一种多级流水线时分复用反馈控制方法及系统

1.本发明属于片上集成光子系统的热反馈控制领域，更具体地，涉及一种多级流水线时分复用反馈控制方法及系统。


背景技术：

2.随着数据吞吐量的快速增加和传输速度需求不断提升，数据中心中的传统电学连接的功耗正在呈几何倍数上升，已不能满足数据传输所需的性能要求。光学连接具有低功耗、高带宽密度等优点，拥有能够满足数据传输性能要求的巨大潜力，但是片上集成光子器件面临着热敏感、加工精度造成的工艺偏差等挑战，而这很难从材料和工艺上得到完全解决。目前普遍使用电学闭环反馈控制方法来控制单个集成光子器件的温度，从而补偿环境温度波动和工艺偏差。
3.目前大部分闭环反馈控制方法都是使用一个控制电路来控制单个光子器件，控制的时序原理如图1所示，由于控制电路的芯片面积非常大，一般是单个光子器件面积的几十倍甚至几百倍，同时控制电路的功耗也较大，这不利于大规模的片上光子集成。由于控制电路的响应速度非常快，通常其响应时间为微秒级，而光子器件的热光调制响应速度较慢，通常其响应时间为几十甚至上百微秒。因此可以通过对控制电路进行时分复用，从而实现一个控制电路来控制多个光子器件。假设光子器件热光调制响应时间为t
pt
，反馈控制电路的响应时间为t
c
，t
pt
＝3t
c
，其中s、c和o分别为控制电路中的采样电路工作时间、算法处理电路工作时间和输出级电路的工作时间，均为1/3t
c
，如图2和3分别为直接时分复用和流水线时分复用反馈控制方法的时序原理说明。从时序图中可以看出两种方法的控制电路中的功能电路模块仍有处于空闲的状态，控制电路中的每个功能电路模块并不是时刻处于工作状态，而这会导致能量利用效率的降低。同时这两种时分复用控制方法，在不增加控制电路面积的前提下，所能够控制的光子器件数量有限。


技术实现要素：

4.针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种多级流水线时分复用反馈控制方法及系统，其目的在于解决传统时分复用控制方法中控制电路的功能电路模块利用率低，且所能控制光子器件数量有限的技术问题。
5.为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种多级流水线时分复用反馈控制方法，包括：
6.将控制电路单元分为n个顺序工作的功能电路模块，每个功能电路模块的响应时间分别为m1·
t
c
、m2·
t
c
、......、m
n
·
t
c
，其中，t
c
为控制电路单元的响应时间，n为大于2的整数，且m1+m2+......+m
n
＝1，m1≤m2≤
…
≤m
n
；
7.在时序产生与控制模块的控制下，复用器选取第i个通道的信号传输给第1个功能电路模块，其中，i为大于0的整数；
8.经过m1·
t
c
，第1个功能电路模块将第i个通道的信号传输给第2个功能电路模块；
同时复用器选取第i+1个通道的信号传输给第1个功能电路模块；
9.经过m1·
t
c
+m2·
t
c
，第2个功能电路模块将第i个通道的信号传输给第3个功能电路模块；同时第1个功能电路模块将第i+1个通道的信号传输给第2个功能电路模块；同时复用器选取第i+2个通道的信号传输给第1个功能电路模块；
10.直至经过t
c
，第n个功能电路模块将第i个通道的信号传输给解复用器，解复用器将第i个通道的信号传输给第i个驱动，第i个驱动控制第i个集成光子器件的热调器，从而改变第i个集成光子器件的工作状态。
11.进一步地，所述n＝3，且m1＝m2＝m3＝1/3；
12.所述控制电路单元包括：前端处理电路、算法处理电路、输出级电路；
