CN112527031A - 一种片上热调系统及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种片上热调系统及其控制方法，包括：电芯片、光芯片和开关管；光芯片包括位于待加热光器件一侧的热调器件，热调器件包括掺杂半导体制作的PN结或PIN结；开关管一端与所述电芯片相连，另一端与光芯片的热调器件相连；电芯片用于产生PWM波，并发送给所述开关管；开关管用于选通所述光芯片中的热调器件，并将PWM波发送到所述光芯片中被选通的热调器件上；光芯片中被选通的热调器件在PWM波作用下工作在正偏状态，以滤除PWM波中的高频成分，从而产生稳定的热功率，给所述待加热的光器件进行加热。由于热调器件的高频截止频率较低，PWM波的驱动频率相比于传统的PWM波驱动方案要低，故本发明中的电芯片的动态功耗较低，能量利用效率较高。

Description

一种片上热调系统及其控制方法
技术领域
本发明属于半导体光芯片温度控制领域，更具体地，涉及一种片上热调系统及其控制方法。
背景技术
随着信息社会的发展，数据中心、短距离集群等应用场景中的数据流量每年都在快速增长。为了满足流量需求，高速率、低功耗、低成本的集成光芯片得到了迅速的发展和广泛的应用。由于片上光器件对工作温度和制造工艺误差及其敏感，因此需要热调来调节工作温度和补偿制造误差，故研究一种片上热调系统及其控制方法具有重要的意义。
传统的片上热调器件是利用专用的金属层或者掺杂的半导体区构成的电阻来完成加热。热调的加热一般采用的是连续电压驱动的方式，通过调节驱动电压的电压值来调整热调器件的发热功率，从而实现温度调节。这种连续电压的驱动所采用的电路架构一般是图1所示的架构。在工作时，功率放大器工作在线性放大区，因此功率放大器上存在较高的压降，有较大比例的功率被耗散在功率放大器上，能量利用效率较低。
另一种片上热调系统如图2所示，该系统采用脉宽调制(PWM)信号作为热调驱动信号。光器件对热的调制响应有一个高频截止频率。传统的PWM波加热方案需要PWM波的频率远高于光器件热光调制的高频截止频率，才能使得光器件基本不响应PWM波中的高频成分，只对PWM波中的直流分量做出响应，从而使得光器件上的热功率稳定。此外。为了使得热调产生的热功率有N种值可调，PWM波发生器的时钟频率需要是PWM波频率的N倍以上。由于电芯片的动态功耗与工作频率成正比，因此这种驱动方案中PWM波发生器具有较高的动态功耗，系统的能量利用效率较低。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种片上热调及驱动方法，其目的在于解决现有技术能量利用效率较低的技术问题。
为实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种片上热调系统，包括：电芯片、光芯片和开关管；光芯片包括位于待加热光器件一侧的热调器件，热调器件包括掺杂半导体制作的PN结或PIN结；开关管一端与电芯片相连，另一端与光芯片的热调器件相连；
电芯片用于产生PWM波，并发送给开关管；
开关管用于选通光芯片中的热调器件，并将PWM波发送到光芯片中被选通的热调器件上；
光芯片中被选通的热调器件在PWM波作用下工作在正偏状态，以滤除PWM波中的高频成分，从而产生较为稳定的热功率，给待加热的光器件进行加热。
进一步优选地，热调器件可以由一个PN结或者PIN结构成，也可以是由多个PN结或者PIN结串联构成。
进一步优选地，热调器件为1个或多个；开关管的个数与热调器件的个数相同；开关管与热调器件一一对应相连；热调器件为多个时，各热调器件相互并联。
进一步优选地，电芯片包括串联的PWM波发生器和功率放大器。
进一步优选地，开关管集成在电芯片或光芯片上。
进一步优选地，开关管为MOS管或者晶体管。
第二方面，本发明还提供了一种上述片上热调系统的控制方法，包括：根据所期望的温度，调节电芯片所产生的PWM波的占空比，使得光芯片上被选通的热调器件在相应占空比的PWM波的作用下，将待加热的光器件加热到所期望的温度。
进一步优选地，上述片上热调系统的控制方法，还包括：当热调器件为多个时，根据所期望的温度，对开关管进行控制，选择相应个数的热调器件进行加热工作。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
