一种光学器件参数锁定的集成闭环反馈pwm控制系统和方法
阅读说明：本技术 一种光学器件参数锁定的集成闭环反馈pwm控制系统和方法 (Integrated closed-loop feedback PWM control system and method for optical device parameter locking ) 是由 谭旻 明达 于 2019-11-27 设计创作，主要内容包括：本发明属于光电芯片设计领域,更具体地,涉及一种光学器件参数锁定的集成闭环反馈PWM控制系统和方法。光-电转换模块将光子器件中能够反映光子器件参数变化的光信号转换为电信号；算法处理前端模块对转换后的电信号进行前端处理转换为数字信号,从而输入给算法控制模块进行处理；算法控制模块根据相应的参数锁定算法计算出代表着PWM信号占空比的数字信号；然后通过脉冲宽度调制输出模块输出对应占空比的脉冲信号,从而控制热调器来锁定光子器件参数。本发明通过PWM控制方式,在开/关这两种状态下可实现100％的能量转换效率,能显著提高能量转换效率；而且,节约了芯片面积,降低了芯片制造成本。(The invention belongs to the field of photoelectric chip design, and particularly relates to an integrated closed-loop feedback PWM control system and method for optical device parameter locking. The optical-electrical conversion module converts optical signals capable of reflecting parameter changes of the photonic device in the photonic device into electrical signals; the algorithm processing front-end module performs front-end processing on the converted electric signals to convert the electric signals into digital signals, and then the digital signals are input to the algorithm control module for processing; the algorithm control module calculates a digital signal representing the duty ratio of the PWM signal according to a corresponding parameter locking algorithm; and then, a pulse signal corresponding to the duty ratio is output through a pulse width modulation output module, so that the thermal modulator is controlled to lock the parameters of the photonic device. According to the invention, through a PWM control mode, 100% of energy conversion efficiency can be realized in the on/off states, and the energy conversion efficiency can be obviously improved; moreover, the chip area is saved, and the chip manufacturing cost is reduced.)
技术领域
本发明属于光电芯片设计领域，更具体地，涉及一种光学器件参数锁定的集成闭环反馈PWM控制系统和方法。
背景技术
硅基光子器件具有尺寸小，与传统互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺相兼容以及易于大规模集成等诸多优点，在光通信、光计算以及光传感等领域具有非常广泛的应用。由于硅基光子器件容易受到工作环境温度变化、制造工艺偏差以及输入激光波长变化的影响而导致其工作状态发生偏移，在实际应用中通常会使用相应的控制技术来动态锁定硅基光子器件的光学参数及其工作状态。
比如，由直波导和环形波导组成的硅基微型环形谐振器(MRR)的谐振波长易受到环境温度变化、制造工艺偏差的影响而发生偏移，从而恶化MRR的工作性能。热调器可控制光子器件的温度，从而控制光子器件参数，如波导的有效折射率等。通常情况下，基于数模转换器(DAC)、模数转换器(ADC)和热调器的闭环反馈控制方法可以有效的控制MRR的温度来锁定MRR的谐振波长，从而动态稳定其工作状态。