13.在时序产生与控制模块的控制下，复用器选取第i个通道的信号传输给所述前端处理电路，所述前端处理电路用于判断第i个通道信号变化的趋势，其中，i为大于0的整数；
14.经过1/3t
c
，所述前端处理电路将第i个通道的信号传输给所述算法处理电路，所述算法处理电路用于根据第i个通道当前输入信号的斜率信息以及上一时刻输出信号的变化趋势，决定第i个通道当前输出信号的变化趋势；同时复用器选取第i+1个通道的信号传输给所述前端处理电路；
15.经过2/3t
c
，所述算法处理电路将第i个通道的信号传输给所述输出级电路，所述输出级电路用于产生需要输出的模拟信号；同时所述前端处理电路将第i+1个通道的信号传输给所述算法处理电路；同时复用器选取第i+2个通道的信号传输给所述前端处理电路；
16.经过t
c
，所述输出级电路将第i个通道的信号传输给解复用器，解复用器将第i个通道的信号传输给第i个驱动，第i个驱动控制第i个集成光子器件的热调器，从而改变第i个集成光子器件的工作状态；同时所述算法处理电路将第i+1个通道的信号传输给所述输出级电路；同时所述前端处理电路将第i+2个通道的信号传输给所述算法处理电路；同时复用器选取第i+3个通道的信号传输给所述前端处理电路。
17.本发明另一方面提供了一种多级流水线时分复用反馈控制系统，使用上述的多级流水线时分复用反馈控制方法，包括：k个折射率信息获取单元、复用器、控制电路单元、时序产生与控制模块、解复用器、k个驱动、k个热调器、k个集成光子器件；所述复用器包含k个输入端、1个输出端和1个控制端，所述解复用器包含k个输出端、1个输入端和1个控制端，k为大于1的整数；
18.所述复用器的k个输入端分别与k个折射率信息获取单元相连接，所述复用器的输出端与所述控制电路单元的一端相连接，所述控制电路单元的另一端与所述解复用器的输入端相连接，所述解复用器的k个输出端分别与k个驱动相连接，所述k个驱动分别与k个热调器相连接，所述k个热调器分别控制k个集成光子器件的温度；
19.所述时序产生与控制模块分别与所述复用器的控制端、所述控制电路单元和所述解复用器的控制端相连接，用于通过多级流水线时分复用方式控制每个控制环路导通，其中，第i个控制环路为第i个集成光子器件、第i个折射率信息获取单元、复用器的第i个输入端、控制电路单元、解复用器的第i个输出端、第i个驱动以及第i个热调器组成的环路，1≤i≤k，i为整数。
20.进一步地，所述集成光子器件为需要通过热调器动态调节其工作点的集成光子器件，实现方式为以下之一：
21.微环谐振器，微环调制器，马赫曾德尔干涉仪，马赫曾德尔调制器，光电二极管；
22.所述集成光子器件中的热调器实现方式为以下之一：
23.金属或合金电阻，掺杂电阻，片外温度调节平台。
24.进一步地，所述折射率信息获取单元为能够获取集成光子器件有效折射率或者工作状态的片上或者片外光子器件，实现方式为以下之一：
25.光电二极管，无接触的集成光子探针，基于光电导效应的掺杂波导。
26.进一步地，所述复用器和所述解复用器为具有通道选择功能的电路。
27.进一步地，所述驱动为能够驱动热调器工作的电路，实现方式为以下之一：
28.功率管阵列，低压差线性稳压器，dc/dc电路。
29.总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
30.本发明在将整体控制电路进行第一级时分复用来控制多个光子器件的基础上；在控制电路中，将不同的功能电路模块进行第二级时分复用，在不明显增加控制电路面积的前提下，所能够控制的光子器件数量是传统时分复用方法的数倍，从而提高了控制电路的功能电路模块的利用率，并且增加了所能够控制的光子器件数量，尤其适用于大规模的集成光子系统中。
附图说明
