This thesis aims to develop novel testing approaches for complex photonic integrated circuits (PICs). Effective and fast testing, in fact, is becoming an urgent need in photonic integration, especially for volume productions. Two aspects make photonic testing challenging. First, a photonic circuit usually has to be tested from both optical and electrical standpoints, since it usually embeds electronic actuators and sensors. Then, due to unavoidable imperfections, typically complex PICs require (pre-)calibration, before performing the actual assessment of the optical features. Two different categories of fairly complex (silicon) PICs, with unprecedented features, are described and characterized, namely Optical Add/Drop Multiplexers (based on Ring Resonators) and True Time Delay Lines (based on Mach-Zehnder Interferometers). The electronic infrastructure to perform the electrical validation and the optical calibration is designed and successfully exploited to implement a novel testing technique. This approach, validated through numerical simulations and experimental measurements, enables the evaluation of deviations (in frequency domain) between the device under test (DUT) and a reference circuit (REF). It also allows for the tuning of the DUT, to replicate the spectral response of the REF. If the PIC under test is properly calibrated and compliant with the given (optical and electrical) specifications, the working points of its actuators can be stored in LookUp Tables (LUTs), that can be even updated upon environmental changes or the presence of high power signals, causing nonlinear effects in silicon platforms.

L'obiettivo di questa tesi è lo sviluppo di nuovi approcci per il testing di complessi circuiti fotonici integrati (PICs). Un testing veloce ed efficace, infatti, sta diventando una urgente necessità nel campo della fotonica integrata, specialmente nella produzione di volume. Due aspetti rendono il testing nella fotonica particolarmente sfidante. Primo, un circuito fotonico solitamente deve essere testato da un punto di vista ottico ed elettrico, poiché integra attuatori e sensori elettronici. Poi, a causa di inevitabili imperfezioni di fabbricazione, tipicamente PICs complessi richiedono una (pre-)calibrazione, prima di effettuare la valutazione delle sue caratteristiche ottiche. Due categorie di dispositivi complessi (PIC in silicio), con caratteristiche senza precedenti, sono descritte e caratterizzate, nello specifico un Add/Drop multiplexer ottico (basato su risonatori ad anello) e linee di ritardo (basate su interferometri Mach-Zehnder). L’infrastruttura elettronica per eseguire la validazione elettrica e la calibrazione ottica viene progettata e usata con successo per implementare le nuove tecniche di testing. Questi approcci, validati attraverso simulazioni numeriche e misure sperimentali, permettono la valutazione delle differenze (nel dominio della frequenza) fra il dispositivo sotto test (DUT) e un circuito di riferimento (REF). Permettono anche la sintonizzazione del DUT, al fine di replicare la risposta spettrale del REF. Se il PIC sotto test è opportunamente calibrato e in linea con le specifiche date (ottiche ed elettriche), i punti di lavoro dei suoi attuatori possono essere salvati in LookUp Tables (LUTs), che possono essere anche aggiornate in caso di cambiamenti ambientali, o la presenza di segnali ad alta intensità, che causano effetti non-lineari nelle piattaforme in silicio.

Mixed signal generic testing in photonic integration

PETRINI, MATTEO
2022/2023

Abstract

This thesis aims to develop novel testing approaches for complex photonic integrated circuits (PICs). Effective and fast testing, in fact, is becoming an urgent need in photonic integration, especially for volume productions. Two aspects make photonic testing challenging. First, a photonic circuit usually has to be tested from both optical and electrical standpoints, since it usually embeds electronic actuators and sensors. Then, due to unavoidable imperfections, typically complex PICs require (pre-)calibration, before performing the actual assessment of the optical features. Two different categories of fairly complex (silicon) PICs, with unprecedented features, are described and characterized, namely Optical Add/Drop Multiplexers (based on Ring Resonators) and True Time Delay Lines (based on Mach-Zehnder Interferometers). The electronic infrastructure to perform the electrical validation and the optical calibration is designed and successfully exploited to implement a novel testing technique. This approach, validated through numerical simulations and experimental measurements, enables the evaluation of deviations (in frequency domain) between the device under test (DUT) and a reference circuit (REF). It also allows for the tuning of the DUT, to replicate the spectral response of the REF. If the PIC under test is properly calibrated and compliant with the given (optical and electrical) specifications, the working points of its actuators can be stored in LookUp Tables (LUTs), that can be even updated upon environmental changes or the presence of high power signals, causing nonlinear effects in silicon platforms.
PIRODDI, LUIGI
RIVA, CARLO GIUSEPPE
MORICHETTI, FRANCESCO
17-feb-2023
Mixed signal generic testing in photonic integration
L'obiettivo di questa tesi è lo sviluppo di nuovi approcci per il testing di complessi circuiti fotonici integrati (PICs). Un testing veloce ed efficace, infatti, sta diventando una urgente necessità nel campo della fotonica integrata, specialmente nella produzione di volume. Due aspetti rendono il testing nella fotonica particolarmente sfidante. Primo, un circuito fotonico solitamente deve essere testato da un punto di vista ottico ed elettrico, poiché integra attuatori e sensori elettronici. Poi, a causa di inevitabili imperfezioni di fabbricazione, tipicamente PICs complessi richiedono una (pre-)calibrazione, prima di effettuare la valutazione delle sue caratteristiche ottiche. Due categorie di dispositivi complessi (PIC in silicio), con caratteristiche senza precedenti, sono descritte e caratterizzate, nello specifico un Add/Drop multiplexer ottico (basato su risonatori ad anello) e linee di ritardo (basate su interferometri Mach-Zehnder). L’infrastruttura elettronica per eseguire la validazione elettrica e la calibrazione ottica viene progettata e usata con successo per implementare le nuove tecniche di testing. Questi approcci, validati attraverso simulazioni numeriche e misure sperimentali, permettono la valutazione delle differenze (nel dominio della frequenza) fra il dispositivo sotto test (DUT) e un circuito di riferimento (REF). Permettono anche la sintonizzazione del DUT, al fine di replicare la risposta spettrale del REF. Se il PIC sotto test è opportunamente calibrato e in linea con le specifiche date (ottiche ed elettriche), i punti di lavoro dei suoi attuatori possono essere salvati in LookUp Tables (LUTs), che possono essere anche aggiornate in caso di cambiamenti ambientali, o la presenza di segnali ad alta intensità, che causano effetti non-lineari nelle piattaforme in silicio.
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