再比如，由3dB耦合器和相移器组成的硅基马赫-曾德尔调制器(MZM)的最佳偏置点也会受到环境温度变化、制造工艺偏差以及输入激光波长变化的影响而发生偏移，从而影响其调制效果。通常情况下，基于DAC、ADC和热调器的闭环反馈偏置控制方法可以有效地控制MZM的偏置电压或者温度，将MZM锁定到最佳偏置点，从而实现最佳的调制效果。
在传统的光子器件参数控制环路中，通常需要DAC来实现输出功能，ADC来实现算法处理前端的功能，这种方式在板级电路中易于实现，但是在集成电路中会导致芯片面积较大的问题。同时，由于基于DAC输出的控制方法中部分能量会消耗在DAC上，能量转换效率理论上无法达到100％，所以此控制方法存在控制效率低的缺点。特别地，针对光子器件阵列，如MRR阵列、MZM阵列等，基于DAC、ADC的闭环反馈控制方法的缺点会更加明显，难以实现大规模集成。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供光学器件参数锁定的集成闭环反馈PWM控制装置和方法，旨在解决现有的基于DAC的光子器件参数闭环反馈锁定方法的芯片面积大、能量效率低等问题，从而实现对诸如MRR的谐振波长、MZM的偏置状态等重要光子器件参数的稳定控制和锁定。
为实现上述目的，本发明提供了一种光学器件参数锁定的集成闭环反馈PWM控制系统，包括依次连接的光-电转换模块、算法处理前端模块、算法控制模块、脉冲宽度调制输出模块和热调器；
所述光-电转换模块用于将光子器件内的光信号转换为电信号；
所述算法处理前端模块用于把所述电信号转换为数字信号，并输入给所述算法控制模块进行处理；
所述算法控制模块根据相应的参数锁定算法计算PWM占空比信号；
所述脉冲宽度调制输出模块根据所述PWM占空比信号生成对应的脉冲信号以控制所述热调器。
进一步地，所述系统还包括复用器和解复用器，用于多路光子器件的切换。
进一步地，所述光-电转换模块是光电二极管或光学探针。
进一步地，所述算法处理前端模块包括跨阻放大器或积分电路。
进一步地，所述算法处理前端模块包括ADC模块或斜率判断单元。
本发明还提供了一种光学器件参数锁定的集成闭环反馈PWM控制方法，包括以下步骤：
将光子器件内的光信号转换为电信号；
前端处理所述电信号，将其转化为数字控制信号；
根据所述数字控制信号和相应的参数锁定算法计算PWM占空比信号；
根据所述PWM占空比信号生成对应的脉冲信号以控制热调器。
进一步地，对于多路光子器件，采用复用器和解复用器切换不同的光子器件。
本发明还提供了一种应用于微环谐振器(MRR)参数锁定的集成闭环反馈PWM控制方法，包括以下步骤：
步骤1、光电二极管在下载端口或直通端口检测光强大小，从而产生光电流；
步骤2、通过跨阻放大器或积分电路将光电流放大为模拟电压信号；
步骤3、利用ADC模块或斜率判断模块将所述模拟电压信号转换为数字控制信号；
步骤4、算法控制模块根据波长锁定算法以及所述数字控制信号，输出占空比信号至脉冲宽度调制输出模块；
步骤5、脉冲宽度调制输出模块根据输入信号产生对应占空比的PWM信号；
步骤6、热调器根据输入PWM信号产生相应的热量从而改变MRR的温度。
本发明还提供了一种应用于马赫-曾德尔调制器(MZM)参数锁定的集成闭环反馈PWM控制方法，包括以下步骤：
步骤1、光电二极管在分束器输出处检测光强大小，从而产生光电流；
步骤2、通过跨阻放大器或积分电路将光电流放大为模拟电压信号；
步骤3、利用ADC模块或斜率判断模块将所述模拟电压信号转换为数字控制信号；
步骤4、算法控制模块根据波长锁定算法以及所述数字控制信号，输出占空比信号至脉冲宽度调制输出模块；
步骤5、脉冲宽度调制输出模块根据输入信号产生对应占空比的PWM信号；
步骤6、热调器根据输入PWM信号产生相应的热量从而改变MZM的温度。
本发明还提供了一种应用于微环谐振器阵列参数锁定的集成闭环反馈PWM控制方法，包括以下步骤：
步骤1、N路复用器和N路解复用器切换到一个微环谐振器；
步骤2、光电二极管在微环谐振器的直通端口或者下载端口处检测光强大小，从而产生光电流；
步骤3、通过跨阻放大器或积分电路将光电流放大为模拟电压信号；
步骤4、ADC模块或斜率判断模块将所述模拟电压信号转换为数字控制信号；
步骤5、算法控制模块根据波长锁定算法以及所述数字控制信号，输出占空比信号至至多路寄存器，再送入脉冲宽度调制输出模块；
步骤6、脉冲宽度调制输出模块根据输入信号产生对应占空比的PWM信号；
步骤7、热调器根据输入PWM信号产生相应的热量，从而改变所述微环谐振器的温度；
步骤8、N路复用器和N路解复用器切换到下一个微环谐振器。
与现有技术相比，本发明所构思的基于PWM的光子器件参数闭环反馈锁定系统和方法，一方面通过PWM控制方式，在开/关这两种状态下可以实现100％的能量转换效率，仅存在开/关电平转换时的动态功耗，与DAC控制方式相比，从原理上能够显著提高能量转换效率；另一方面，由于热调器具有滤波的作用，PWM信号不需要经过面积较大的电感和电容模块进行滤波，而是直接施加给热调器进行加热，从而节约了芯片面积，实现难度较低，使得芯片制造成本的降低。
附图说明
图1是基于PWM的光子器件参数闭环反馈锁定方法基本原理图。
图2是PWM信号控制热调器的原理图。