31.图1为单个控制电路控制单个集成光子器件工作时序图；
32.图2为直接时分复用反馈控制方法控制多个集成光子器件工作时序图；
33.图3为流水线时分复用反馈控制方法控制多个集成光子器件工作时序图；
34.图4为本发明提供的多级流水线时分复用反馈控制方法控制多个集成光子器件工作时序图；
35.图5为本发明提供的多级流水线时分复用反馈控制系统的结构框图；
36.图6为本发明提供的多级流水线时分复用反馈控制方法控制基于马赫曾德尔干涉仪的开关阵列的结构框图；
37.图7为本发明提供的多级流水线时分复用反馈控制方法控制高阶微环滤波器的结构框图；
38.图8为本发明提供的多级流水线时分复用反馈控制方法控制雪崩光电二极管的偏置的结构框图。
具体实施方式
39.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。
40.本发明一方面提供了一种多级流水线时分复用反馈控制方法，该方法在整体控制电路进行时分复用来控制多个光子器件的基础上，对控制电路中的不同功能电路模块进行再次时分复用，避免了功能电路处于空闲的状态，大大提升了控制的光子器件数量。举例说明本发明控制方法的时序原理，如图4所示。假设光子器件热光调制响应时间为t
pt
，反馈控
制电路的响应时间为t
c
，t
pt
＝3t
c
，其中s，c，o分别为控制电路中的采样电路工作时间，算法处理电路工作时间和输出级电路的工作时间，均为1/3t
c
。通过两级时分复用，三个功能电路模块都在无空闲状态的工作。此时该方法能够控制的光子器件为12个，而在同等条件下，流水线时分复用控制方法能够控制的光子器件数量仅为4个。
41.假设光子器件热光调制响应时间为t
pt
，反馈控制电路的响应时间为t
c
,，t
pt
＝n
×
t
c
，控制电路可以分为n个顺序工作的功能电路模块，每个功能电路模块的响应时间分别为m1·
t
c
、m2·
t
c
、......、m
n
·
t
c
，其中，t
c
为控制电路单元的响应时间，n为大于2的整数，且m1+m2+......+m
n
＝1，m1≤m2≤
…
≤m
n
；在不降低对每个光子器件的调节速度的基础上，即每个光子器件单次响应、等待和控制时间为t
pt
+t
c
，该方法能够控制的光子器件数量为numbers＝(n+1)/m
n
。在最优情况下，控制电路可以分为n个顺序工作的功能电路模块，且每个功能电路模块的响应时间为1/n
×
t
c
。此时在不降低对每个光子器件的调节速度的基础上，该方法能够控制的光子器件数量为numbers＝n
×
(n+1)；而在同等情况下，流水线时分复用控制方法能够控制的光子器件数量为numbers＝n+1，而直接时分复用控制方法则牺牲了对每个光子器件的调节速度。可以看出本发明的控制方法在几乎同等的条件下，能够控制的光子器件数量是传统控制方法的n倍。
42.本发明另一方面提供了一种多级流水线时分复用反馈控制系统，其结构框图如图5所示，包括：k个折射率信息获取单元、复用器、控制电路单元、时序产生与控制模块、解复用器、k个驱动、k个热调器、k个集成光子器件；所述复用器包含k个输入端、1个输出端和1个控制端，所述解复用器包含k个输出端、1个输入端和1个控制端，k为大于1的整数；
43.所述复用器的k个输入端分别与k个折射率信息获取单元相连接，所述复用器的输出端与所述控制电路单元的一端相连接，所述控制电路单元的另一端与所述解复用器的输入端相连接，所述解复用器的k个输出端分别与k个驱动相连接，所述k个驱动分别与k个热调器相连接，所述k个热调器分别控制k个集成光子器件的温度；
