CN112650124A - 一种实现不同类型集成光子系统闭环控制的系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实现不同类型集成光子系统闭环控制的系统，包括：控制电路部分和多个集成光子系统；控制电路部分包括：反馈信号提取单元、模拟前端部分、数字控制部分、输出驱动部分和时序控制部分；集成光子系统的类型个数为j个；集成光子系统和反馈信号提取单元的个数均为k个；第i个集成光子系统的输出端与第i个反馈信号提取单元的输入端相连；第i个反馈信号提取单元、模拟前端部分、数字控制部分、输出驱动部分以及第i个集成光子系统依次串联形成一条闭环回路；其中，i＝1,2,…,k，k≥j，共形成k条闭环回路；该系统通过控制电路部分基于最值锁定对第1至第k个集成光子系统依次进行调节，面积小，功耗低，集成度高，适用于大规模集成光子系统的控制。

Description

一种实现不同类型集成光子系统闭环控制的系统

技术领域

本发明属于集成光子系统控制领域，更具体地，涉及一种实现不同类型集成光子系统闭环控制的系统。

背景技术

随着半导体工艺节点逐渐逼近物理尺寸极限，摩尔定律即将走向尽头。集成光子作为后摩尔时代的一个潜在发展路径，受到了广泛的研究与关注。对于单纯的片上集成有源光器件或系统而言，由于温度等环境因素扰动或自身结构、架构方面的限制，往往无法直接工作在最佳工作点处或实现完整的功能，因此通常需要控制电路进行辅助或控制。例如对于硅基马赫曾德尔调制器而言，需要偏压控制电路对其静态工作点进行控制从而补偿工艺偏差以及避免受到温度等环境因素的影响；对于基于偏振旋转分束器的有源偏振控制器而言，需要控制电路对系统中的相位调制器的相移进行控制，用于实现完全的偏振转换功能。而在上述集成光子系统中，通常有部分信号作为反馈信号进行输出，用于表征当前系统状态，反馈信号到达最值时即可表明系统到达了所需的状态。对于各种集成光子系统而言，要想实现光子系统的稳定工作，就需要对不同的集成光子系统进行控制。

现有技术中针对不同的集成光子系统采用的是不同的控制器。如针对有源偏振控制系统，其控制电路常根据反馈端口输出光功率大小对有源偏振控制系统的相移器进行调节使得反馈信号达到最小值，从而使系统总输出光功率达到最大，达到完全的偏振转换的目的，但是该控制器是基于分立器件实现的，体积较大，集成度较低、功耗较高，不契合实际使用需求。而针对马赫曾德尔调制器，常通过改变马赫曾德尔调制器的偏置电压，使得调制器输出光信号的OMA(光学调制幅度)最大，从而达到偏压控制的目的，其控制电路虽然是通过集成芯片实现，但是该芯片只能控制单独的器件，而对于大规模的硅基光子阵列而言，需要对多个不同的集成光子系统进行控制，一个控制电路控制一个集成光子系统的方案无疑会极大的增加所需芯片的面积，集成度较低，从而使得成本和功耗大幅上升，对商业应用而言是不可接受的。由此可知，若对不同类型集成光子系统分别采用不同的控制器进行控制，集成度较低，无法应用在高集成的硅基光电系统中。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种实现不同类型集成光子系统闭环控制的系统，其目的在于由此解决现有技术由于存在的集成度较低的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种实现不同类型集成光子系统闭环控制的系统，包括：控制电路部分和多个集成光子系统；控制电路部分包括：反馈信号提取单元、模拟前端部分、数字控制部分、输出驱动部分和时序控制部分；

集成光子系统的类型个数为j个；集成光子系统和反馈信号提取单元的个数均为k个；第i个集成光子系统的输出端与第i个反馈信号提取单元的输入端相连；第i个反馈信号提取单元、模拟前端部分、数字控制部分、输出驱动部分以及第i个集成光子系统依次串联形成一条闭环回路；其中，i＝1,2,…,k，k≥j，共形成k条闭环回路；时序控制部分分别与模拟前端部分、数字控制部分和输出驱动部分相连；反馈信号提取单元的类型由与其相连的集成光子系统的类型确定；

