[發明專利]一種用于光子器件參數穩定的自參考模擬控制環路

在審

• 申請號: 202310424319.6
• 申請日: 2023-04-19
• 公開（公告）號: CN116466631A
• 公開（公告）日: 2023-07-21
• 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: G05B19/042
• 分類號: G05B19/042
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 李曉飛

本發明公開一種用于光子器件參數穩定的自參考模擬控制環路，包括參考值產生電路和光子器件模擬控制環路；光子器件模擬控制環路包括依次連接的光子器件、監控單元、模擬前端、模擬控制核心電路、輸出級和執行器；參考值產生電路與模擬前端和模擬控制核心電路連接；參考值產生電路包括比較器、數字有限狀態機和數模轉換模塊，根據模擬前端輸出的處理后電信號產生參考值信號和開關控制信號；模擬控制核心電路包括運算放大器和開關，根據處理后電信號、參考值信號和開關控制信號產生模擬控制信號；輸出級根據模擬控制信號產生驅動信號，執行器根據驅動信號調節光子器件的光學參數。實現高精度、快速以及低功耗的光子器件參數穩定控制。

技術領域

本發明屬于光電芯片設計技術領域，更具體地，涉及一種用于光子器件參數穩定的自參考模擬控制環路。

背景技術

片上光子器件擁有著諸如面積小、傳輸損耗小以及成本低等優點，被廣泛用于光通信、光探測以及光計算等領域。為了防止光子器件的光學參數由于溫度變化、制造偏差以及輸入光變化等影響而發生改變，通常會引入閉環反饋控制系統對其光學參數進行檢測及控制。閉環反饋控制系統大都由光子器件、監控單元、控制算法單元以及調諧單元組成。其工作原理為：監控單元檢測光子器件的光學參數，控制算法單元根據合適的控制算法計算出合適的輸出值給調諧單元，調諧單元實現對光子器件的光學參數的調節。

控制算法單元大多為基于數字電路設計的算法，大致可以分為最值鎖定算法和參考值鎖定算法。最值鎖定算法，又可稱為爬坡算法，適合需要鎖定到局部最值點的應用場景。其工作原理為：結合監控單元檢測得到的代表光學參數的物理量，根據物理量的變化以及上一時刻輸出值的變化判斷出目前處于的狀態，從而做出下一個時刻的判斷，得出合適的輸出值，從而實現最值鎖定。最值鎖定算法能夠有效地補償工藝偏差、熱波動以及輸入激光變化帶來的光學參數的變化，并且同樣消耗較小的硬件資源，因此被廣泛應用于光子器件的光學參數的閉環反饋控制系統中。參考值鎖定算法的工作原理為：根據監控單元檢測得到的代表光學參數的物理量與通過手動或者自動設置的參考值的差距，計算出合適的輸出值給調諧單元，最終實現鎖定到參考值附近。雖然參考值鎖定算法硬件實現較為容易，但是需要保證手動或者自動設置的參考值的可靠性，不然會導致最后鎖定點的偏差。例如，若沒有額外的輔助模塊，輸入激光功率波動會使得監控單元檢測到的物理量發生變化，然而微環諧振器的諧振波長等光學參數并不會隨著輸入光功率變化而劇烈改變，因此會導致鎖定點的偏移。

基于數字電路設計的算法往往需要將模擬信號轉為數字信號以及將算法產生的數字信號再次轉換為模擬信號的過程。模數轉換以及數模轉換過程會導致量化誤差的產生，使得最后鎖定精度降低，并且也會導致更大的功耗與芯片面積，并不適合大規模、低功耗應用。

發明內容

針對相關技術的缺陷，本發明的目的在于一種用于光子器件參數穩定的自參考模擬控制環路，旨在解決現有的閉環反饋控制系統中對光學參數進行控制的控制信號由數字電路產生，模數轉換以及數模轉換過程會導致量化誤差的產生，使得最后鎖定精度降低，功耗與芯片面積較大的問題。

為實現上述目的，第一方面，本發明提供了一種用于光子器件參數穩定的自參考模擬控制環路，包括參考值產生電路和光子器件模擬控制環路；

所述光子器件模擬控制環路包括依次連接的光子器件、監控單元、模擬前端、模擬控制核心電路、輸出級和執行器；所述參考值產生電路與所述模擬前端和所述模擬控制核心電路連接；

所述監控單元用于獲取所述光子器件的光信號，并產生初始電信號；

所述模擬前端用于對所述初始電信號進行處理，輸出處理后電信號；

所述參考值產生電路包括比較器、數字有限狀態機和數模轉換模塊；所述比較器根據所述處理后電信號與所述數模轉換模塊產生的參考值信號進行對比，產生比較結果；所述數字有限狀態機根據所述比較結果產生用于控制所述模擬控制核心電路的開關控制信號和數字參考值；所述數模轉換模塊根據所述數字參考值產生參考值信號；