144 channel modular electronic system for closed loop control of large scale photonic circuits

Integrated Photonics is acquiring more and more relevance in the manipulation and elaboration 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. However, Silicon 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 and have demonstrated their effectiveness in enabling the operation of moderately complex optical chips. The maturity that Silicon Photonics is acquiring and the recent trends in telecommunications, datacenters, automotive and sensing applications are however pushing the complexity of photonic architectures to an unprecedented level. The integration of more and more devices in the same chip requires to operate a growing number of detectors and actuators, up to a level that cannot be reached with the current electronic systems. It is thus important to concurrently develop the electronic control layer and address the new requirements. To improve the currently available control platform and achieve efficient control of arbitrarily complex photonic circuits, a new electronic system able to manage up to 144 signals has been developed in this thesis. The previous platform has first been deeply analyzed, in order to properly understand its limitations and its points of strength. Then, the new system has been designed, with a modular structure that ensures high performance, good flexibility and power efficiency. The new platform, made of a motherboard with pluggable modules, can handle photonic circuits with a complexity around one order of magnitude higher than the previous implementation, allowing to address the present and future challenges. In addition, a specific module for the acquisition of signals from integrated photodiodes has been developed. The circuit allows to read 16 detectors in parallel, with a compact area compatible with the new motherboard. The two boards have been fabricated and fully tested, demonstrating a performance that match to the simulations. The new control platform, after being completed, will be used in real experiments, to control state-of-the-art photonic circuits with sophisticate functionalities and increasing complexity.

La fotonica integrata sta acquisendo sempre più importanza nella manipolazione ed elaborazione dei segnali ottici. Il silicio, in particolare, può essere una buona opzione per l'integrazione fotonica, poiché consente di sfruttare i processi già ben sviluppati dell'industria microelettronica per produrre circuiti fotonici con buone prestazioni ottiche in chip estremamente piccoli e a costi ragionevoli. Tuttavia, il silicio ha il principale inconveniente di essere estremamente sensibile alle variazioni di temperatura dei suoi parametri ottici, rendendo impossibile il funzionamento di circuiti fotonici complessi in condizioni di anello aperto in ambienti realistici. Per avere circuiti ottici affidabili integrati in questa tecnologia, è quindi necessario effettuare un controllo in tempo reale ad anello chiuso di ciascun dispositivo fotonico. Negli ultimi anni sono stati realizzati sistemi elettronici complessi in grado di stabilizzare i dispositivi SiP che hanno dimostrato la loro efficacia nel consentire il funzionamento di chip ottici moderatamente complessi. La maturità che la Silicon Photonics sta acquisendo e le recenti tendenze nelle telecomunicazioni, nei data center, nelle applicazioni automobilistiche e di rilevamento stanno tuttavia spingendo la complessità delle architetture fotoniche a un livello senza precedenti. L'integrazione di un numero sempre maggiore di dispositivi nello stesso chip richiede il funzionamento di un numero crescente di rivelatori e attuatori, fino a un livello che non può essere raggiunto con gli attuali sistemi elettronici. È quindi importante sviluppare contemporaneamente il livello di controllo elettronico e rispondere alle nuove richieste. Per migliorare la piattaforma di controllo attualmente disponibile e ottenere un controllo efficiente di circuiti fotonici arbitrariamente complessi, in questa tesi è stato sviluppato un nuovo sistema elettronico in grado di gestire fino a 144 segnali. La piattaforma precedente è stata prima analizzata a fondo, per comprenderne correttamente i limiti e i punti di forza. Successivamente, è stato progettato il nuovo sistema, con una struttura modulare che garantisce elevate prestazioni, buona flessibilità ed efficienza energetica. La nuova piattaforma, costituita da una scheda madre con moduli collegabili, è in grado di gestire circuiti fotonici con una complessità di circa un ordine di grandezza superiore rispetto alla precedente implementazione, consentendo di affrontare le sfide presenti e future. Inoltre, è stato sviluppato un modulo specifico per l'acquisizione di segnali da fotodiodi integrati. Il circuito permette di leggere 16 rivelatori in parallelo, con un'area compatta compatibile con la nuova scheda madre. Le due schede sono state fabbricate e completamente testate, dimostrando prestazioni che corrispondono alle simulazioni. La nuova piattaforma di controllo, una volta completata, sarà utilizzata in esperimenti reali, per controllare circuiti fotonici all'avanguardia con funzionalità sofisticate e complessità crescente.