一种大规模集成光子器件阵列控制电路的制作方法

1.本实用新型涉及光子集成电路，特别涉及一种大规模集成光子器件阵列控制电路。


背景技术：

2.近年来随着集成硅光子学制作工艺的迅速发展，芯片上可集成的光子器件数量呈指数增长，具备了实现超大规模光子器件集成的能力。然而由于芯片布线规则的限制，难以实现对大量光器件的同时控制，使超大规模光子器件集成极具挑战，从而极大地影响了集成光子系统的性能。
3.以光学相控阵为例，利用光学相控阵进行光束扫描，具有更灵活、更快的波束控制特性，而且具有高分辨率、高稳定性和高保密性等优点，并可实现可编程的波束转向控制、非惯性随机指向和多波束同步控制，因此在自由空间光通信、全息显示、激光雷达等诸多前沿技术领域中具有广阔的应用前景。如何实现对大规模的相移器的同时控制，成为制约集成光学相控阵大规模集成化的主要问题之一。
4.要实现对光学相控阵等大规模集成光电系统的控制，目前已有的控制电路有两种，第一种是直接控制，即每个器件外接到独立的控制单元上，例如dac，通过独立控制单元对光电器件进行控制。第二种方法是基于pwm的阵列式控制电路，这是利用pwm波对光电器件阵列进行扫描。
5.第一种控制电路，即为每个光器件设置独立的控制电路，随着光器件数目的增加，需要的控制线数量快速增长，芯片上难以实现如此多的控制线；第二种是基于pwm波等效性的控制电路，一方面随着控制阵列规模的加大，其控制电压增大，会引入很强的干扰，另一方面这种基于等效性工作原理的控制电路随着控制阵列规模的增大，对于要求同时相移输出的阵列，其等效性已经不适用了。


