CN113093534A - 用于光学参数控制的自适应步长调节最值锁定方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于光学参数控制的自适应步长调节最值锁定方法和系统，属于光电芯片设计领域。本发明提出的自适应步长调节方法在检测到光子器件物理量处于连续“上坡”或连续“下坡”状态，则增大步长，以加快锁定速度；在检测到物理量处于最值附近抖动的状态，则减小步长，以增大锁定精度，从而同时实现高锁定精度与高锁定速度，用于快速且精准的最值锁定。较于已有的最值锁定算法而言，本发明只涉及到简单的加减乘除操作，仅需要简单的逻辑操作即可实现，因此在较小的硬件开销下即可实现自适应步长调节，无需模数转换器的协助，从而克服已有自适应步长调整算法存在的硬件开销大的问题，适用于大规模使用。

Description

用于光学参数控制的自适应步长调节最值锁定方法和系统
技术领域
本发明属于光电芯片设计领域，更具体地，涉及一种用于光学参数控制的自适应步长调节最值锁定方法和系统。
背景技术
片上光子器件拥有着传输带宽高、传输损耗小以及易于大规模集成等诸多优点，广泛用于光通信、光探测以及光计算等领域。为了防止光子器件的光学参数由于温度变化、制造工艺偏差以及输入激光变化等影响而发生改变，通常会引入闭环反馈控制系统对其光学参数进行检测及控制。如图1所示，闭环反馈控制系统大都由光子器件、监控单元、控制算法单元以及调谐单元组成。其工作原理为：监控单元检测光子器件的光学参数，控制算法单元根据合适的控制算法计算出合适的输出值给调谐单元，调谐单元实现对光子器件的光学参数的调节。
控制算法大部分可以分为最值锁定算法和参考值锁定算法两类。参考值锁定算法，即结合监控单元检测得到的代表光学参数的物理量，根据检测得到的物理量与通过手动或者自动设置的参考值的差距，计算出合适的输出值给调谐单元，最终实现锁定到参考点附近。虽然参考值锁定算法硬件实现较为容易，但是需要保证手动或者自动设置的参考值的可靠性，不然会导致最后锁定点的偏差。例如，若没有额外的辅助模块，输入激光功率波动会使得监控单元检测到的物理量发生变化，然而微环谐振器的谐振波长等光学参数并不会随着输入激光功率变化而剧烈改变，因此会导致锁定点的偏移。最值锁定算法，又可称为爬坡算法，适合需要锁定到局部最值点的应用场景。其工作原理为：结合监控单元检测得到的代表光学参数的物理量，根据物理量的变化以及上一时刻输出值的变化判断出目前处于的状态，从而做出下一个时刻的判断，得出合适的输出值，从而实现最值锁定。如图2所示为最大值锁定算法流程图，如图3所示为最小值锁定算法。其中，SLOPEtn为当前时刻检测到的物理量相较于上一时刻检测到的物理量的大小；CONTROLtn-1为上一时刻的控制值，控制上一时刻输出值是增加还是减小；CONTROLtn为当前时刻的控制值，控制当前时刻输出值是增加还是减小；OUTtn-1为上一时刻的输出值；OUTtn为当前时刻的输出值；Step为每次输出变化的变化量。最值锁定算法能够有效地补偿工艺偏差、热波动以及输入激光变化带来的光学参数的变化，并且同样消耗较小的硬件资源，因此被广泛应用于光子器件的光学参数的闭环反馈控制系统中。
