一种用于光子器件参数稳定的自参考模拟控制环路

1.本发明属于光电芯片设计技术领域，更具体地，涉及一种用于光子器件参数稳定的自参考模拟控制环路。


背景技术：

2.片上光子器件拥有着诸如面积小、传输损耗小以及成本低等优点，被广泛用于光通信、光探测以及光计算等领域。为了防止光子器件的光学参数由于温度变化、制造偏差以及输入光变化等影响而发生改变，通常会引入闭环反馈控制系统对其光学参数进行检测及控制。闭环反馈控制系统大都由光子器件、监控单元、控制算法单元以及调谐单元组成。其工作原理为：监控单元检测光子器件的光学参数，控制算法单元根据合适的控制算法计算出合适的输出值给调谐单元，调谐单元实现对光子器件的光学参数的调节。
3.控制算法单元大多为基于数字电路设计的算法，大致可以分为最值锁定算法和参考值锁定算法。最值锁定算法，又可称为爬坡算法，适合需要锁定到局部最值点的应用场景。其工作原理为：结合监控单元检测得到的代表光学参数的物理量，根据物理量的变化以及上一时刻输出值的变化判断出目前处于的状态，从而做出下一个时刻的判断，得出合适的输出值，从而实现最值锁定。最值锁定算法能够有效地补偿工艺偏差、热波动以及输入激光变化带来的光学参数的变化，并且同样消耗较小的硬件资源，因此被广泛应用于光子器件的光学参数的闭环反馈控制系统中。参考值锁定算法的工作原理为：根据监控单元检测得到的代表光学参数的物理量与通过手动或者自动设置的参考值的差距，计算出合适的输出值给调谐单元，最终实现锁定到参考值附近。虽然参考值锁定算法硬件实现较为容易，但是需要保证手动或者自动设置的参考值的可靠性，不然会导致最后锁定点的偏差。例如，若没有额外的辅助模块，输入激光功率波动会使得监控单元检测到的物理量发生变化，然而微环谐振器的谐振波长等光学参数并不会随着输入光功率变化而剧烈改变，因此会导致锁定点的偏移。
4.基于数字电路设计的算法往往需要将模拟信号转为数字信号以及将算法产生的数字信号再次转换为模拟信号的过程。模数转换以及数模转换过程会导致量化误差的产生，使得最后锁定精度降低，并且也会导致更大的功耗与芯片面积，并不适合大规模、低功耗应用。


技术实现要素：

5.针对相关技术的缺陷，本发明的目的在于一种用于光子器件参数稳定的自参考模拟控制环路，旨在解决现有的闭环反馈控制系统中对光学参数进行控制的控制信号由数字电路产生，模数转换以及数模转换过程会导致量化误差的产生，使得最后锁定精度降低，功耗与芯片面积较大的问题。
6.为实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种用于光子器件参数稳定的自参考模拟控制环路，包括参考值产生电路和光子器件模拟控制环路；
7.所述光子器件模拟控制环路包括依次连接的光子器件、监控单元、模拟前端、模拟控制核心电路、输出级和执行器；所述参考值产生电路与所述模拟前端和所述模拟控制核心电路连接；
8.所述监控单元用于获取所述光子器件的光信号，并产生初始电信号；
9.所述模拟前端用于对所述初始电信号进行处理，输出处理后电信号；
10.所述参考值产生电路包括比较器、数字有限状态机和数模转换模块；所述比较器根据所述处理后电信号与所述数模转换模块产生的参考值信号进行对比，产生比较结果；所述数字有限状态机根据所述比较结果产生用于控制所述模拟控制核心电路的开关控制信号和数字参考值；所述数模转换模块根据所述数字参考值产生参考值信号；
11.所述模拟控制核心电路包括运算放大器和开关，所述处理后电信号和所述参考值信号经过所述运算放大器进行计算产生所述模拟控制信号，所述开关控制信号用于控制所述开关的状态，使所述开关选择所述处理后电信号和所述参考值信号输入所述运算放大器的同相输入端或反相输入端；
12.所述输出级用于根据所述模拟控制信号产生驱动信号输出至所述执行器；