技术实现要素：

6.本实用新型提供一种大规模集成光子器件阵列控制电路，旨在提供一种低成本、小体积的解决大规模光器件控制问题的阵列式控制电路。
7.本实用新型提供一种大规模集成光子器件阵列控制电路，由多个行、多个列相互连接构成可控光子器件的阵列式控制电路，各行、列的一端均设有作为阵列电路控制输入端的控制线，每根控制线连接一个独立的控制单元，所述控制单元为数模转换器dac；所述大规模集成光子器件阵列控制电路包括脉冲阵列产生电路与节点驱动电路，每个行与每个列的交点构成了脉冲阵列产生电路的脉冲输出节点，每个脉冲输出节点上对应连接一个节点驱动电路。
8.作为本实用新型的进一步改进，所述脉冲阵列产生电路的每一列控制线通过限流电阻与所有行控制线分别相连，所述脉冲输出节点设置在行列的限流电阻之间，并对应连接到节点驱动电路。
9.作为本实用新型的进一步改进，所述节点驱动电路包括二极管d1、d2，场效应管q1、q2、q3，光子器件r1，电阻r2、r3，电容c1，所述二极管d1的负极分别连接二极管d2的负极、脉冲输出节点，所述二极管d1的正极分别连接场效应管q1的栅极、场效应管q2的栅极、电阻r3，所述二极管d2的正极分别连接电阻r2、场效应管q3的栅极、电容c1，所述场效应管q1的漏极连接电阻r2的另一端，所述场效应管q1的源极连接场效应管q2的源极，所述场效应管q2的漏极分别连接电阻r3的另一端、电容c1的另一端、接地，所述场效应管q3的漏极连接光子器件r1，所述场效应管q3的源极接地，所述光子器件r1的另一端连接vee端。
10.作为本实用新型的进一步改进，阵列式控制电路控制光子器件时，所述脉冲产生阵列产生的宽度脉冲对节点驱动电路的输出独立配置。
11.作为本实用新型的进一步改进，所述阵列式控制电路为拓展式阵列电路，通过增加或减少阵列式控制电路的行列以及节点驱动电路个数拓展可控光子器件数目。所述阵列式控制电路为可拓展式阵列电路，即对任意个光子器件均适用。
12.本实用新型的有益效果是：本电路可以实现对大规模集成光子器件阵列的同时控制，并且具有高度的可拓展性，可以显著降低控制电路的成本；并且通过整列扫描和选取合适的rc常数提升扫描速度。
附图说明
13.图1是本实用新型中阵列式控制电路的结构图；
14.图2是本实用新型中阵列脉冲产生电路的电路结构图；
15.图3是本实用新型中节点驱动电路的电路结构图；
16.图4是本实用新型中节点驱动电路完全断开的电位波形图；
17.图5是本实用新型中节点驱动电路输出最大功率的电位波形图；
18.图6是本实用新型中脉冲宽度控制驱动源的仿真输出图。
具体实施方式
19.为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。
20.本实用新型针对大规模集成光电子器件，尤其是大规模光学相控阵列，提出一种基于可拓展式的阵列电路来减小大规模集成光电子器件控制电路的复杂性，从而有效降低控制电路成本和体积，由于本实用新型高度的可拓展性，本实用新型所强调的并不局限于特定某个具体电路图，而是如图1所示的整体结构，和脉冲阵列产生电路产生宽度脉冲控制驱动电路输出功率的思想。
21.如图1所示，大规模集成光子器件阵列控制电路，
22.由多个行、多个列相互连接构成控制光子器件的阵列式控制电路，各行、列的一端均设有作为阵列电路控制输入端的控制线，每根控制线连接一个独立的控制单元；大规模集成光子器件阵列控制电路包括脉冲阵列产生电路与节点驱动电路，每个行与每个列的交点构成了脉冲阵列产生电路的脉冲输出节点，每个脉冲输出节点上对应连接一个节点驱动电路。
23.阵列式控制电路为可拓展式阵列电路，通过增加或减少阵列式控制电路的行列以
及节点驱动电路个数拓展可控光子器件数目，适用于任意数目的光子器件的控制。阵列式控制电路控制光子器件时，脉冲产生阵列产生的宽度脉冲对节点驱动电路的输出独立配置。控制单元优选为数模转换器dac。
24.电路整体结构如图1所示，整个电路可分为脉冲阵列产生电路与节点驱动电路。脉冲阵列产生电路设计案例如图2所示，列控制单元与行控制单元间存在两限流电阻，两限流电阻之间为输出节点，脉冲输出节点连接到节点驱动电路的控制输入端。
25.每个节点驱动电路设计案例如图3所示，节点驱动电路包括二极管d1、d2，场效应管q1、q2、q3，光子器件r1、电阻r2、r3，电容c1，二极管d1的负极分别连接二极管d2的负极、脉冲输出节点，二极管d1的正极分别连接场效应管q1的栅极、场效应管q2的栅极、电阻r3，二极管d2的正极分别连接电阻r2、场效应管q3的栅极、电容c1，场效应管q1的漏极连接电阻r2的另一端，场效应管q1的源极连接场效应管q2的源极，场效应管q2的漏极分别连接电阻r3的另一端、电容c1的另一端、接地，场效应管q3的漏极连接光子器件r1，场效应管q3的源极接地，光子器件r1的另一端连接vee端。
