Electronics boosts Photonics: detector and electronic design for non-invasive monitoring and control of Silicon Photonic systems

Electronics is an essential tool that can unlock the true potential of modern Silicon Photonic technologies, overcoming their limitations. My thesis contributes to the field of electronic-photonic integration, studying and improving the innovative CLIPP detector and developing the electronics to use it in novel scientific applications. Silicon Photonic technologies can achieve outstanding datarates, low losses, and power consumption, but require the closed-loop control of the optical devices, to compensate for their extreme sensitivity to fabrication tolerances and temperature fluctuations. The large-scale implementation of feedback control systems is halted by the inadequate state-of-the-art photo-detectors, that introduce losses to monitor the working point of the photonic circuits. The CLIPP, ContactLess Integrated Photonic Probe, is an innovative detector developed at Politecnico di Milano that overcomes these limitations by enabling non-invasive light monitoring in silicon photonic circuits, through an impedance measurement of the waveguide. My thesis explores the disruptive applications in Silicon Photonics that an innovative device like the CLIPP has unlocked. The work has mastered the electronic detection of the signal coming from the CLIPP, designing specific circuit implementations, in both standard discrete electronics and integrated CMOS technology. In particular, a new pseudo-resistor topology has been designed and tested to bias low-noise Trans-Impedance Amplifiers with capacitive feedback, achieving high linearity, wide bandwidth, three decades of resistance tuning range and dynamic compensation of the output offset. In order to improve the tiny signals available when measuring very low optical powers, this thesis has also addressed the sensor itself by demonstrating that more efficient designs can be achieved by exploiting the deep implantations at the same level of the waveguide, offered by active Silicon Photonics technologies. The new design achieved the best sensitivity ever measured with CLIPPs, while giving an insight into new aspects of the device to be studied in the future. The effectiveness of CLIPP-assisted circuit control was exploited for light path tracking, reconfiguration, and thermal crosstalk compensation on a switch fabric router, and for light mode unscrambling on a novel topology for Mode-Division Multiplexing, that requires non-invasive monitoring to avoid disrupting the orthogonality of the spatial modes. The results would not have been possible without advanced control strategies implemented on a reconfigurable FPGA-based electronic platform specifically conceived for Silicon Photonic applications.

L'elettronica è uno strumento essenziale per sbloccare il vero potenziale delle moderne tecnologie di Silicon Photonics, superando i loro limiti. La mia tesi contribuisce al campo dell'integrazione tra elettronica e fotonica, studiando e migliorando l'innovativo rivelatore CLIPP e sviluppando l'elettronica per utilizzarlo in nuove applicazioni scientifiche. Le tecnologie di Silicon Photonics possono raggiungere datarate eccezionali, basse perdite e consumo energetico, ma richiedono il controllo a circuito chiuso dei dispositivi ottici, per compensare la loro estrema sensibilità alle tolleranze di fabbricazione e alle fluttuazioni di temperatura. L'implementazione su larga scala di sistemi di controllo ad anello chiuso è bloccata dall'inadeguato stato dell'arte dei foto-rilevatori, che introducono perdite per monitorare il punto di lavoro dei circuiti fotonici. La CLIPP, ContactLess Integrated Photonic Probe, è un innovativo sensore sviluppato al Politecnico di Milano che supera queste limitazioni consentendo il monitoraggio non invasivo della luce nei circuiti fotonici, attraverso una misura dell'impedenza della guida d'onda. La mia tesi esplora le applicazioni dirompenti nel campo della Silicon Photonics che un dispositivo innovativo come la CLIPP ha sbloccato. Il lavoro ha perfezionato la rilevazione elettronica del segnale proveniente dalla CLIPP, progettando specifiche implementazioni circuitali, sia in elettronica discreta che in tecnologia CMOS integrata. In particolare, è stata progettata e testata una nuova topologia di pseudo-resistenza per la polarizzazione di amplificatori a transimpedenza a basso rumore con feedback capacitivo, ottenendo un'elevata linearità, ampia banda di lavoro, tre decadi di regolazione del valore di resistenza e una compensazione dinamica dell'offset di uscita. Al fine di migliorare i piccoli segnali disponibili quando si misurano potenze ottiche molto basse, questa tesi ha anche affrontato il sensore stesso dimostrando che è possibile ottenere strutture più efficienti sfruttando le impiantazioni profonde allo stesso livello della guida d'onda, offerte dalle tecnologie attive di Silicon Photonics. Il nuovo design ha raggiunto la migliore sensibilità mai misurata con una CLIPP, rivelando al contempo nuovi aspetti del dispositivo da studiare in futuro. L'efficacia del controllo tramite CLIPP dei circuiti fotonici è stata sfruttata per il tracciamento, la riconfigurazione e la compensazione dei crosstalk termici su una matrice ottica per il routing dei segnali, e per la separazione dei modi di propagazione della luce su un’innovativa topologia per il Mode-Division Multiplexing, che richiede una rilevazione della luce non invasiva per evitare di disturbare l'ortogonalità spaziale dei segnali. Questi risultati non sarebbero stati possibili senza strategie di controllo avanzate implementate su piattaforme elettroniche riconfigurabili basata su FPGA, specificamente concepite per applicazioni di Silicon Photonic.