基于电流自适应补偿的高稳定...光栅Y分支型激光器控制系统_黄怿.pdf

第 52 卷第 2 期2023 年 2 月Vol.52 No.2February 2023光子学报ACTA PHOTONICA SINICA02140041基于电流自适应补偿的高稳定度调制光栅Y分支型激光器控制系统黄怿，尤越，邓传鲁，胡程勇，汪立森，张小贝，王廷云（上海大学 特种光纤与光接入网重点实验室 特种光纤与先进通信国际合作联合实验室，上海 200444）摘要：针对半导体激光器在实际应用中波长、功率稳定性较差以及控制系统复杂等问题，设计了一套高稳定度调制光栅 Y 分支型激光器控制系统。该系统利用模糊比例-积分-微分控制算法稳定功率，并通过两次正交试验优化算法参数，减小功率超调量，同时提出电流自适应补偿的波长校准算法，提升不同功率下的波长稳定性，解决电流内环反馈时引起的波长和功率交叉影响问题。结果表明，仿真优化后的激光器功率超调量从 1.528%降低至 0.014%，系统调整次数由 21减小至 17；测试调制光栅 Y 分支型激光器 60 min内的功率漂移量仅为 0.004 4 mW，稳定度达到 0.060 4%，波长漂移量为 1.9 pm，稳定度达到 1.22106。经校准，激光器的半导体光放大器电流在 2878 mA 范围内，波长变化量从 23.4 pm减小至 2.6 pm。关键词：MG-Y激光器；激光器控制系统；正交试验；波长校准；自适应；高稳定度中图分类号：TN248.4 文献标识码：A doi：10.3788/gzxb20235202.02140040 引言半导体激光器具有体积小、重量轻、寿命长等优势，在分布式传感、光通信等领域具有广泛的应用前景1-4。但由于半导体激光器敏感性较高5，在实际应用中其输出稳定性会同时受到驱动电流和温度影响，功率和波长易发生波动，严重时甚至会给激光器带来永久性损坏，因此设计相应的控制系统尤为重要。目前，许多学者针对半导体激光器控制系统展开研究并取得成果。丛梦龙等6将双 MOS管结构和深度负反馈原理相结合，设计出数字化激光器驱动电源，电流稳定度低于 0.01%；续文敏等7在设计双通道恒流源驱动电路的基础上，利用模糊比例-积分-微分（Fuzzy Proportional-Integral-Differential，Fuzzy PID）算法和 H 桥电路稳定混沌激光器温度，稳定 2 h后光功率稳定度为 0.026%，中心波长漂移量为 7 pm；杨涛等8选择现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array，FPGA）作为系统的主控制器，从硬件电路和闭环算法两个角度稳定激光器输出功率，1 h内功率稳定度为 0.205%；陈子枫等9以反射峰锁定技术为核心，设计出多通道干涉大范围可调谐半导体激光器控制系统，利用内环反馈算法调整相位区电流锁定波长，不同温度下波长漂移量小于 10 pm，但功率稳定度相对较差。以上学者均将电流内环反馈应用在半导体激光器控制系统中，在恒温条件下，通过控制激光器的驱动电流来稳定输出功率或波长，但电流内环反馈会引起激光功率和波长的交叉影响问题，调节激光器驱动电流时，功率和波长均会发生改变。TRICOT F 等10通过声光调制器施加外环反馈稳定激光器功率，功率噪声降低 32 dB；冯保凯等11将光栅衍射原理应用在外环反馈控制上，设计出自适应校准并稳定波长的微型零差干涉仪（Miniature Homodyne Interferometer，MHI），利用PID 算法控制激光器温度以及激光光束方向，从而抑制波长漂移，经稳定后波长的稳定度为 0.9106。虽然外环反馈解决了波长和功率的交叉影响问题，但是外环控制系统的结构庞大复杂，且系统性能易受到外引用格式：HUANG Yi，YOU Yue，DENG Chuanlu，et al.High-stability MG-Y Laser Control System Based on Self-adaptive Current Compensation J.Acta Photonica Sinica，2023，52（2）：0214004黄怿，尤越，邓传鲁，等.