thermalization times for individual heaters, simulations show that the effective global reconfiguration time (Time-To-Matrix, TTM) remains comparable. These results highlight vacuum operation as a viable pathway to suppressing thermal cross-talk in large-scale FLWW UPPs without fundamentally compromising reconfiguration speed. Beyond amplitude-only characterization, an interferometric phase retrieval technique based on a dedicated interface chip is introduced, enabling access to physically meaningful phase information and full fidelity evaluation. This approach allows the measurement of complex matrix elements, constituting one of the first demonstrations of full (amplitude and phase) matrix and fidelity measurements in a FLWW UPP with a Clements-type architecture. Using the proposed calibration methods and measurement technique for the UPP, fidelities between 0.9935 and 0.9993 are measured for selected matrices, fully accounting for the complex nature of the unitaries. Finally, a complementary investigation of a novel methodology for the characterization of multimode waveguides is presented. By acquiring large datasets of output intensity patterns under varying excitation conditions and applying Principal Component Analysis (PCA), the number of modes supported by the structure is inferred from the dominant principal components. Experimental results on two different fibers (1550BHP and 780HP) at five different wavelengths ranging from 405 nm to 925 nm are carried out, demonstrating qualitative discrimination of multimodal behavior which is consistent with theoretical expectations. This approach establishes a low-cost, data-driven framework for multimode waveguide characterization and provides a foundation for future extensions toward quantitative mode analysis. Overall, this work demonstrates a scalable and experimentally validated toolbox for the calibration and high-fidelity operation of FLWW integrated devices, providing a solid foundation for their deployment in advanced classical and quantum photonic applications.

I circuiti ottici lineari costituiscono una tecnologia fondamentale sia per la fotonica classica sia per quella quantistica, consentendo applicazioni che vanno dall’elaborazione del segnale ottico e dal calcolo ottico analogico fino all’interferometria quantistica, alle comunicazioni quantistiche e al quantum computing. I Processori Fotonici Universali ("Universal Photonic Processor", UPP) sono dispositivi ottici integrati che forniscono una piattaforma hardware scalabile per queste applicazioni; gli UPP implementano trasformazioni unitarie arbitrarie sullo stato della luce tramite una rete di celle elementari riconfigurabili 2×2. In questo contesto, per "calibrazione" si intende l’ottenimento di un modello accurato che rappresenti la relazione tra le variabili di controllo delle celle riconfigurabili e la trasformazione unitaria effettivamente implementata. La scrittura di guide d'onda con laser a femtosecondi ("Femtosecond Laser Waveguide Writing", FLWW) nel vetro è una piattaforma di fabbricazione che offre diversi vantaggi, come la prototipazione rapida, la scrittura di strutture ottiche tridimensionali e la lavorazione del substrato su scala micrometrica. Questa piattaforma, insieme a metodi basati su fotolitografia per fabbricare riscaldatori resistivi sopra il substrato di vetro, consente la realizzazione di UPP altamente performanti. Tuttavia, il comportamento degli UPP realizzati tramite FLWW è influenzato da imperfezioni di fabbricazione e, in modo critico, dal cross-talk termico tra i riscaldatori resistivi vicini, fattori che complicano la modellizzazione e la calibrazione. Tutti questi aspetti contribuiscono a rendere più difficile il raggiungimento di alte fidelity. Questo lavoro presenta uno studio sperimentale completo delle strategie di calibrazione e di funzionamento per UPP realizzati con FLWW, con particolare attenzione alla scalabilità, all’automazione e alle prestazioni ad alta fidelity. Vengono sviluppate pipeline di calibrazione completamente automatizzate, riducendo il tempo totale di calibrazione da diversi giorni a poche ore e consentendo l’uso di algoritmi di ottimizzazione completamente automatici e scalabili. Su un processore a 6 modi, l’approccio proposto raggiunge una amplitude fidelity media di 0,9979 ± 0,0009. Sfruttando la rapidità della calibrazione automatizzata, viene dimostrato un metodo di ottimizzazione a singola matrice basato su fine-tuning delle correnti, che aumenta la amplitude fidelity per matrici selezionate fino a 0,9996 in media, evidenziando il fine-tuning come una strategia efficace per superare i limiti della calibrazione negli UPP FLWW in varie applicazioni. La robustezza dei dispositivi calibrati viene inoltre investigata in termini di polarizzazione. Nonostante la birifrangenza delle guide d’onda, intrinseca alla piattaforma di fabbricazione, gli esperimenti mostrano che lo stato di polarizzazione della luce in ingresso modifica la fidelity media dell’UPP solo in modo trascurabile, anche considerando stati di polarizzazione opposti, senza necessità di ricalibrare il dispositivo. La scalabilità viene affrontata estendendo il sistema di calibrazione a reti più grandi e introducendo modelli di "gemello digitale" (digital twin) basati su machine learning e applicati ad ampi dataset di matrici. I setup sperimentali proposti sono in grado sia di raccogliere i dati sia di applicare autonomamente gli algoritmi. Utilizzando questi metodi e setup, un processore a 6 modi raggiunge una amplitude fidelity media di 0,9978 ± 0,0008, un processore a 8 modi 0,9948 ± 0,002, mentre un dispositivo a 12 modi raggiunge 0,9907 ± 0,0063, con tempi di acquisizione per singola matrice inferiori a 10 secondi. Dal punto di vista della mitigazione degli effetti collaterali negli UPP, il cross-talk termico viene studiato in dettaglio attraverso il funzionamento del dispositivo in condizioni di vuoto. Operando l’UPP a condizioni di medio vuoto (0,03 mbar), il trasferimento di calore viene ridotto, portando a un marcato aumento dell’isolamento termico tra riscaldatori adiacenti. Metriche quantitative di cross-talk mostrano un miglioramento di un ordine di grandezza nel passaggio dall’aria al vuoto. Sebbene le condizioni di vuoto modifichino la dinamica termica del sistema, introducendo tempi di termalizzazione più lunghi per i singoli riscaldatori, simulazioni mostrano che il tempo effettivo di riconfigurazione globale (Time-To-Matrix, TTM) rimane comparabile. Questi risultati evidenziano il funzionamento in vuoto come una strategia praticabile per sopprimere il cross-talk termico negli UPP FLWW su larga scala senza compromettere in modo sostanziale la velocità di riconfigurazione. Oltre alla caratterizzazione della sola ampiezza, viene introdotta una tecnica interferometrica di recupero della fase basata su un nuovo chip specificamente disegnato per ampliare il setup esistente, che consente l’accesso a informazioni di fase fisicamente significative e la valutazione della fidelity completa. Questo approccio permette la misura degli elementi complessi della matrice, costituendo una delle prime dimostrazioni di misure complete di matrice e fidelity (ampiezza e fase) in un UPP fabbricato tramite FLWW con architettura Clements. Utilizzando i metodi di calibrazione e la tecnica di misura proposti per l’UPP, vengono misurate fidelity comprese tra 0,9935 e 0,9993 per matrici selezionate, tenendo pienamente conto della natura complessa delle trasformazioni unitarie. Infine, viene presentata un’indagine complementare su una nuova metodologia per la caratterizzazione di guide d’onda multimodali. Acquisendo ampi dataset di pattern di intensità in uscita sotto diverse condizioni di eccitazione e applicando Principal Component Analysis (PCA), il numero di modi supportati dalla struttura viene dedotto dalle componenti principali dominanti. Sono stati condotti esperimenti su due diverse fibre (1550BHP e 780HP) a cinque diverse lunghezze d’onda comprese tra 405 nm e 925 nm, dimostrando una discriminazione qualitativa del comportamento multimodale coerente con le aspettative teoriche. Questo approccio stabilisce un metodo a basso costo per la caratterizzazione di guide d’onda multimodali e fornisce una base verso analisi quantitative dei modi più elaborate in futuro. Nel complesso, questo lavoro mira a introdurre una serie di strumenti scalabili e sperimentalmente verificati per la calibrazione e il funzionamento ad alta fidelity di dispositivi integrati FLWW, fornendo una solida base per la loro implementazione in applicazioni avanzate di fotonica classica e quantistica.