已有的最值锁定算法大都采用固定步长(Step)。当控制单元工作频率一定时，更大的步长将带来更快的锁定速度，能够快速的找到锁定点以及补偿变化更迅速的热变化，但是会降低锁定精度；更小的步长能够实现更高的锁定精度，但是使得锁定速度降低以及难以补偿快速变化的热变化。当控制单元工作频率提高时，纵然步长保持不变，但是也会导致明显的抖动。因此，传统的固定步长的最值锁定算法存在锁定速度和锁定精度之间的折衷。有工作提出采用粗细调切换的方式来打破这种折衷，同时提高锁定速度和锁定精度，但是这种方式大都需要手动设置粗细调切换的阈值，不适合大规模使用。其次，当较大的热波动发生时会导致粗细调切换机制发生错误，难以实现稳定的锁定。有工作提出检测物理量斜率的变化大小来动态调整步长，但是这种方式需要模数转换模块(Analog-to-DigitalConverter)以及复杂的计算单元来确定斜率的具体大小，增加了硬件开销。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种用于光学参数控制的自适应步长调节最值锁定方法和系统，其目的在于克服现有的最值锁定算法中存在的瓶颈，实现低硬件开销、高锁定速度、高锁定精度以及易于大规模的光学参数控制与锁定。
为实现上述目的，本发明提供了一种一种用于光学参数控制的自适应步长调节最值锁定方法，包括：
S1.检测光子器件中代表光学参数的物理量；
S2.判断设定检测次数内SLOPEtn和SLOPEtn-1是否相同；若是，则执行步骤S3；若否，则执行S4；
其中，SLOPEtn为当前时刻检测到的物理量相较于上一时刻检测到的物理量的大小；SLOPEtn-1为上一时刻检测到的物理量相较于上上时刻检测到的物理量的大小；
S3.判断上一时刻的步长是否小于最大步长；若是，将当前时刻的步长Steptn设置为C*Steptn-1；C为每次步长调整的变化倍数；若否，则保持当前时刻的步长不变，返回执行步骤S1；Steptn-1为上一时刻的步长；
S4.判断上一时刻的步长是否大于最小步长；若是，将当前时刻的步长Steptn设置为Steptn-1/C；若否，则返回执行步骤S1；
S5.将当前时刻的步长Steptn输出给最值锁定算法，实现自适应步长调节的最值锁定；
重复步骤S1至步骤S5直至物理量达到最值。
进一步地，C根据期望锁定速度设置，锁定速度越大C越大。
进一步地，检测次数根据期望锁定稳定性设置，稳定性越高检测次数越大。
进一步地，光子器件包括微环谐振器、微环调制器、马赫曾德尔干涉仪以及马赫曾德尔调制器。
进一步地，最值锁定算法包括最小值锁定算法和最大值锁定算法。
进一步地，实现物理量最大值锁定时，将当前时刻的步长Steptn输出给最大值锁定算法。
进一步地，实现物理量最小值锁定时，将当前时刻的步长Steptn输出给最小值锁定算法。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果。
本发明提出的用于光学参数锁定的自适应步长调节的最值锁定方法相较于已有的最值锁定算法而言，只涉及到简单的加减乘除操作，仅需要简单的逻辑操作即可实现，因此在较小的硬件开销下即可实现自适应步长调节，无需模数转换器(ADC)的协助，从而克服已有自适应步长调整算法存在的硬件开销大的问题，适用于大规模使用。
本发明提出的自适应步长调节方法在检测到光子器件物理量处于连续“上坡”或连续“下坡”状态，则增大步长，以加快锁定速度；在检测到物理量处于最值附近抖动的状态，则减小步长，以增大锁定精度，从而同时实现高锁定精度与高锁定速度，用于快速且精准的最值锁定。
附图说明
图1为用于光子器件的光学参数的闭环锁定环路原理图；
图2是已有的用于光学参数锁定的最大值锁定算法；
图3是已有的用于光学参数锁定的最小值锁定算法；
图4是按照本发明的自适应步长调节算法；
图5是用于微环谐振波长锁定的自适应步长调节的最值锁定算法；
图6是用于马赫曾德尔干涉仪偏压点锁定的自适应步长调节的最值锁定算法；
图7是用于微环阵列谐振波长锁定的自适应步长调节的最值锁定算法；