26.本实用新型控制各节点的光子器件阵列控制方法包括：
27.s1.配置集成光子器件阵列，计算机根据光子器件所需功率计算对应的宽度脉冲；
28.s2.计算机控制脉冲阵列产生电路产生相应节点的宽度脉冲，控制节点驱动电路的功率控制开关；
29.s3.节点驱动电路根据节点宽度脉冲输出相应大小功率。
30.图1中row、column分别代表阵列电路控制端输入，即控制线，vin存在三个态1，
‑
1，0。其中1表示dac输出正脉冲；
‑
1表示dac输出负脉冲；0表示dac输出0v，不影响驱动电路。当某个脉冲输出节点(p,q)为对应控制线输入为(1，1)、(
‑
1，
‑
1)时该节点选通并配置输出。其中(1，1)对应脉冲控制驱动源开关断开；(
‑
1，
‑
1)对应脉冲控制驱动源闭合；其他态例如(1，0)、(
‑
1，0)、(1，
‑
1)等，由于节点驱动电路中二极管的电流路径限制，及场效应管电压控制电流的特性，并不对输出产生影响；通过软件控制脉冲宽度大小来控制驱动源开关的大小，进而控制驱动源的输出功率。
31.这种n
×
m的阵列式控制电路控制光子器件阵列时，是通过脉冲产生阵列产生的宽度脉冲对对应输出进行独立配置，一个节点配置好后就能维持稳定输出不变，直到下一次脉冲1或
‑
1来临。继续配置其他节点时，不对已经配置好的节点产生影响，这是各个节点高电压产生脉冲相互独立，且配合驱动电路二极管限流作用下的结果。这解决了相移器必须同时输出的问题。它也能同时对1列或者行电路进行配置，加之驱动电路的充放电常数可以自由配置，这种电路的扫描速度非常快，对于16
×
16的阵列选取合适的时间常数扫描速度可以做到兆赫兹甚至更高级别。在设计初，充放电常数rc越小，整个电路的扫描速度越快，可以通过选取小的rc常数可提升整个电路扫描速度。
32.为了验证该电路的有效性，设计特定参数电路进行了计算，并且对驱动电路进行了仿真。
33.案例：需要对16
×
16的热光相移器阵列进行配置，阵列电路设计示例如图2和图3所示，热光相移器的电阻为r0＝1k，vin＝6v，稳压二极管d1的反向击穿电压为3.3v，二极管d2的型号为ss34，驱动电路中开关部分的充电(逻辑
‑
1)时间常数取为rc
充
＝0.01s，放电(逻辑1)时间常数rc
放
＝0.01s，节点驱动电路驱动源电压vee＝10v，场效应管模型q1、q2分别为
2sk3133，场效应管模型q3为2n4858。
34.脉冲宽度的大小t
w
可根据下式计算，
35.其中
36.p是相移器所需功率；u
p
是场效应管夹断电压；i
dss
为漏极饱和电流。对某一相移器进行一次完全充放电仿真，m点电位波形图如图4和5所示。
37.配置集成光子器件阵列细化：本例提供两种对所有相移器的配置方法，并对其中某个相移器(p，q)驱动电路进行仿真。第一种配置步骤可为：1.脉冲阵列电路所有行列控制线都通入输入逻辑
‑
1(
‑
6v)，持续3rc
充
秒完全断开所有驱动开关；2.计算第一个相移器所需功率p对应的u
gs
，计算对应所需的宽度脉冲大小t
w
，并给一行一列控制线(配置节点(1，1))同时选通逻辑1(本例为6v)，通电时其他行列控制线保持逻辑0(本例0v)，持续时间t
w
，完成配置；3.重复上述步骤2，完成所有相移器的配置。
38.第二种配置步骤为：1.脉冲阵列电路所有行列控制线都通入输入逻辑
‑
1(本例为
‑
6v)，持续3rc
充
秒完全断开所有驱动开关；2.除第一列控制线置1外所有列控制线置0，所有行控制线对应第一列的节点置1，持续相应节点功率计算的时间；3.3rc
放
秒后对所有列进行上述2步骤，直到完成所有列配置；
39.对序号(p，q)驱动电路仿真输出如图6所示，可看出可以通过改变脉冲宽度，从而改变驱动源输出功率。
40.本实用新型提出了一种适用于大规模集成光子器件阵列的控制电路想法，可用于光学相控阵、光开关阵列等。该想法可根据需要实现对大规模光子器件阵列中部分或全部器件的同时控制。相比于目前采用的直接控制电路设计，本实用新型能显著减少控制线的数量，实现更大规模的阵列。以光学相控阵控制电路为例，对于n
×
m阵列，直接用数模转换器(dac)控制需要n
×
m个独立dac输出，而本实用新型最少只需(n m)个独立dac输出即可实现对相位控制阵列的控制，利于减少大规模光学相控阵列控制电路的复杂度和成本，从而增加光学相控阵列规模，提高光学相控阵等光电子器件阵列的综合性能。
41.以上内容是结合具体的优选实施方式对本实用新型所作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施只局限于这些说明。对于本实用新型所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本实用新型的保护范围。