13.所述执行器用于根据所述驱动信号产生执行信号，并根据所述执行信号调节所述光子器件的光学参数。
14.可选的，所述模拟控制核心电路包括第一运算放大器、第二运算放大器和第一开关；
15.所述第一运算放大器的同相输入端和所述第二运算放大器的反相输入端均接收所述处理后电信号，所述第一运算器的反相输入端和所述第二运算器的同相输入端均接收所述参考值信号；
16.所述第一运算放大器的输出端和所述第二运算放大器的输出端与所述第一开关构成单刀双掷开关，根据所述开关控制信号进行切换；当所述第一开关与所述第一运算放大器的输出端连接时，所述模拟控制核心电路输出所述处理后电信号和所述参考值信号差分运算后的模拟控制信号；当所述第一开关与所述第二运算放大器的输出端连接时，所述模拟控制核心电路输出所述参考值信号和所述处理后电信号差分运算后的模拟控制信号。
17.可选的，所述模拟控制核心电路包括第三运算放大器和第一开关；
18.所述第一开关为组合开关，用于选择将所述处理后电信号和所述参考值信号分别接入所述第三运算放大器的同相输入端和反相输入端，或者将所述处理后电信号和所述参考值信号分别接入所述第三运算放大器的反相输入端和同相输入端。
19.可选的，所述模拟控制核心电路还包括第二开关、第三开关和缓冲级；
20.所述第二开关连接电源，所述第三开关接地，所述第二开关和第三开关串联；所述缓冲级的输入端与所述运算放大器的输出端连接，所述缓冲级的输出端作为所述模拟控制核心电路的输出端；
21.所述第二开关闭合时，用于将所述运算放大器输出的所述模拟控制信号置为电源电压；
22.所述第三开关闭合时，用于将所述运算放大器输出的所述模拟控制信号置为零电压；
23.所述缓冲级为放大器，用于对所述模拟控制信号进行放大。
24.可选的，所述参考值产生电路产生参考值信号和开关控制信号的实现过程包括：
25.所述数字有限状态机将上参考寄存器和下参考寄存器初始化，所述上参考寄存器的值和所述下参考寄存器的值相差固定数值，所述下参考寄存器对应的数模转换输出信号小于当前的所述处理后电信号；
26.所述比较器比较所述处理后电信号与所述下参考寄存器对应的数模转换输出信号，得到比较结果；
27.当所述比较结果为大于时，所述数字有限状态机对所述上参考寄存器的值和所述下参考寄存器的值进行同步递增；当所述比较结果为小于时，所述数字有限状态机对所述上参考寄存器的值和所述下参考寄存器的值进行同步递减，且当上一时刻的比较结果为大于时，将所述开关控制信号反相。
28.可选的，所述执行器为集成加热器或pn结；
29.所述集成加热器通过热光效应对所述光子器件的光学参数进行调节；
30.所述pn结通过电光效应对所述光子器件的光学参数进行调节。
31.可选的，所述光子器件为环形谐振器、环形调制器或者马赫曾德尔调制器。
32.可选的，所述光子器件模拟控制环路为n个，当n≥2时，所述自参考模拟控制环路还包括模拟前端输出复用器、参考值信号解复用器和开关控制信号解复用器；
33.n个所述光子器件模拟控制环路的模拟前端均连接至所述模拟前端输出复用器，模拟控制核心电路均连接至所述参考值信号解复用器和所述开关控制信号解复用器；
34.所述参考值产生电路用于依次接收n个所述光子器件模拟控制环路的处理后电信号，并输出开关控制信号和参考值信号。
35.第二方面，本发明还提供了一种用于光子器件参数稳定的自参考模拟控制环路的控制方法，适用于如第一方面中任一项所述的用于光子器件参数稳定的自参考模拟控制环路，包括：
36.监控单元获取光子器件的光信号，并产生初始电信号；
37.模拟前端对所述初始电信号进行处理，输出处理后电信号；
38.参考值产生电路根据所述处理后电信号产生参考值信号和开关控制信号输出至模拟控制核心电路；
39.所述模拟控制核心电路根据所述处理后电信号、所述参考值信号和所述开关控制信号产生模拟控制信号输出至输出级；
40.所述输出级根据所述模拟控制信号产生驱动信号输出至执行器；