图8是用于马赫曾德尔干涉仪阵列偏压点锁定的自适应步长调节的最值锁定算法。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明提供的最值锁定方法基于如图4所示的自适应步长调节方法，具体包括：多次检测SLOPEtn和SLOPEtn-1是否相同/不同；如果多次检测SLOPEtn和SLOPEtn-1相同，表示处于连续“上坡”或连续“下坡”状态，则增大步长，以加快锁定速度；如果多次检测SLOPEtn和SLOPEtn-1不同，表示处于最值附近抖动的状态，则减小步长，以增大锁定精度。
其中，SLOPEtn为当前时刻检测到的物理量相较于上一时刻检测到的物理量的大小；SLOPEtn-1为上一时刻检测到的物理量相较于上上时刻检测到的物理量的大小；Steptn为当前时刻的步长；Steptn-1为上一时刻的步长；StepMAX为最大步长；StepMIN为最小步长；k为连续检测次数；i为计数变量；flag为标志变量；C为每次步长调整的变化倍数。
C根据需求的锁定速度来设置，如若需要更高的锁定速度，则需要更大的C，反之亦然。
检测次数根据需求的锁定稳定性设置，如若需要更高的稳定性，则需要更大的检测次数，反之亦然。
该自适应步长调节方法结合已有的最值锁定算法，则可以同时实现高锁定精度与高锁定速度，从而用于快速且精准的最值锁定。按照本发明的自适应步长调节的最大值锁定算法由自适应步长调节算法与最大值锁定算法组成，通过自适应步长调节算法决定此时的步长Steptn，然后将Steptn输出给最大值锁定算法，从而实现自适应步长调节的最大值锁定算法。按照本发明的自适应步长调节的最小值锁定算法由自适应步长调节算法与最小值锁定算法组成，通过自适应步长调节算法决定此时的步长Steptn，然后将Steptn输出给最小值锁定算法，从而实现自适应步长调节的最大值锁定算法。
本发明提出的用于光学参数锁定的自适应步长调节的最值锁定算法相较于已有的最值锁定算法而言，只需要增加较小的硬件开销实现自适应步长调节算法，并且无需模数转换器(ADC)的协助，从而克服已有自适应步长调整算法存在的硬件开销大的问题。
本发明方法适用的光子器件包括：包括微环谐振器、微环调制器、马赫曾德尔干涉仪以及马赫曾德尔调制器等。
图5、图6、图7和图8分别显示了按照本发明的第一实施方式、第二实施方式、第三实施方式和第四实施方式。
实施示例一
步骤一、监控单元检测微环下载端口/直通端口的光强并转换为相关的物理量，其中监控单元可以是光电二极管，物理量可以是电压和电压值；
步骤二、自适应步长调节的最值锁定算法模块根据得到的物理量计算出合适的输出，其中自适应步长调节的最值锁定算法可以是自适应步长调节的最大值锁定算法和自适应步长调节的最小值锁定算法；
步骤三、调谐单元根据算法模块的输出对微环的谐振波长进行调节，其中调谐单元可以是热调谐和电调谐方式；
步骤四、若物理量未到达最值，则重复步骤一至步骤三；
实施示例二
步骤一、监控单元检测马赫曾德尔干涉仪的光强并转换为相关的物理量，其中监控单元可以是光电二极管，物理量可以是电压和电压值；
步骤二、自适应步长调节的最值锁定算法模块根据得到的物理量计算出合适的输出，其中自适应步长调节的最值锁定算法可以是自适应步长调节的最大值锁定算法和自适应步长调节的最小值锁定算法；
步骤三、调谐单元根据算法模块的输出对马赫曾德尔干涉仪的偏压点进行调节，其中调谐单元可以是热调谐和电调谐方式；
步骤四、若物理量未到达最值，则重复步骤一至步骤三；
实施示例三
步骤一、监控单元复用器和调谐单元解复用器切换到N路微环阵列中的第一个微环；
步骤二、监控单元检测微环下载端口/直通端口的光强并转换为相关的物理量，其中监控单元可以是光电二极管，物理量可以是电压和电压值；
步骤三、自适应步长调节的最值锁定算法模块根据得到的物理量计算出合适的输出，其中自适应步长调节的最值锁定算法可以是自适应步长调节的最大值锁定算法和自适应步长调节的最小值锁定算法；
