Low noise current-to-digital interface for controlling photonic integrated circuits

In recent years, the information sector has undergone a true revolution. For example, Machine Learning, big data analytics, and High Performance Computing (HPC) are all innovations born from this revolution that are increasingly becoming part of people daily lives. However, there is now a demand to process an ever-growing amount of data while keeping latency low; this is pushing electronics, traditionally employed for such operations, towards intrinsic limits in terms of bandwidth and power dissipation. In this context, photonics represents a promising alternative as it utilizes light to carry information, thus reducing power dissipation while enabling operation at very large bandwidths. In particular, Silicon Photonics (SiP) can facilitate the scaling of increasingly complex optical architectures, which can be integrated on silicon wafers using fabrication steps originally developed for electronic circuits. Thanks to optical computing, it is possible to perform various algebraic operations, such as matrix-vector multiplication (MVM), by leveraging the advantages of photonics. In these structures, input data are mapped into a vector, and depending on the implemented optical topology, the corresponding result is obtained at the speed of light. Nevertheless, photonic devices are highly sensitive to temperature and process variations, making it necessary to design an electronic control system to stabilize their working point and monitor the behavior of the PIC in real time. With the development of increasingly complex photonic architectures, it becomes advantageous to implement the electronic control loop as an ASIC, thereby keeping the overall system size compact and scalable on a large number of components. This thesis project proposes an integrated mixed-signal control system designed to stabilize a mesh of Mach-Zehnder Interferometers (MZI) performing MVM. The focus of this work is the design and validation of the initial stage of the control loop, which is based on a second-order Delta-Sigma current-to-digital converter. In particular, this architecture was selected because it achieves the resolution required by the PIC without the need for a pre-amplification stage, offering benefits in terms of silicon area usage.

Negli ultimi anni, il settore dell'informazione ha subito una vera e propria rivoluzione. Ad esempio, il Machine Learning, l'analisi dei big data e l'High Performance Computing (HPC) sono tutte innovazioni figlie di questa rivoluzione, che stanno diventando sempre più parte della vita quotidiana delle persone. Tuttavia, oggi è necessario elaborare una quantità di dati sempre maggiore mantenendo al contempo bassa la latenza; ciò sta spingendo l'elettronica, tradizionalmente impiegata per tali operazioni, verso limiti intrinseci in termini di banda e dissipazione di potenza. In questo contesto, la fotonica rappresenta un'alternativa promettente poichè utilizza la luce per trasportare informazioni, riducendo così la dissipazione di potenza e consentendo il funzionamento a bande molto larghe. In particolare, la Silicon Photonics (SiP) può facilitare lo scaling di architetture ottiche sempre più complesse, integrabili su wafer di silicio mediante processi di fabbricazione originariamente sviluppati per i circuiti elettronici. Grazie al calcolo ottico è possibile eseguire diverse operazioni algebriche, come la moltiplicazione vettore-matrice (MVM), sfruttando i vantaggi della fotonica. In queste strutture, i dati in ingresso vengono mappati in un vettore e, in base alla topologia ottica implementata, si ottiene il risultato corrispondente alla velocità della luce. Tuttavia, i dispositivi fotonici sono altamente sensibili alle variazioni di temperatura e di processo rendendo necessario progettare un sistema di controllo elettronico per stabilizzarne il punto di lavoro e monitorare in tempo reale il comportamento del PIC. Con lo sviluppo di architetture fotoniche sempre più complesse, diventa vantaggioso implementare l'anello di controllo elettronico come un ASIC, mantenendo così le dimensioni complessive del sistema compatte e scalabili su un grande numero di componenti. Questo progetto di tesi propone un sistema di controllo integrato mixed-signal utilizzato per stabilizzare una mesh di interferometri Mach-Zehnder (MZI) che esegue la MVM. L'obiettivo di questa Tesi è la progettazione e validazione dello stadio iniziale dell'anello di controllo che è formato da un convertitore corrente-digitale Delta-Sigma del secondo ordine; in particolare, questa architettura è stata scelta perchè consente di ottenere la risoluzione richiesta dal PIC senza la necessità di uno stadio di pre-amplificazione, offrendo vantaggi in termini di utilizzo di area di silicio.