41.所述执行器根据所述驱动信号产生执行信号，并根据所述执行信号调节所述光子器件的光学参数。
42.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：
43.1、本发明所提出的一种用于光子器件参数稳定的自参考模拟控制环路具有结构简单，易于片上实现的优点。其中，模拟控制核心电路仅由运算放大器与开关组成，参考值产生电路由比较器、有限状态机以及数模转换模块组成，消耗极少的硬件资源，从而克服传统基于数字控制算法的闭环控制方法存在的结构复杂，不易于大规模集成的缺点。
44.2、本发明所提出的一种用于光子器件参数稳定的自参考模拟控制环路中仅使用
数字电路作为参考值产生电路，因此数字电路的频率并不会影响模拟控制环路的控制速度，从而脱离了时钟频率对性能的限制，进而克服了传统控制方法中存在的时钟频率导致的瓶颈问题。
45.3、本发明所提出的一种用于光子器件参数稳定的自参考模拟控制环路能够通过有限状态机，自动更新参考值与开关控制信号，从而避免了传统方法中需要手动设置参考值的问题。
46.4、本发明所提出的一种用于光子器件参数稳定的自参考模拟控制环路能够通过复用参考值产生电路来实现光子器件阵列的有效控制，从而解决面对大规模光子器件阵列应用的瓶颈问题。
附图说明
47.图1是本发明提供的一种用于光子器件参数稳定的自参考模拟控制环路的原理图；
48.图2是本发明提供的一种模拟控制核心电路的原理图；
49.图3是本发明提供的另一种模拟控制核心电路的原理图；
50.图4是本发明提供的参考值产生电路的原理图；
51.图5是本发明提供的数字有限状态机的逻辑流程图；
52.图6是本发明提供的环形谐振器波长锁定的自参考模拟控制环路的原理图；
53.图7是本发明提供的环形调制器波长锁定的自参考模拟控制环路的原理图；
54.图8是本发明提供的马赫曾德尔偏置点稳定的自参考模拟控制环路的原理图；
55.图9是本发明提供的光子器件阵列参数稳定的模拟控制环路以及复用参考值产生电路的原理图。
具体实施方式
56.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。
57.下面结合一个优选实施例，对上述实施例中涉及的内容进行说明。
58.如图1所示，一种用于光子器件参数稳定的自参考模拟控制环路，包括参考值产生电路和光子器件模拟控制环路；
59.所述光子器件模拟控制环路包括依次连接的光子器件、监控单元、模拟前端、模拟控制核心电路、输出级和执行器；所述参考值产生电路与所述模拟前端和所述模拟控制核心电路连接；
60.所述监控单元用于获取所述光子器件的光信号，并产生初始电信号；
61.所述模拟前端用于对所述初始电信号进行处理，输出处理后电信号；
62.所述参考值产生电路用于根据所述处理后电信号产生参考值信号和开关控制信号输出至所述模拟控制核心电路；所述参考值产生电路包括比较器、数字有限状态机和数模转换模块；所述比较器根据所述处理后电信号与所述数模转换模块产生的参考值信号进
行对比，产生比较结果；所述数字有限状态机根据所述比较结果产生用于控制所述模拟控制核心电路的开关控制信号和数字参考值；所述数模转换模块根据所述数字参考值产生参考值信号；
63.所述模拟控制核心电路用于根据所述处理后电信号、所述参考值信号和所述开关控制信号产生模拟控制信号输出至输出级；所述模拟控制核心电路包括运算放大器和开关，所述处理后电信号和所述参考值信号经过所述运算放大器进行计算产生所述模拟控制信号，所述开关控制信号用于控制所述开关的状态，用于选择所述处理后电信号和所述参考值信号输入所述运算放大器的同相输入端或反相输入端；
64.所述输出级用于根据所述模拟控制信号产生驱动信号输出至所述执行器；
65.所述执行器用于根据所述驱动信号产生执行信号，并根据所述执行信号调节所述光子器件的光学参数。