控制电路部分对第1至第k个集成光子系统依次进行调节；具体为：通过第i个反馈信号提取单元提取第i个集成光子系统所产生的反馈信号，用于表征第i个集成光子系统的工作状态，并传输给模拟前端部分；模拟前端部分在时序控制部分的控制下，将反馈信号输出至数字控制部分；数字控制部分基于反馈信号的变化趋势对输出驱动部分的输出信号进行调节；输出驱动部分在时序控制部分和数字控制部分的控制下，对第i个集成光子系统中的调节单元进行调节，从而使得反馈信号逐步达到最值；

控制电路部分重复上述对第1至第k个集成光子系统依次进行调节的过程，使各集成光子系统在不同时刻均保持在稳定工作状态。

进一步优选地，上述集成光子系统为集成光子器件或由该集成光子器件组成的系统；其中，集成光子器件包括光调制器、滤波器、激光器、光电二极管、光开关、光波导、光电振荡器、有源偏振控制器或光频梳。

进一步优选地，上述集成光子系统中的调节单元为基于等离子色散效应的电光相位调制器或基于热光效应的热调相移器，且数量不限。

进一步优选地，上述反馈信号提取单元包括：光电二极管、无接触集成光子探针、温度传感器、光电二极管与其他光子及电子器件所组成的模块、无接触集成光子探针与其他光子及电子器件所组成的模块或温度传感器与其他光子及电子器件所组成的模块，用于提取能够表征集成光子系统当前状态的反馈信号，且当反馈信号达到最值时，表明集成光子系统处于所需稳定工作状态。

进一步优选地，当反馈信号提取单元为光电二极管时，上述模拟前端部分包括复用器、跨阻放大器、采样保持电路和比较器；复用器的输出端与跨阻放大器的输入端相连，跨阻放大器的输出端分别与采样保持电路和比较器的输入端相连。

进一步优选地，模拟前端部分还包括滤波器，置于复用器与跨阻放大器之间。

进一步优选地，当反馈信号提取单元为光电二极管时，上述模拟前端部分包括依次串行连接的复用器、跨阻放大器、滤波器和模数转换器。

进一步优选地，输出驱动部分包括模数转换器、解复用器和多个并联的低压差线性稳压器；模数转换器的输出端与解复用器的输入端相连，解复用器的输出端分别与各低压差线性稳压器的输入端相连。

进一步优选地，输出驱动部分包括模数转换器、解复用器和多个并联的功率管阵列；模数转换器的输出端与解复用器的输入端相连，解复用器的输出端分别与各功率管阵列的输入端相连。

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、本发明提供了一种实现不同类型集成光子系统闭环控制的系统，对于不同类型的集成光子系统，采用不同类型的反馈信号提取单元，将表征不同系统状态的量转换为可供后续电路统一处理的相同量，然后基于最值锁定以单个控制器完成对多种不同类型集成光子系统的同时控制，面积小、功耗低、集成度高，适用于大规模集成光子系统的控制。

2、本发明所提供的实现不同类型集成光子系统闭环控制的系统，能够持续不断的对各集成光子系统进行控制，有效的避免了片上光子系统受到工艺偏差以及环境因素波动的影响，实现高效，稳定的工作，具有较优的鲁棒性，能有效提高基于本控制方案集成光子系统产品的竞争力。

附图说明

图1是本发明所提供的实现不同类型集成光子系统闭环控制的系统的结构示意图；

图2是本发明所提供的模拟前端部分的第一种结构示意图；

图3是本发明所提供的模拟前端部分的第二种结构示意图；

图4是本发明所提供的输出驱动部分的第一种结构示意图；

图5是本发明所提供的输出驱动部分的第二种结构示意图；

图6是本发明实施例1所提供的实现不同类型集成光子系统闭环控制的系统的结构示意图；

图7是本发明实施例2所提供的实现不同类型集成光子系统闭环控制的系统的结构示意图。

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。

为了实现上述目的，本发明提供了一种实现不同类型集成光子系统闭环控制的系统，如图1所示，包括：控制电路部分和多个集成光子系统；控制电路部分包括：反馈信号提取单元、模拟前端部分201、数字控制部分202、输出驱动部分204和时序控制部分203；