步骤四、调谐单元根据算法模块的输出对微环的谐振波长进行调节，其中调谐单元可以是热调谐和电调谐方式；
步骤五、若物理量未到达最值，则重复步骤二至步骤四；
步骤六、监控单元复用器和调谐单元解复用器切换到下一个微环，重复步骤二至步骤五，直到最后一个微环；
实施示例四
步骤一、监控单元复用器和调谐单元解复用器切换到N路马赫曾德尔干涉仪阵列中的第一个马赫曾德尔干涉仪；
步骤二、监控单元检测马赫曾德尔干涉仪的光强并转换为相关的物理量，其中监控单元可以是光电二极管，物理量可以是电压和电压值；
步骤三、自适应步长调节的最值锁定算法模块根据得到的物理量计算出合适的输出，其中自适应步长调节的最值锁定算法可以是自适应步长调节的最大值锁定算法和自适应步长调节的最小值锁定算法；
步骤四、调谐单元根据算法模块的输出对马赫曾德尔干涉仪的偏压点进行调节，其中调谐单元可以是热调谐和电调谐方式；
步骤五、若物理量未到达最值，则重复步骤二至步骤四；
步骤六、监控单元复用器和调谐单元解复用器切换到下一个马赫曾德尔干涉仪，重复步骤二至步骤五，直到最后一个马赫曾德尔干涉仪。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种用于光学参数控制的自适应步长调节最值锁定方法，其特征在于，包括：
S1.检测光子器件中代表光学参数的物理量；
S2.判断设定检测次数内SLOPEtn和SLOPEtn-1是否相同；若是，则执行步骤S3；若否，则执行S4；
其中，SLOPEtn为当前时刻检测到的物理量相较于上一时刻检测到的物理量的大小；SLOPEtn-1为上一时刻检测到的物理量相较于上上时刻检测到的物理量的大小；
S3.判断上一时刻的步长是否小于最大步长；若是，将当前时刻的步长Steptn设置为C*Steptn-1；C为每次步长调整的变化倍数；若否，则保持当前时刻的步长不变，返回执行步骤S1；Steptn-1为上一时刻的步长；
S4.判断上一时刻的步长是否大于最小步长；若是，将当前时刻的步长Steptn设置为Steptn-1/C；若否，则返回执行步骤S1；
S5.将当前时刻的步长Steptn输出给最值锁定算法，实现自适应步长调节的最值锁定；
重复步骤S1至步骤S5直至物理量达到最值。
2.根据权利要求1所述的一种用于光学参数控制的自适应步长调节最值锁定方法，其特征在于，C根据期望锁定速度设置，锁定速度越大C越大。
3.根据权利要求1所述的一种用于光学参数控制的自适应步长调节最值锁定方法，其特征在于，检测次数根据期望锁定稳定性设置，稳定性越高检测次数越大。
4.根据权利要求1-3任一项所述的一种用于光学参数控制的自适应步长调节最值锁定方法，其特征在于，光子器件包括微环谐振器、微环调制器、马赫曾德尔干涉仪以及马赫曾德尔调制器。
5.根据权利要求1-4任一项所述的一种用于光学参数控制的自适应步长调节最值锁定方法，其特征在于，最值锁定算法包括最小值锁定算法和最大值锁定算法。
6.根据权利要求5所述的一种用于光学参数控制的自适应步长调节最值锁定方法，其特征在于，实现物理量最大值锁定时，将当前时刻的步长Steptn输出给最大值锁定算法。
7.根据权利要求5所述的一种用于光学参数控制的自适应步长调节最值锁定方法，其特征在于，实现物理量最小值锁定时，将当前时刻的步长Steptn输出给最小值锁定算法。
8.一种用于光学参数控制的自适应步长调节最值锁定系统，其特征在于，包括：计算机可读存储介质和处理器；
所述计算机可读存储介质用于存储可执行指令；
所述处理器用于读取所述计算机可读存储介质中存储的可执行指令，执行权利要求1至7任一项所述的用于光学参数控制的自适应步长调节最值锁定方法。
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