66.其中，模拟控制核心电路包括两种结构。
67.其一，如图2所示，所述模拟控制核心电路包括第一运算放大器a、第二运算放大器b和第一开关1；
68.所述第一运算放大器a的同相输入端和所述第二运算放大器b的反相输入端均接收所述处理后电信号，所述第一运算器a的反相输入端和所述第二运算器b的同相输入端均接收所述参考值信号；
69.所述第一运算放大器a的输出端和所述第二运算放大器b的输出端与所述第一开关1构成单刀双掷开关，根据所述开关控制信号进行切换；当所述第一开关1与所述第一运算放大器a的输出端连接时，所述模拟控制核心电路输出所述处理后电信号和所述参考值信号差分运算后的模拟控制信号；当所述第一开关1与所述第二运算放大器b的输出端连接时，所述模拟控制核心电路输出所述参考值信号和所述处理后电信号差分运算后的模拟控制信号。
70.模拟前端处理后的电信号与参考值产生电路产生的参考值信号输入给运算放大器a与运算放大器b；参考值产生电路产生的开关控制信号控制第一开关1切换运算放大器a或运算放大器b进行输出。
71.其二，如图3所示，所述模拟控制核心电路包括第三运算放大器c和第一开关1；
72.所述第一开关1为组合开关，用于选择将所述处理后电信号和所述参考值信号分别接入所述第三运算放大器c的同相输入端和反相输入端，或者将所述处理后电信号和所述参考值信号分别接入所述第三运算放大器c的反相输入端和同相输入端。
73.模拟前端输出的处理后电信号与参考值产生电路产生的参考值信号均输入给第一开关1；参考值产生电路产生的开关控制信号控制第一开关1将前端处理后的电信号与参考值信号进行切换输入给第三运算放大器c。具体包括：将处理后电信号接入第三运算放大器c的同相输入端，同时，将参考值信号接入第三运算放大器c的反相输入端；或者，将处理后电信号接入第三运算放大器c的反相输入端，同时，将参考值信号接入第三运算放大器c的同相输入端。
74.其中，如图4所示，参考值产生电路的工作原理包括：比较器根据前端处理后的电信号与数模转换模块产生的参考值信号进行对比，从而产生比较结果给数字有限状态机；数字有限状态机根据比较结果产生用于控制开关的开关控制信号与数字参考值信号；数模
转换模块根据数字参考值产生模拟参考值信号。
75.参考值产生电路产生参考值信号和开关控制信号的实现过程包括：
76.所述数字有限状态机用于将上参考寄存器和下参考寄存器初始化，所述上参考寄存器的值和所述下参考寄存器的值相差固定数值，所述下参考寄存器对应的数模转换输出信号小于当前的所述处理后电信号；
77.所述比较器用于比较所述处理后电信号与所述下参考寄存器对应的数模转换输出信号，得到比较结果；
78.当所述比较结果为大于时，所述数字有限状态机对所述上参考寄存器的值和所述下参考寄存器的值进行同步递增；当所述比较结果为小于时，所述数字有限状态机对所述上参考寄存器的值和所述下参考寄存器的值进行同步递减，且当上一时刻的比较结果为大于时，将所述开关控制信号反相。
79.本发明实施例提供的一种用于光子器件参数稳定的自参考模拟控制环路具有结构简单，易于片上实现的优点。其中，模拟控制核心电路仅由运算放大器与开关组成，参考值产生电路由比较器、有限状态机以及数模转换模块组成，消耗极少的硬件资源，从而克服传统基于数字控制算法的闭环控制方法存在的结构复杂，不易于大规模集成的缺点。
80.可选的，所述光子器件为环形谐振器或者、环形调制器或者马赫曾德尔调制器。
81.可选的，所述执行器为集成加热器或pn结；
82.所述集成加热器通过热光效应对所述光子器件的光学参数进行调节；
83.所述pn结通过电光效应对所述光子器件的光学参数进行调节。
84.如图6所示，当光子器件采用环形调制器时，监控单元采用光电二极管，模拟前端采用跨阻放大器，输出级为加热器驱动，执行器采用集成加热器，自参考模拟控制环路实现对光子器件的光学参数的调制，过程如下：
