Second-order delta-sigma acquisition chain for Silicon Photoconductors in photonic integrated circuits

The growing diffusion of Silicon Photonics, driven by the need to transmit information at high speed, with low power consumption and high signal integrity, requires the development of solutions that ensure proper operation even in the presence of temperature variations and process tolerances. In this context, the use of a control strategy integrated in the form of an ASIC represents an extremely attractive approach, as it allows losses to be minimized, the control circuitry area to be reduced, and power dissipation to be lowered. This thesis discusses a mixed-signal architecture designed for controlling the operating point of a mesh of Mach-Zehnder interferometers. The goal is to enable the separation of orthogonal modes through a local control strategy, thus supporting applications such as demultiplexing or routing of optical signals propagating in free-space. The information about the device’s operating point is extracted using a dithering technique, which makes it possible to set the operating point to either a minimum or a maximum for the mode of interest only, enabling selective routing of the input optical signal components. The work focuses on the implementation of an acquisition chain suitable for the correct management of transparent sensors, which are essential to ensure lossless propagation of secondary modes while maintaining accurate regulation of the mode of interest. The read-out chain consists of a variable-gain transimpedance amplifier, used to precisely set the operating point of the sensor while accommodating different input dynamics and a second-order Delta-Sigma converter, required to avoid resolution issues associated with the typical operating condition of the system. During the design phase, particular attention is paid to the noise performance of the various stages and to minimizing the area and power consumption of the implemented architectures. The main issues affecting the reliability of the analog-to-digital converter are identified and addressed to guarantee the resolution required by the application.

La crescente diffusione della Silicon Photonics, spinta dalla necessità di trasmettere informazione ad alta velocità, basso consumo energetico ed elevata integrità di segnale, richiede la realizzazione di soluzioni che ne consentano il corretto funzionamento anche in presenza di variazioni di temperatura e tolleranze di processo. In tale contesto, l'utilizzo di una strategia di controllo integrata sotto forma di ASIC rappresenta un approccio estremamente interessante, poiché consente di minimizzare le perdite, ridurre l'area occupata dal controllo e abbattere la potenza dissipata. In questa tesi è discussa un'architettura mixed-signals orientata al controllo del punto di lavoro di una mesh di interferometri Mach-Zehnder. L'interesse è garantire la possibilità di separare modi ortogonali attraverso una strategia di controllo locale, abilitando applicazioni come demultiplexing o routing di segnali ottici in propagazione free-space. L'informazione sul punto operativo del dispositivo è estratta attraverso la tecnica di dithering, consentendo di fissire il punto di lavoro su un minimo o su un massimo per il solo modo di interesse e permettendo l'instradamento selettivo delle componenti del segnale ottico in ingresso. La presente tesi si focalizza sull'implementazione di una catena di acquisizione adatta alla gestione di sensori trasparenti, fondamentali per consentire la propagazione senza perdite dei modi secondari e garantire la corretta regolazione di quello di interesse. La catena si compone di un transimpedance amplifier a guadagno variabile, utile a fissare con precisione il punto di lavoro del sensore consentendo più dinamiche di ingresso, e di un convertitore Delta-Sigma del secondo ordine, necessario a evitare problemi di risoluzione legati al tipico punto operativo del sistema. Durante la fase di progettazione, particolare attenzione è dedicata alle performance di rumore dei vari stadi e al contenimento di area e potenza dissipata dalle architetture impiegate. I problemi che maggiormente impattano l'affidabilità del convertitore analogico-digitale sono identificati e risolti in modo da garantire la risoluzione richiesta dall'applicazione.