基于电流自适应补偿的高稳定度调制光栅 Y 分支型激光器控制系统 J.光子学报，2023，52（2）：0214004基金项目：国家自然科学基金（Nos.61875116，62022053，62027818），上海市自然科学基金（Nos.22ZR142300，22010500100）第一作者：黄怿，收稿日期：2022 09 27；录用日期：2022 11 01http:/光子学报02140042环设备影响。为了解决控制系统内、外环反馈引起的问题，本文设计了一种基于电流自适应补偿的高稳定度调制光栅 Y 分支型（Modulated Grating Y-branch，MG-Y）激光器控制系统。首先，单板集成了控制系统的硬件电路部分，体积小、重量轻、功耗低；其次，使用电流内环反馈稳定激光器输出功率，选择模糊 PID 算法作为闭环控制算法，并通过两次正交试验优化模糊 PID 算法的参数，降低功率超调量，加快系统稳定速度；同时提出了电流自适应补偿的波长校准算法，减小激光器不同输出功率下的波长变化量。1 MG-Y激光器控制系统设计1.1系统装置及原理选用的 MG-Y 激光器型号是 FINISAR 公司的 S7500，该激光器体积小、成本低，内置半导体制冷器（Thermo Electric Cooler，TEC），标准工作温度为 25，同时受 5 路驱动电流控制，能够独立调整波长和功率。图 1为系统框图以及 MG-Y 激光器结构示意图，MG-Y 激光器的相位区（phase）和增益区（gain）通过多模干涉（Multimode Interference，MMI）耦合器与左、右布拉格反射器（left，right reflector）相连，激光从前反射器（integrated front reflector）经半导体光放大器（Semiconductor Optical Amplifier，SOA）放大后射出。调整两个布拉格反射器的注入电流 Ileft、Iright可以改变该区域的载流子浓度，控制两个梳状反射谱的位置，利用加法游标效应实现波长粗调谐，当两个反射谱重合时，输出波长即为重合峰的反射波长12；MG-Y 激光器在谐振腔引入了相位截面，相位区电流 Iphase用于调整光在相位截面中传输的延迟，通过改变腔模式以实现波长精细连续调谐，调谐精度最小为 12 pm，当 Iphase增大时，激光通过相位截面时的相移会减小，波长发生蓝移13；激光功率主要由增益区电流 Igain和半导体光放大器电流 ISOA控制14，固定 Igain不变，仅仅通过改变 ISOA来调整 SOA 的放大倍数，从而控制激光功率，这是因为激光功率随 ISOA线性增大，而 Igain与激光功率的关系曲线呈先线性后对数的增长趋势15，拟合效果相对较差。MG-Y 激光器的波长和输出功率同时受到温度和驱动电流影响。激光器温度发生变化时，会改变其有源区禁带宽度以及内部有效折射率，因此输出波长发生漂移16；温度波动也会改变激光器的阈值电流，从而降低输出功率的稳定性17。驱动电流产生波动时，也会直接导致激光器波长和输出功率发生漂移，因此设计激光器驱动模块尤为重要。激光器驱动模块主要由 MG-Y 激光器（S7500，FINISAR），主控制器 ARM（STM32F767，ST）、恒 流 源 驱 动 芯 片（ADN8810，Analog Devices）、温 度 控 制 芯 片（ADN8834，Analog Devices）以及运算放大芯片（AD8620，Analog Devices）等组成，其中，5片 ADN8810芯片为激光器提供驱动电流，分别工作于激光器的左、右布拉格光栅反射区、相位区、增益区以及 SOA。