85.步骤一、光电二极管监控环形谐振器的下载端口或直通端口的光强，并转换为与光强成对应关系的初始电信号，初始电信号为电流信号；
86.步骤二、跨阻放大器将初始电信号转换为处理后电信号，即将电流信号转换为电压信号；
87.步骤三、参考值产生电路通过检测跨阻放大器输出的电压信号得到数字开关控制信号与参考值信号，输入到模拟控制核心电路中；
88.步骤四、模拟控制核心电路根据跨阻放大器输出的电压信号、参考值产生电路输出的开关控制信号与参考值信号产生模拟控制信号；
89.步骤五、加热器驱动根据模拟控制信号产生驱动信号；
90.步骤六、集成加热器根据驱动信号进行加热，从而改变环形谐振器的谐振波长。
91.其中，在步骤三中，参考值产生电路得到开关控制信号与参考值信号的具体过程参见图5所示，包括以下步骤：
92.s1、初始化，将上参考寄存器、下参考寄存器和开关控制信号寄存器置位；其中，上参考寄存器的值和下参考寄存器的值相差固定数值，下参考寄存器对应的数模转换输出信号小于当前获取的处理后电信号。
93.s2、比较当前处理后电信号与下参考寄存器对应的数模转换输出信号，得到比较结果，并进行保存；若比较结果为大于，则执行s3；若比较结果为小于，则执行s4。
94.s3、将上参考寄存器的值和下参考寄存器的值进行同步递增；返回执行s2。
95.s4、将上参考寄存器的值和下参考寄存器的值进行同步递减；执行s5。
96.s5、获取并比较上一时刻的处理后电信号与上一时刻的下参考寄存器对应的数模转换输出信号，即获取上一时刻的比较结果；若比较结果为大于，则执行s6；若比较结果为小于，则返回执行s2。
97.s6、将开关控制信号反相后输出。
98.本实施例提供的参考值产生电路通过上述步骤自动更新参考值信号与开关控制信号，避免了传统方法中需要手动设置参考值的问题。
99.同时，传统方法中采用的数字电路的工作频率取决于数字电路中的时钟信号；当时钟信号频率慢时，数字电路工作频率低，会导致无法补偿快速变化的光学参数；当时钟信号频率高时，数字电路工作频率高，会导致更大的功耗，无法满足低功耗的应用需求。
100.本实施例中仅使用数字电路作为参考值产生电路，因此，数字电路的频率并不会影响模拟控制环路的控制速度，从而脱离了时钟频率对性能的限制，进而克服了传统控制方法中存在的时钟频率导致的瓶颈问题。
101.进一步的，在一替代实施例中，执行器pn结；pn结通过电光效应对环形谐振器的谐振波长进行调节。
102.如图7所示，当光子器件采用环形调制器时，监控单元采用光电二极管，模拟前端采用高速检测前端，输出级为加热器驱动，执行器采用集成加热器，自参考模拟控制环路实现对光子器件的光学参数的调制，过程如下：
103.步骤一、将调制信号加载到环形调制器的调制结构上，从而将调制信号调制到光信号上；
104.步骤二、光电二极管监控环形调制器下载端口或直通端口的光强，并转换为与光强成对应关系并随调制信号变化的电流信号；
105.步骤三、高速检测前端将与光强成对应关系并随调制信号变化的电流信号转换为只随光强变化的电压信号；
106.步骤四、参考值产生电路通过高速检测前端输出的电压信号得到开关控制信号与参考值信号，输入到模拟控制核心电路中；
107.步骤五、模拟控制核心电路根据高速检测前端输出的电压信号、参考值产生电路输出的开关控制信号与参考值信号产生模拟控制信号；
108.步骤六、加热器驱动根据模拟控制信号产生驱动信号；
109.步骤七、集成加热器根据驱动信号进行加热，从而改变环形调制器的谐振波长。
110.通过在环形调制器中加入调制信号，从而改变环形调制器的光信号输出，实现信号的传输。
111.进一步的，在一替代实施例中，执行器pn结；pn结通过电光效应对环形谐振器的谐振波长进行调节。
