一种大规模热调相移器的驱动方法和驱动系统

本发明属于集成电路设计领域，更具体地，涉及一种大规模热调相移器的驱动方法和驱动系统。

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。对于目前的片上集成光器件或系统而言，热调相移器作为高效，低损耗的相移器获得了广泛的研究与使用。其不仅有助于实现集成光子系统的灵活调节：如在光学人工智能中，通过调节热调相移器的相移可以调整光子器件的光传输矩阵，便于高效的计算；在硅基光学相控阵中，通常采用热调相移器调节多路输出光之间的相位差从而实现波束的扫描效果。同时也可以用于补偿由于温度等环境因素扰动或工艺偏差等缺陷，使光子器件工作在最佳状态：如对于硅基马赫曾德尔调制器而言，需要对调制臂上的热调相移器进行调节从而对工艺偏差进行补偿以及使调制器的工作状态不受外部环境因素如温度变化的影响；对于微环谐振器而言，需要对环内的热调相移器进行调节，从而稳定其谐振频率。

对于大多数热调相移器而言，其相移量的改变是通过改变施加于其上的电学功率实现的。通过电学驱动对输出功率实现高效，线性的调节从而实现对相移的准确、线性调节。目前常用的驱动方案为利用受数字脉冲宽度调制(pwm)信号控制的功率管对热调器进行驱动，其原理为：当数字pwm信号的频率远大于热调相移器带宽时，功率管的平均输出功率与数字pwm信号的占空比成正比。通过数字控制信号对数字pwm信号的占空比进行调节，即可实现对于热调相移器相移量的调节。该方案通常由两部分组成，一是受控制的功率管，用于提供大幅的输出功率，二是数字pwm信号生成模块，其受数字控制信号控制并产生相应占空比的数字pwm信号，用于对输出功率实现线性调节。在之前的方案中，数字pwm信号生成模块通常由数字电路构成，采用计数器对高速的时钟信号脉冲从零开始计数，并由数字比较器将计数器的输出与数字控制信号进行比较，当计数器输出与数字控制信号相等时，比较器的输出发生反转，比较器的输出即为生成的数字pwm信号，其占空比的大小即由数字控制信号决定。

在文献“n.zecevic,m.hofbauerandh.zimmermann,"integratedpulsewidthmodulationcontrolforascalableopticalswitchmatrix,"inieeephotonicsjournal,vol.7,no.6,pp.1-7,dec.2015”中，通过数字pwm信号驱动功率管的方法对光学开关阵列中的多个热调器进行驱动，高速的pwm信号由高速计数器，比较器，d触发器生成，且每个热调器都需要一个单独的数字pwm信号生成器，用于将数字控制信号转换为驱动功率管的数字pwm信号。

上述方法的缺点对于每个热调器，都需要单独的数字pwm信号生成模块，在大规模的硅基光子阵列中，无疑要消耗大量的硬件资源，同时产生极高的功耗，不利于低成本的商业应用。

技术实现要素：

本发明提供一种大规模热调相移器的驱动方法和驱动系统，用以解决现有技术中用于热调相移器驱动的数字pwm信号驱动功率管方案中每个热调器驱动都需要单独的数字pwm信号生成模块从而不适合大规模热调相移器驱动的的技术问题。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种大规模热调相移器的驱动方法，包括：

采用高频时钟信号产生n个基准数字pwm信号，并采用k个nbit数字控制信号分别独立地对所述n个基准数字pwm信号进行时域组合，得到k个用于对应驱动k个功率管的数字pwm信号；

通过所述k个功率管驱动k个热调相移器。

本发明的有益效果是：本发明首先产生n个基准数字pwm信号，然后采用多个控制信号分别对这n个基准数字pwm信号进行时域组合得到最终用于驱动功率管的数字pwm信号。本发明通过复用n个基准数字pwm信号的方式，减小了整体驱动方案的功耗与面积，实现小面积、低成本、低功耗、高效的大规模热调相移器器驱动。该方法可用于对光学热调相移器进行驱动。

