APPLICATIONS OF COUPLED RESONATORS IN PHOTONIC INTEGRATED CIRCUITS

I continui progressi dell’ottica integrata e della fotonica consentono soluzioni alla avanguardia in campi di applicazione sempre più vasti. Le funzionalità dei Circuiti Fotonici Integrati (PIC) si arricchiscono continuamente grazie all'introduzione di nuovi elementi circuitali realizzati mediante dispositivi fotonici. Tra questi, i Risonatori ad Anello (Micro Ring Resonator - MMR) stanno suscitando un interesse particolare grazie alla loro vasta gamma di proprietà funzionali che possono servire per implementare, ad esempio, router, laser e sensori. L'interazione di queste funzionalità, ottenibile mediante la disposizione in cascata di più risonatori, porta ad applicazioni sempre più sofisticate, che sfruttano la manipolazione delle risonanze e la conseguente modifica flessibile dello spettro di trasmissione dei dispositivi così realizzati. Questa tesi propone un dispositivo innovativo basato su una particolare configurazione di risonatori accoppiati e ne analizza i potenziali benefici. Il dispositivo proposto può agire, a seconda della configurazione, come elemento di commutazione, come riflettore e come sensore. A differenza dei dispositivi proposti in letteratura basati su risonatori accoppiati direttamente, quello che viene presentato in questa tesi è costituito da una coppia di risuonatori interagenti in modo indiretto attraverso una guida d'onda. Questa topologia, definita come “Risonatori ad accoppiamento indiretto (Indirectly Coupled Resonators - ICR)”, grazie alla sua versatilità può svolgere funzionalità differenti, la cui indagine costituisce il tema portante di questa tesi. I dispositivi sviluppati in questi anni sono stati fabbricati utilizzando due piattaforme tecnologiche: InP-membrane-on-silicon (IMOS) e Silicon-On-Insulator (SOI). Il dispositivo proposto viene inizialmente analizzato quando configurato come router per reti ottiche flessibili (reti elastiche), in cui può essere impiegato come add/drop multiplexer riconfigurabile (ROADM). Grazie al comportamento non reciproco in lunghezza d’onda, questo dispositivo può combinare le funzioni di Add/Drop in un unico aggregatore bidirezionale. Viene poi presentata l’analisi della scalabilità e definita una tipologia di router per applicazioni nelle Network-on-chip ottiche. Secondo l'analisi topologica svolta in questa tesi, i router basati su topologie ICR possono ridurre fino al ∼ 50% il numero di risonatori necessari, a parità di numero di porte. Viene poi proposto l’utilizzo di tale dispositivo come riflettore ottenibile, a parità di topologia, eseguendo la sincronizzazione dei due risonatori. Le misure sono state effettuate con dispositivi fabbricati in tecnologia SOI e mostrano la possibilità di sintonizzare il riflettore in un range di lunghezze d’onda di 37 nm. Le riflessioni possono avere larghezze di banda molto strette (∼ 50 pm), corrispondenti ad un fattore di qualità di ∼ 30.000. La possibilità di ottenere riflessioni su lunghezze d’onda multiple è stata invece verificata utilizzando risonatori racetrack con raggi identici e fabbricati in tecnologia IMOS. Nell’ultima parte della tesi viene invece analizzato, attraverso l’utilizzo di modelli matematici, l’impiego di tale dispositivo in ambito sensoristico. Viene proposto uno schema di funzionamento differenziale, interrogabile in lunghezza d’onda ed in intensità. La tecnica differenziale impiegata consente l’esecuzione della calibrazione del dispositivo direttamente su chip, semplificando così la taratura dello stesso. Le prestazioni del sensore sono confrontate, attraverso modellizzazione numerica, con quelle di sensori risonanti convenzionali. I risultati presentati in questa tesi rivelano le molteplici proprietà dei risonatori accoppiati indirettamente, che possono dunque costituire un nuovo blocco funzionale per i circuiti integrati fotonici.

Progress in photonic integrated circuits (PICs) enables contemporary solutions that cover more and more technology areas, including optical networking, computing systems and sensing. The capabilities of PICs continuously enrich thanks to the introduction of new photonic circuit elements. Among them, Micro Ring Resonators (MMRs) receive particular interest because of their wide range of functional properties that can serve to implement, e.g., integrated wavelength routers, lasers and sensors. The interaction of two or more optical modes by cascading multiple resonators leads to more sophisticated photonic applications through manipulation of the resonances and consequent flexible modification of the spectrum. This dissertation investigates the potential benefits of a novel configuration of coupled resonators, which can act as photonic switching element, reflector and sensor. As opposed to previously reported coupled resonators, the proposed device consists of double MRRs that are indirectly coupled through a central bus waveguide and a crossing. This configuration, Indirectly Coupled Resonators (ICR), can carry out versatile photonic functions that are the subjects of the presented research. The studied devices were fabricated in two different integration technology platforms, the InP-membrane-on-silicon (IMOS) and Silicon-On-Insulator (SOI). The wavelength routing properties of ICR are first examined in the context of the next generation Reconfigurable Optical Add/Drop Multiplexer (ROADM) for implementing flexible optical networks in wavelength division multiplexing technology. As a result of non-reciprocal wavelength routing behaviour, the ICR based switching fabric can combine the Add and Drop functions in a single transponder aggregator and therefore introduce bidirectional communication in ROADM systems that can reduce circuitry cost. Furthermore, the scalability analysis of an ICR based wavelength router topology is presented and compared with the conventional topology (λ-router) used in photonic Network-on-Chip applications. According to the topological analysis, ICR based routers can reduce the number of resonators required to construct such networks up to ∼ 50%, as the number of connected ports increases. Then, the presented device is analysed considering its reflection properties. By performing phase synchronization of the two coupled resonators, it is possible to implement a wavelength reflector. The single wavelength reflection is experimentally demonstrated using the ICR fabricated in SOI technology. The critical conditions that exhibit such operational regimes are addressed. The measurements show that thermally detuned reflected wavelengths over a 37 nm of wavelength span can have very narrow bandwidths (∼ 50 pm), which correspond to quality factor of ∼ 30,000. Additionally, multiple wavelength reflections are also experimentally demonstrated by the racetrack ICR fabricated in IMOS technology. Finally, a novel optical sensing scheme based on ICR is proposed. The scheme can execute data extraction from the sensor via either resonance shifts or intensity enhancements in the spectra of sensing signal relative to the reference signal. Therefore, this scheme is referred to as differential optical sensing. The differential sensing can pave the way of performing sensor calibration on-chip via an integrated heater on reference resonator. The performance comparison between conventional single ring and ICR based sensing schemes obtained from a suitably developed analytical model is presented. Overall, the results presented in this thesis reveal the diverse capabilities of indirectly coupled resonators, mostly aiming at introducing a new building block for photonic integrated circuits.