1、本发明提供了一种片上热调系统，其中，热调器件包括掺杂半导体制作的PN结或PIN结，热调器件工作在正偏状态下，正偏状态下的PN结和PIN结具有较大的势垒电容和扩散电容，此时PN结和PIN结可等效为一个电阻-电容(RC)电路，可以对PWM波的驱动信号滤波，滤除掉PWM波中的高频成分，使得热功率在一个PWM波周期内的变化变缓，热功率更加稳定；此外，由于热调器件的高频截止频率可以设计得比光器件热光调制的高频截止频率低，因此在可容忍的热功率波动值一定的情况下，PWM波的驱动频率相比于传统的PWM波驱动方案可以降低，故本发明中的电芯片的动态功耗较低，能量利用效率较高。
2、本发明所提供的片上热调系统中，热调器件在实现上不需要额外的物理层，通过P掺杂和N掺杂形成PN结或者PIN结，制作工艺与CMOS工艺兼容，具有低成本的优势，且集成性较高。
3、本发明提供了一种片上热调系统的控制方法，采用PWM波驱动，通过调节PWM波的占空比可以控制热调系统上的发热功率，驱动方式采用的是PWM波驱动，功率放大器上的功率耗散基本为零，提高了能量的利用效率。
4、本发明提供了一种片上热调系统及其控制方法，热调器件是可以独立控制是否工作的，通过热调器件的组合，可以在不提高PWM发生器时钟频率的情况下增加热调器件发热功率的可调节值，降低了PWM波发生器上的动态功耗。
5、本发明提供了一种片上热调系统及其控制方法，热调器件是可以独立控制是否工作的，因此可以根据期望的加热功率值选择相应的热调器件组合，具备可重构特性。
附图说明
图1是连续电压驱动方案的架构图；
图2是传统PWM波驱动光方案结构图；
图3是本发明所提供的片上热调系统结构示意图；
图4是本发明实施例1所提供的片上热调系统结构示意图；
图5是本发明实施例1所提供的光芯片部分的截面示意图；
图6是本发明实施例2所提供的片上热调系统结构示意图。
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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
为实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种片上热调系统，如图3所示，包括：电芯片1、光芯片2和开关管3；光芯片2包括热调器件21和放置在热调器件21一侧的待加热的光器件22，热调器件21包括掺杂半导体制作的PN结或PIN结；具体的，电芯片1包括串联的PWM波发生器和功率放大器；开关管3为MOS管或者晶体管；开关管3一端与电芯片1中的功率放大器相连，另一端与光芯片2中的热调器件21相连；
电芯片1用于产生PWM波，并发送给开关管3；
开关管3用于选通光芯片2中的热调器件，并将PWM波发送到光芯片2中被选通的热调器件上；进一步地，开关管可以集成在电芯片或光芯片上；
光芯片2中被选通的热调器件在PWM波作用下工作在正偏状态，以滤除PWM波中的高频成分，从而产生较为稳定的热功率，给待加热的光器件22进行加热。具体的，在PWM波的驱动作用下，PWM波会使得热调子单元中的PN结和PIN结正向导通(正偏)，PWM波会在PN结和PIN结上产生正向工作电流；此时，热调器件工作在正偏状态下，正偏状态下的PN结和PIN结具有较大的势垒电容和扩散电容，此时PN结和PIN结可等效为一个电阻-电容(RC)电路，可以对PWM波的驱动信号滤波，使得热功率在一个PWM波周期内的变化变缓，热功率更加稳定；相比于单纯依靠光器件的低频热响应特性进行热功率平滑的传统PWM波驱动方案，本发明中PWM波的驱动频率可以降低，从而降低电芯片的动态功耗。
优选地，热调器件为1个或多个；开关管的个数与热调器件的个数相同；开关管与热调器件一一对应相连；热调器件为多个时，各热调器件并行连接。各热调器件是可以独立控制是否工作的，因此可以根据期望的加热功率值选择相应的热调子单元组合，具备可重构特性。
优选地，热调器件21可以由一个PN结或者PIN结构成，也可以由多个PN结或者PIN结串联构成；热调器件可以通过串联多个PN结或者PIN结提高热调子单元的总功率；避免单个结因发热功率过高而损坏，热调的可靠性高。
第二方面，本发明提供了一种上述片上热调系统的控制方法，包括：根据所期望的温度，调节电芯片所产生的PWM波的占空比，使得光芯片上被选通的热调器件在相应占空比的PWM波的作用下，将待加热的光器件加热到所期望的温度。进一步地，当热调器件为多个时，上述片上热调系统的控制方法，还包括：根据所期望的温度，对开关管进行控制，选择相应个数的热调器件进行加热工作。
为了进一步说明本发明所提供的片上热调系统及其控制方法，下面结合实施例进行详述：
实施例1、
