Reconfigurable photonic integrated circuits for high capacity optical networks

In this thesis, the main advances in control of complex and flexible Photonic Integrated Circuits (PICs) are presented, and a novel control technique applied to a reconfigurable PIC is demonstrated. It involves a complex optical chip with an array of Microring Resonators (MRRs) that are tuned and locked to a reference optical channel. Targeting the application on high capacity optical networks, the requirements of such networks are analyzed and an evaluation on how they can be fulfilled by integrated photonics technology is done. Then, two integrated photonics platforms, Silicon Photonics (SiP) and Silicon Oxynitride (SiON), are analyzed and their key features and applications highlighted. The required tasks to fabricate, test, operate and calibrate optical chips are discussed. Next, the key building blocks required to assemble a complete solution making use of integrated photonics technology are addressed. State-of-the-art optical devices are designed and analyzed in the level required to use them to construct a telecom graded reconfigurable optical filter. Such device is then designed, realized, characterized and operated with the fabrication of the optical chips being done in a commercial SiP foundry run. The automated tuning and locking of a hitless silicon MRR filter, exploiting a novel channel labeling scheme is demonstrated. Hitless tuning with more than 30 dB isolation is achieved. A dynamic channel reconfiguration making use of the SiP PIC is demonstrated by measuring the Bit Error Rate (BER) of a channel while the system is reconfigured. It is shown that the already established channel was not affected by the newly added channel. Moreover, a technique to measure in-band Optical Signal to Noise Ratio (OSNR) of optical channels also making use of the labeling technique is demonstrated. All the demonstrated techniques, architectures and strategies are key enabling technologies for the applications of PICs in add-drop reconfigurable optical node architectures.

In questa tesi vengono presentati i principali progressi nel controllo di circuiti integrati fotonici (PIC nell'acronimo inglese) complessi e flessibili e viene illustrata una nuova tecnica di controllo applicata a un PIC riconfigurabile. Si tratta di un chip ottico complesso con una serie di Microanelli Risonatori (MRR nell'acronimo inglese) che sono sintonizzati e stabilizzati su un canale ottico di riferimento. Puntando l'applicazione su reti ottiche ad alta capacità, i requisiti di tali reti vengono analizzati e viene eseguita una valutazione su come possono essere soddisfatti mediante la tecnologia fotonica integrata. Quindi, vengono analizzate due piattaforme fotoniche integrate, Silicon Photonics (SiP) e Silicon Oxynitride (SiON), e vengono evidenziate le loro caratteristiche e applicazioni principali. Vengono discusse le attività richieste per fabbricare, testare, operare e calibrare i chip ottici. Successivamente, vengono affrontati i componenti chiave necessari per assemblare una soluzione completa facendo uso della tecnologia fotonica integrata. I dispositivi ottici allo stato dell'arte sono progettati e analizzati nel livello richiesto per utilizzarli per costruire un filtro ottico riconfigurabile applicazioni in rete di telecomunicazione. Tale dispositivo viene quindi progettato, realizzato, caratterizzato e operato con la fabbricazione dei chip ottici realizzati in una fonderia commerciale di SiP. È stata dimostrata la sintonizzazione e la stabilizzazione automatizzate di un filtro hitless a MRR di silicio, che sfrutta un nuovo schema di identificazione dei canali. Si ottiene una sintonizzazione con un isolamento superiore a 30 dB. Una riconfigurazione dinamica dei canali che utilizza il PIC in SiP è dimostrata misurando il Bit Error Rate (BER) di un canale mentre il sistema è riconfigurato. Viene mostrato che il canale già stabilito non è stato influenzato dal canale appena aggiunto. Inoltre, è stata dimostrata una tecnica per misurare il Rapporto Segnale Rumore Ottico (OSNR nell'acronimo inglese) in banda dei canali ottici facendo uso della tecnica di identificazione. Tutte le tecniche, le architetture e le strategie dimostrate sono tecnologie abilitanti fondamentali per le applicazioni dei PIC in architetture di nodi add-drop ottici riconfigurabili.