[發明專利]一種片上熱調系統及其控制方法

有效

• 申請號: 202011320933.0
• 申請日: 2020-11-23
• 公開（公告）號: CN112527031B
• 公開（公告）日: 2021-12-31
• 發明（設計）人: 余宇;付思東;張新亮
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: G05D23/32
• 分類號: G05D23/32
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 李智

本發明公開了一種片上熱調系統及其控制方法，包括：電芯片、光芯片和開關管；光芯片包括位于待加熱光器件一側的熱調器件，熱調器件包括摻雜半導體制作的PN結或PIN結；開關管一端與所述電芯片相連，另一端與光芯片的熱調器件相連；電芯片用于產生PWM波，并發送給所述開關管；開關管用于選通所述光芯片中的熱調器件，并將PWM波發送到所述光芯片中被選通的熱調器件上；光芯片中被選通的熱調器件在PWM波作用下工作在正偏狀態，以濾除PWM波中的高頻成分，從而產生穩定的熱功率，給所述待加熱的光器件進行加熱。由于熱調器件的高頻截止頻率較低，PWM波的驅動頻率相比于傳統的PWM波驅動方案要低，故本發明中的電芯片的動態功耗較低，能量利用效率較高。

技術領域

本發明屬于半導體光芯片溫度控制領域，更具體地，涉及一種片上熱調系統及其控制方法。

背景技術

隨著信息社會的發展，數據中心、短距離集群等應用場景中的數據流量每年都在快速增長。為了滿足流量需求，高速率、低功耗、低成本的集成光芯片得到了迅速的發展和廣泛的應用。由于片上光器件對工作溫度和制造工藝誤差及其敏感，因此需要熱調來調節工作溫度和補償制造誤差，故研究一種片上熱調系統及其控制方法具有重要的意義。

傳統的片上熱調器件是利用專用的金屬層或者摻雜的半導體區構成的電阻來完成加熱。熱調的加熱一般采用的是連續電壓驅動的方式，通過調節驅動電壓的電壓值來調整熱調器件的發熱功率，從而實現溫度調節。這種連續電壓的驅動所采用的電路架構一般是圖1所示的架構。在工作時，功率放大器工作在線性放大區，因此功率放大器上存在較高的壓降，有較大比例的功率被耗散在功率放大器上，能量利用效率較低。

另一種片上熱調系統如圖2所示，該系統采用脈寬調制(PWM)信號作為熱調驅動信號。光器件對熱的調制響應有一個高頻截止頻率。傳統的PWM波加熱方案需要PWM波的頻率遠高于光器件熱光調制的高頻截止頻率，才能使得光器件基本不響應PWM波中的高頻成分，只對PWM波中的直流分量做出響應，從而使得光器件上的熱功率穩定。此外。為了使得熱調產生的熱功率有N種值可調，PWM波發生器的時鐘頻率需要是PWM波頻率的N倍以上。由于電芯片的動態功耗與工作頻率成正比，因此這種驅動方案中PWM波發生器具有較高的動態功耗，系統的能量利用效率較低。

發明內容

針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發明提供了一種片上熱調及驅動方法，其目的在于解決現有技術能量利用效率較低的技術問題。

為實現上述目的，第一方面，本發明提供了一種片上熱調系統，包括：電芯片、光芯片和開關管；光芯片包括位于待加熱光器件一側的熱調器件，熱調器件包括摻雜半導體制作的PN結或PIN結；開關管一端與電芯片相連，另一端與光芯片的熱調器件相連；

電芯片用于產生PWM波，并發送給開關管；

開關管用于選通光芯片中的熱調器件，并將PWM波發送到光芯片中被選通的熱調器件上；

光芯片中被選通的熱調器件在PWM波作用下工作在正偏狀態，以濾除PWM波中的高頻成分，從而產生較為穩定的熱功率，給待加熱的光器件進行加熱。

進一步優選地，熱調器件可以由一個PN結或者PIN結構成，也可以是由多個PN結或者PIN結串聯構成。

進一步優選地，熱調器件為1個或多個；開關管的個數與熱調器件的個數相同；開關管與熱調器件一一對應相連；熱調器件為多個時，各熱調器件相互并聯。

進一步優選地，電芯片包括串聯的PWM波發生器和功率放大器。

進一步優選地，開關管集成在電芯片或光芯片上。

進一步優選地，開關管為MOS管或者晶體管。