Wide-dynamic-range readout circuits for real-time control of integrated photonic devices

Silicon Photonics is a technology that allows the integration of complex optical circuits, such as telecommunication routers, on silicon wafers. This process aligns closely with the well-known CMOS processes. However, a major obstacle to its practicality arises from the high susceptibility of optical devices to temperature variations and process tolerances, which can compromise their autonomous operability. To overcome this issue, a closed-loop electronic control system is essential to stabilize and recalibrate the photonic integrated circuit (PIC). Given the inherent integration of the photonic setup, the electronic architecture is realized as an ASIC, exploiting the compactness, speed, and low power features of the CMOS process. This thesis proposes a mixed-signal architecture, devised to stabilize and reconfigure a matrix (mesh) of Mach-Zehnder Interferometers (MZIs). This structure can realize different linear optical transfer functions, which find utility in a spectrum of applications such as signal routing, multiplexing, and free-space optics. A first analysis of the device's optical response leads to the formulation of an integral control strategy based on the dithering technique, which can lock the MZI to either a minimum or maximum of its transfer function by deriving its first derivative with respect to the phase shift induced by thermal actuators. Furthermore, an estimation of the closed-loop system's bandwidth is given, underscoring its ability to offset input phase disturbances in the kHz range. The thesis focuses on the design of an initial analog stage for signal acquisition from photodetectors (photodiodes). The focus is dedicated to dealing with the challenges arising from the management of a wide spectrum of input currents, coupled with the limited resolution of the ADC. In particular, this thesis focuses on two ADC topologies: first it describes a SAR architecture, while in the last part of the project, an Incremental Delta-Sigma ADC is explored. The technology used is XFAB, which led to a great area and power reduction with respect to previous projects. This was a key aspect in the perspective of a flip-chip implementation.

La Silicon Photonics è una tecnologia che consente l'integrazione di circuiti ottici complessi, come router di telecomunicazioni, su wafer di silicio, allineandosi ai processi CMOS. Tuttavia, l'alta sensibilità dei dispositivi ottici alle variazioni di temperatura e alle tolleranze di processo può comprometterne la loro operabilità autonoma. Per superare questo problema, è essenziale un sistema di controllo elettronico ad anello chiuso per stabilizzare e ricalibrare il circuito integrato fototonico, realizzato come un ASIC sfruttando la compattezza, la velocità e la bassa potenza del processo CMOS. Questa tesi propone un'architettura mista analogico-digitale per stabilizzare e riconfigurare una matrice di interferometri Mach-Zehnder (MZI). Questa struttura realizza diverse funzioni di trasferimento ottico lineare, utili in applicazioni come il routing di segnale, il multiplexing e l'ottica nello spazio libero. Un'analisi iniziale della risposta ottica del dispositivo porta a una strategia di controllo integrale basata sulla tecnica del dithering, bloccando il MZI su un minimo o massimo della sua funzione di trasferimento. Viene anche fornita un'analisi della larghezza di banda del sistema a circuito chiuso, sottolineando la sua capacità di compensare le distorsioni della fase di ingresso nell'intervallo dei kHz. La tesi si focalizza sulla progettazione di una parte analogica iniziale per l'acquisizione del segnale da parte dei fotorivelatori (fotodiodi). Si affrontano le sfide legate alla gestione di correnti di ingresso su un ampio spettro, insieme alla limitata risoluzione dell'ADC. In particolare, si esplorano due topologie di ADC: inizialmente un'architettura SAR è descritta, per poi passare nella parte finale della tesi a un'analisi di un ADC Delta-Sigma di tipo incrementale. La tecnologia adottata è XFAB, che ha portato a una notevole riduzione di area e potenza rispetto ai progetti precedenti. Questo è stato un aspetto fondamentale nell'ottica di un'implementazione flip-chip.