集成光子系统的类型个数为j个；集成光子系统和反馈信号提取单元的个数均为k个；本实施例将k个集成光子系统分别记为206-1、206-2、......、206-k；将k个反馈信号提取单元分别记为207-1、207-2、......、207-k；

第i个集成光子系统的输出端206-i与第i个反馈信号提取单元207-i的输入端相连；第i个反馈信号提取单元207-i、模拟前端部分201、数字控制部分202、输出驱动部分204以及第i个集成光子系统206-i依次串联形成一条闭环回路；其中，i＝1,2,…,k，k≥j，共形成k条闭环回路；时序控制部分203分别与模拟前端部分201、数字控制部分202和输出驱动部分204相连；其中，反馈信号提取单元的类型由与其相连的集成光子系统的类型确定；控制电路部分对第1至第k个集成光子系统依次进行调节；具体为：通过第i个反馈信号提取单元207-i提取第i个集成光子系统206-i所产生的反馈信号，用于表征第i个集成光子系统206-i的工作状态，并传输给模拟前端部分201；模拟前端部分在时序控制部分203的控制下，将反馈信号输出至数字控制部分202；数字控制部分202基于反馈信号的变化趋势对输出驱动部分204的输出信号进行调节；输出驱动部分204在时序控制部分203和数字控制部分202的控制下，对第i个集成光子系统206-i中的调节单元205-i进行调节，从而使得反馈信号逐步达到最值。

控制电路部分重复上述对第1至第k个集成光子系统依次进行调节的过程，使各集成光子系统在不同时刻均保持在稳定工作状态。

进一步地，上述集成光子系统包括但不限于光调制器、滤波器、激光器、光电二极管、光开关、光波导、光电振荡器、有源偏振控制器或光频梳。上述集成光子系统中的调节单元可以为基于等离子色散效应的电光相位调制器或基于热光效应的热调相移器，且数量不限，即可由一个或者多个相位调制器或热调相移器构成。反馈信号提取单元包括：光电二极管、无接触集成光子探针、温度传感器、光电二极管与其他光子及电子器件所组成的模块、无接触集成光子探针与其他光子及电子器件所组成的模块或温度传感器与其他光子及电子器件所组成的模块，用于提取能够表征集成光子系统当前状态的反馈信号，且当反馈信号达到最值时，表明集成光子系统处于所需稳定工作状态。

进一步地，当反馈信号提取单元为光电二极管时，上述模拟前端部分可以为两种结构；第一种结构如图2所示，其中，模拟前端部分201包括复用器208、跨阻放大器209、采样保持电路210和比较器211，复用器208的输出端与跨阻放大器209的输入端相连，跨阻放大器209的输出端分别与采样保持电路210和比较器211的输入端相连。优选地，模拟前端部分201还可以包括滤波器，置于复用器208与跨阻放大器209之间，用于提升模拟前端部分201的性能。第二种结构如图3所示，其中，模拟前端部分包括依次串行连接的复用器208、跨阻放大器209、滤波器213和模数转换器214构成。

进一步地，输出驱动部分204也可以为两种结构；第一种结构如图4所示，其中，输出驱动部分204包括模数转换器215、解复用器216和多个并联的低压差线性稳压器(217-1至217-m)；模数转换器215的输出端与解复用器216的输入端相连，解复用器216的输出端分别与各低压差线性稳压器的输入端相连。第一种结构如图5所示，输出驱动部分204的结构还可以如图5所示，具体的，输出驱动部分204包括模数转换器215、解复用器216和多个并联的功率管阵列(218-1至218-m)；模数转换器215的输出端与解复用器216的输入端相连，解复用器216的输出端分别与各功率管阵列的输入端相连。

