Electronic devices and circuits for the control of very large silicon photonics integrated systems

Integrated Photonics is acquiring more and more relevance in the manipulation and elab- oration of optical signals. Silicon in particular can be a good option for Photonics integration, since it allows to exploit the already well developed processes of the microelectronic industry to manufacture photonics circuits with good optical performance in extremely small chips and at reasonable costs. Silicon anyway has the main drawback of being extremely sensitive to temperature variations in its optical parameters, making it impossible to operate complex photonic circuits in open-loop conditions in realistic environments. A real-time closed-loop control of each photonic device must therefore be performed to have reliable optical circuits integrated in this technology. In the last years, complex electronics systems able to stabilize SiP devices have been realized. The maturity that Silicon Photonics is acquiring and the recent trends in telecommuni- cations, datacenters, automotive and sensing applications are anyway pushing the complexity of photonic architectures to an unprecedented level. The integration of more and more devices in the same chip however requires to operate a growing number of detectors and actuators, up to a level that cannot be reached with the current electronic systems operating individually on each device. In order to break this limitation and achieve efficient control of arbitrarily complex pho- tonic circuits, several solutions were investigated in this thesis. First of all, the possibility of grouping several detectors to monitor the working point of multiple photonic devices with a reduced number of sensing elements has been investigated. This approach aims to reduce the number of electrical connections required towards the external control electronics, a crucial advantage when the complexity of the photonic architecture increases. In the same direction, the possible integration of active electronic devices in SiP technology was explored. In this way, simple electronic circuits can be implemented directly in the photonic chip, either to perform a first signal processing or to create multiplexing circuits. Finally, a new electronic system able to manage many more signals than the current one has been studied and developed. This thesis is organised as follows: after a brief introduction about the technology employed and the available on-chip sensors, an example of closed-loop control of a photonic architecture performed by grouping different kinds of detectors is provided together with the relative optical measurements (Chapter 3). Then, new fully working active electronic devices integrated in Silicon Photonics technology are presented with their electrical characterization (Chapter 4). In Chapter 5, the architecture of a new modular electronic system able to replace the current one and increase the number of simultaneously controllable devices is proposed. Finally, chapter 6 is dedicated to the design of two modules of the new electronics, respectively needed to acquire 12 detectors signals and to drive 24 actuators in parallel.

La fotonica integrata sta acquistando sempre più importanza nella manipolazione ed elaborazione dei segnali ottici. Il Silicio in particolare, è diventato uno dei materiali chiave per l’integrazione della fotonica poiché consente di utilizzare i già ben sviluppati processi provenienti dall’industria della microelettronica per la fabbriazione di circuiti fotonici aventi ottime caratteristiche ottiche in chip estremamente compatti e dal costo contenuto. Il Silicio tuttavia, ha il principale svantaggio di essere estremamente sensibile nei suoi parametri ottici alle variazioni di temperatura, rendendo di fatto impossibile il suo impiego per il funzionamento di circuiti ottici ad anello aperto. Un controllo ad anello chiuso in tempo reale di ogni dispositivo fotonico deve dunque essere realizzato in modo da avere avere circuiti ottici affidabili integrati in questa tecnologia. Negli scorsi anni, sistemi elettronici complessi di questo tipo, in grado di stabilizzare dispositivi in SiP sono infatti stati realizzati. La maturità che la fotonica in Silicio sta acquisendo ed i recenti trend nelle telecomunicazioni, nei datacenters e nel settore automotive stanno tuttavia spingendo la complessità delle architetture fotoniche a livelli mai raggiunti prima d’ora. L’integrazione di sempre più dispositivi nello stesso chip tuttavia richiede di operare su un numbero crescente di sensori ed attuatori fino ad un livello non gestibile dagli attuali sistemi elettronici che agiscono singolarmente su ogni dispositivo. Per superare questo limite a raggiungere un controllo efficiente di un numero arbitrario di circuiti fotonici complessi, diverse soluzioni sono state esplorate nell’ambito di questa tesi. Prima di tutto, è stata indagata la possibilità di raggruppare diversi sensori per monitorare il punto di lavoro di molteplici dispositivi fotonici con un numero ridotto di rilevatori nel sistema. Questo approccio ha come obiettivo quello di ridurre il numero di connessioni elettriche richieste verso l’elettronica di controllo esterna, ed è un vantaggio cruciale quando l’architettura fotonica cresce in complessità. Nella stessa direzione è stata esplorata la possibilità di integrare dispositivi elettronici attivi nella tecnologia SiP. In questo modo, semplici circuiti elettronici possono essere implementati direttamente sul chip fotonico, sia per avere una prima elaborazione del segnale che per creare circuiti di multiplexing. Infine, un nuovo sistema elettronico in grado di gestire molti più segnali di quello attuale è stato studiato e sviluppato. Questo progetto di tesi è stato organizzato come segue: dopo una breve introduzione riguardante la tecnologia utilizzata ed i sensori disponibili sul chip, è stato esposto un esempio di controllo ad anello chiuso di un’architettura fotonica ottenuto tramite il rag- gruppamento di diversi tipi di sensori (Capitolo 3). Dopodiché, vengono introdotti inno- vativi dispositivi elettronici attivi insieme alla loro caratterizzazione elettrica (Capitolo 4). Nel capitolo 5 infine, viene proposta l’architettura di un nuovo sistema elettronico modulare in grado di sostituire quello attuale ed incrementare il numero di dispositivi controllabili simultaneamente. Il capitolo 6 infine, è dedicato al progetto di due moduli di questo nuovo sistema elettronico, volti rispettivamente ad acquisire 12 segnali dai sensori e a comandare 24 attuatori in parallelo.