上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，所述n个基准数字pwm信号为：周期均与所有所述用于驱动功率管的数字pwm信号相同且占空比分别为1/2,1/4,…1/2ⁿ的时域波形互不重叠的数字pwm信号。

本发明的进一步有益效果是：当数字基准pwm信号周期相同且占空比分别为1/2,1/4,…1/2ⁿ的时域波形互不重叠的数字pwm信号时，可以直接通过逻辑“或”门实现对于不同基准pwm信号的时域上的组合，从而极大程度上减小系统的复杂度，实现小面积、低功耗的驱动方案。

进一步，采用d触发器和逻辑门，通过对输入的高频时钟信号进行分频以及逻辑组合，得到所述n个基准数字pwm信号。

进一步，采用逻辑“与”门基于1个nbit数字控制信号对所述n个基准数字pwm信号进行选择控制并采用逻辑“或”门进行组合，得到一个占空比与该nbit数字控制信号相同的用于驱动功率管的数字pwm信号。

本发明的进一步有益效果是：通过采用“与”门和“或”门实现选择控制以及逻辑组合，具有面积小，功耗低的优点，有效减小了方案的复杂度。

本发明还提供一种大规模热调相移器的驱动系统，包括：

pwm信号生成模块，用于采用高频时钟信号产生n个基准数字pwm信号，并采用k个nbit数字控制信号分别独立地对所述n个基准数字pwm信号进行时域组合，得到k个用于对应驱动k个功率管的数字pwm信号；

所述k个功率管，用于驱动k个热调相移器。

本发明的有益效果是：本发明设置pwm信号生成模块，用于产生n个基准数字pwm信号，然后采用多个控制信号分别对这n个基准数字pwm信号进行时域组合得到最终用于驱动功率管的数字pwm信号。本发明的pwm信号生成模块通过复用n个基准数字pwm信号的方式，减小了整体驱动方案的功耗与面积，实现小面积、低成本、低功耗、高效的大规模热调相移器器驱动，可用于对光学热调相移器进行驱动。

进一步，所述pwm信号生成模块包括：

基准信号生成单元，用于对高频时钟信号处理，产生n个基准数字pwm信号；

组合单元，其包括k个组合子单元，每个组合子单元独立地用于将所述n个基准数字pwm信号进行时域上的组合并对应得到一个用于驱动功率管的数字pwm信号。

进一步，所述n个基准数字pwm信号为：周期均与所有所述用于驱动功率管的数字pwm信号相同且占空比分别为1/2,1/4,…1/2ⁿ的时域波形互不重叠的数字pwm信号。

进一步，所述基准信号生成单元由d触发器和逻辑门组成，通过对输入的高频时钟信号进行分频以及逻辑组合，得到所述n个基准数字pwm信号。

进一步，每个组合子单元采用逻辑“与”门基于1个nbit数字控制信号对所述n个基准数字pwm信号进行选择控制并采用逻辑“或”门进行组合，得到一个占空比与该nbit数字控制信号成正比的的用于驱动功率管的数字pwm信号。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种大规模热调相移器的驱动方法流程框图；

图2为本发明实施例提供的基于可复用的数字脉冲宽度调制信号的大规模热调相移器驱动示意图；

图3为本发明实施例产生的一种基准数字pwm信号的波形图；

图4为本发明实施例产生的另一种基准数字pwm信号的波形图；

图5为本发明实施例提供的一种产生4bit分辨率的数字pwm信号的4个基准数字pwm信号的产生电路及对应的波形图；

图6为本发明实施例提供的包含多个热调相移器的硅基光学相控阵系统的框图；

图7为本发明实施例提供的包含多个热调相移器的硅基光学人工智能系统的框图；

图8为本发明实施例提供的包含多个热调相移器的硅基光学iq调制器的框图；

图9为本发明实施例提供的硅基微环调制器的框图。

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。

实施例一

一种大规模热调相移器的驱动方法，如图1所示，包括：

采用高频时钟信号产生n个基准数字pwm信号，并采用k个nbit数字控制信号分别独立地对所述n个基准数字pwm信号进行时域组合，得到k个用于对应驱动k个功率管的数字pwm信号；

