一种片上热调系统及其控制方法技术方案

本发明专利技术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，故本发明专利技术中的电芯片的动态功耗较低，能量利用效率较高。

【技术实现步骤摘要】
一种片上热调系统及其控制方法
本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术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，本专利技术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，本专利技术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，通过本专利技术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、本专利技术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，故本专利技术中的电芯片的动态功耗较低，能量利用效率较高。2、本专利技术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、本专利技术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、本专利技术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、本专利技术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是本专利技术所提供的片上热调系统结构示意图；图4是本专利技术实施例1所提供的片上热调系统结构示意图；图5是本专利技术实施例1所提供的光芯片部分的截面示意图；图6是本专利技术实施例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专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术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专利技术，并不用于限定本专利技术。此外，下面所描述的本专利技术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，本专利技术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；相本文档来自技高网...

【技术保护点】
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；/n所述电芯片用于产生PWM波，并发送给所述开关管；/n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；/n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。/n

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：余宇，付思东，张新亮，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42