一种片上热调系统，如图4所示，包括：电芯片1、光芯片2和开关管3；光芯片2包括热调器件21和放置在热调器件21一侧的待加热的光器件22(具体为光波导)，热调器件21为掺杂半导体制作的PIN结，个数为2，两个热调器件21相互并联；具体的，电芯片1包括串联的PWM波发生器11和功率放大器12；开关管3为MOS管，具体集成在电芯片上；开关管3的个数为两个，两个开关管相互并联，且开关管的一端与热调器件一一对应相连，另一端均与功率放大器相连。在本实施例中，光芯片材料采用绝缘体上硅。
电芯片1用于产生PWM波，并发送给开关管3；
开关管3用于选通光芯片2中的热调器件，并将PWM波发送到光芯片2中被选通的热调器件上；
光芯片2中被选通的热调器件在PWM波作用下工作在正偏状态，以滤除PWM波中的高频成分，从而产生稳定的热功率，给待加热的光波导22进行加热。
如图5所示为本实施例中光芯片部分的截面示意图，其中，210为PIN结的P掺杂区，211为PIN结的N掺杂区，212为本征半导体区，23为二氧化硅埋氧层。本实施例中希望将光波导33的温度维持在一个稳定的值，降低环境温度的变化对光波导有效折射率的影响。
具体的，工作在正偏状态下的PIN结热调可以等效为电阻-电容(RC)电路。通过调整P掺杂区210和N掺杂区211的掺杂浓度可以调节PIN结热调单位长度的电阻和电容，从而改变热调的等效RC参数；此外调整PIN结中间I区的宽度也能调节热调的等效RC参数。在本实施例中，由于环境温度的变化是一个缓慢变化量，因此热调的响应速度可以较慢，故而可以调整热调的等效RC参数使得RC等效电路具有较低的截止频率(例如10KHz)，此时热调系统的发热功率更加平稳，由热功率波动导致的光波导有效折射率的抖动将降低。
进一步地，本实施例中所提供的片上热调系统的控制方法，包括：根据所期望的温度调节电芯片上产生的PWM波的占空比，使得光芯片上被选通的热调器件在相应占空比的PWM波的作用下，将待加热的光器件加热到所期望的温度。此外，本实施例中所提供的片上热调系统的控制方法，还包括：根据所期望的温度，对开关管进行控制，选择相应个数的热调器件进行加热工作。
具体的，上述热调系统采用PWM波驱动，通过调节PWM波的占空比可以控制热调系统上的发热功率。此外，通过与热调器件对应相连的开关管可以选择让热调器件21-1和热调器件21-2分别单独工作还是同时工作，这样也可以改变热调系统的发热功率值。对于单个热调器件，PWM波占空比的取值是一系列固定的取值，占空比取值数目决定了热调热功率的分辨率。假定热调器件21-1和热调器件21-2单独工作时的发热功率取值集合分别为P04和P05，热调器件21-1和热调器件21-2同时工作时的发热功率取值集合为PPP。那么，本实施例中热调系统的发热功率取值集合PT为集合P04、P05和PPP的并集，PT中的元素个数一般大于P04、P05和PPP中任意一个集合的元素个数。因此，本实施例的热调系统及其控制方法具有更高的分辨率，不需要更多的PWM波占空比取值。
进一步地，本实施例中所提供的热调系统的功耗较低，能量利用率较高。PWM波的产生需要一个主时钟，主时钟的频率一般为PWM波频率和PWM波占空比取值数目的乘积。在本实施例中，热调器件的截止频率为10KHz，因此PWM波的工作频率可以取为100KHz；而传统方案中PWM波的工作频率一般在7MHz以上。此外，对于相同的热功率分辨率要求，本实施例中所需要的PWM波占空比取值数目可以更小。因此本实施例中主时钟的频率可以显著降低。且数字电路的动态功耗与工作频率成正比，因此本实施例中PWM发生器的动态功耗可以下降两个数量级。进一步地，在本实施例中功率放大器工作在非线性区，功率放大器处于饱和输出或者零输出的状态。饱和输出状态的功率放大器几乎没有压降在功率放大器上，因此功率放大器在此状态的耗散功率基本为零。当功放处于零输出状态时，由于输出电流为零，因此尽管功率放大器上的压降很大，但是耗散功率依旧基本为零。所以本发明实施例中功率放大器上的功耗几乎为零。
实施例2、
一种片上热调系统，如图6所示，包括：电芯片1、光芯片2和开关管3；光芯片2包括热调器件21和放置在热调器件21一侧的待加热的光器件22(具体为光波导)，热调器件21为掺杂半导体制作的PN结，个数为2，两个热调器件21相互并联，213为热调的P掺杂区，214为热调的N掺杂区；具体的，电芯片1包括串联的PWM波发生器11和功率放大器12；开关管3为MOS管，具体集成在电芯片上；开关管3的个数为两个，两个开关管相互并联，且开关管的一端与热调器件一一对应相连，另一端均与功率放大器相连。在本实施例中，光芯片材料采用绝缘体上硅。