Scalable characterization techniques for integrated photonic devices in a femtosecond laser written platform

Di GIANO, NIKI
2025/2026

Abstract

Linear optical networks constitute a core technology for both classical and quantum photonics, enabling applications that range from optical signal processing and analog optical computing to quantum interferometry, communication, and computation. Universal Photonic Processors (UPPs) are integrated optical devices that provide a scalable hardware platform for such applications by implementing arbitrary unitary transformations through meshes of reconfigurable 2-by-2 unit cells. "Calibration" in this sense means obtaining an accurate model representing the relationship between the control variables of the reconfigurable cells and the implemented unitary transformation. Femtosecond Laser Waveguide Writing (FLWW) in glass is a fabrication platform that offers several advantages such as rapid prototyping, three-dimensional optical structure writing, and substrate machining at the micro-scale. This platform, together with photolithography-based methods to fabricate resistive heaters on top of the glass substrate, enables the creation of highly performant UPPs. However, the behavior of FLWW UPPs is affected by fabrication imperfections and, critically, by thermal cross-talk between the densely packed resistive heaters, which complicates modeling and calibration. All these factors contribute to making high fidelities more difficult to achieve. This work presents a comprehensive experimental study of calibration and operation strategies for FLWW UPPs, with a focus on scalability, automation, and high-fidelity performance. Fully automated calibration pipelines are developed, reducing the total calibration time from multiple days to a few hours, while enabling completely automated and scalable optimization algorithms. On a 6-mode processor, the proposed approach achieves an average amplitude fidelity of 0.9979 ± 0.0009. Leveraging the speed of the automated calibration, a single-matrix optimization method based on current fine-tuning is demonstrated, increasing the mean amplitude fidelity for selected target matrices up to 0.9996 on average, highlighting fine-tuning as a viable strategy to push past the limits of the calibration in FLWW UPPs for a variety of applications. The robustness of the calibrated devices is further investigated with respect to polarization effects. Despite waveguide birefringence that is intrinsic to the fabrication platform, the experiments show that the polarization state of the input light alters the average fidelity of the UPP only by a negligible amount even when confronting opposite polarization states, without the need to recalibrate the device. Scalability is addressed through the extension of the calibration setup to larger meshes and through the introduction of machine-learning-based "digital twin" models trained on large matrix datasets. The proposed setups are capable of both gathering the data and applying the algorithms autonomously. Using these methods and setups, a 6-mode processor achieves an average amplitude fidelity of 0.9978 ± 0.0008, an 8-mode processor achieves an average amplitude fidelity of 0.9948 ± 0.002, while a 12-mode device achieves 0.9907 ± 0.0063, with single matrix acquisition times below 10 seconds. From the point of view of mitigating side-effects in UPPs, thermal cross-talk is investigated in detail through vacuum-enhanced device operation. By operating the UPP at medium vacuum conditions (0.03 mbar), heat transfer is reduced, leading to a marked increase in thermal isolation between adjacent heaters. Quantitative cross-talk metrics show an improvement of an order of magnitude when transitioning from air to vacuum. While vacuum conditions modify the thermal dynamics of the system, introducing longer thermalization times for individual heaters, simulations show that the effective global reconfiguration time (Time-To-Matrix, TTM) remains comparable. These results highlight vacuum operation as a viable pathway to suppressing thermal cross-talk in large-scale FLWW UPPs without fundamentally compromising reconfiguration speed. Beyond amplitude-only characterization, an interferometric phase retrieval technique based on a dedicated interface chip is introduced, enabling access to physically meaningful phase information and full fidelity evaluation. This approach allows the measurement of complex matrix elements, constituting one of the first demonstrations of full (amplitude and phase) matrix and fidelity measurements in a FLWW UPP with a Clements-type architecture. Using the proposed calibration methods and measurement technique for the UPP, fidelities between 0.9935 and 0.9993 are measured for selected matrices, fully accounting for the complex nature of the unitaries. Finally, a complementary investigation of a novel methodology for the characterization of multimode waveguides is presented. By acquiring large datasets of output intensity patterns under varying excitation conditions and applying Principal Component Analysis (PCA), the number of modes supported by the structure is inferred from the dominant principal components. Experimental results on two different fibers (1550BHP and 780HP) at five different wavelengths ranging from 405 nm to 925 nm are carried out, demonstrating qualitative discrimination of multimodal behavior which is consistent with theoretical expectations. This approach establishes a low-cost, data-driven framework for multimode waveguide characterization and provides a foundation for future extensions toward quantitative mode analysis. Overall, this work demonstrates a scalable and experimentally validated toolbox for the calibration and high-fidelity operation of FLWW integrated devices, providing a solid foundation for their deployment in advanced classical and quantum photonic applications.
