Devices and technologies for large-scale integrated photonics control

This thesis aims to develop novel devices and technologies to boost the complexity of integrated photonics and for the realization of complex photonic systems-on-chip. Here, a non-invasive integrated light observer was demonstrated in silicon photonics, enabling local monitoring of the status of a circuit without perturbing its operation and without wasting additional photons with respect to those naturally lost by the waveguide. Low-power, transparent actuators, based on the integration of photosensitive chalcogenide glasses with the silicon platform, were realized to provide post-fabrication permanent trimming functionalities both for compensation of fabrication tolerances and circuit reconfiguration. Furthermore, athermal and trimmable silicon waveguides were developed, in order to enable simultaneously passive thermal stabilization and post-fabrication trimming of silicon circuits. Also, resiliency of these devices to high-power induced thermal effects is shown. Active stabilization and feedback control of thermally actuated silicon resonators was demonstrated by exploiting an error signal provided by non-invasive light monitors integrated inside the microrings. Control functionalities such as wavelength tuning, locking and swapping are shown. Finally, advanced functionalities and concepts, such as transfer function recovery, reconfigurability, adaptability were addressed in high order filters and delay lines composed of several coupled ring resonators, and by even more complex integrated circuits, such as variable symbol-rate differential phase-shift keying receivers.

Questa tesi mira a sviluppare nuovi dispositivi e tecnologie per la realizzazione di sistemi complessi su chip in ottica integrata. In particolare, è stato dimostrato un fotorivelatore non invasivo per la silicon photonics, che permette di monitorare localmente lo stato di un circuito integrato senza perturbarne il funzionamento e senza assorbire fotoni in aggiunta a quelli intrinsecamente assorbiti dalla guida. Inoltre sono stati realizzati attuatori trasparenti e a basso consumo, basati sull’integrazione di materiali fotosensibili come i calcogenuri con la piattaforma del silicio, così da fornire funzionalità di trimming permanente post-fabbricazione, sia per la compensazione delle tolleranze di fabbricazione, sia per la riconfigurazione del circuito. Sono state sviluppate anche delle guide atermiche e “trimmabili”, che garantiscono simultaneamente la stabilizzazione termica del circuito e il trimming post-fabbricazione, e forniscono un’ottima piattaforma per sviluppare dispositivi insensibili all’alta potenza ottica. È stata dimostrata la stabilizzazione attiva e il controllo feedback di risonatori in silicio attuati termicamente sfruttando un segnale errore fornito da monitor di luce non invasivi integrati all’interno dei risonatori. Funzionalità di controllo come il tuning della lunghezza d’onda, il locking e lo swapping sono stati dimostrati. Infine, funzionalità e concetti avanzati, come il recovery della funzione di trasferimento, la riconfigurabilità e l’adattabilità sono stati realizzati in filtri di ordine elevato e in linee di ritardo composte da tanti risonatori, e anche in circuiti più complessi, come per esempio in ricevitori a bit-rate variabile per sistemi differential phase shift keying.