为了进一步说明本发明所提供的实现不同类型集成光子系统闭环控制的系统，下面结合实施例进行详述；

实施例1、

如图6所示，本实施例中，受控制的集成光子系统的类型为2个，每种类型的集成光子系统的个数为1个。其中，受控制的集成光子系统分别为偏振控制集成光子系统206-1以及马赫曾德尔调制器206-2。通过对偏振控制集成光子系统206-1进行控制可以实现任意偏振态输入光到单一偏振态输出光的转换；通过对马赫曾德尔调制器206-2的偏置状态进行控制可以使调制器稳定在最佳工作点处。上述两个集成光子系统处于最佳工作状态或实现完整功能时，其反馈信号都处于最小值处。

对于偏振控制集成光子系统206-1而言，任意偏振态的输入光233经过偏振旋转分束器221后产生两路具有相同偏振状态的输出信号，其中一路输出信号经过相移器222调制后与另一路输出经过波导传输后一起输入至3dB耦合器223的两个输入端；而3dB耦合器223的两路输出中的一路经过相移器224调制后与另一路一起经过波导传输后输入至3dB耦合器225的两个输入端，3dB耦合器225的一路输出作为整体系统的总输出234，另一路作为反馈信号输出给光电二极管226。

对于马赫曾德尔调制器206-2而言，输入光信号235从3dB耦合器227的某个输入端口输入；3dB耦合器227的上侧输出光经过相移器228及相位调制器229后与下侧输出光经相位调制器230后一起输入至3dB耦合器231的两个输入端；3dB耦合器231的一路输出作为整体系统的总输出236，另一路作为反馈信号输出给光电二极管232。其中，光电二极管(226、232)分别作为反馈信号提取单元(207-1、207-2)将光信号转换为电信号，作为反馈信号分别输出给模拟前端部分201。

这里模拟前端部分采用其第一种结构，具体的，结合图6可以看出，在模拟前端部分201中，两路反馈信号首先经过复用器208，在时序控制部分203的控制下选择当前时刻需要处理的反馈信号输出给跨阻放大器209；经过跨阻放大器209之后被转换为电压信号，方便后续处理；所得电压信号分别输出给采样保持电路210以及比较器211，对上一时刻与当前时刻的值进行比较，得出当前反馈信号的变化趋势。该变化趋势被传输给数字控制部分202，由数字控制部分202根据控制逻辑对输出驱动部分204的输出进行调整，从而寻找并锁定在反馈信号的最小值点处。数字控制部分202根据控制逻辑对输出驱动部分204的输出进行调整的具体控制逻辑如下所示：

当上一时刻输出增大，导致反馈信号增大时，将输出驱动部分的输出减小；

当上一时刻输出增大，导致反馈信号减小时，将输出驱动部分的输出增大；

当上一时刻输出减小，导致反馈信号增大时，将输出驱动部分的输出增大；

当上一时刻输出减小，导致反馈信号减小时，将输出驱动部分的输出减小；

根据以上控制逻辑，可以使得反馈信号保持在最小值处。

数字控制部分202输出数字信号给输出驱动部分204(采用其第一种结构)，由数模转换器215将数字信号转换为模拟信号后输出给解复用器216，由解复用器216在时序控制部分203的控制下选择当前输出端口进行输出，输出信号经过低压差线性稳压器(217-1、217-2、217-3)提升驱动能力后分别输出至集成光子系统中的相移器(222、224、228)。

通过对集成光子系统中的相移器进行调节，使得反馈信号达到最小值，即可使集成光子系统处于最佳工作状态或实现完整的功能，从而达到集成光子系统控制的目的。

实施例2、

如图7所示，本实施例中，受控制的集成光子系统的类型为2个，每种类型的集成光子系统的个数为1个。其中，受控制的集成光子系统分别为微环谐振器206-1以及Pound-Drever-Hall激光稳频系统206-2。通过对微环谐振器206-1的谐振波长进行控制可以实现精准的滤波器或者光开关；通过对Pound-Drever-Hall激光稳频系统206-2中的可调谐激光器的谐振波长进行控制可以减少激光器的相位噪声。上述两个集成光子系统处于最佳工作状态或实现完整功能时，其反馈信号都处于最值处。

