Actuation strategies for a CMOS controller of photonic integrated circuits

Silicon photonics is nowadays a field of study and technology that combines silicon-based integrated circuits with photonic components to enable the generation, manipulation, and detection of light (photons) on a chip. It has gained significant attention and development in recent years due to its potential for high-speed data communication, optical computing, and various applications in both data processing and telecommunications. Silicon photonics is a promising technology for the development of optical computing systems that can perform certain tasks much faster than traditional electronic computers, moreover is compatible with CMOS manufacturing and this allows scalability and cost-effective production but at the same time devices are sensitive to temperature fluctuations and to process variations. To ensure the proper functioning of the photonic integrated circuit (PIC), we design an ASIC that stabilizes the working point of the PIC, exploiting the advantages of the CMOS integration process. The initial phase of the thesis involves a detailed analysis of the optical response exhibited by the Mach-Zehnder Interferometer (MZI), the building block of many PICs. Following this, an integrated control strategy utilizing the dithering technique is presented. This involves utilizing a dithering signal to derive the first derivative of the MZI transfer function. Subsequently, a dedicated system is employed to precisely adjust the MZI working point to either the minimum or maximum of its transfer function. In the second part of the thesis, the designed feedback network architecture is described, with a specific focus on the actuation system. It receives a digital word from the control logic and applies the control voltage to a heater through a DAC and a driver. Consequently, the optical phase in a branch of the MZI is altered, thereby allowing the MZI to reach a minimum or maximum. Finally, the concluding section introduces an innovative actuation strategy based on a PWM signal. This approach reduces power dissipation but introduces thermal ripple. An analysis reveals the need for a PWM frequency of 10 MHz to ensure a negligible ripple. Then, a PWM resolution below 800ps is crucial for the correct working of the dithering. This low resolution is achieved through a cooperative approach: a clock at 160MHz enters into a Delay-Locked Loop (DLL) creating different delayed clocks, then clock signals are combined using MUX, AND gate and OR gate to create PWM signals with a resolution of 200ps. This new circuit implementation promises significant savings in both area and power consumption.

La Silicon Photonics è oggi un campo di studio e tecnologia che combina circuiti integrati basati su silicio con componenti fotonici per consentire la generazione, manipolazione e rilevamento della luce (fotoni) su un chip. Ha guadagnato notevole attenzione e sviluppo negli ultimi anni grazie al suo potenziale per la comunicazione dati ad alta velocità, il calcolo ottico e varie applicazioni sia nell'elaborazione dei dati che nelle telecomunicazioni. La Silicon Photonics è una tecnologia promettente per lo sviluppo di sistemi di calcolo ottico in grado di eseguire determinati compiti molto più velocemente rispetto ai computer elettronici tradizionali, inoltre è compatibile con la produzione CMOS e ciò consente la scalabilità e la produzione economica ma allo stesso tempo i dispositivi sono sensibili alle fluttuazioni di temperatura e alle tolleranze di processo. Per garantire il corretto funzionamento del circuito fotonico integrato (PIC), è stato realizzato un ASIC che stabilizza il punto di lavoro del PIC, sfruttando i vantaggi del processo di integrazione CMOS. La fase iniziale della tesi prevede un'analisi dettagliata della risposta ottica esibita dall' interferometro Mach-Zehnder (MZI), il blocco fondamentale di molti PICs. A seguito di ciò, viene presentata una strategia di controllo integrata che utilizza la tecnica del dithering. Questa coinvolge l'utilizzo di un segnale di dithering per derivare la derivata prima della funzione di trasferimento del MZI. Successivamente, viene impiegato un sistema dedicato per regolare con precisione il punto di lavoro del MZI al minimo o al massimo della sua funzione di trasferimento. Nella seconda parte della tesi, viene descritta l'architettura della rete di feedback progettata, con un focus specifico sul sistema di attuazione. Esso riceve una parola digitale dalla logica di controllo e, attraverso un DAC e un driver, applica la tensione di controllo a un heater. Di conseguenza, la fase ottica in un ramo del MZI viene alterata, consentendo così al MZI di raggiungere un minimo o un massimo. Infine, la sezione conclusiva introduce una strategia innovativa di attuazione basata su un segnale PWM. Questo approccio reduce la potenza dissipata ma introduce un ripple termico. Un analisi rivela la necessità di una frequenza PWM di 10 MHz per assicurare un ripple trascurabile. Successivamente, una risoluzione PWM inferiore a 800ps è cruciale per il corretto funzionamento del dithering. Questa bassa risoluzione è ottenuta attraverso un approccio cooperativo: un clock a 160MHz entra in un Delay-Locked Loop (DLL) creando differenti clock ritardati, poi i segnali di clock vengono combinati utilizzando MUX, porte AND e porte OR per creare segnali PWM con una risoluzione di 200ps. Questa nuova implementazione del circuito promette significativi risparmi sia in termini di area che di consumo energetico.