通过k个功率管驱动k个热调相移器。

本实施例通过复用n个基准数字pwm信号的方式，减小了整体驱动方案的功耗与面积，实现小面积、低成本、低功耗、高效的大规模热调相移器器驱动。该方案可用于对光学热调相移器进行驱动。

优选的，n个基准数字pwm信号为：周期均与所有所述用于驱动功率管的数字pwm信号相同且占空比分别为1/2,1/4,…1/2ⁿ的时域波形互不重叠的数字pwm信号。

优选的，采用d触发器和逻辑门，通过对输入的高频时钟信号进行分频以及逻辑组合，得到所述n个基准数字pwm信号。

优选的，采用逻辑“与”门基于1个nbit数字控制信号对所述n个基准数字pwm信号进行选择控制并采用逻辑“或门”进行组合，得到一个占空比与该nbit数字控制信号成正比的用于驱动功率管的数字pwm信号。

nbit数字控制信号是用来控制驱动功率管的数字pwm信号的占空比，如4bit控制信号为0000，则驱动功率管的数字pwm信号的占空比为0％；4bit控制信号为1000，则驱动功率管的数字pwm信号的占空比为50％。

如图2所示，通过高频时钟可产生n个基准数字pwm信号，这n个基准数字pwm信号分别在k个nbit数字信号的选取控制下输入给n输入“或”门，即可产生k个nbit分辨率的数字pwm信号，并分别控制k个功率管，实现对于k个热调相移器的精准、线性相位调节。

需要说明的是，功率管可以是n型金属氧化物半导体(nmos)功率管，也可为p型金属氧化物半导体(pmos)功率管。另外，产生的基准数字pwm信号的脉冲在一个周期内可为连续的脉冲，如图3所示；或者产生的基准数字pwm信号的脉冲在一个周期内可为离散的脉冲，如图4所示。

实施例二

一种大规模热调相移器的驱动系统，包括：pwm信号生成模块和k个功率管。其中，pwm信号生成模块用于采用高频时钟信号产生n个基准数字pwm信号，并采用k个nbit数字控制信号分别独立地对所述n个基准数字pwm信号进行时域组合，得到k个用于对应驱动k个功率管的数字pwm信号；k个功率管用于驱动k个热调相移器。

优选的，pwm信号生成模块包括：基准信号生成单元和组合单元。

基准信号生成单元用于对高频时钟信号处理，产生n个基准数字pwm信号；组合单元，其包括k个组合子单元，每个组合子单元独立地用于将所述n个基准数字pwm信号进行时域上的组合并对应得到一个用于驱动功率管的数字pwm信号。

优选的，n个基准数字pwm信号为周期与最终产生的数字pwm信号相同，占空比分别为(1/2,1/4,…1/2ⁿ)的数字pwm信号，该n个基准数字pwm信号在同一时刻至多有一个信号为1，即时域波形没有重叠的部分，任意nbit数字pwm信号都可等效为这n个基准pwm信号在n位数字控制信号的控制下的时域上的组合。

优选的，n个基准数字pwm信号的产生模块可由d触发器和逻辑门组成，通过对输入的高频时钟信号进行分频以及逻辑组合，即可得到具有固定占空比以及特定时序分布基准数字pwm信号。