112.如图8所示，当光子器件采用马赫曾德尔调制器时，监控单元采用光电二极管，模拟前端采用跨阻放大器，输出级为加热器驱动，执行器采用集成加热器，自参考模拟控制环路实现对光子器件的光学参数的调制，过程如下：
113.步骤一、光电二极管监控马赫曾德尔干涉仪的光强，并转换为与光强成对应关系
的电流信号；
114.步骤二、跨阻放大器将电流信号转换为电压信号；
115.步骤三、参考值产生电路通过检测跨阻放大器输出的电压信号得到开关控制信号与参考值信号，输入到模拟控制核心电路中；
116.步骤四、模拟控制核心电路根据跨阻放大器输出的电压信号、参考值产生电路输出的开关控制信号与参考值信号产生模拟控制信号；
117.步骤五、加热器驱动根据模拟控制信号产生驱动信号；
118.步骤六、集成加热器根据驱动信号进行加热，从而改变马赫曾德尔干涉仪的偏置点。
119.进一步的，在一替代实施例中，执行器pn结；pn结通过电光效应对马赫曾德尔干涉仪的偏置点进行调节。
120.在上述实施例的基础上，可选的，所述模拟控制核心电路还包括第二开关2、第三开关3和缓冲级；
121.所述第二开关2连接电源，所述第三开关3接地，所述第二开关2和第三开关3串联；所述缓冲级的输入端与所述运算放大器的输出端连接，所述缓冲级的输出端作为所述模拟控制核心电路的输出端；
122.所述第二开关2闭合时，用于将所述运算放大器输出的所述模拟控制信号置为电源电压；
123.所述第三开3关闭合时，用于将所述运算放大器输出的所述模拟控制信号置为零电压；
124.所述缓冲级为放大器，用于对所述模拟控制信号进行放大。
125.在运算放大器输出从低到高翻转速度有限的情况下，需要缩短模拟控制核心电路输出翻转的时间，因此，闭合第二开关2，将运算放大器输出的模拟控制信号置为电源电压，可以加快模拟控制核心电路输出从低到高翻转的速度。
126.在运算放大器的输出从高到低翻转速度有限的情况下，需要缩短模拟控制核心电路输出翻转的时间，因此，闭合第二开关3，将运算放大器输出的模拟控制信号置为零电压，可以加快模拟控制核心电路输出从高到低翻转的速度。
127.其中，缓冲器可以为反相器，用于将运算放大器输出的模拟控制信号进行反相后输出至输出级。
128.在上述实施例的基础上，可选的，所述光子器件模拟控制环路为n个，当n＝1时，即为上述实施例提供的用于光子器件参数稳定的自参考模拟控制环路。
129.如图9所示，当n≥2时，所述自参考模拟控制环路还包括模拟前端输出复用器、参考值信号解复用器和开关控制信号解复用器；
130.n个所述光子器件模拟控制环路的模拟前端均连接至所述模拟前端输出复用器，模拟控制核心电路均连接至所述参考值信号解复用器和所述开关控制信号解复用器；
131.所述参考值产生电路用于依次接收n个所述光子器件模拟控制环路的处理后电信号，并输出开关控制信号和参考值信号。
132.如图9所示，当光子器件采用环形调制器阵列时，监控单元采用光电二极管阵列，模拟前端采用跨阻放大器阵列，输出级为加热器驱动阵列，执行器采用集成加热器阵列，自
参考模拟控制环路实现对光子器件的光学参数的调制，过程如下：
133.步骤一、光电二极管阵列监控环形谐振器阵列下载端口或直通端口的光强，并转换为与光强成对应关系的电流信号；
134.步骤二、跨阻放大器阵列将电流信号转换为电压信号；
135.步骤三、模拟前端输出复用器、参考值信号解复用器和开关控制信号解复用器切到第一个环形谐振器；
136.步骤四、参考值产生电路通过检测前端输出的电压信号得到开关控制信号与参考值信号，输入到参考值信号解复用器和开关控制信号解复用器中，通过解复用后，输出至对应的模拟控制核心电路中；
137.步骤五、模拟控制核心电路根据电压信号、参考值产生电路输出的开关控制信号与参考值信号产生模拟控制信号；
138.步骤六、加热器驱动阵列根据模拟控制信号产生驱动信号；
139.步骤七、集成加热器阵列根据驱动信号进行加热，从而改变环形谐振器阵列的谐振波长；
