Control circuits for an electronic-photonically integrated optical switch matrix

Abstract

Es gibt mehrere Forschungsziele, die das Schreiben dieser These angetrieben haben. Das Hauptziel dieser Forschung war die Entwicklung von Steuerkreisen für die Ansteuerung photonischer Komponenten mit hoher Energieeffizienz. In dieser Arbeit wird ein hochintegrierter photonischer Chip mit über 1000 optischen Funktionen über Mikrokupfersäulen auf einem elektronischen IC (EIC) 3D-integriert. Eines der Forschungsziele ist auch, eine hohe Dichte optischer Funktionen pro mm² zu erreichen, wobei 1000 optische Funktionen auf 21 mm² angestrebt werden. Dieses Integrationsniveau ist sehr hoch, einschließlich Wellenleiterüberkreuzungen, die Anzahl der optischen Funktionen pro mm² beträgt 200, im Bereich der Schaltmatrix. Die Funktion der EIC ist, alle photonischen Schalter im photonischen Chip zu steuern. Beide integrierte und zusätzliche diskrete Elektronik sind so ausgelegt, richtig die Einschränkungen in Bezug auf den Stromverbrauch, Energieeffizienz und die Paketgröße der vorgeschlagenen Vorrichtung zu erfüllen. Alle Schritte im Designprozess dieses Geräts werden in dieser Arbeit diskutiert. Photonische Schalter werden durch im photonischen Chip integrierte Heizwiderstände in Resonanz gebracht. Eines der zentralen Themen dieser Forschung ist die Entwicklung unterschiedlicher Ansätze für die Heizungssteuerung: Analog, Digital oder Analog-Digital werden hinsichtlich Energieeffizienz, Auflösung und Skalierbarkeit untersucht. Zwei Chips, die in verschiedenen Technologien, photonischen und elektronischen, entworfen sind, werden 3D über Mikrokupfersäulen integriert. Die BCD-180-nm-Technologie wurde für das Design des EIC ausgewählt. Kernschaltungsblöcke wie OTAs, Sample & Hold-Schaltungen, Strom-Spannungs-Wandler, Analog-zu-PWM-Wandler, Gray-Zähler, Register, SPI-Schnittstelle, Multiplexer und ein 8-Bit-DAC sind in dieser Technologie ausgelegt und optimiert, um die Anforderungen zu erfüllen angetrieben durch photonische Spezifikationen. Diese Blöcke sind in einer kompletten Multimode-Ring-Resonator-Heizungssteuerung EIC mit mehr als 800 Heizungssteuerzellen enthalten. Die Schaltmatrix hat 768 Elemente, daher wurden Anstrengungen unternommen, um den Entwurf einer einzelnen Heizungssteuerzelle, die weiter repliziert wird, zu optimieren. Außerdem wurde das Design des Transimpedanzverstärkers optimiert, da es 84 Mal für entsprechende Überwachungsphotodioden repliziert wird, die an den Schlüsselpunkten des photonischen Chips angeordnet sind. Technologische Einschränkungen wie maximale Geschwindigkeit des Zählertaktes notwendig zur Erzeugung der PWM-Signals und Mindestgröße der Matrixzellenfläche wurden untersucht. Die Möglichkeiten der Skalierbarkeit der Lösungen durch den Einsatz fortschrittlicher Technologien für das Design von EIC waren ebenfalls ein Schwerpunkt dieser Forschung. Die Charakterisierung verschiedener Arten von Mikroring-Resonatoren, die in photonischen Plattformen entworfen sind, wird ebenfalls mit verschiedenen Steuerungsansätzen untersucht, die in elektronischen Schaltungen implementiert sind. Spezielle minimatrix Teststrukturen wurden für diesen Zweck verwendet. Eine weitere große Herausforderung war die Konstruktion eines kompakten Gehäuses, das eine Heizleistung von 4 W ermöglicht. Die Hauptdissipation kommt von PIC, daher ist der Peltier-Kühler mit der kalten Seite an dem Substrat von PIC angebracht, während die heiße Seite über Metallbleche mit dem Kühlkörper des Gehäuses verbunden ist. Die Verlustleistung eines vollständigen EIC-Chips, der oberhalb von PIC angeordnetet ist, muss minimiert werden, um den Einfluss der Wärmeübertragung von EIC auf den PIC sowie auf die Luft im Gehäuse zu reduzieren. Es wurden Anstrengungen unternommen, einen geeigneten Gehäusekühlkörper zu entwerfen, anstatt einen zusätzlichen Lüfter zum Kühlen zu verwenden. Im ATMEL ATXmega-Mikrocontroller sind zwei Regelkreise implementiert. Eine Schleife dient zum Steuern und Überwachen des Zustands von Ringresonatoren. Die zweite Schleife dient zur Temperaturregelung der EPIC-Vorrichtung durch Ansteuern eines thermoelektrischen Kühlers, da die Photonikschaltungen sehr temperaturempfindlich sind. Der Vergleich der Steueransätze in Bezug auf Stromverbrauch, elektronische Eigenschaften, Skalierbarkeit und weitere Verbesserungen werden auch am Ende dieser Arbeit diskutiert.