DLL-based PWM actuation for real time regulation of photonic integrated circuits

Optical systems represent an interesting alternative to standard electrical interconnections, providing a "more-than-Moore" solution to carry information on chip with great benefits: immunity to cross-talk interference and reduced energy consumption per transmitted bit. This is one of the main reasons for the recent popularity of Silicon Photonics (SiP), a technology allowing for integration of optical circuits on Silicon wafers by exploiting the same fabrication processes developed for electronic circuits. A well known problem of SiP architectures is their high sensitivity to temperature and process variations, therefore an electronic regulator, possibly integrated on the same wafer, is needed to ensure the correct operation of these optical systems. This thesis proposes a new actuation strategy for CMOS regulators of Photonic Integrated Circuits (PICs). In contrast to previous solutions working with an analog driver for thermal actuators, this project delves into the full implementation of a Pulse-Width Modulation (PWM) actuation approach, with great benefits in terms of area occupation and power consumption. The designed PWM generator is based on a Delay-Locked Loop (DLL), guaranteeing a resolution N-times higher compared to the one achievable with the reference clock frequencies of the employed circuits. This was achieved through proper combination of N clock phases produced by the DLL, whose good performances are demonstrated in post-layout simulations along all process corners of interest for the application. The full-custom design and layout of the logic selecting the correct phase from the DLL is also discussed, together with the semi-custom implementation of some digital blocks in the system. Finally, a driver compatible with this new PWM approach was designed to be able to work at the desired frequencies and with the proper voltage levels, thus correctly turning on and off the power MOSFET performing the actuation of the thermal phase shifters integrated in the PIC.

I sistemi ottici rappresentano un’interessante alternativa alle classiche interconnessioni elettriche, fornendo una soluzione "more-than-Moore" al trasporto di informazioni su chip con grandi vantaggi: immunità ad interferenze di cross-talk e basso consumo energetico per bit trasmesso. Questa è una delle principali ragioni per la recente popolarità della Silicon Photonics (SiP), una tecnologia che permette l’integrazione di circuiti ottici su wafer di Silicio sfruttando i medesimi processi di fabbricazione sviluppati per i circuiti elettronici. Un noto problema delle architetture SiP è la loro elevata sensibilità alla temperatura ed alle variazioni di processo, dunque un regolatore elettronico, possibilmente integrato sullo stesso wafer, risulta necessario per il corretto funzionamento di tali sistemi ottici. Questa tesi presenta una nuova strategia di attuazione per regolatori CMOS di circuiti fotonici integrati (PICs). A differenza delle precedenti soluzioni facenti uso di un driver analogico per attuatori termici, questo progetto entra nel dettaglio della completa implementazione di un approccio di attuazione Pulse-Width Modulation (PWM), con grandi benefici in termini di occupazione di area e consumo di potenza. Il generatore PWM progettato si basa su un Delay-Locked Loop (DLL), garantendo una risoluzione N volte maggiore rispetto a quella ottenibile con le frequenze di clock di riferimento dei circuiti utilizzati. Ciò è stato possibile grazie all’opportuna combinazione di N fasi di clock generate dal DLL, le cui buone prestazioni sono state dimostrate in postlayout e sui vari corner di processo di interesse per l’applicazione. Il design full-custom ed il layout della logica di selezione della fase corretta dal DLL vengono inoltre discussi, insieme all’implementazione semi-custom di alcuni blocchi digitali del sistema. Infine, è stato progettato un driver compatibile con questo nuovo approccio PWM capace di lavorare alle frequenze richieste e con i corretti livelli di tensione, garantendo una corretta accensione ed un corretto spegnimento del MOSFET di potenza che fornisce l’attuazione dei phase shifter termici integrati nel PIC.