CN112448261B - 激光器波长稳定控制方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种激光器波长稳定控制方法及装置，所述激光器波长稳定控制装置包括：光束分束器，与激光器的输出端相连，对所述激光器的输出进行分光；波长监控回路，一端与所述光束分束器相连，另一端与所述激光器的输入端相连，根据从所述光束分束器获取的所述激光器的波长控制所述激光器的温度和外调制频率使得激光器输出稳定的目标波长。本发明具有高精度、电路结构简单、响应速度快的特点，可以为量子通信提供一种简单实用的波长稳定的激光光源。

Description

激光器波长稳定控制方法及装置
技术领域
本发明涉及量子通信技术领域，特别是涉及量子通信中的激光器技术领域，具体为一种激光器波长稳定控制方法及装置。
背景技术
激光器的控制精度受制于线性逼近的区间划分颗粒度，实际上，波长与各影响因素之间并不是线性关系，只能在一个很小的区域划分内近似认为是线性的。为了达到更高的精度，就必须将区域划分得足够小，这样既加大计算负荷，也不能从根本上解决问题。
控制精度受制于扫描步进的细分程度，扫描步进是离散量，而稳定波长的变量原理上为连续量，参数的目标值极可能落在两个步进之间的区间。为了获得更高的精度，只能将步进设置的足够小，这样也会增加计算负荷。
现有的技术，一般采用简单的单片机进行控制，只能进行简单的计算，不能进行高速高精度的计算。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种激光器波长稳定控制方法及装置，用于解决现有技术中对激光器的控制中存在的控制精度低、控制电路复杂以及反应速度慢的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种激光器波长稳定控制装置，包括：光束分束器，与激光器的输出端相连，对所述激光器的输出进行分光；波长监控回路，一端与所述光束分束器相连，另一端与所述激光器的输入端相连，根据从所述光束分束器获取的所述激光器的波长控制所述激光器的温度和外调制频率使得激光器输出稳定的目标波长。
于本发明的一实施例中，所述波长监控回路包括：波长跟踪模块，与所述光束分束器相连，用于实时获取所述激光器的波长；信号处理模块，与所述波长跟踪模块相连，根据目标波长和所述波长跟踪模块获取的实时波长确定调节所述激光器的温度和外调制频率的调节结果；波长控制模块，与所述信号处理模块相连，根据所述信号处理模块输出的调节结果生成调节信号调节所述激光器的温度和外调制频率。
于本发明的一实施例中，所述信号处理模块包括：粗调单元，用于建立所述激光器的中心波长与温度、外调制频率的函数关系，根据目标波长和所述函数关系确定调节所述激光器的温度和外调制频率的粗调范围。
于本发明的一实施例中，所述粗调单元包括：函数确定单元，分别采用多项式拟合的方法获取波长-温度的曲线和波长-外调制频率曲线并根据所述波长-温度的曲线和所述波长-外调制频率曲线确定中心波长与温度、外调制频率的函数关系；二阶范数单元，获取激光器当前的温度和外调制频率下波长在所述函数关系形成的曲面上形成的波长点，根据二阶范数方法确定调节所述激光器的温度和外调制频率的粗调范围，以使得所述波长点以逐渐移动靠近所述目标波长平面和所述函数关系形成的曲面相交形成的曲线上任一点。
于本发明的一实施例中，所述信号处理模块还包括：细调单元，与所述粗调单元相连，控制所述粗调单元根据所述粗调范围和所述目标波长对粗调结果进行迭代计算直至所述粗调结果小于预设收敛值，将该所述粗调结果确定为调节所述激光器的温度和外调制频率的细调范围。
本发明的实施例还提供一种激光器波长稳定控制方法，所述激光器波长稳定控制方法包括：对激光器的输出进行分光；根据分光获取的所述激光器的波长控制所述激光器的温度和外调制频率使得激光器输出稳定的目标波长。
于本发明的一实施例中，所述根据分光获取的所述激光器的波长控制所述激光器的温度和外调制频率包括：建立所述激光器的中心波长与温度、外调制频率的函数关系；根据目标波长和所述函数关系确定调节所述激光器的温度和外调制频率的粗调范围。