44.所述时序产生与控制模块分别与所述复用器的控制端、所述控制电路单元和所述解复用器的控制端相连接，用于通过多级流水线时分复用方式控制每个控制环路导通，其中，第i个控制环路为第i个集成光子器件、第i个折射率信息获取单元、复用器的第i个输入端、控制电路单元、解复用器的第i个输出端、第i个驱动以及第i个热调器组成的环路，1≤i≤k，i为整数。
45.下面用三个具体的实施例，对本发明进行进一步详细说明。
46.实施例一
47.在开关阵列应用中，利用多级流水线时分复用反馈控制方法对每个开关元素的开关状态进行控制，每个开关元素不限于一个热调器。图6为本实施例的示意图，该4
×
4开关阵列由2
×
2的基于马赫曾德尔干涉仪开关元素组成；采用跨阻放大器，采样保持电路和比较器作为前端处理电路来获取斜率信息；采用算法处理电路并利用爬坡算法来决定输出趋势；采用模数转换器将算法处理电路的输出趋势转换为模拟电压；采用功率管来驱动每个开关的热调器；采用光电二极管作为折射率信息获取单元。具体步骤如下：
48.步骤1、每个马赫曾德尔干涉仪开关元素的输出端一部分光耦合出来后，通过光电二极管将光功率转换为光电流；
49.步骤2、时序产生与控制模块首先控制复用器选择第i个开关的光电流i
mi
，通过跨
阻放大器转换成合适的电压信号，在采样保持电路和比较器的共同处理后，得到第i个通道电压信号的变化趋势信息；
50.步骤3、经过1/3t
c
，时序产生与控制模块控制算法处理电路工作，将第i个通道当前输入的信号变化趋势信息，与上一次输出信号的变化趋势信息进行比较，根据比较结果判断出第i个通道当前输出变化趋势；
51.步骤4、在步骤3的同时，时序产生与控制模块控制复用器选择第i+1个开关的光电流i
mi+1
，通过跨阻放大器转换成合适的电压信号，在采样保持电路和比较器的共同处理后，得到第i+1个通道的电压信号的变化趋势信息；
52.步骤5、经过2/3t
c
，时序产生与控制模块控制模数转换器工作，将第i个通道当前输出变化趋势信号转换成模拟电压信号v
hi
；
53.步骤6、在步骤5的同时，时序产生与控制模块控制复用器选择第i+2个开关的光电流i
mi+2
，通过跨阻放大器转换成合适的电压信号，在采样保持电路和比较器的共同处理后，得到第i+2个通道的电压信号的变化趋势信息；
54.步骤7、在步骤5的同时，时序产生与控制模块控制算法处理电路工作，将第i+1个通道当前输入的信号变化趋势信息，与上一次输出信号的变化趋势信息进行比较，根据比较结果判断出第i+1个通道当前输出变化趋势；
55.步骤8、经过t
c
，时序产生与控制模块控制解复用器选取第i个通道，该模拟电压信号通过功率管驱动第i个开关元素的热调器，从而控制该开关元素的开关状态；
56.步骤9、重复上述步骤1到8。
57.实施例二
58.在高阶微环滤波器应用中，利用多级流水线时分复用反馈控制方法对每个微环的谐振状态进行控制，不限定微环阵列的实现方式。图7为本实施例的示意图，高阶微环滤波器由四阶微环组成；采用跨阻放大器，采样保持电路，比较器作为前端处理电路来获取斜率信息；采用算法处理电路利用爬坡算法来决定输出趋势；采用模数转换器将算法处理电路的输出趋势转换为模拟电压；采用功率管来驱动每个微环的热调器；采用光电二极管作为折射率信息获取单元。具体步骤如下：
59.步骤1、将每个微环一部分光耦合出来后，通过光电二极管将光功率转换为光电流；
60.步骤2、时序产生与控制模块首先控制复用器选择第i个微环的光电流i
mi
，通过跨阻放大器转换成合适的电压信号，在采样保持电路和比较器的共同处理后，得到第i个通道电压信号的变化趋势信息；
61.步骤3、经过1/3t
c
，时序产生与控制模块控制算法处理电路工作，将第i个通道当前输入的信号变化趋势信息，与上一次输出信号的变化趋势信息进行比较，根据比较结果判断出第i个通道当前输出变化趋势；