140.步骤八、模拟前端输出复用器、参考值信号解复用器和开关控制信号解复用器切到下一个环形谐振器，并重复步骤四至步骤八。
141.由于数字有限状态机的面积较大、功率较高，本实施例中通过复用参考值产生电路能够实现光子器件阵列的有效控制，减小芯片面积与功耗，解决面对大规模光子器件阵列应用的瓶颈问题。
142.在上述实施例的基础上，本发明还提供了一种用于光子器件参数稳定的自参考模拟控制环路的控制方法，适用于上述任一实施例中的一种用于光子器件参数稳定的自参考模拟控制环路，包括：
143.监控单元获取光子器件的光信号，并产生初始电信号；
144.模拟前端对所述初始电信号进行处理，输出处理后电信号；
145.参考值产生电路根据所述处理后电信号产生参考值信号和开关控制信号输出至模拟控制核心电路；
146.所述模拟控制核心电路根据所述处理后电信号、所述参考值信号和所述开关控制信号产生模拟控制信号输出至输出级；
147.所述输出级根据所述模拟控制信号产生驱动信号输出至执行器；
148.所述执行器根据所述驱动信号产生执行信号，并根据所述执行信号调节所述光子器件的光学参数。
149.本发明实施例所提供的一种用于光子器件参数稳定的自参考模拟控制环路可执行本发明任意实施例所提供的一种用于光子器件参数稳定的自参考模拟控制环路的控制方法，具备相应的功能模块和有益效果。
150.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。

技术特征：
1.一种用于光子器件参数稳定的自参考模拟控制环路，其特征在于，包括参考值产生电路和光子器件模拟控制环路；所述光子器件模拟控制环路包括依次连接的光子器件、监控单元、模拟前端、模拟控制核心电路、输出级和执行器；所述参考值产生电路与所述模拟前端和所述模拟控制核心电路连接；所述监控单元用于获取所述光子器件的光信号，并产生初始电信号；所述模拟前端用于对所述初始电信号进行处理，输出处理后电信号；所述参考值产生电路包括比较器、数字有限状态机和数模转换模块；所述比较器根据所述处理后电信号与所述数模转换模块产生的参考值信号进行对比，产生比较结果；所述数字有限状态机根据所述比较结果产生用于控制所述模拟控制核心电路的开关控制信号和数字参考值；所述数模转换模块根据所述数字参考值产生参考值信号；所述模拟控制核心电路包括运算放大器和开关，所述处理后电信号和所述参考值信号经过所述运算放大器进行计算产生所述模拟控制信号，所述开关控制信号用于控制所述开关的状态，使所述开关选择所述处理后电信号和所述参考值信号输入所述运算放大器的同相输入端或反相输入端；所述输出级用于根据所述模拟控制信号产生驱动信号输出至所述执行器；所述执行器用于根据所述驱动信号产生执行信号，并根据所述执行信号调节所述光子器件的光学参数。2.如权利要求1所述的自参考模拟控制环路，其特征在于，所述模拟控制核心电路包括第一运算放大器、第二运算放大器和第一开关；所述第一运算放大器的同相输入端和所述第二运算放大器的反相输入端均接收所述处理后电信号，所述第一运算器的反相输入端和所述第二运算器的同相输入端均接收所述参考值信号；所述第一运算放大器的输出端和所述第二运算放大器的输出端与所述第一开关构成单刀双掷开关，根据所述开关控制信号进行切换；当所述第一开关与所述第一运算放大器的输出端连接时，所述模拟控制核心电路输出所述处理后电信号和所述参考值信号差分运算后的模拟控制信号；当所述第一开关与所述第二运算放大器的输出端连接时，所述模拟控制核心电路输出所述参考值信号和所述处理后电信号差分运算后的模拟控制信号。3.如权利要求1所述的自参考模拟控制环路，其特征在于，所述模拟控制核心电路包括第三运算放大器和第一开关；所述第一开关为组合开关，用于选择将所述处理后电信号和所述参考值信号分别接入所述第三运算放大器的同相输入端和反相输入端，或者将所述处理后电信号和所述参考值信号分别接入所述第三运算放大器的反相输入端和同相输入端。4.如权利要求2或3所述的自参考模拟控制环路，其特征在于，所述模拟控制核心电路还包括第二开关、第三开关和缓冲级；所述第二开关连接电源，所述第三开关接地，所述第二开关和第三开关串联；所述缓冲级的输入端与所述运算放大器的输出端连接，所述缓冲级的输出端作为所述模拟控制核心电路的输出端；所述第二开关闭合时，用于将所述运算放大器输出的所述模拟控制信号置为电源电
