光电融合动态热调供电新方法

近日，华中科技大学光电信息学院本科生张思远在集成电路工程系谭旻研究员的指导下，在国际电路与系统领域顶级期刊IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Regular Papers (TCAS-I)上发表题为ply LDOs for Thermo-Optic Tuning”的论文。该工作独辟蹊径，通过集成电路和光子集成的深度融合，首次把动态电源调制引入光子器件热调供电研究。论文第一作者为光电信息学院2018级本科生张思远，通讯作者为谭旻研究员，物理学院王星泽教授为共同作者，华中科技大学为唯一作者单位。

 

图1基于热光效应闭环反馈环路的一般模型

 

 

图2(a)固定电源供电微环热调示意图；(b)动态电源供电微环热调示意图；

(c)固定电源供电关键波形；(d)动态电源供电关键波形

 

 

图3论文所提出的多通道开关-线性混合动态电源架构

 

图4静态效率：(a)本设计(b)相比常规设计的效率提升；动态效率：(c)本设计;(d)相比常规设计的效率提升

 

图5基于所提出架构设计的八通道混合动态调制器版图

 

光电融合是后摩尔时代的重要技术发展方向。光子器件的工作状态易受环境温度、工艺偏差等诸多非理想因素影响，需要引入闭环反馈环路对器件谐振波长、相位等重要参数进行动态控制。热光调节是最常用的光参数调节方式，图1展示了基于热光效应闭环反馈环路的一般模型。热调供电是片上热光调节的关键技术，需要满足宽调制范围、高转换效率以、大规模可扩展性等要求。此前，绝大部分热调供电设计采用固定输入的线性调制器板级供电方案。线性调制器难以在宽电压调制范围内保持高转换效率，而板级方案无法应对大规模可扩展的要求。为解决上述问题，本论文首次将动态电源调制(Dynamic Supply Modulation)引入热光调谐电源管理设计（图2(b)），提出一种多通道开关-线性混合动态电源架构（图3）。该架构利用内含的双电源设计，扩大了线性调制器的输出电压范围，并通过动态电压调节减小其压差而从实现转换效率的提升。图4展示了所提出设计的静态效率和动态效率，并与常规设计进行了比较。相较常规设计，所提出设计对于转换效率的提升非常明显（>50%静态效率提升，>30%动态效率提升），特别对于相邻通道间调制信号彼此接近的应用，如高阶微环滤波器。该架构具有较好的可扩展性，可以采用不同开关转换器和线性调制器实现，具有应用于大规模热光调谐的潜力。图5展示了八通道混合动态电源调制器版图。

 

近年来，光电信息学院谭旻研究员领导的光电融合芯片实验室通过集成电路设计和光子集成两个不同领域的有机结合，提出了以反馈为中心的光与电回路级融合技术演进路线图，开拓了光电融合集成回路设计新领域，累计在JSSC、TCAS-I、TCAS-II、TIT、ISCAS等国际一流期刊和会议上发表论文30余篇，申请及获授权国内外专利约30项。

 

本研究工作得到了国家自然科学基金（61904061）以及合刃科技（20190107001）等项目的资助。（来源：华中科技大学）