[發明專利]一種光學器件參數鎖定的集成閉環反饋PWM控制系統和方法

在審

• 申請號: 201911189456.6
• 申請日: 2019-11-27
• 公開（公告）號: CN112859966A
• 公開（公告）日: 2021-05-28
• 發明（設計）人: 譚旻;明達
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: G05D23/30
• 分類號: G05D23/30;G02B6/42
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 李智

本發明屬于光電芯片設計領域，更具體地，涉及一種光學器件參數鎖定的集成閉環反饋PWM控制系統和方法。光?電轉換模塊將光子器件中能夠反映光子器件參數變化的光信號轉換為電信號；算法處理前端模塊對轉換后的電信號進行前端處理轉換為數字信號，從而輸入給算法控制模塊進行處理；算法控制模塊根據相應的參數鎖定算法計算出代表著PWM信號占空比的數字信號；然后通過脈沖寬度調制輸出模塊輸出對應占空比的脈沖信號，從而控制熱調器來鎖定光子器件參數。本發明通過PWM控制方式，在開/關這兩種狀態下可實現100％的能量轉換效率，能顯著提高能量轉換效率；而且，節約了芯片面積，降低了芯片制造成本。

技術領域

本發明屬于光電芯片設計領域，更具體地，涉及一種光學器件參數鎖定的集成閉環反饋PWM控制系統和方法。

背景技術

硅基光子器件具有尺寸小，與傳統互補金屬氧化物半導體(CMOS)工藝相兼容以及易于大規模集成等諸多優點，在光通信、光計算以及光傳感等領域具有非常廣泛的應用。由于硅基光子器件容易受到工作環境溫度變化、制造工藝偏差以及輸入激光波長變化的影響而導致其工作狀態發生偏移，在實際應用中通常會使用相應的控制技術來動態鎖定硅基光子器件的光學參數及其工作狀態。

比如，由直波導和環形波導組成的硅基微型環形諧振器(MRR)的諧振波長易受到環境溫度變化、制造工藝偏差的影響而發生偏移，從而惡化MRR的工作性能。熱調器可控制光子器件的溫度，從而控制光子器件參數，如波導的有效折射率等。通常情況下，基于數模轉換器(DAC)、模數轉換器(ADC)和熱調器的閉環反饋控制方法可以有效的控制MRR的溫度來鎖定MRR的諧振波長，從而動態穩定其工作狀態。

再比如，由3dB耦合器和相移器組成的硅基馬赫-曾德爾調制器(MZM)的最佳偏置點也會受到環境溫度變化、制造工藝偏差以及輸入激光波長變化的影響而發生偏移，從而影響其調制效果。通常情況下，基于DAC、ADC和熱調器的閉環反饋偏置控制方法可以有效地控制MZM的偏置電壓或者溫度，將MZM鎖定到最佳偏置點，從而實現最佳的調制效果。

在傳統的光子器件參數控制環路中，通常需要DAC來實現輸出功能，ADC來實現算法處理前端的功能，這種方式在板級電路中易于實現，但是在集成電路中會導致芯片面積較大的問題。同時，由于基于DAC輸出的控制方法中部分能量會消耗在DAC上，能量轉換效率理論上無法達到100％，所以此控制方法存在控制效率低的缺點。特別地，針對光子器件陣列，如MRR陣列、MZM陣列等，基于DAC、ADC的閉環反饋控制方法的缺點會更加明顯，難以實現大規模集成。

發明內容

針對現有技術的缺陷，本發明的目的在于提供光學器件參數鎖定的集成閉環反饋PWM控制裝置和方法，旨在解決現有的基于DAC的光子器件參數閉環反饋鎖定方法的芯片面積大、能量效率低等問題，從而實現對諸如MRR的諧振波長、MZM的偏置狀態等重要光子器件參數的穩定控制和鎖定。

為實現上述目的，本發明提供了一種光學器件參數鎖定的集成閉環反饋PWM控制系統，包括依次連接的光-電轉換模塊、算法處理前端模塊、算法控制模塊、脈沖寬度調制輸出模塊和熱調器；

所述光-電轉換模塊用于將光子器件內的光信號轉換為電信號；

所述算法處理前端模塊用于把所述電信號轉換為數字信號，并輸入給所述算法控制模塊進行處理；

所述算法控制模塊根據相應的參數鎖定算法計算PWM占空比信號；

所述脈沖寬度調制輸出模塊根據所述PWM占空比信號生成對應的脈沖信號以控制所述熱調器。

進一步地，所述系統還包括復用器和解復用器，用于多路光子器件的切換。

進一步地，所述光-電轉換模塊是光電二極管或光學探針。

進一步地，所述算法處理前端模塊包括跨阻放大器或積分電路。