Analog digital cmos controller for real time reconfiguration of integrated photonic circuits

Silicon Photonics is the technology that allows to integrate complex optical circuits, such as telecommunication routers, on a silicon wafer, adopting the same fabrication steps of the well known and long established CMOS process. One of the main obstacles to the actual application of this solution is the high sensitivity of optical devices on temperature variations and process tolerances, which may impair their functionality up to the point of making them unusable as stand-alone architectures. It is thus necessary to supply the photonic integrated circuit (PIC) with a closed-loop electronic control system that stabilizes the working point of the PIC and eventually adds some reconfigurability to it. The integrated nature of the photonic circuit suggests that this dedicated electronics should be realized as an ASIC as well, taking full advantage of the compactness, speed and limited power dissipation allowed by the CMOS integration process. A mixed-signal architecture aimed to the stabilization and reconfiguration of a matrix (mesh) of Mach-Zehnder Interferometers (MZI) is proposed in this thesis. It is a structure of particular interest because it allows to implement several linear optical transfer functions, with applications ranging from signal routing and multiplexing to free-space optics. First, the optical response of the device is studied in detail, and an integral control strategy based on the dithering technique, which allows to lock the MZI either to a minimum or a maximum of its transfer function thanks to the extraction of its first derivative (with respect to the phase shift induced by thermal actuators), is defined. An estimation of the closed-loop bandwidth of the system is also provided, demonstrating that it can compensate input phase disturbances in the kHz range. In the following, the design of a front-end analog stage for the acquisition of the signal from the photodetectors (photodiodes) is shown, with focus on the issues related to the wide range of input currents to be managed, the limited resolution of the ADC and noise, and how they were solved. Finally, the bold improvement in terms of bandwidth, speed, integration density and reconfigurability of the PIC with respect to previous, fully-analog architectures is shown thanks to the massive introduction of digital electronics in the system. Despite the relatively large feature size of the technology adopted for the design (AMS C35B4), it is proved that the system can work on a 8-inputs MZI diagonal mesh, a complexity that can easily be increased thanks to the modularity of the electronic system.

La fotonica su silicio è la tecnologia che permette di integrare su wafer dei circuiti ottici complessi, quali ad esempio router per le telecomunicazioni, utilizzando metodi di fabbricazione che la tecnologia CMOS ha reso disponibili ormai da anni per l’elettronica integrata. Uno dei principali ostacoli all’effettivo utilizzo di questa soluzione è l’elevata sensibilità dei dispositivi ottici alle variazioni di temperatura e alle tolleranze del processo, che possono rivelarsi tali da impedire il funzionamento autonomo e indipendente del sistema. Si rende pertanto necessario il controllo in anello chiuso del circuito fotonico per stabilizzare il punto di lavoro dei dispositivi, ed eventualmente aggiungere la possibilità di riconfigurare a piacere lo stesso. La natura integrata del sistema ottico lascia intuire che pure l’elettronica possa e debba essere realizzata in tecnologia CMOS sotto forma di ASIC, in modo da sfruttare tutti i vantaggi che ne derivano in termini di compattezza, velocità e dissipazione di potenza. In questa tesi viene proposta un’architettura mixed-signal avente lo scopo di stabilizzare e riconfigurare il punto di lavoro di una matrice (mesh) di interferometri Mach-Zehnder. La struttura risulta di particolare interesse in quanto consente di implementare svariate funzioni di trasferimento ottico lineari, con possibili applicazioni che spaziano dal routing e il multiplexing di segnali all’ottica free-space. Innanzitutto viene studiata in dettaglio la risposta del dispositivo ottico, e viene definita una strategia di controllo di tipo integrale basata sulla tecnica di dithering, che permette di fissare il punto di lavoro dell’interferometro intorno a un minimo (o massimo) della sua funzione di trasferimento attraverso l’estrazione della derivata prima della stessa rispetto allo sfasamento indotto dagli attuatori termici. Viene anche fornita una stima della banda del sistema in anello chiuso, che dimostra la capacità dello stesso di compensare disturbi in ingresso fino a frequenze di qualche kHz. Successivamente, si propone in dettaglio l’architettura del front-end analogico con cui acquisire il segnale ottico, rilevato attraverso dei fotodiodi. Particolare attenzione è rivolta all’ampio intervallo del segnale di corrente da convertire, alla limitata risoluzione dell’ADC e al rumore, e si dimostra come questi problemi siano stati risolti. Infine, viene mostrato il significativo miglioramento, rispetto a soluzioni completamente analogiche, in termini di banda, velocità, densità d’integrazione e riconfigurabilità del circuito ottico reso possibile dalla massiccia introduzione dell’elettronica digitale nell’anello di controllo. Nonostante il nodo tecnologico relativamente ingombrante della tecnologia adottata (AMS C35B4), si prova che il sistema può essere usato in una mesh diagonale con 8 ingressi. La modularità che caratterizza il sistema consentirà di utilizzarlo, opportunamente replicato, per il controllo di circuiti ottici ancora più complessi.