Sistema elettronico in tecnologia CMOS per il controllo in anello chiuso di circuiti fotonici integrati riconfigurabili

The constant development of Silicon Photonics technology has paved the way for the creation of integrated photonic circuits with complex and highly reconfigurable functionalities, such as optical telecommunication routers. One of the main obstacles to the real use of these architectures is their sensitivity to temperature and process tolerances. This limitation was overcome with the introduction of the innovative CLIPP sensor (ContactLess Integrated Photonic Probe), which allows a non-invasive measurement of light at numerous points in the optical circuit and the creation of a control system that stabilizes the working point of the photonic components. The first objective of this thesis work was to improve the performance of the 32-channel ASIC previously developed to read the sensor. In this context, a new structure of pseudo-resistor with a wide dynamic, low noise and adjustable value has been designed. Its use allow the integrated circuit to be much more insensitive to environmental conditions, as has been verified by means of various experimental measures carried out with the new version of the ASIC. A fully integrated closed loop control system was subsequently developed, capable of automatically maximizing (or minimizing) the outputs of a sequence of Mach-Zehnder interferometers. The interest for this structure arises from its ability to realize any linear optical transfer function, thus obtaining a highly versatile optical circuit. Following a theoretical study of the most appropriate control technique, the circuit blocks necessary for its implementation in CMOS technology have been designed. The developed solution makes use of the improved read out stage and is completely analogical, in order to combine reduced dimensions and limited power consumption, which are necessary conditions for system scalability. The closed loop simulation of the complete system, made possible by a library of specially designed optical components, confirmed the validity of the design choices.

Il costante sviluppo della tecnologia Silicon Photonics ha aperto la strada alla realizzazione di circuiti fotonici integrati con funzionalità complesse ed altamente riconfigurabili, come ad esempio router ottici per le telecomunicazioni. Uno dei principali ostacoli al reale utilizzo di queste architetture è la loro sensibilità alla temperatura e alle tolleranze di processo. Questa limitazione è stata superata con l’introduzione dell’innovativo sensore CLIPP (ContactLess Integrated Photonic Probe), che permette una misura non invasiva della luce in numerosi punti del circuito ottico e consente di realizzare un sistema di controllo che stabilizzi il punto di lavoro dei componenti fotonici. Il primo obiettivo di questo lavoro di tesi è stato quello di migliorare le prestazioni dell'ASIC a 32 canali precedentemente sviluppato per la lettura del sensore. In questo contesto è stata progettata una nuova struttura di pseudo-resistore ad ampia dinamica, basso rumore e di valore regolabile. Il suo utilizzo ha permesso di rendere il circuito integrato nettamente più insensibile alle condizioni ambientali, come è stato verificato per mezzo di diverse misure sperimentali svolte con la nuova versione dell’ASIC. È stato successivamente sviluppato un sistema di controllo ad anello chiuso interamente integrato, in grado di massimizzare (o minimizzare) automaticamente le uscite di una sequenza di interferometri Mach-Zehnder. L’interesse per questa struttura nasce dal fatto che con essa è possibile realizzare una qualsiasi funzione ottica lineare, ottenendo quindi un circuito ottico altamente versatile. A valle di uno studio teorico della tecnica di controllo più adeguata, sono stati progettati i blocchi circuitali necessari per la sua implementazione in tecnologia CMOS. La soluzione adottata fa uso dello stadio di lettura migliorato ed è completamente analogica, per combinare ridotte dimensioni e un limitato consumo di potenza, condizioni necessarie per la scalabilità del sistema. La simulazione in anello chiuso del sistema completo, resa possibile da una libreria di componenti ottici appositamente realizzata, ha confermato la validità delle scelte progettuali effettuate.