用于高效片上热光调控的新型双通道动态电源芯片研究

Silicon photonics is one of the important options in the "More-than-Moore” era and has shown great potential for commercial applications already. Thermal-optical tuning is regarded as one of the key dynamic control techniques for silicon integrated optical devices and has important applications in optical modulators, filters and so on. Thermal-optical tuning controls the temperature of the optical devices by changing the supply voltage of the heaters, which are resistors; therefore, its performance critically depends on a high-performance power supply. However, conventional linear power supplies with fixed input voltage are inefficient for thermal-optical tuning and may cause thermal cross talk. This proposal points out the dynamic power supply as a new way to overcome the limitations of conventional linear power supplies by reducing their dropout voltages through dynamically adjusting their supply voltages. A novel dual-output switch/linear series-connected hybrid supply is proposed. By using a 3-level time-domain rippled-based buck converter and a dual-supply dual-phase LDO, we are able to improve the efficiency, bandwidth and dynamic power range of the dynamic power supply. This approach holds huge potential for future large-scale silicon photonics.

硅基光电子是后摩尔时代的重要方向，且已经表现出巨大的商业潜力。热光调制是硅基光子器件的核心动态控制技术，在光电调制器、滤波器等方面均有重要应用。热光调制通常使用片上电阻作为热调器，通过改变热调器供电电压来调节器件温度，需要一个高性能的电源。传统的线性电源可以为热光调制供电，但是效率低，同时会造成额外的热串扰。本项目提出了使用动态电源的方法来克服传统线性电源缺陷的新思路，通过减小供电电源输入与输出压差，提升热光调制的供电效率，并基于该思路提出了一种双通道开关-线性串联型混合动态电源新架构。该架构通过使用三电平时域纹波控制的开关转换器控制新方法以及控制功率供电分离的双路线性稳压器新架构，提升了动态电源在效率、速度及动态功率范围等方面的性能，在未来大规模光电芯片中有巨大的应用潜力。

光电系统正在经历一个从分立到集成的过程，硅基光电子是主流的光电集成方案。作为硅基光电芯片的重要组成部分，热光调制的供电电源也必将经历一个从分立到集成，且性能不断提升的一个过程。针对音频、射频功放等传统应用，动态电源可以实现大幅效率提升。类似地，动态电源有可能被用于提升热光调制供电的效率。不同于传统音频和射频功放供电，热光调制的负载为确定性的阻性负载、且热调功率较小，并通常需要支持多个供电通道。现有动态电源不是专门针对热光调制而优化的，难以针对该特性应用实现优化的性能。本项目针对热调调制小阻性负载、多通道等特点，研究芯片面积减小、效率提升及多通道供电等三个方面的内容。. 针对芯片面积减小及多通道供电应用，本项目充分利用小负载情况下，控制器面积所占芯片面积比例大幅提升的特点，创新性地提出了钟控模拟时分复用LDO（TDM CLDO）的方案，通过引入模拟钟控操作，人为给控制器创造了空闲时间，从而使得控制器能够通过时分复用的方式单独对每个输出通道进行调节。时分复用模拟钟控LDO是一种原创性的新架构，是国际上首个能够实现硬件复用的连续闭环系统，大幅减小芯片面积。相关研究工作发表在电路与系统顶级刊物TCAS-1上。. 针对效率提升及多通道供电应用，本项目创新性地提出了一种适应于热调供电的多通道开关-线性混合动态电源新架构，使得动态电源在热光调节供电应用中变成可能。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。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），且具有应用于大规模热光调节的潜力。. 热调供电芯片是光电融合芯片的关键核心技术，兼具科研价值和实用性，是尚未开发的处女地。本项目是项目负责人所知国内外最早的专用硅光电源芯片项目，项目取得了一定的先发研究成果，如能获得继续支持，未来有望形成引领发展并实现产品成果转化。