图3(a)是检测下载端口光电流的MRR波长闭环锁定电路框图；
图3(b)是检测直通端口光电流的MRR波长闭环锁定电路框图。
图4是检测MZM的闭环反馈锁定电路框图。
图5是通过复用器/解复用器来检测下载/直通端口光电流的MRR阵列闭环锁定电路框图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
按照本发明，提供了一种基于PWM的光子器件参数闭环反馈锁定方法，该方法原理图如图1所示。光-电转换模块102将光子器件101中能够反映光子器件参数变化的光信号转换为电信号；算法处理前端模块103对转换后的电信号进行前端处理转换为数字信号，从而输入给算法控制模块104进行处理；算法控制模块104根据相应的参数锁定算法计算出代表着PWM信号占空比的数字信号；然后通过脉冲宽度调制输出模块105输出对应占空比的脉冲信号，从而控制热调器106来锁定光子器件参数。
PWM信号控制热调器的原理如图2所示，以PWM信号控制N型MOS管201为例，PWM方法的输出电压只存在两种状态，即电源电压(VDD)和地电压(VSS)。当输出电压为VDD时，图中MOS管完全导通，导通电阻接近0，能量全部传递给热调器202；当输出电压为VSS时，图中MOS管完全关闭，导通电阻接近无穷大，此时没有任何能量传递。可见两种状态下本发明所提出的基于PWM的光子器件参数闭环反馈锁定方法都没有任何能量损失，即能量转换效率接近100％。对于PWM信号控制P型MOS管的情况，能量转换效率同样接近100％，具体不再赘述。故PWM控制方法具有高能量效率、实现简单等优点，能够显著提高能量转换效率。
本发明所提出的基于PWM的光子器件参数闭环反馈锁定方法将PWM闭环控制应用于新兴的光子器件参数反馈控制电路，具有高能量转换效率、芯片面积小以及易于实现的优点。通过PWM控制方式，在开/关这两种状态下均可实现100％的能量转换效率，仅存在开/关电平转换时的动态功耗，与传统的DAC控制方式相比，从原理上能够显著提高能量转换效率。而且，热调器具有滤波的作用，PWM信号不需要经过面积较大的电感和电容模块进行滤波，而是直接施加给热调器进行加热，从而节约了芯片面积，使得芯片制造成本的降低。此外，PWM输出模块相较于传统的DAC电路而言，具有芯片面积小、实现难度低的特点，能够进一步降低芯片制造成本。
进一步地，本发明所提出的基于PWM的光子器件参数闭环反馈锁定方法还能够通过复用核心控制模块(光-电转换模块、算法处理前端以及算法控制模块等)来实现对光子器件阵列的控制。此方法能够克服传统方法存在的能量转换效率低以及芯片面积大等缺点，从而实现更加有效的且可靠的光子器件参数控制。
下面依次介绍本发明的控制方法应用于微环谐振器(MRR)、马赫-曾德尔调制器(MZM)以及光子器件阵列的具体实施方式，分别参见图3-5。
实施例一
步骤1、光电二极管301在下载端口/直通端口检测光强大小，从而产生光电流；
步骤2、通过跨阻放大器/积分电路302将光电流放大为模拟电压信号；
步骤3、ADC模块或斜率判断模块303将输入模拟电压信号转换为数字控制信号；
步骤4、算法控制模块304根据波长锁定算法以及输入数字控制信号，输出合适的信号至脉冲宽度调制(PWM)输出模块305；
步骤5、PWM输出模块305根据输入信号产生对应占空比的PWM信号；
步骤6、热调器306根据输入PWM信号产生合适的热量从而改变MRR的温度。
重复上述步骤1到6，直到MRR的温度稳定。
实施例二
步骤1、光电二极管402在分束器401输出处检测光强大小，从而产生光电流；
步骤2、通过跨阻放大器/积分电路403将光电流放大为模拟电压信号；
步骤3、ADC模块或斜率判断模块404将输入模拟电压信号转换为数字控制信号；
步骤4、算法控制模块405根据波长锁定算法以及输入数字控制信号，输出合适的信号至PWM输出模块406；
步骤5、PWM输出模块406根据输入信号产生对应占空比的PWM信号；
步骤6、热调器407根据输入PWM信号产生合适的热量从而改变MZM的温度。
重复上述步骤1到6，直到MZM达到最佳偏置状态。
实施例三
步骤1、N路复用器501和N路解复用器502切换到N路MRR阵列503中的第一个MRR；
步骤2、光电二极管在MRR直通端口或者下载端口处检测光强大小，从而产生光电流；
步骤3、通过跨阻放大器/积分电路504将光电流放大为模拟电压信号；
步骤4、ADC模块或斜率判断模块505将输入模拟电压信号转换为数字控制信号；
步骤5、算法控制模块506根据波长锁定算法以及输入数字控制信号，输出合适的信号至N路寄存器507，再送入PWM输出模块508；
步骤6、PWM输出模块508根据输入信号产生对应占空比的PWM信号；
步骤7、热调器509根据输入PWM信号产生合适的热量从而改变MRR的温度；
步骤8、重复上述步骤2到7，直到MRR的温度稳定。
步骤9、N路复用器和N路解复用器切换到下一个MRR。
重复上述步骤2-8，直到第N个MRR的温度稳定。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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