对于微环谐振器206-1而言，具有固定波长的输入光301进入谐振器内部后，由于谐振结构后产生两路光信号，其中一路作为微环谐振器的总输出302，另一路作为反馈信号输出给光电二极管303即反馈信号提取单元207-1。当反馈信号达到最大值时，说明输入光波长与微环谐振器谐振波长相等，即谐振器能够实现较好的滤波及开关功能。

对于Pound-Drever-Hall激光稳频系统206-2而言，可调谐激光器310产生的激光信号经过相位调制器311调制之后传输给光学频率参考源312，其中调制信号由电学振荡器316产生；光学频率参考源312等同于具有固定滤波频率的光学滤波器，经过光学频率参考源312的光信号由光电二极管313转换为电流信号，并由跨阻放大器314转换为电压信号传输给混频器315；混频器315将跨阻放大器314所传输的信号与电学振荡器316产生的信号进行混频，混频之后的信号即为反馈信号，当反馈信号的值最小时，说明当前状态下，可调节激光器的输出激光频率与光学频率参考源的滤波频率相同，即完成了激光稳频的功能。

这里模拟前端部分采用其第一种结构，具体的，结合图7可以看出，在模拟前端部分201中，两路反馈信号首先经过复用器208，在时序控制部分203的控制下选择当前时刻需要处理的反馈信号输出给跨阻放大器209；经过跨阻放大器209之后被转换为电压信号，方便后续处理；所得电压信号分别输出给采样保持电路210以及比较器211，对上一时刻与当前时刻的值进行比较，得出当前反馈信号的变化趋势。该变化趋势被传输给数字控制部分202，由数字控制部分202根据控制逻辑对输出驱动部分204的输出进行调整，从而寻找并锁定在反馈信号的最小值点处。数字控制部分202根据控制逻辑对输出驱动部分204的输出进行调整的具体控制逻辑如下所示：

当上一时刻输出增大，导致反馈信号增大时，将输出驱动部分的输出减小；

当上一时刻输出增大，导致反馈信号减小时，将输出驱动部分的输出增大；

当上一时刻输出减小，导致反馈信号增大时，将输出驱动部分的输出增大；

当上一时刻输出减小，导致反馈信号减小时，将输出驱动部分的输出减小；

根据以上控制逻辑，可以使得反馈信号保持在最小值处。

数字控制部分202输出数字信号给输出驱动部分204，由数模转换器215将数字信号转换为模拟信号后输出给解复用器216，由解复用器216在时序控制部分203的控制下选择当前输出端口进行输出，输出信号经过低压差线性稳压器(217-1、217-2)提升驱动能力后分别输出至集成光子系统中的相移器304或可调激光器310，完成对集成光子系统的控制。

结合实施例1和实施例2可以看出，对于不同类型的集成光子系统，需要控制或稳定的参数往往不同，能够表征其状态的反馈信号也不太一致：对于微环谐振器以及偏振参数控制光子系统而言，能表征其状态的是反馈端口输出的光功率大小；对于调制器而言，表征其工作状态的是输出信号的光学调制幅度(OMA)大小。因此对于不同类型的集成光子系统而言，需要采用不同类型的反馈信号提取单元，将表征不同系统状态的量转换为可供后续电路统一处理的相同量。正如发明实施例2所提供的案例，对于微环谐振器，反馈信号提取单元为单个光电二极管，而对于Pound-Drever-Hall激光稳频系统而言，其反馈信号提取单元则由大量光子及电子模块共同组成。通过不同的反馈信号提取单元，可以实现对于不同类型集成光子系统的同时控制。

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 (9)

1.一种实现不同类型集成光子系统闭环控制的系统，其特征在于，包括：控制电路部分和多个集成光子系统；所述控制电路部分包括：反馈信号提取单元、模拟前端部分、数字控制部分、输出驱动部分和时序控制部分；

