Piattaforma multicanale per il controllo non invasivo di dispositivi ottici integrati

This thesis work has developed inside european BBOI (Breaking the Barriers of Optical Integration) project, coordinated by prof. Andrea Melloni (DEIB, Politecnico di Milano). BBOI project aims to boost the potential of photonic integration technologies, creating technologies conditions to break away from today's device level, up to a system on a chip paradigm. For this purpose a new, non perturbative, waveguide optical power probe has been developed, CLIPP (ContactLess Integrated Photonic Probe). CLIPP's newness is due to both non perturbativity and high integration capability, so that it is feasible for high density PICs. CLIPP senses optical power variations by electrical impedance measurement, taken by frequency domain lock-in technique. A 10 ppm resolution is mandatory to distinguish small enough admittance variations (tens of pS). Inside research group I got in, coordinated by prof. Marco Sampietro, they developed a 4 channels low noise ASIC preamplifier, up to 32 probes reading capable via multiplexing technique. My thesis activity consisted of two parts. In the first times I performed light power measurements using the preamplifier, a simple connection board I made and ZiHF2 lock-in amplifier. The test subject was a microring based optical resonator filter. In addition to the measurements, I found out a closed loop control algorithm to lock filter's resonant wavelength to entering light’s wavelength. During that time I set up the specifications of a compact system replacing ZiHF2 so that preamplifier multichannel features would be exploited. After that I designed and characterized such a system. It is able to generate lock-in sinusoidal reference signal (frequency up to 10 MHz), to synchronously acquire all 4 preamplifier outputs (on chip demodulators, low noise, 300 kHz bandwidth acquisition stage) and to control up to 12 actuators at the same time (+-10 V maximum dynamic, 190 kSps). Digital logic employs spartan 6 XEM6010 Opal Kelly module.

Questo lavoro di tesi si inserisce nell'ambito del progetto europeo BBOI (Breaking the Barriers of Optical Integration), coordinato dal prof. Andrea Melloni (DEIB, Politecnico di Milano). BBOI mira ad aumentare la complessità di integrazione dei circuiti fotonici in silicio (PICs), creando le condizioni tecnologiche per superare il livello del dispositivo ed arrivare ad un sistema completo on chip. A tale scopo è stato sviluppato un nuovo tipo di sensore di potenza ottica in guida non perturbativo, CLIPP (ContactLess Integrated Photonic Probe). La tecnica è innovativa sia per quanto riguarda la non invasività sia per quanto riguarda la semplicità di integrazione, e si presta ad essere utilizzata su PICs ad alta densità. Variazioni di potenza ottica vengono ricondotte, tramite misura in frequenza di tipo lock-in, a variazioni di conduttanza elettrica. E' richiesta sensibilità di 10 ppm (variazioni di conduttanza di decine di pS). Nel laboratorio, coordinato dal prof. Marco Sampietro, nel quale ho svolto la mia attività, è stato realizzato un preamplificatore ASIC low noise a 4 canali capace di leggere fino a 32 sensori tramite multiplexing. Il mio lavoro di tesi si è sviluppato in due fasi. In primo luogo, sfruttando il preamplificatore, una semplice scheda di interfaccia progettata da me ed il lock-in ZiHF2, ho compiuto misure su un filtro ottico a microring risonante ed ho messo a punto un algoritmo di controllo ad anello chiuso per agganciare la risonanza del filtro alla lunghezza d'onda presente in guida. A valle delle misure ho definito con esattezza le specifiche di un sistema compatto che sostituisse il lock-in ZiHF2 e permettesse di sfruttare le performances multicanale del preamplificatore. Successivamente ho progettato e caratterizzato tale sistema. Esso è in grado di generare il segnale di riferimento per il lock-in (frequenze fino a 10 MHz), di acquisire parallelamente i 4 preamplificatori (demodulatori on chip, ingresso low noise con banda 300 kHz) e di controllare sempre parallelamente fino a 12 attuatori (dinamica +-10 V, 190 kSps). La logica necessaria a compiere tali operazioni è realizzata sfruttando un modulo Spartan 6 XEM6010 di Opal Kelly.