以4bit分辨率的数字pwm信号生成为例，当产生的基准数字pwm信号的脉冲在一个周期内可为连续的脉冲时，其产生模块的电路图可由图5实现，其中，f_clk对应于图2中的高频时钟，其通过4个d触发器可产生8个信号clk2、clk2～、clk4、clk4～、clk8、clk8～、clk16、clk16～。该8个信号的波形如图中所示，通过这对8个信号的逻辑组合，即可生成所需的4个基准数字pwm信号：clk_16信号即可作为占空比为50％的基准信号；将clk_16～和clk_8进行与操作，即可得到占空比为25％的基准信号；将clk_16～和clk_8～以及clk_4进行与操作，即可得到占空比为12.5％的基准信号；将clk_16～和clk_8～和clk_4～以及clk_2进行与操作，即可得到占空比为6.25％的基准信号。从波形上可知，生成的基准信号周期相同，且在时域上没有重叠的部分，占空比满足以上所述要求(1/2,1/4,…1/2ⁿ))，该模块能够实现该发明所需的基准数字pwm信号的产生电路的要求。同理，该方案也可扩展到任意bit数的基准电路生成模块。

优选的，k个将上述n个基准信号进行时域上组合的子单元。单元的输入为n个基准信号以及k个nbit数字控制信号，其中k个nbit数字控制信号分别用于控制所产生的k个数字pwm信号的占空比，该模块的输出为k个nbit分辨率数字pwm信号，用于分别驱动k个功率管。其中时域上组合功能可由数字逻辑门“或门”实现，占空比分别为1/2,1/4,…1/2ⁿ的基准数字pwm信号分别由数字控制信号的最高位，次高位…第n位进行选取控制：当某位数字信号为1时，所对应的基准pwm信号将与其他经过控制后的基准pwm信号进行“或”操作，生成最终的数字pwm信号，当某位数字信号为0时，所对应的基准pwm信号将被置零后与其他经过控制后的基准pwm信号进行“或”操作，该选取控制功能可通过逻辑“与”门实现。

由于本实施例所设计的数字pwm信号生成方案具有结构简单，可复用，硬件开销小等优点，从而极大地减小了整体驱动电路占用的面积，降低了所需的功耗。因此，该方案适用于大规模热调相移器器的驱动阵列。

一种如实施例一或实施例二的应用，用于热调相移器的相移调整，现给出如下示例。

示例1：在硅基光学相控阵系统中，常通过控制相邻阵元出射光波之间的相位关系来实现波束扫描，其中相位调节常采用热调相移器实现对相位关系的控制。因此，需要高精度、线性的热调相移器相位调节来实现高精度的波束扫描。

如图6所示，基于实施例一或实施例二的热调相移器驱动方案，可用于对硅基光学相控阵系统中的多个热调相移器提供精准，线性的相位调节，从而实现高精度的波束扫描。相较其他方案而言，该方案具有低功耗，小面积，高精度的优势。

示例2：在光学人工智能系统中，通常需要利用光学传输矩阵进行高速运算，而光学传输函数的构建通常采用热调相移器以及3db耦合器的形式进行搭建。因此，需要高精度、线性的热调相移器相位调节来实现高准确度的光学传输矩阵搭建。

如图7所示，基于实施例一或实施例二的热调相移器驱动方案，可用于对光学人工智能系统中的多个热调相移器提供精准，线性的相位调节，从而实现精准的光学矩阵构建。相较其他方案而言，该方案具有低功耗，小面积，高精度的优势。

示例3：在硅基电光调制器中，通常采用热调相移器补偿工艺偏差并稳定静态工作点从而不受外界环境波动的影响。因此，需要高精度、线性的热调相移器相位调节实现对工作点的锁定。

如图8所示，基于实施例一或实施例二的热调相移器驱动方案，可用于对硅基光电iq调制器中的多个热调相移器提供精准，线性的相位调节，从而实现静态工作点的稳定。相较其他方案而言，该方案具有低功耗，小面积，高精度的优势。

如图9所示，基于实施例一或实施例二的热调相移器驱动方案，可用于对硅基微环调制器中的热调相移器提供精准，线性的相位调节，从而实现静态工作点的稳定。相较其他方案而言，该方案具有低功耗，小面积，高精度的优势。

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。