[發(fā)明專利]用于光學(xué)參數(shù)控制的自適應(yīng)步長(zhǎng)調(diào)節(jié)最值鎖定方法和系統(tǒng)

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110270141.5
• 申請(qǐng)日: 2021-03-12
• 公開（公告）號(hào): CN113093534B
• 公開（公告）日: 2022-05-27
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 譚旻;明達(dá);汪志城;汪宇航
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 華中科技大學(xué)
• 主分類號(hào): G05B13/04
• 分類號(hào): G05B13/04;G02F1/01
• 代理公司: 華中科技大學(xué)專利中心 42201
• 代理人: 夏倩

本發(fā)明公開了一種用于光學(xué)參數(shù)控制的自適應(yīng)步長(zhǎng)調(diào)節(jié)最值鎖定方法和系統(tǒng)，屬于光電芯片設(shè)計(jì)領(lǐng)域。本發(fā)明提出的自適應(yīng)步長(zhǎng)調(diào)節(jié)方法在檢測(cè)到光子器件物理量處于連續(xù)“上坡”或連續(xù)“下坡”狀態(tài)，則增大步長(zhǎng)，以加快鎖定速度；在檢測(cè)到物理量處于最值附近抖動(dòng)的狀態(tài)，則減小步長(zhǎng)，以增大鎖定精度，從而同時(shí)實(shí)現(xiàn)高鎖定精度與高鎖定速度，用于快速且精準(zhǔn)的最值鎖定。較于已有的最值鎖定算法而言，本發(fā)明只涉及到簡(jiǎn)單的加減乘除操作，僅需要簡(jiǎn)單的邏輯操作即可實(shí)現(xiàn)，因此在較小的硬件開銷下即可實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)步長(zhǎng)調(diào)節(jié)，無(wú)需模數(shù)轉(zhuǎn)換器的協(xié)助，從而克服已有自適應(yīng)步長(zhǎng)調(diào)整算法存在的硬件開銷大的問(wèn)題，適用于大規(guī)模使用。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于光電芯片設(shè)計(jì)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種用于光學(xué)參數(shù)控制的自適應(yīng)步長(zhǎng)調(diào)節(jié)最值鎖定方法和系統(tǒng)。

背景技術(shù)

片上光子器件擁有著傳輸帶寬高、傳輸損耗小以及易于大規(guī)模集成等諸多優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于光通信、光探測(cè)以及光計(jì)算等領(lǐng)域。為了防止光子器件的光學(xué)參數(shù)由于溫度變化、制造工藝偏差以及輸入激光變化等影響而發(fā)生改變，通常會(huì)引入閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)對(duì)其光學(xué)參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)及控制。如圖1所示，閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)大都由光子器件、監(jiān)控單元、控制算法單元以及調(diào)諧單元組成。其工作原理為：監(jiān)控單元檢測(cè)光子器件的光學(xué)參數(shù)，控制算法單元根據(jù)合適的控制算法計(jì)算出合適的輸出值給調(diào)諧單元，調(diào)諧單元實(shí)現(xiàn)對(duì)光子器件的光學(xué)參數(shù)的調(diào)節(jié)。

控制算法大部分可以分為最值鎖定算法和參考值鎖定算法兩類。參考值鎖定算法，即結(jié)合監(jiān)控單元檢測(cè)得到的代表光學(xué)參數(shù)的物理量，根據(jù)檢測(cè)得到的物理量與通過(guò)手動(dòng)或者自動(dòng)設(shè)置的參考值的差距，計(jì)算出合適的輸出值給調(diào)諧單元，最終實(shí)現(xiàn)鎖定到參考點(diǎn)附近。雖然參考值鎖定算法硬件實(shí)現(xiàn)較為容易，但是需要保證手動(dòng)或者自動(dòng)設(shè)置的參考值的可靠性，不然會(huì)導(dǎo)致最后鎖定點(diǎn)的偏差。例如，若沒有額外的輔助模塊，輸入激光功率波動(dòng)會(huì)使得監(jiān)控單元檢測(cè)到的物理量發(fā)生變化，然而微環(huán)諧振器的諧振波長(zhǎng)等光學(xué)參數(shù)并不會(huì)隨著輸入激光功率變化而劇烈改變，因此會(huì)導(dǎo)致鎖定點(diǎn)的偏移。最值鎖定算法，又可稱為爬坡算法，適合需要鎖定到局部最值點(diǎn)的應(yīng)用場(chǎng)景。其工作原理為：結(jié)合監(jiān)控單元檢測(cè)得到的代表光學(xué)參數(shù)的物理量，根據(jù)物理量的變化以及上一時(shí)刻輸出值的變化判斷出目前處于的狀態(tài)，從而做出下一個(gè)時(shí)刻的判斷，得出合適的輸出值，從而實(shí)現(xiàn)最值鎖定。如圖2所示為最大值鎖定算法流程圖，如圖3所示為最小值鎖定算法。其中，SLOPE_tn為當(dāng)前時(shí)刻檢測(cè)到的物理量相較于上一時(shí)刻檢測(cè)到的物理量的大小；CONTROL_tn-1為上一時(shí)刻的控制值，控制上一時(shí)刻輸出值是增加還是減小；CONTROL_tn為當(dāng)前時(shí)刻的控制值，控制當(dāng)前時(shí)刻輸出值是增加還是減小；OUT_tn-1為上一時(shí)刻的輸出值；OUT_tn為當(dāng)前時(shí)刻的輸出值；Step為每次輸出變化的變化量。最值鎖定算法能夠有效地補(bǔ)償工藝偏差、熱波動(dòng)以及輸入激光變化帶來(lái)的光學(xué)參數(shù)的變化，并且同樣消耗較小的硬件資源，因此被廣泛應(yīng)用于光子器件的光學(xué)參數(shù)的閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)中。

已有的最值鎖定算法大都采用固定步長(zhǎng)(Step)。當(dāng)控制單元工作頻率一定時(shí)，更大的步長(zhǎng)將帶來(lái)更快的鎖定速度，能夠快速的找到鎖定點(diǎn)以及補(bǔ)償變化更迅速的熱變化，但是會(huì)降低鎖定精度；更小的步長(zhǎng)能夠?qū)崿F(xiàn)更高的鎖定精度，但是使得鎖定速度降低以及難以補(bǔ)償快速變化的熱變化。當(dāng)控制單元工作頻率提高時(shí)，縱然步長(zhǎng)保持不變，但是也會(huì)導(dǎo)致明顯的抖動(dòng)。因此，傳統(tǒng)的固定步長(zhǎng)的最值鎖定算法存在鎖定速度和鎖定精度之間的折衷。有工作提出采用粗細(xì)調(diào)切換的方式來(lái)打破這種折衷，同時(shí)提高鎖定速度和鎖定精度，但是這種方式大都需要手動(dòng)設(shè)置粗細(xì)調(diào)切換的閾值，不適合大規(guī)模使用。其次，當(dāng)較大的熱波動(dòng)發(fā)生時(shí)會(huì)導(dǎo)致粗細(xì)調(diào)切換機(jī)制發(fā)生錯(cuò)誤，難以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的鎖定。有工作提出檢測(cè)物理量斜率的變化大小來(lái)動(dòng)態(tài)調(diào)整步長(zhǎng)，但是這種方式需要模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊(Analog-to-DigitalConverter)以及復(fù)雜的計(jì)算單元來(lái)確定斜率的具體大小，增加了硬件開銷。

發(fā)明內(nèi)容