power optimization strategies for the electronic control of photonic integrated circuits

In the last years, integrated photonics has emerged as a promising solution for the transmission and processing of optical signals. In particular, Silicon Photonics technological platform represents a significant option in this direction, since it exploits the traditional microfabrication processes of the CMOS technology to implement photonic integrated circuits with low cost and area occupation. However, the main drawback of Silicon as optical material is its high sensitivity to geometrical fabrication mismatches and temperature variations, that hinder the possibility of open-loop photonic operations. Indeed, the working point of each photonic device needs to be precisely controlled and stabilized to ensure that the overall optical functionality matches the design specifications. To this end, a real-time electronic closed-loop control has to be implemented, by reading on-chip sensors and driving integrated actuators with a suitable feedback law. The maturity reached by Silicon Photonics has boosted its adoption in the telecommunication commercial field, leading to the realization of increasingly complex photonics systems. The electronic control thus has to address an increasing number of photonic devices on the same chip. A multichannel FPGA-based electronic system, called Helios 3, has been specifically designed in order to handle up to 144 photodetectors and actuators, allowing to control complex photonic structures. The new electronic platform has been designed with a flexible modular architecture, made of a motherboard that is completed by plugin modules that can be reconfigured to change the number and type of sensors and actuators operated on the photonic chip. Considering the abundant number of channels that need to be driven/acquired, power efficiency becomes a critical aspect. The power supply of the system has thus been realized with an optimized module. The employment of DC/DC converters, with respect to less efficient linear regulators, permitted to avoid the use of bulky benchtop power supplies and efficiently deliver to the system up to 90W from a PC charger. The supply module is connected to the Helios 3 motherboard with vertical connectors, protecting the whole electronic system by EMI generated by the switching regulators. The circuit has been thoroughly tested and validated, verifying its correct design and operation. Furthermore, a new version of the actuation module has been designed and verified. This pluggable board features 16 actuation channels that can be connected to two types of actuators, i.e. thermal phase shifters specifically targeting the Silicon Nitride platform and the innovative MEMS actuators, that promise to solve the power consumption bottleneck afflicting thermal actuators. The two kind of devices share the need of high operating voltages, therefore a circuit able to correctly drive them has been designed by employing a local high-voltage DC/DC converter. The module has been completely validated, including the VHDL firmare required to operate it with the FPGA. The complete Helios 3 instrument is now ready to be employed in actual experiments and control cutting-edge photonic structures of relevant complexity, performing advanced optical functionalities.

Negli ultimi anni, la fotonica integrata è emersa come una soluzione promettente per la trasmissione e l'elaborazione di segnali ottici. In particolare, la piattaforma tecnologica Silicon Photonics rappresenta un'opzione significativa in questa direzione, poiché sfrutta i tradizionali processi di microfabbricazione della tecnologia CMOS per implementare circuiti integrati fotonici a basso costo e a bassa occupazione di area. Tuttavia, il principale svantaggio del silicio come materiale ottico è la sua elevata sensibilità agli errori di fabbricazione geometrica e alle variazioni di temperatura, che ostacolano la possibilità di operazioni fotoniche ad anello aperto. Infatti, il punto di lavoro di ogni dispositivo fotonico deve essere controllato e stabilizzato con precisione per garantire che la funzionalità ottica complessiva corrisponda alle specifiche di progetto. A tal fine, è necessario implementare un controllo elettronico ad anello chiuso in tempo reale, leggendo i sensori on-chip e pilotando gli attuatori integrati con un'adeguata legge di retroazione. La maturità raggiunta dalla fotonica del silicio ne ha favorito l'adozione nel settore commerciale delle telecomunicazioni, portando alla realizzazione di sistemi fotonici sempre più complessi. Il controllo elettronico deve quindi gestire un numero crescente di dispositivi fotonici sullo stesso chip. Un sistema elettronico multicanale basato su FPGA, chiamato Helios 3, è stato appositamente progettato per gestire fino a 144 fotorivelatori e attuatori, consentendo di controllare strutture fotoniche complesse. La nuova piattaforma elettronica è stata progettata con un'architettura modulare flessibile, costituita da una scheda madre che è completata da moduli plug-in che possono essere riconfigurati per cambiare il numero e il tipo di sensori e attuatori operanti sul chip fotonico. Considerando l'elevato numero di canali da pilotare/acquisire, l'efficienza energetica diventa un aspetto critico. L'alimentazione del sistema è stata quindi realizzata con un modulo ottimizzato. L'impiego di convertitori DC/DC, rispetto ai regolatori lineari meno efficienti, ha permesso di evitare l'uso di ingombranti alimentatori da banco e di fornire al sistema in modo efficiente fino a 90W da un caricatore per PC. Il modulo di alimentazione è collegato alla scheda madre Helios 3 con connettori verticali, proteggendo l'intero sistema elettronico dalle EMI generate dai regolatori switching. Il circuito è stato accuratamente testato e validato, verificandone la corretta progettazione e il funzionamento. Inoltre, è stata progettata e verificata una nuova versione del modulo di attuazione. Questa scheda collegabile dispone di 16 canali di attuazione che possono essere collegati a due tipi di attuatori, ovvero gli sfasatori termici specificamente destinati alla piattaforma di nitruro di silicio e gli innovativi attuatori MEMS, che promettono di risolvere il collo di bottiglia del consumo di energia che affligge gli attuatori termici. I due tipi di dispositivi condividono la necessità di alte tensioni operative, pertanto è stato progettato un circuito in grado di pilotarli correttamente impiegando un convertitore DC/DC locale ad alta tensione. Il modulo è stato completamente validato, compreso il firmare VHDL necessario per farlo funzionare con l'FPGA. Lo strumento Helios 3 completo è ora pronto per essere impiegato in esperimenti reali e controllare strutture fotoniche all'avanguardia di notevole complessità, eseguendo funzionalità ottiche avanzate.