62.步骤4、在步骤3的同时，时序产生与控制模块控制复用器选择第i+1个微环的光电流i
mi+1
，通过跨阻放大器转换成合适的电压信号，在采样保持电路和比较器的共同处理后，得到第i+1个通道的电压信号的变化趋势信息；
63.步骤5、经过2/3t
c
，时序产生与控制模块控制模数转换器工作，将第i个通道当前输出变化趋势信号转换成模拟电压信号v
hi
；
64.步骤6、在步骤5的同时，时序产生与控制模块控制复用器选择第i+2个微环的光电流i
mi+2
，通过跨阻放大器转换成合适的电压信号，在采样保持电路和比较器的共同处理后，得到第i+2个通道的电压信号的变化趋势信息；
65.步骤7、在步骤5的同时，时序产生与控制模块控制算法处理电路工作，将第i+1个通道当前输入的信号变化趋势信息，与上一次输出信号的变化趋势信息进行比较，根据比较结果判断出第i+1个通道当前输出变化趋势；
66.步骤8、经过t
c
，时序产生与控制模块控制解复用器选取第i个通道，该模拟电压信号通过功率管驱动第i个微环的热调器，从而控制该微环的谐振状态；
67.步骤9、重复上述步骤1到8。
68.实施例三
69.在使用雪崩光电二极管检测光信号的接收器应用中，利用多级流水线时分复用反馈控制方法对每个雪崩光电二极管的偏置电压进行控制。图8为本实施例的示意图，在密集波分复用的接收器中，使用通道解复用器来解调出信道，再通过雪崩光电二极管和接收电路来还原出数据信息。使用数模转换器作为前端处理电路来获取低通滤波器输出电压v
p
；算法处理电路获取输入信号的三次导数信息，并利用爬坡算法来决定输出趋势；采用模数转换器将算法处理电路的输出趋势转换为模拟电压；采用升压功率级来输出电压v
b
作为每个雪崩二极管的偏置。具体步骤如下：
70.步骤1、调节某一个微环的谐振波长，使其解调出某一个信道，通过雪崩光电二极管将光功率转换为光电流，再通过接收电路还原成数据信息；
71.步骤2、时序产生与控制模块控制复用器选择第i个雪崩光电二极管的监测输出电压v
pi
，通过数模转换器将其转换成数字信号；
72.步骤3、经过1/3t
c
，时序产生与控制模块控制算法处理电路工作，得到第i个通道电压信号变化的三次导数信息，将第i个通道当前输入的三次导数信息，与上一次输出信号的变化趋势信息进行比较，根据比较结果判断出第i个通道当前输出变化趋势；
73.步骤4、在步骤3的同时，时序产生与控制模块控制复用器选择第i+1个雪崩光电二极管的监测输出电压v
pi+1
，通过模数转换器将其转换成数字信号，并得到第i+1个通道电压信号变化的三次导数信息；
74.步骤5、经过2/3t
c
，时序产生与控制模块控制模数转换器工作，将第i个通道当前输出变化趋势信号转换成模拟电压信号；
75.步骤6、在步骤5的同时，时序产生与控制模块控制复用器选择第i+2个雪崩光电二极管的监测输出电压v
pi+2
，通过数模转换器将其转换成数字信号；
76.步骤7、在步骤5的同时，时序产生与控制模块控制算法处理电路工作，得到第i+1个通道电压信号变化的三次导数信息，将第i+1个通道当前输入的三次导数信息，与上一次输出信号的变化趋势信息进行比较，根据比较结果判断出第i+1个通道当前输出变化趋势；
77.步骤8、经过t
c
，时序产生与控制模块控制解复用器选取第i个通道，该模拟电压信号通过升压功率级输出电压v
bi
，作为第i个雪崩二极管的偏置，从而控制该雪崩二极管的工作状态；
78.步骤9、重复上述步骤1到8。
79.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。