Sigma-Delta-based read-out for real-time configuration of silicon photonics circuits

Silicon Photonics, exploiting the same fabrication steps of the well-established CMOS process, enables integration of complex optical circuits. An obstacle to the actual application of this kind of devices is their high sensitivity to the temperature variations and process tolerance that make complex optical circuits unusable as stand-alone components. This strong dependence on the temperature is also an advantage because it allows the creation of an electronic control loop that by modifying the temperature can change the working point of the photonic circuits to the desired value. The integrated nature of the photonic circuits suggests that the dedicated control electronics should be realized as an ASIC taking full advantage of the compactness allowed by the CMOS process. \\ This thesis proposes a mixed-signal architecture, used to stabilize and reconfigure a matrix of Mach-Zhender interferometers (MZIs). This device can realize different optical transfer functions which finds utility in a wide range 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 working point of its transfer function by measuring its first derivative with respect to the phase shift induced by thermal actuators. \\ The thesis is focused on the design of the initial stage for the acquisition of the signal of the photodiode. It is composed by a Trans-impedance amplifier with variable gain in order to menage the wide spectrum of current providing by the photodiode and by a first order Sigma-Delta converter. The objective is to find a new topology for this initial stage in order to reduce the area occupation leading a flip-chip connection between the electronic and photonic circuits.

La Silicon Photonics, sfruttando gli stessi passaggi di fabbricazione del ben consolidato processo CMOS , consente l’integrazione di circuiti ottici complessi. Un ostacolo all’effettiva applicazione di questi dispositivi è rappresentato dalla loro elevata sensibilità alle variazioni di temperatura e alle tolleranze di processo, che rendono i circuiti ottici complessi inutilizzabili come componenti stand-alone. Tuttavia, questa forte dipendenza dalla temperatura può anche rappresentare un vantaggio, poiché consente la creazione di un anello di controllo elettronico che, modificando la temperatura, può cambiare il punto di lavoro dei circuiti fotonici al valore desiderato. La natura integrata dei circuiti fotonici suggerisce che l’elettronica di controllo dedicata dovrebbe essere realizzata come un ASIC, sfruttando appieno la compattezza consentita dal processo CMOS. Questa tesi propone un’architettura mixed-signal utilizzata per stabilizzare e riconfigurare una matrice di interferometri Mach-Zehnder (MZI). Questo dispositivo è in grado di realizzare diverse funzioni di trasferimento ottico, che trovano applicazione in una vasta gamma di campi come il routing dei segnali, il multiplexing e l’ottica in free space. Una prima analisi della risposta ottica del dispositivo porta alla formulazione di una strategia di controllo integrale basata sulla tecnica chiamata dithering, che consente di bloccare il MZI a un punto di lavoro minimo o massimo della sua funzione di trasferimento, misurandone la derivata prima rispetto alla variazione di fase indotta dagli attuatori termici. La tesi si concentra sulla progettazione dello stadio iniziale per l’acquisizione del segnale formito dal fotodiodo. Questo stadio è composto da un amplificatore a transimpedenza con guadagno variabile, progettato per gestire l’ampio spettro di correnti fornite dal fotodiodo, e da un convertitore Sigma-Delta del primo ordine. L’obiettivo è individuare una nuova topologia per questo stadio iniziale, al fine di ridurre l’occupazione di area, consentendo una connessione flip-chip tra i circuiti elettronici e fotonici.