Integrazione di elettronica monolitica in una piattaforma Silicon Photonics standard

Integrated photonics is acquiring more and more relevance in telecommunications because it allows to create complex systems able to process signals in the optical domain at a reasonable cost and area occupation. Silicon in particular is one of the most promising materials for photonics integration, since the already well developed processes of the microelectronic industry can be exploited to manufacture high-performance photonic circuits, compatible with Near-Infrared wavelenghts already used for fiber transmission. However, Silicon has a relevant drawback, which is that its optical parameters are extremely sensitive to temperature variations and thus it requires an electronic control system to stabilize the working point of each photonic device. This approach is essential when complexity of the photonic system increases. Electronics systems capable of stabilizing SiP devices have been realized in the past few years, but the increasing complexity of otpical circuits is pushing the limits of the technology because of the ever rising number of interconnections required between the photonic chip and external electronics. In order to overcome this problem and achieve efficient control of arbitrarily complex photonic circuits, the possibility of implementing monolithical integration of electronic devices in a standard SiP technology was investigated. This approach means to reduce the number of electrical connections towards the external control electronics, as it allows to realize pre-processing circuits right on the photonic chip. Specifically, the design and implementation of an Operational Amplifier and a Multiplexer realized in Silicon Photonics are presented in this thesis. Their electrical behaviour was measured and validated to ensure their functionality. The Multiplexer was also tested optically and actively used to drive the actuators of a photonic circuit while employing a reduced number of electric signals, thanks to the Time Division Multiplexing technique. The success of this integration could open up the chance in the future to implement the whole elaboration process of electrical control signals directly on the photonic chip, leading to a perfect synergy between Silicon Photonics and electronics.

La fotonica integrata sta acquisendo sempre più rilevanza nel mondo delle telecomunicazioni perché consente di creare sistemi complessi in grado di processare segnali nel dominio ottico con un costo e un'occupazione di area molto contenuti. Il silicio in particolare è uno dei materiali più promettenti per l'integrazione su chip dei dispositivi fotonici, dato che si possono sfruttare i processi produttivi già ben consolidati dell'industria microelettronica per realizzare circuiti fotonici ad alte prestazioni, compatibili con le lunghezze d'onda nel vicino infrarosso già utilizzate per la trasmissione a fibra ottica. Tuttavia, il silicio ha uno svantaggio rilevante, ossia che i suoi parametri ottici sono estremamente sensibili alle variazioni di temperatura e dunque richiede un sistema elettronico di controllo per stabilizzare il punto di lavoro di ciascun dispositivo integrato. Questo approccio è fondamentale quando la complessità del sistema fotonico aumenta. Sistemi elettronici in grado di stabilizzare dispositivi fotonici in silicio sono stati realizzati in anni recenti, ma la complessità crescente dei circuiti ottici sta mettendo alla prova i limiti della tecnologia a causa del numero sempre più elevato di interconnessioni richieste tra ottica ed elettronica. Al fine di superare questo problema ed ottenere un controllo efficiente di circuiti fotonici di arbitraria complessità, si è studiata la possibilità di integrare monoliticamente dispositivi elettronici in tecnologia fotonica standard. Questo approccio punta a ridurre il numero di connessioni elettriche dirette verso l'elettronica di controllo esterna, poiché consente di realizzare circuiti di pre-elaborazione direttamente sul chip fotonico. Specificatamente, in questa tesi vengono presentate la progettazione e implementazione di un amplificatore operazionale e di un multiplexer realizzati in Silicon Photonics. Il loro comportamento elettrico è stato misurato e validato per garantirne la funzionalità. Il multiplexer è stato inoltre testato otticamente e usato per pilotare gli attuatori di un circuito ottico utilizzando un numero ridotto di segnali elettrici, grazie alla tecnica del multiplexing nel tempo. La riuscita di questa integrazione potrebbe aprire alla possibilità nel futuro di implementare l'intero processo di elaborazione dei segnali di controllo elettrici direttamente su chip fotonico, conducendo a una sinergia perfetta tra fotonica ed elettronica.