Silicon waveguide as an electro-optical sensor and actuator in integrated photonics

In recent years Silicon photonics has become one of the prominent technologies for manufacturing integrated photonic circuits. To successfully operate these systems, it's necessary to continuously monitor the working point of each device and actively lock it to counteract unavoidable thermal fluctuations. Up to now in our research group these functions were performed with CLIPPs and standard heaters. Due to the some limitation of these devices, it has been decided to test other sensors and actuators. In this thesis project two main photonic integrated devices have been analyzed. Functionalities of the p-i-n and p-i-p waveguide structures have been studied, simulated and experimentally verified. The p-i-n structure has been successfully used as variable optical attenuator, phase shifter and photodetector, while the p-i-p has been used as heater and photodetector. Experimental results showed that the electronic properties of the two devices are strongly affected by the traps at the silicon/oxide interface and by the substrate potential of the photonic chip. Therefore, role of traps and substrate potential have been carefully analyzed, tested and included in the simulated results. The effect of the substrate was particularly interesting and it has been successfully reproduced by the use of a gate placed on top of the waveguide. The gate potential allowed to locally control the carrier density of the electronic devices and improve their performance. In particular a variable heater has been implemented. After their characterization, the control of a ring resonator by the use of tested devices and the dithering technique has also been studied. With respect to the standard method, the analysis of the dithering signal has been extended to harmonics subsequent to the first. Second harmonic of the dithering signal has been successfully acquired and its use to lock the ring transfer function has been discussed. At the end, ring control by the use of only the p-i-p heater has been proposed. Results showed that the harmonic distortion induced by the ring on the p-i-p characteristic IV curve can be used as an error signal to lock the ring resonant condition.

Recentemente la silicon photonics è diventata una delle tecnologie di spicco per la produzione di circuiti fotonici integrati. Per utilizzare con successo questi sistemi, è necessario monitorare il punto di lavoro di ciascun dispositivo e stabilizzarne le condizioni operative. Fino ad ora nel nostro gruppo di ricerca i dispositivi CLIPP e heater sono stati utilizzati a tal fine. A causa di limitazioni di questi dispositivi, è stato deciso di testare altri sensori e attuatori. In questo progetto di tesi sono stati analizzati due dispositivi fotonici integrati. Le funzionalità delle strutture p-i-n e p-i-p direttamente incluse nella guida sono state studiate, simulate e verificate sperimentalmente. La struttura p-i-n è stata utilizzata con successo come attenuatore, sfasatore e fotorilevatore, mentre quella p-i-p è stata utilizzata come heater e fotorilevatore. I risultati sperimentali hanno mostrato che le proprietà elettroniche dei due dispositivi sono influenzate dalle trappole all’interfaccia ossido/silicio e dal potenziale di substrato del chip fotonico. Pertanto il loro ruolo è stato attentamente analizzato, testato e incluso nelle simulazioni. Inoltre, l'effetto del substrato è stato riprodotto con successo da un gate posto sopra la guida d'onda che ha permesso di controllare localmente la densità di cariche nei dispositivi e migliorarne le prestazioni. In particolare è stato implementato un heater variabile. \\ Dopo la loro caratterizzazione, l’impiego di questi dispositivi per il controllo di un risuonatore ad anello è stato studiato in combinazione alla tecnica di dithering. Rispetto al metodo standard, l'analisi del segnale di dithering è stata estesa alle armoniche successive alla prima. In particolare la seconda armonica è stata acquisita con successo ed è stato discusso il suo uso per il controllo dell'anello. Infine, è stato proposto il controllo dell'anello mediante l'uso del solo heater p-i-p. I risultati hanno mostrato che la distorsione armonica indotta dall'anello sulla curva caratteristica del dispositivo p-i-p può essere utilizzata come segnale errore per fissare la condizione di risonanza dell'anello.