于本发明的一实施例中，所述建立所述激光器的中心波长与温度、外调制频率的函数关系包括：分别采用多项式拟合的方法获取波长-温度的曲线和波长-外调制频率曲线；根据所述波长-温度的曲线和所述波长-外调制频率曲线确定中心波长与温度、外调制频率的函数关系；所述根据目标波长和所述函数关系确定调节所述激光器的温度和外调制频率的粗调范围包括：获取激光器当前的温度和外调制频率下波长在所述函数关系形成的曲面上形成的波长点；根据二阶范数方法确定调节所述激光器的温度和外调制频率的粗调范围，以使得所述波长点以逐渐移动靠近所述目标波长平面和所述函数关系形成的曲面相交形成的曲线上任一点。
于本发明的一实施例中，所述激光器波长稳定控制方法还包括：将所述函数关系以查找表的形式存储。
于本发明的一实施例中，所述根据分光获取的所述激光器的波长控制所述激光器的温度和外调制频率还包括：根据所述粗调范围和所述目标波长对粗调结果进行迭代计算直至所述粗调结果小于预设收敛值；将该所述粗调结果确定为调节所述激光器的温度和外调制频率的细调范围。
如上所述，本发明的激光器波长稳定控制方法及装置具有以下有益效果：
本发明具有高精度、电路结构简单、响应速度快的特点，可以为量子通信提供一种简单实用的波长稳定的激光光源。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1显示为本发明的激光器波长稳定控制方法的流程示意图。
图2显示为本发明的激光器波长稳定控制方法中确定粗调范围的流程示意图。
图3显示为本发明的激光器波长稳定控制方法中建立函数关系的流程示意图。
图4显示为本发明的激光器波长稳定控制方法中建立的函数关系示意图。
图5显示为本发明的激光器波长稳定控制方法中获取粗调范围的流程示意图。
图6显示为本发明的激光器波长稳定控制方法中获取粗调范围的图表显示示意图。
图7显示为本发明的激光器波长稳定控制方法中确定细调范围的流程示意图。
图8显示为本发明的激光器波长稳定控制方法中确定细调范围的图表示意图。
图9显示为本发明的激光器波长稳定控制装置的原理示意图。
图10显示为本发明的激光器波长稳定控制装置中信号处理模块的原理框图。
图11显示为本发明的激光器波长稳定控制装置中粗调单元的原理框图。
元件标号说明
100 激光器波长稳定控制装置
110 光束分束器
120 波长监控回路
121 波长跟踪模块
122 信号处理模块
1221 粗调单元
1221a 函数确定单元
1221b 二阶范数单元
1222 细调单元
123 波长控制模块
200 激光器
S110～S120 步骤
S121～S124 步骤
S121a～S121b 步骤
S122a～S122b 步骤
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
请参阅图1至图11。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
实施例1
本实施例的目的在于提供一种激光器波长稳定控制方法及装置，用于解决现有技术中对激光器的控制中存在的控制精度低、控制电路复杂以及反应速度慢的问题。
本实施例中的激光器波长稳定控制方法及装置通过激光器温度、外调制频率和激光器波长之间的负反馈系统，建立波长监控回路，来稳定波长。先采用二阶范数理论和查找表(LUT)控制方法进行粗调节，再采用最小二乘迭代法(LSM)进行细调节，克服已有技术波长控制精度低、控制电路复杂、反应速度慢的缺陷。
以下将详细阐述本发明的激光器波长稳定控制方法及装置的原理及实施方式，使本领域技术人员不需要创造性劳动即可理解本发明的激光器波长稳定控制方法及装置。
具体地，如图1所示，本发明的实施例提供了一种激光器波长稳定控制方法，所述激光器波长稳定控制方法包括以下步骤：
步骤S110，对激光器的输出进行分光；
步骤S120，根据分光获取的所述激光器的波长控制所述激光器的温度和外调制频率使得激光器输出稳定的目标波长。
以下对本实施例中激光器波长稳定控制方法的步骤S110至步骤S120进行详细说明。
步骤S110，对激光器的输出进行分光。
其中，分光比例为1～5:95～99，1～5分光光束用于进行控制处理，95～99的分光光束用于进行激光器的正常输出，例如，分光比优选为99:1，其中1％部分的光束用于本实施例中激光器波长稳定控制方法中的控制。
步骤S120，根据分光获取的所述激光器的波长控制所述激光器的温度和外调制频率使得激光器输出稳定的目标波长。
于本实施例中，实时监测激光器的输出波长，精度±1pm，然后执行波长控制算法，输出的控制信号用于控制激光器的温度、外调制频率。
具体地，于本实施例中，如图2所示，所述根据分光获取的所述激光器的波长控制所述激光器的温度和外调制频率包括：
步骤S121，建立所述激光器的中心波长与温度、外调制频率的函数关系；
