Complex-field retrieval for the characterization of photonic chips via digital holography

The rapid growth of data-intensive computing has renewed interest in Photonic Integrated Circuits (PICs) as a technology for high-bandwidth, energy-efficient information processing. Programmable photonic processors, built from meshes of Mach Zehnder interferometers, can implement arbitrary linear optical transformations on-chip. A central challenge in deploying such devices is their accurate characterization and calibration: fabrication imperfections, thermal cross-talk, and component imbalances cause the implemented transfer matrix to deviate from its nominal design. To measure and correct these errors, standard approaches embed optical monitors within the circuit, a strategy that does not scale as circuit complexity grows and introduces additional routing overhead and losses. This thesis presents a non-invasive alternative for the complete complex-field characterization of a programmable photonic chip, based on Off-Axis Digital Holography, without requiring any on-chip auxiliary circuitry. A complex-space analysis framework is introduced to evaluate the relationships between the measured fields and verify the unitary character of the device's transfer matrix. The measurement and analysis pipeline is applied to experimental data acquired across multiple configurations of the photonic chip. The results confirm that the measurement scheme applied reliably recovers the transfer matrix of the photonic processor, correctly capturing both the near-unitary behavior of the device in its nominal operating regime and the quantitative degradation introduced by non-unitary perturbations. This work demonstrates that Off-Axis Digital Holography constitutes a viable non-invasive characterization strategy for programmable photonic integrated circuits, opening a path toward calibration approaches that do not rely on embedded monitoring networks.

La rapida crescita del calcolo ad alta intensità di dati ha rinnovato l'interesse per i Circuiti Integrati Fotonici (PICs) come piattaforma per l'elaborazione delle informazioni ad alta larghezza di banda ed efficiente dal punto di vista energetico. I processori fotonici programmabili, costituiti da mesh di Mach Zehnder Interferometers (MZI), possono implementare trasformazioni ottiche arbitrarie e lineari. Una sfida centrale nell'impiego di tali dispositivi è la loro accurata caratterizzazione e calibrazione: le imperfezioni di fabbricazione, il cross-talk termico e gli sbilanciamenti dei componenti fanno sì che la matrice di trasferimento implementata devii dalla sua forma nominale. Per misurare e correggere questi errori, gli approcci standard integrano monitor ottici all'interno del circuito, una strategia che non scala al crescere della complessità del circuito e introduce ulteriori perdite e overhead di instradamento. Questa tesi presenta un'alternativa non invasiva per la caratterizzazione completa del campo complesso di un chip fotonico programmabile, basata sull'olografia digitale fuori asse, senza necessità di alcun circuito ausiliario sul chip. Viene introdotto un framework di analisi nello spazio complesso per valutare le relazioni tra i campi misurati e verificare il carattere unitario della matrice di trasferimento del dispositivo. Il flusso di misura e analisi è applicato a dati sperimentali acquisiti in molteplici configurazioni del chip. I risultati confermano che la strategia di misura applicata recupera in modo affidabile la matrice di trasferimento del processore fotonico, catturando correttamente sia il comportamento quasi-unitario del dispositivo nel suo regime operativo nominale, sia la degradazione quantitativa introdotta da perturbazioni non unitarie. Questo lavoro dimostra che l'olografia digitale fuori asse costituisce una valida strategia di caratterizzazione non invasiva per i circuiti integrati fotonici programmabili, aprendo la strada ad approcci di calibrazione che non si affidano a reti di monitoraggio integrate.