电芯片1用于产生PWM波，并发送给开关管3；
开关管3用于选通光芯片2中的热调器件，并将PWM波发送到光芯片2中被选通的热调器件上；
光芯片2中被选通的热调器件在PWM波作用下工作在正偏状态，以滤除PWM波中的高频成分，从而产生稳定的热功率，给待加热的光波导22进行加热。
进一步地，工作在正偏状态下的PN结热调器件可以等效为电阻-电容(RC)电路。通过调整P掺杂区213和N掺杂区214的掺杂浓度可以调节PN结热调单位长度的电阻和电容，从而改变热调的等效RC参数；此外调整PIN结中间I区的宽度也能调节热调的等效RC参数。在本实施例中，希望热调具有较高的响应速度，因此可以调整热调的等效RC参数使得RC等效电路具有较高的高频截止频率例如333KHz，此时热调响应时间约为10微秒。
具体的，将本实施例所提供的片上热调系统应用在热光开关上，其中需要加热的光波导22是热光开关中的一臂。热光开关的响应速度一般在微秒量级，为了降低驱动电路引入的响应时间延迟，PN结热调器件21-a和热调器件21-b的截止频率被设计为333KHz，PWM波的频率设计为3.5MHz，为传统PWM波驱动方案频率的二分之一。本实施例中，热调器件21-b在满占空比下的热功率被设计为热调器件21-a在满占空比下的热功率的两倍。当PWM波占空比的取值数目为n时，通过开关管3的组合作用，本发明实施例的热功率取值数目约为3n。因此本实施例中，PWM波发生器上的工作主频仅为传统PWM波驱动方案的六分之一。相应的PWM发生器的动态功耗仅为传统PWM波加热方案的17％左右。
进一步地，本实施例中所提供的片上热调系统的控制方法，包括：根据所期望的温度调节电芯片上产生的PWM波的占空比，使得光芯片上被选通的热调器件在相应占空比的PWM波的作用下，将待加热的光器件加热到所期望的温度。此外，本实施例中所提供的片上热调系统的控制方法，还包括：根据所期望的温度，对开关管进行控制，选择相应个数的热调器件进行加热工作。
综上所述，传统方案热调的能量利用率只有50％～60％左右，大量的能量消耗在了功率放大器或者PWM波发生器上；相比之下本发明所提出的片上热调系统及其控制方法可以使得热调的能量利用效率提高到90％左右，无用功耗主要来自电芯片上PWM波发生器和功率放大器的静态功耗，采用CMOS技术制作的电芯片可以将静态功耗控制在可以忽略的水平。
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。

Claims (8)

1.一种片上热调系统，其特征在于，包括：电芯片、光芯片和开关管；所述光芯片包括位于待加热光器件一侧的热调器件，所述热调器件包括掺杂半导体制作的PN结或PIN结；所述开关管一端与所述电芯片相连，另一端与所述光芯片的所述热调器件相连；
所述电芯片用于产生PWM波，并发送给所述开关管；
所述开关管用于选通所述光芯片中的热调器件，并将PWM波发送到所述光芯片中被选通的热调器件上；
所述光芯片中被选通的热调器件在PWM波作用下工作在正偏状态，以滤除PWM波中的高频成分，从而产生稳定的热功率，给所述待加热的光器件进行加热。
2.根据权利要求1所述的片上热调系统，其特征在于，所述热调器件由一个PN结或者PIN结构成，或者由多个PN结或者PIN结串联构成。
3.根据权利要求1所述的片上热调系统，其特征在于，所述热调器件为1个或多个；所述开关管的个数与所述热调器件的个数相同；所述开关管与所述热调器件一一对应相连；所述热调器件为多个时，各所述热调器件相互并联。
4.根据权利要求1-3任意一项所述的片上热调系统，其特征在于，所述电芯片包括串联的PWM波发生器和功率放大器。
5.根据权利要求1-3任意一项所述的片上热调系统，其特征在于，所述开关管集成在电芯片或光芯片上。
6.根据权利要求1-3任意一项所述的片上热调系统，其特征在于，所述开关管为MOS管或者晶体管。
7.一种权利要求1-6任意一项所述的片上热调系统的控制方法，其特征在于，包括：根据所期望的温度，调节电芯片所产生的PWM波的占空比，使得光芯片上被选通的热调器件在相应占空比的PWM波的作用下，将待加热的光器件加热到所期望的温度。
8.根据权利要求7所述的片上热调系统的控制方法，其特征在于，还包括：当热调器件为多个时，根据所期望的温度，对开关管进行控制，选择相应个数的热调器件进行加热工作。
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