ADN8834芯片通过控制激光器内部的 TEC 使激光器稳定工作在 25，激光器输出功率对应的反馈电流经电流电压转换后由 AD8620 放大后输入至 ARM 内部的模数转换器进行采样，采样结果输入上位机进行模糊 PID 控制，ARM 根据控制结果实时调整 ISOA从而稳定功率，同时实时更新 Iphase以实现自适应波长校准。图 1系统框图以及 MG-Y激光器结构示意图Fig.1System block diagram and MG-Y laser structure黄怿，等：基于电流自适应补偿的高稳定度调制光栅 Y分支型激光器控制系统02140043MG-Y 激光器测试系统如图 2 所示。该系统利用积分球探头（S145C，THORLABS）和光功率计（PM400，THORLABS）测量激光器的输出功率，S145C 可探测功率为 10 W20 W 的激光，分辨率为1 nW；使用布拉格光纤光栅分析仪（Fiber Bragg Grating Analyzer，FBGA，BAYSPEC）测量激光器的波长，FBGA的波长检测范围为 1 5101 590 nm，分辨率为 1 pm，最小可探测1 pm 的波长变化；激光光谱由光谱仪（AQ6370D，YOKOGAWA）扫描采集。1.2基于正交试验的模糊 PID控制参数优化算法MG-Y 激光器的输出功率可以通过电流内环反馈稳定控制，本系统选用模糊 PID 算法作为闭环控制算法。相较于传统的 PID 算法，模糊 PID 算法的优势在于能够自适应调节比例系数 KP，积分系数 KI，微分系数KD18，可以进一步增强系统的稳定性。离散位置式的 PID控制算法表示为u(k)=KPe(k)+KIj=0ke(j)+KD e(k)-e(k-1)（1）式中，k代表反馈迭代次数；e（k）为设定的标准功率电压阈值与第 k次采集到的功率反馈电压之差。虽然选用模糊 PID 算法可以自适应调整 KP、KI、KD，但是根据经验选取的参数初值具有随机性19，激光器输出功率控制效果难以达到最优。此外，量化因子 ke、kec以及比例因子 kup、kui、kud也会影响模糊 PID 算法的性能20，其中，量化因子 ke、kec用于调整误差 e和误差变化率 ec；而比例因子 kup、kui、kud则用于控制 KP、KI、KD的调节量 KP、KI、KD，从而调整系统的动态性能21。功率超调量（Overshoot）与量化因子和比例因子均呈正比；系统调整时间与 ke呈正比，与 kec和比例因子呈反比。因此，需要结合全局最优化来确定参数。为了有效地逼近并确定最优的 KP0、KI0、KD0以及量化因子、比例因子，通过正交试验优化算法参数。基于正交试验的模糊 PID控制参数优化算法的流程如图 3所示。正交试验前首先要确定待优化参数的取值范围，以保证 MG-Y 激光器的输出功率是收敛的。超调量和系统调整时间是衡量模糊 PID 控制效果的重要指标22。系统初步设定超调量不超过设定功率反馈电压的10%，并使用系统的调整次数（Adjustment times）代替调整时间作为衡量指标，以保证更高的控制精度。为了提升数据的可比性，减小超调量、调整次数之间的数量级偏差带来的影响，将这两个指标的测试结果进行Z-score标准化23，即x*=x-x（2）式中，x*为标准化后的参数，x为待标准化的参数，x 为平均值，为标准差。定义 Rnx为第 n次正交试验时，正图 2MG-Y激光器测试系统Fig.2Test system of MG-Y laser光子学报02140044交表第 x行标准化后的超调量和调整次数之和，Rn为 Rnx的最小值，Rn越小，说明控制效果越好。确定待优化参数的取值范围后，需要设计正交试验表，分别对比例、积分、微分系数以及比例因子、量化因子进行正交试验，并确定正交试验次数。对于 KP0、KI0、KD0，选择正交表 L25（56）；对于 ke、kec、kup、kui、kud，选择正交表 L16（45）。规定 R 为第 n1次正交试验的优化结果 Rn1与第 n次的优化结果 Rn之差，当 Rn小于 Rn1且R 小于|Rn1|的 5%时