步骤S122，根据目标波长和所述函数关系确定调节所述激光器的温度和外调制频率的粗调范围。
于本实施例中，如图3所示，所述建立所述激光器的中心波长与温度、外调制频率的函数关系包括：
步骤S121a，分别采用多项式拟合的方法获取波长-温度的曲线和波长-外调制频率曲线；
步骤S121b，根据所述波长-温度的曲线和所述波长-外调制频率曲线确定中心波长与温度、外调制频率的函数关系。
在激光器工作温度的范围内，温度与波长呈线性关系，温度升高，波长向增加的方向漂移。通过测量温度-波长的关系，采用多项式拟合的方法，确定拟合系数，最终得到波长-温度的曲线。
改变外调制频率，会改变单位时间内激光器发光的次数，从而影响到工作温度，也会使波长发生漂移。通过测量波长-外调制频率的关系，采用多项式拟合的方法，确定拟合系数，最终得到波长-外调制频率曲线。
根据所述波长-温度的曲线和所述波长-外调制频率曲线的两个关系，确定波长分布函数。将温度T和外调制频率f作为两个自变量，波长λ可以表示为这两个变量的函数λ＝H(T,f)，如图4所示。
于本实施例中，所述激光器波长稳定控制方法还包括：将所述函数关系以查找表的形式存储。例如所述函数关系可以以查找表的形式，写入FPGA芯片中。
于本实施例中，如图5所示，所述根据目标波长和所述函数关系确定调节所述激光器的温度和外调制频率的粗调范围包括：
步骤S122a，获取激光器当前的温度和外调制频率下波长在所述函数关系形成的曲面上形成的波长点；
步骤S122b，根据二阶范数方法确定调节所述激光器的温度和外调制频率的粗调范围，以使得所述波长点以逐渐移动靠近所述目标波长平面和所述函数关系形成的曲面相交形成的曲线上任一点。
例如，如图6所示，实际测量的波长为λt，而需要得到的目标波长为λ0。可以将实际测量的温度Tt，外调制频率ft，表示为在TOf平面中的点A(Tt,ft)。
图4中目标波长所在平面λ＝λ0与曲面相交，其交线在TOf平面上投影曲线L表示了波长为λ0时，对应的温度T0和外调制频率f0所有可能的组合，如图6所示。
其中，点A到L上任意一点B的距离，用二阶范数表示为：
Figure BDA0002185920390000061
改变温度和外调制频率两个参数，将A点移动至B点，就可以得到目标波长λ0。
其中，可以根据二阶范数确定参数修订的范围，逻辑简洁清晰，计算精度高，运算量小。一般情况下，在外调制频率为固定常量(即ft＝f0)的时候，
Figure BDA0002185920390000062
进一步简化为
Figure BDA0002185920390000063
计算量大幅度减小。至此，完成第一步的粗调节过程。
于本实施例中，如图7所示，所述根据分光获取的所述激光器的波长控制所述激光器的温度和外调制频率还包括：
步骤S123，根据所述粗调范围和所述目标波长对粗调结果进行迭代计算直至所述粗调结果小于预设收敛值；
步骤S124，将该所述粗调结果确定为调节所述激光器的温度和外调制频率的细调范围。
本实施例中，通过LSM算法，最终确定要调节的参数值。
具体地，如图8所示，第一步将A点移动至目标B点的邻域内，但仍需要细调节以获得更高的控制精度。在f不变的情况下，采用LSM迭代法，A点会逐步朝着B点的位置移动。
设置一个足够小的预设收敛值ε，当||AB||≤ε时，认为计算结果收敛，最终可以获得精确的Tt调节值。将计算得到的新的反馈控制值输出给激光器，判断激光器的的输出波长，是否达到或者保持在对应的目标波长；若未达到或者保持在目标波长，返回执行算法，使信号达到或者保持在目标波长；若达到或者保持在目标波长，连续执行波长稳定控制，使波长获得准确和稳定的控制。所以本实施例的激光器波长稳定控制方法提高了波长实时控制的精度，实现量子通信中激光器高稳定的波长输出。
实施例2
如图9所示，为实现上述实施例1中的激光器波长稳定控制方法，本实施例提供一种激光器波长稳定控制装置100，所述激光器波长稳定控制装置100包括：光束分束器110和波长监控回路120。
于本实施例中，所述光束分束器110与激光器200的输出端相连，对所述激光器200的输出进行分光。
其中，激光器200的输出通过光束分束器110，光束分束器110分光比例为1～5:95～99，1～5分光光束进入波长监控回路120，用于进行控制处理，95～99的分光光束用于进行激光器200的正常输出，例如，光束分束器110的分光比为99:1，其中1％部分的光束进入波长监控回路120，用于本实施例中波长监控回路120进行控制。