STAGIRA, SALVATORE
CRESPI, ANDREA
31-mar-2026
Scalable characterization techniques for integrated photonic devices in a femtosecond laser written platform
I circuiti ottici lineari costituiscono una tecnologia fondamentale sia per la fotonica classica sia per quella quantistica, consentendo applicazioni che vanno dall’elaborazione del segnale ottico e dal calcolo ottico analogico fino all’interferometria quantistica, alle comunicazioni quantistiche e al quantum computing. I Processori Fotonici Universali ("Universal Photonic Processor", UPP) sono dispositivi ottici integrati che forniscono una piattaforma hardware scalabile per queste applicazioni; gli UPP implementano trasformazioni unitarie arbitrarie sullo stato della luce tramite una rete di celle elementari riconfigurabili 2×2. In questo contesto, per "calibrazione" si intende l’ottenimento di un modello accurato che rappresenti la relazione tra le variabili di controllo delle celle riconfigurabili e la trasformazione unitaria effettivamente implementata. La scrittura di guide d'onda con laser a femtosecondi ("Femtosecond Laser Waveguide Writing", FLWW) nel vetro è una piattaforma di fabbricazione che offre diversi vantaggi, come la prototipazione rapida, la scrittura di strutture ottiche tridimensionali e la lavorazione del substrato su scala micrometrica. Questa piattaforma, insieme a metodi basati su fotolitografia per fabbricare riscaldatori resistivi sopra il substrato di vetro, consente la realizzazione di UPP altamente performanti. Tuttavia, il comportamento degli UPP realizzati tramite FLWW è influenzato da imperfezioni di fabbricazione e, in modo critico, dal cross-talk termico tra i riscaldatori resistivi vicini, fattori che complicano la modellizzazione e la calibrazione. Tutti questi aspetti contribuiscono a rendere più difficile il raggiungimento di alte fidelity. Questo lavoro presenta uno studio sperimentale completo delle strategie di calibrazione e di funzionamento per UPP realizzati con FLWW, con particolare attenzione alla scalabilità, all’automazione e alle prestazioni ad alta fidelity. Vengono sviluppate pipeline di calibrazione completamente automatizzate, riducendo il tempo totale di calibrazione da diversi giorni a poche ore e consentendo l’uso di algoritmi di ottimizzazione completamente automatici e scalabili. Su un processore a 6 modi, l’approccio proposto raggiunge una amplitude fidelity media di 0,9979 ± 0,0009. Sfruttando la rapidità della calibrazione automatizzata, viene dimostrato un metodo di ottimizzazione a singola matrice basato su fine-tuning delle correnti, che aumenta la amplitude fidelity per matrici selezionate fino a 0,9996 in media, evidenziando il fine-tuning come una strategia efficace per superare i limiti della calibrazione negli UPP FLWW in varie applicazioni. La robustezza dei dispositivi calibrati viene inoltre investigata in termini di polarizzazione. Nonostante la birifrangenza delle guide d’onda, intrinseca alla piattaforma di fabbricazione, gli esperimenti mostrano che lo stato di polarizzazione della luce in ingresso modifica la fidelity media dell’UPP solo in modo trascurabile, anche considerando stati di polarizzazione opposti, senza necessità di ricalibrare il dispositivo. La scalabilità viene affrontata estendendo il sistema di calibrazione a reti più grandi e introducendo modelli di "gemello digitale" (digital twin) basati su