压；所述第三开关闭合时，用于将所述运算放大器输出的所述模拟控制信号置为零电压；所述缓冲级为放大器，用于对所述模拟控制信号进行放大。5.如权利要求1所述的自参考模拟控制环路，其特征在于，所述参考值产生电路产生参考值信号和开关控制信号的实现过程包括：所述数字有限状态机将上参考寄存器和下参考寄存器初始化，所述上参考寄存器的值和所述下参考寄存器的值相差固定数值，所述下参考寄存器对应的数模转换输出信号小于当前的所述处理后电信号；所述比较器比较所述处理后电信号与所述下参考寄存器对应的数模转换输出信号，得到比较结果；当所述比较结果为大于时，所述数字有限状态机对所述上参考寄存器的值和所述下参考寄存器的值进行同步递增；当所述比较结果为小于时，所述数字有限状态机对所述上参考寄存器的值和所述下参考寄存器的值进行同步递减，且当上一时刻的比较结果为大于时，将所述开关控制信号反相。6.如权利要求1所述的自参考模拟控制环路，其特征在于，所述执行器为集成加热器或pn结；所述集成加热器通过热光效应对所述光子器件的光学参数进行调节；所述pn结通过电光效应对所述光子器件的光学参数进行调节。7.如权利要求1所述的自参考模拟控制环路，其特征在于，所述光子器件为环形谐振器、环形调制器或者马赫曾德尔调制器。8.如权利要求1所述的自参考模拟控制环路，其特征在于，所述光子器件模拟控制环路为n个，当n≥2时，所述自参考模拟控制环路还包括模拟前端输出复用器、参考值信号解复用器和开关控制信号解复用器；n个所述光子器件模拟控制环路的模拟前端均连接至所述模拟前端输出复用器，模拟控制核心电路均连接至所述参考值信号解复用器和所述开关控制信号解复用器；所述参考值产生电路用于依次接收n个所述光子器件模拟控制环路的处理后电信号，并输出开关控制信号和参考值信号。9.一种用于光子器件参数稳定的自参考模拟控制环路的控制方法，适用于如权利要求1-8任一项所述的用于光子器件参数稳定的自参考模拟控制环路，其特征在于，包括：监控单元获取光子器件的光信号，并产生初始电信号；模拟前端对所述初始电信号进行处理，输出处理后电信号；参考值产生电路根据所述处理后电信号产生参考值信号和开关控制信号输出至模拟控制核心电路；所述模拟控制核心电路根据所述处理后电信号、所述参考值信号和所述开关控制信号产生模拟控制信号输出至输出级；所述输出级根据所述模拟控制信号产生驱动信号输出至执行器；所述执行器根据所述驱动信号产生执行信号，并根据所述执行信号调节所述光子器件的光学参数。

技术总结
本发明公开一种用于光子器件参数稳定的自参考模拟控制环路，包括参考值产生电路和光子器件模拟控制环路；光子器件模拟控制环路包括依次连接的光子器件、监控单元、模拟前端、模拟控制核心电路、输出级和执行器；参考值产生电路与模拟前端和模拟控制核心电路连接；参考值产生电路包括比较器、数字有限状态机和数模转换模块，根据模拟前端输出的处理后电信号产生参考值信号和开关控制信号；模拟控制核心电路包括运算放大器和开关，根据处理后电信号、参考值信号和开关控制信号产生模拟控制信号；输出级根据模拟控制信号产生驱动信号，执行器根据驱动信号调节光子器件的光学参数。实现高精度、快速以及低功耗的光子器件参数稳定控制。制。制。


技术研发人员：谭旻 明达
受保护的技术使用者：华中科技大学
技术研发日：2023.04.19
技术公布日：2023/7/25