于本实施例中，所述波长监控回路120一端与所述光束分束器110相连，另一端与所述激光器200的输入端相连，根据从所述光束分束器110获取的所述激光器200的波长控制所述激光器200的温度和外调制频率使得激光器200输出稳定的目标波长。
具体地，于本实施例中，如图9所示，所述波长监控回路120包括：波长跟踪模块121，信号处理模块122以及波长控制模块123。
于本实施例中，所述波长跟踪模块121与所述光束分束器110相连，用于实时获取所述激光器200的波长。所述波长跟踪模块121例如采用波长计，实时监测激光器200的输出波长，精度±1pm。波长跟踪模块121的输出与信号处理模块122的输入相连。
于本实施例中，所述信号处理模块122与所述波长跟踪模块121相连，根据目标波长和所述波长跟踪模块121获取的实时波长确定调节所述激光器200的温度和外调制频率的调节结果。
所述信号处理模块122主体为FPGA，执行波长控制算法，所述信号处理模块122将调节结果输出给所述波长控制模块123。
于本实施例中，所述波长控制模块123与所述信号处理模块122相连，根据所述信号处理模块122输出的调节结果生成调节信号调节所述激光器200的温度和外调制频率。
具体地，于本实施例中，如图10所示，所述信号处理模块122包括：粗调单元1221，用于建立所述激光器200的中心波长与温度、外调制频率的函数关系，根据目标波长和所述函数关系确定调节所述激光器200的温度和外调制频率的粗调范围。
其中，如图11所示，所述粗调单元1221包括：函数确定单元1221a和二阶范数单元1221b。
于本实施例中，所述函数确定单元1221a分别采用多项式拟合的方法获取波长-温度的曲线和波长-外调制频率曲线并根据所述波长-温度的曲线和所述波长-外调制频率曲线确定中心波长与温度、外调制频率的函数关系。
具体地，在激光器200工作温度的范围内，温度与波长呈线性关系，温度升高，波长向增加的方向漂移。通过测量温度-波长的关系，采用多项式拟合的方法，确定拟合系数，最终得到波长-温度的曲线。
改变外调制频率，会改变单位时间内激光器200发光的次数，从而影响到工作温度，也会使波长发生漂移。通过测量波长-外调制频率的关系，采用多项式拟合的方法，确定拟合系数，最终得到波长-外调制频率曲线。
根据所述波长-温度的曲线和所述波长-外调制频率曲线的两个关系，确定波长分布函数。将温度T和外调制频率f作为两个自变量，波长λ可以表示为这两个变量的函数λ＝H(T,f)，如图4所示。
于本实施例中，所述二阶范数单元1221b获取激光器200当前的温度和外调制频率下波长在所述函数关系形成的曲面上形成的波长点，根据二阶范数方法确定调节所述激光器200的温度和外调制频率的粗调范围，以使得所述波长点以逐渐移动靠近所述目标波长平面和所述函数关系形成的曲面相交形成的曲线上任一点。
例如，如图6所示，实际测量的波长为λt，而需要得到的目标波长为λ0。可以将实际测量的温度Tt，外调制频率ft，表示为在TOf平面中的点A(Tt,ft)。
图4中目标波长所在平面λ＝λ0与曲面相交，其交线在TOf平面上投影曲线L表示了波长为λ0时，对应的温度T0和外调制频率f0所有可能的组合，如图6所示。
其中，点A到L上任意一点B的距离，用二阶范数表示为：
Figure BDA0002185920390000091
改变温度和外调制频率两个参数，将A点移动至B点，就可以得到目标波长λ0。
其中，可以根据二阶范数确定参数修订的范围，逻辑简洁清晰，计算精度高，运算量小。一般情况下，在外调制频率为固定常量(即ft＝f0)的时候，
Figure BDA0002185920390000092
进一步简化为
Figure BDA0002185920390000093
计算量大幅度减小。至此，完成第一步的粗调节过程。
于本实施例中，如图10所示，所述信号处理模块122还包括：细调单元1222，与所述粗调单元1221相连，控制所述粗调单元1221根据所述粗调范围和所述目标波长对粗调结果进行迭代计算直至所述粗调结果小于预设收敛值，将该所述粗调结果确定为调节所述激光器200的温度和外调制频率的细调范围。
本实施例中，所述细调单元1222通过LSM算法，最终确定要调节的参数值。
具体地，如图8所示，第一步将A点移动至目标B点的邻域内，但仍需要细调节以获得更高的控制精度。在f不变的情况下，采用LSM迭代法，A点会逐步朝着B点的位置移动。
