[發明專利]用于光學參數控制的自適應步長調節最值鎖定方法和系統

有效

• 申請號: 202110270141.5
• 申請日: 2021-03-12
• 公開（公告）號: CN113093534B
• 公開（公告）日: 2022-05-27
• 發明（設計）人: 譚旻;明達;汪志城;汪宇航
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04;G02F1/01
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 夏倩

本發明公開了一種用于光學參數控制的自適應步長調節最值鎖定方法和系統，屬于光電芯片設計領域。本發明提出的自適應步長調節方法在檢測到光子器件物理量處于連續“上坡”或連續“下坡”狀態，則增大步長，以加快鎖定速度；在檢測到物理量處于最值附近抖動的狀態，則減小步長，以增大鎖定精度，從而同時實現高鎖定精度與高鎖定速度，用于快速且精準的最值鎖定。較于已有的最值鎖定算法而言，本發明只涉及到簡單的加減乘除操作，僅需要簡單的邏輯操作即可實現，因此在較小的硬件開銷下即可實現自適應步長調節，無需模數轉換器的協助，從而克服已有自適應步長調整算法存在的硬件開銷大的問題，適用于大規模使用。

技術領域

本發明屬于光電芯片設計領域，更具體地，涉及一種用于光學參數控制的自適應步長調節最值鎖定方法和系統。

背景技術

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模集成等諸多優點，廣泛用于光通信、光探測以及光計算等領域。為了防止光子器件的光學參數由于溫度變化、制造工藝偏差以及輸入激光變化等影響而發生改變，通常會引入閉環反饋控制系統對其光學參數進行檢測及控制。如圖1所示，閉環反饋控制系統大都由光子器件、監控單元、控制算法單元以及調諧單元組成。其工作原理為：監控單元檢測光子器件的光學參數，控制算法單元根據合適的控制算法計算出合適的輸出值給調諧單元，調諧單元實現對光子器件的光學參數的調節。

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，即結合監控單元檢測得到的代表光學參數的物理量，根據檢測得到的物理量與通過手動或者自動設置的參考值的差距，計算出合適的輸出值給調諧單元，最終實現鎖定到參考點附近。雖然參考值鎖定算法硬件實現較為容易，但是需要保證手動或者自動設置的參考值的可靠性，不然會導致最后鎖定點的偏差。例如，若沒有額外的輔助模塊，輸入激光功率波動會使得監控單元檢測到的物理量發生變化，然而微環諧振器的諧振波長等光學參數并不會隨著輸入激光功率變化而劇烈改變，因此會導致鎖定點的偏移。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的應用場景。其工作原理為：結合監控單元檢測得到的代表光學參數的物理量，根據物理量的變化以及上一時刻輸出值的變化判斷出目前處于的狀態，從而做出下一個時刻的判斷，得出合適的輸出值，從而實現最值鎖定。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為當前時刻檢測到的物理量相較于上一時刻檢測到的物理量的大??；CONTROL_tn-1為上一時刻的控制值，控制上一時刻輸出值是增加還是減??；CONTROL_tn為當前時刻的控制值，控制當前時刻輸出值是增加還是減??；OUT_tn-1為上一時刻的輸出值；OUT_tn為當前時刻的輸出值；Step為每次輸出變化的變化量。最值鎖定算法能夠有效地補償工藝偏差、熱波動以及輸入激光變化帶來的光學參數的變化，并且同樣消耗較小的硬件資源，因此被廣泛應用于光子器件的光學參數的閉環反饋控制系統中。

已有的最值鎖定算法大都采用固定步長(Step)。當控制單元工作頻率一定時，更大的步長將帶來更快的鎖定速度，能夠快速的找到鎖定點以及補償變化更迅速的熱變化，但是會降低鎖定精度；更小的步長能夠實現更高的鎖定精度，但是使得鎖定速度降低以及難以補償快速變化的熱變化。當控制單元工作頻率提高時，縱然步長保持不變，但是也會導致明顯的抖動。因此，傳統的固定步長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調切換的方式來打破這種折衷，同時提高鎖定速度和鎖定精度，但是這種方式大都需要手動設置粗細調切換的閾值，不適合大規模使用。其次，當較大的熱波動發生時會導致粗細調切換機制發生錯誤，難以實現穩定的鎖定。有工作提出檢測物理量斜率的變化大小來動態調整步長，但是這種方式需要模數轉換模塊(Analog-to-DigitalConverter)以及復雜的計算單元來確定斜率的具體大小，增加了硬件開銷。

發明內容