machine learning e applicati ad ampi dataset di matrici. I setup sperimentali proposti sono in grado sia di raccogliere i dati sia di applicare autonomamente gli algoritmi. Utilizzando questi metodi e setup, un processore a 6 modi raggiunge una amplitude fidelity media di 0,9978 ± 0,0008, un processore a 8 modi 0,9948 ± 0,002, mentre un dispositivo a 12 modi raggiunge 0,9907 ± 0,0063, con tempi di acquisizione per singola matrice inferiori a 10 secondi. Dal punto di vista della mitigazione degli effetti collaterali negli UPP, il cross-talk termico viene studiato in dettaglio attraverso il funzionamento del dispositivo in condizioni di vuoto. Operando l’UPP a condizioni di medio vuoto (0,03 mbar), il trasferimento di calore viene ridotto, portando a un marcato aumento dell’isolamento termico tra riscaldatori adiacenti. Metriche quantitative di cross-talk mostrano un miglioramento di un ordine di grandezza nel passaggio dall’aria al vuoto. Sebbene le condizioni di vuoto modifichino la dinamica termica del sistema, introducendo tempi di termalizzazione più lunghi per i singoli riscaldatori, simulazioni mostrano che il tempo effettivo di riconfigurazione globale (Time-To-Matrix, TTM) rimane comparabile. Questi risultati evidenziano il funzionamento in vuoto come una strategia praticabile per sopprimere il cross-talk termico negli UPP FLWW su larga scala senza compromettere in modo sostanziale la velocità di riconfigurazione. Oltre alla caratterizzazione della sola ampiezza, viene introdotta una tecnica interferometrica di recupero della fase basata su un nuovo chip specificamente disegnato per ampliare il setup esistente, che consente l’accesso a informazioni di fase fisicamente significative e la valutazione della fidelity completa. Questo approccio permette la misura degli elementi complessi della matrice, costituendo una delle prime dimostrazioni di misure complete di matrice e fidelity (ampiezza e fase) in un UPP fabbricato tramite FLWW con architettura Clements. Utilizzando i metodi di calibrazione e la tecnica di misura proposti per l’UPP, vengono misurate fidelity comprese tra 0,9935 e 0,9993 per matrici selezionate, tenendo pienamente conto della natura complessa delle trasformazioni unitarie. Infine, viene presentata un’indagine complementare su una nuova metodologia per la caratterizzazione di guide d’onda multimodali. Acquisendo ampi dataset di pattern di intensità in uscita sotto diverse condizioni di eccitazione e applicando Principal Component Analysis (PCA), il numero di modi supportati dalla struttura viene dedotto dalle componenti principali dominanti. Sono stati condotti esperimenti su due diverse fibre (1550BHP e 780HP) a cinque diverse lunghezze d’onda comprese tra 405 nm e 925 nm, dimostrando una discriminazione qualitativa del comportamento multimodale coerente con le aspettative teoriche. Questo approccio stabilisce un metodo a basso costo per la caratterizzazione di guide d’onda multimodali e fornisce una base verso analisi quantitative dei modi più elaborate in futuro. Nel complesso, questo lavoro mira a introdurre una serie di strumenti scalabili e sperimentalmente verificati per la calibrazione e il funzionamento ad alta fidelity di dispositivi integrati FLWW, fornendo una solida base per la loro implementazione in applicazioni avanzate di fotonica classica e quantistica.
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