Low-noise mixed-signal electronics for closed-loop control of complex photonic circuits

An increasing research effort is being carried out to profit from the advantages of photonics not only for long-range telecommunications, where it has become the standard technology, but also at short distances, to implement board-to-board or even chip-to-chip interconnections. The performance scaling required by datacenter, automotive and telecommunication applications is in fact requiring very high data-rates achieved with reduced losses and power consumption, that are pushing copper-based connections close to their physical limitations even at short distance. In this context, Silicon Photonics emerged as a very promising technology, allowing to integrate many optical devices in a small silicon chip fabricated with the well-consolidated manufacturing processes of the microelectronics. However, the integration density made possible by Silicon Photonics revealed the difficulty of operating complex optical architectures in an open-loop way, due to their high sensitivity to fabrication parameters and temperature variations. Local light monitoring and active control of each photonic device thus emerged as strong requirements to correctly operate complex optical systems. In this thesis, the true potential of integrated photonics was unlocked thanks to the design of a low-noise mixed-signal electronic platform implementing feedback control of complex optical architectures. The system exploits the innovative ContactLess Integrated Photonic Probe (CLIPP), a detector that senses light in silicon waveguides in a non-invasive way by measuring their electrical conductance and can thus be integrated in many points of an optical circuit without penalties. The electrical behaviour of waveguides was first investigated, to understand how to improve the structure and performance of the sensor. A new CLIPP layout was then proposed, allowing a 10-fold improvement of the sensitivity with reduced influence of environmental conditions. The resolution in the CLIPP readout was maximized with the design of a custom impedance-sensing multichannel ASIC. The extremely low-noise performance of the ASIC allows to measure conductance variations well below 1 pS, that reflect in an accuracy in the detection of light around -50 dBm, outperforming the resolution of other transparent sensor found in literature. A mixed-signal FPGA-based motherboard completes the electronic system, acquiring the signals from the ASIC and closing in the digital domain the feedback loops to control multiple photonic devices with the most suitable algorithms. The dithering technique was in particular identified as a very effective strategy to stabilize the behaviour of optical architectures and an extension of the standard approach was proposed to allow easy control of many devices in parallel. The effectiveness of the designed system was finally demonstrated in several experiments of light path tracking, reconfiguration and thermal crosstalk compensation on a photonic routing engine for datacenters applications and on a self-aligning beam coupler for mid-range free-space optical communication.

Negli ultimi anni, una linea di ricerca sempre maggiore sta cercando di sfruttare i vantaggi della fotonica non solo nelle telecomunicazioni a lungo raggio, dove è ormai diventata la tecnologia standard, ma anche a brevi distanze per implementare interconnessioni ottiche tra schede o addirittura chip integrati. Lo scaling delle performance richiesto da datacenter, applicazioni automotive e di telecomunicazioni richiede infatti trasmissione di dati a rate molto elevati pur garantendo una bassa dissipazione di potenza, requisiti che stanno spingendo le connessioni metalliche vicino al loro limite fisico anche su distanze brevi. In questo contesto, la Silicon Photonics è emersa come una promettente tecnologia che permette di integrare molti dispositivi ottici in un piccolo chip di silicio, fabbricato con i processi produttivi ben consolidati della microelettronica. Tuttavia, la densità di integrazione resa possibile dalla Silicon Photonics ha rivelato la difficoltà nell’operare architetture ottiche complesse ad anello aperto, a causa della loro elevata sensibilità ai parametri di fabbricazione e alle variazioni di temperatura. Il monitoraggio puntale della luce nel circuito e il controllo attivo di ogni dispositivo fotonico sono quindi emersi come requisiti fondamentali per operare correttamente sistemi ottici complessi. In questa tesi, il potenziale della fotonica integrata è stato sbloccato grazie alla progettazione di un sistema elettronico mixed-signal a bassissimo rumore per implementare il controllo ad anello chiuso di architetture ottiche complesse. Il sistema sfrutta l’innovativa ContactLess Integrated Photonic Probe (CLIPP), un sensore che rivela la presenza di luce nelle guide d’onda in silicio andando a misurarne la conduttanza elettrica e che può quindi essere integrato in tanti punti del circuito ottico senza penalità. Il comportamento elettrico delle guide d’onda è stato studiato per capire come migliorare la geometria e le performance del sensore. Un nuovo layout di CLIPP è stato proposto, in grado di aumentare di un fattore 10 la sensibilità rispetto a precedenti implementazioni. La risoluzione nella lettura delle CLIPP è stata poi massimizzata grazie alla realizzazione di un circuito integrato custom per la misura di impedenza. Il bassissimo rumore garantito dall’ASIC consente di misurare variazioni di conduttanza ben al di sotto di 1 pS, che corrisponde a una accuratezza nella misura di luce attorno a -50 dBm, di gran lunga migliore rispetto a quanto facciano gli altri sensori trasparenti presenti in letteratura. Una piattaforma mixed-signal gestita da un FPGA completa infine il sistema elettronico, acquisendo i segnali dall’ASIC e chiudendo nel dominio digitale molteplici anelli di retroazione per controllare nel modo più adatto i dispositivi fotonici. In particolare, la tecnica di dithering è stata individuata come una strategia molto efficace per stabilizzare il comportamento di circuiti ottici ed è stata proposta un’estensione della tecnica base per controllare molteplici dispositivi in parallelo in maniera semplice. L’efficacia del sistema progettato è stata infine dimostrata in vari esperimenti di routing della luce a datarate estremamente elevati, riconfigurazione di circuiti ottici programmabili e compensazione di cross-talk termico, per applicazioni di datacenter e trasmissione free space a media distanza.