所述集成光子系统的类型个数为j个；所述集成光子系统和所述反馈信号提取单元的个数均为k个；第i个集成光子系统的输出端与第i个反馈信号提取单元的输入端相连；第i个反馈信号提取单元、所述模拟前端部分、数字控制部分、所述输出驱动部分以及第i个集成光子系统依次串联形成一条闭环回路；其中，i＝1,2,…,k，k≥j，共形成k条闭环回路；所述时序控制部分分别与所述模拟前端部分、所述数字控制部分和所述输出驱动部分相连；所述反馈信号提取单元的类型由与其相连的所述集成光子系统的类型确定；

所述控制电路部分对第1至第k个集成光子系统依次进行调节；具体为：通过第i个反馈信号提取单元提取第i个集成光子系统所产生的反馈信号，用于表征第i个集成光子系统的工作状态，并传输给所述模拟前端部分；所述模拟前端部分在所述时序控制部分的控制下，将所述反馈信号输出至所述数字控制部分；所述数字控制部分基于所述反馈信号的变化趋势对所述输出驱动部分的输出信号进行调节；所述输出驱动部分在所述时序控制部分和所述数字控制部分的控制下，对第i个集成光子系统中的调节单元进行调节，从而使得反馈信号逐步达到最值；

所述控制电路部分重复上述对第1至第k个集成光子系统依次进行调节的过程，使各所述集成光子系统在不同时刻均保持在稳定工作状态。

2.根据权利要求1所述的实现不同类型集成光子系统闭环控制的系统，其特征在于，所述集成光子系统为集成光子器件或由该集成光子器件组成的系统；其中，所述集成光子器件包括光调制器、滤波器、激光器、光电二极管、光开关、光波导、光电振荡器、有源偏振控制器或光频梳。

3.根据权利要求1所述的实现不同类型集成光子系统闭环控制的系统，其特征在于，所述集成光子系统中的调节单元为基于等离子色散效应的电光相位调制器或基于热光效应的热调相移器，且数量不限。

4.根据权利要求1所述的实现不同类型集成光子系统闭环控制的系统，其特征在于，所述反馈信号提取单元包括：光电二极管、无接触集成光子探针、温度传感器、光电二极管与其他光子及电子器件所组成的模块、无接触集成光子探针与其他光子及电子器件所组成的模块或温度传感器与其他光子及电子器件所组成的模块，用于提取能够表征集成光子系统当前状态的反馈信号，且当所述反馈信号达到最值时，表明所述集成光子系统处于所需稳定工作状态。

5.根据权利要求1所述的实现不同类型集成光子系统闭环控制的系统，其特征在于，当所述反馈信号提取单元为光电二极管时，所述模拟前端部分包括复用器、跨阻放大器、采样保持电路和比较器；所述复用器的输出端与所述跨阻放大器的输入端相连，所述跨阻放大器的输出端分别与所述采样保持电路和所述比较器的输入端相连。

6.根据权利要求5所述的实现不同类型集成光子系统闭环控制的系统，其特征在于，所述模拟前端部分还包括滤波器，置于所述复用器与所述跨阻放大器之间。

7.根据权利要求1所述的实现不同类型集成光子系统闭环控制的系统，其特征在于，当所述反馈信号提取单元为光电二极管时，所述模拟前端部分包括依次串行连接的复用器、跨阻放大器、滤波器和模数转换器。

8.根据权利要求1所述的实现不同类型集成光子系统闭环控制的系统，其特征在于，所述输出驱动部分包括模数转换器、解复用器和多个并联的低压差线性稳压器；所述模数转换器的输出端与所述解复用器的输入端相连，所述解复用器的输出端分别与各所述低压差线性稳压器的输入端相连。

9.根据权利要求1所述的实现不同类型集成光子系统闭环控制的系统，其特征在于，所述输出驱动部分包括模数转换器、解复用器和多个并联的功率管阵列；所述模数转换器的输出端与所述解复用器的输入端相连，所述解复用器的输出端分别与各所述功率管阵列的输入端相连。

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