设置一个足够小的预设收敛值ε，当||AB||≤ε时，认为计算结果收敛，最终可以获得精确的Tt调节值。将计算得到的新的反馈控制值输出给激光器200，判断激光器200的输出波长，是否达到或者保持在对应的目标波长；若未达到或者保持在目标波长，返回执行算法，使信号达到或者保持在目标波长；若达到或者保持在目标波长，连续执行波长稳定控制，使波长获得准确和稳定的控制。所以本实施例的激光器波长稳定控制装置100提高了波长实时控制的精度，实现量子通信中激光器200高稳定的波长输出。
综上所述，本发明具有高精度、电路结构简单、响应速度快的特点，可以为量子通信提供一种简单实用的波长稳定的激光光源。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中包括通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (5)

1.一种激光器波长稳定控制装置，其特征在于，包括：
光束分束器，与激光器的输出端相连，对所述激光器的输出进行分光；
波长监控回路，一端与所述光束分束器相连，另一端与所述激光器的输入端相连，根据从所述光束分束器获取的所述激光器的波长控制所述激光器的温度和外调制频率使得激光器输出稳定的目标波长；
所述波长监控回路包括：
波长跟踪模块，与所述光束分束器相连，用于实时获取所述激光器的波长；
信号处理模块，与所述波长跟踪模块相连，根据目标波长和所述波长跟踪模块获取的实时波长确定调节所述激光器的温度和外调制频率的调节结果；
波长控制模块，与所述信号处理模块相连，根据所述信号处理模块输出的调节结果生成调节信号调节所述激光器的温度和外调制频率；
所述信号处理模块包括：
粗调单元，用于建立所述激光器的中心波长与温度、外调制频率的函数关系，根据目标波长和所述函数关系确定调节所述激光器的温度和外调制频率的粗调范围；
细调单元，与所述粗调单元相连，控制所述粗调单元根据所述粗调范围和所述目标波长对粗调结果进行迭代计算直至所述粗调结果小于预设收敛值，将该所述粗调结果确定为调节所述激光器的温度和外调制频率的细调范围。
2.根据权利要求1所述的激光器波长稳定控制装置，其特征在于，所述粗调单元包括：
函数确定单元，分别采用多项式拟合的方法获取波长-温度的曲线和波长-外调制频率曲线并根据所述波长-温度的曲线和所述波长-外调制频率曲线确定中心波长与温度、外调制频率的函数关系；
二阶范数单元，获取激光器当前的温度和外调制频率下波长在所述函数关系形成的曲面上形成的波长点，根据二阶范数方法确定调节所述激光器的温度和外调制频率的粗调范围，以使得所述波长点以逐渐移动靠近所述目标波长平面和所述函数关系形成的曲面相交形成的曲线上任一点。
3.一种激光器波长稳定控制方法，其特征在于，所述激光器波长稳定控制方法包括：
对激光器的输出进行分光；
根据分光获取的所述激光器的波长控制所述激光器的温度和外调制频率使得激光器输出稳定的目标波长；
所述根据分光获取的所述激光器的波长控制所述激光器的温度和外调制频率包括：
建立所述激光器的中心波长与温度、外调制频率的函数关系；
根据目标波长和所述函数关系确定调节所述激光器的温度和外调制频率的粗调范围；所述根据分光获取的所述激光器的波长控制所述激光器的温度和外调制频率还包括：
根据所述粗调范围和所述目标波长对粗调结果进行迭代计算直至所述粗调结果小于预设收敛值；
将该所述粗调结果确定为调节所述激光器的温度和外调制频率的细调范围。
4.根据权利要求3所述的激光器波长稳定控制方法，其特征在于，所述建立所述激光器的中心波长与温度、外调制频率的函数关系包括：
分别采用多项式拟合的方法获取波长-温度的曲线和波长-外调制频率曲线；
根据所述波长-温度的曲线和所述波长-外调制频率曲线确定中心波长与温度、外调制频率的函数关系；
所述根据目标波长和所述函数关系确定调节所述激光器的温度和外调制频率的粗调范围包括：
获取激光器当前的温度和外调制频率下波长在所述函数关系形成的曲面上形成的波长点；
根据二阶范数方法确定调节所述激光器的温度和外调制频率的粗调范围，以使得所述波长点以逐渐移动靠近所述目标波长平面和所述函数关系形成的曲面相交形成的曲线上任一点。
5.根据权利要求3所述的激光器波长稳定控制方法，其特征在于，所述激光器波长稳定控制方法还包括：
将所述函数关系以查找表的形式存储。
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