用于量子密鑰分發(fā)的半導(dǎo)體激光器溫控系統(tǒng)

秦繼偉,洪占勇,劉建宏,余 剛

(1.合肥工業(yè)大學工業(yè)與裝備技術(shù)研究院,安徽 合肥 230009；2.科大國盾量子技術(shù)股份有限公司,安徽 合肥 230088)

1 引 言

近年來,量子通信得到了迅速發(fā)展,其基本思想主要包括QKD和量子態(tài)隱形傳輸。QKD系統(tǒng)需要采用單光子作為傳輸載體,實際上理想的單光子源是難以產(chǎn)生的,一般用與單光子源具有近似性質(zhì)的弱相干態(tài)光源代替。通常采用分布反饋式激光器及特殊光路結(jié)構(gòu)組成量子光源,要求其具有高調(diào)制速率、高穩(wěn)定性、高峰值特性等特點[1-3]。通過對DFB激光器特性的研究,可知溫度對DFB激光器的正常工作有著重要的影響。其影響主要包括:閾值電流、V-I關(guān)系、輸出波長、P-I關(guān)系等。首先,溫度升高使出射光波長發(fā)生漂移,漂移量為(0.2～0.4)nm/℃。其次,DFB激光器閾值電流隨溫度的升高而升高,在驅(qū)動電流恒定的情況下,出光功率隨溫度的升高而降低,這主要是由于DFB激光器溫度升高所引起的閾值電流增大和斜率效率減小所造成的[4-5]。出射光波長的漂移和出光功率的不穩(wěn)定,直接影響了QKD系統(tǒng)中探測器的探測效率,進而影響系統(tǒng)的成碼率,所以QKD系統(tǒng)對于DFB激光器的溫度控制提出了較高的要求[2-3]。針對此情況,文中介紹了一種基于FPGA的溫控電路。該設(shè)計處理速度快,并達到了較高的溫控精度和穩(wěn)定度,使得激光器的波長漂移變化受溫度影響較低。

2 系統(tǒng)原理

本文設(shè)計了一種基于FPGA的DFB激光器溫控單元,用于QKD系統(tǒng)。由于在QKD系統(tǒng)中缺少理想的單光子源,通常采用調(diào)制DFB激光器產(chǎn)生相位隨機的弱相干光脈沖作為光源,而且在QKD系統(tǒng)攻擊演示和量子隨機數(shù)產(chǎn)生時,DFB激光器也常作為光源[6]。本設(shè)計采用內(nèi)部集成了NTC熱敏電阻和TEC的DFB激光器。

溫控單元系統(tǒng)組成如圖1所示,上位機下發(fā)目標溫度值ts給FPGA,FPGA通過AD5665(16位DAC,100 kHz/400 kHz/3.4 MHz)把相應(yīng)的VTEC值下發(fā)給MAX8520,從而控制TEC工作電流的流向和大小。

圖1 溫控系統(tǒng)總體設(shè)計

將DFB激光器工作時腔體溫度所對應(yīng)的NTC熱敏電阻電壓值VThermistor,通過ADS8328(16位ADC,500 kHz采樣率)上傳至FPGA,用作溫度控制的反饋值；同時MAX8520,也通過ADC上傳ITEC給FPGA,作為監(jiān)控TEC電流的反饋值,避免TEC因工作電流過高而損傷。系統(tǒng)采用增量式PID算法控制,省去了PID補償電路。FPGA通過調(diào)節(jié)PID參數(shù),進行反饋調(diào)節(jié)VTEC的值,從而形成對激光器工作溫度的閉環(huán)負反饋控制,使其工作溫度穩(wěn)定在設(shè)定值。

TEC是系統(tǒng)的關(guān)鍵部件之一,它用兩種不同半導(dǎo)體材料(P型和N型)組成PN結(jié),當PN結(jié)中有直流電流通過時,由于兩種材料中的電子和空穴在跨越PN結(jié)移動過程中產(chǎn)生吸熱或放熱效應(yīng)(帕爾帖效應(yīng)),就會使PN結(jié)表現(xiàn)出制冷或制熱的效果,改變電流方向即可實現(xiàn)TEC加熱或制冷,調(diào)節(jié)電流大小即可控制加熱或制冷量的輸出[7-8]。

3 硬件設(shè)計

3.1 溫度檢測電路

利用集成于DFB激光器內(nèi)部的NTC熱敏電阻對其工作溫度進行檢測,避免了外加測溫電路引入的環(huán)境誤差。主要通過精密電阻和熱敏電阻組成的分壓網(wǎng)路進行溫度采樣,但是由于電壓源常常容易受到噪聲的干擾,導(dǎo)致電壓源自身的電壓不準,從而造成溫度采樣電壓不準,對溫度的計算帶來誤差[9]。針對此種情況,采用低噪聲、低溫漂、精確的電壓轉(zhuǎn)換芯片REF5040ID(3 ppm/℃～8 ppm/℃,0.05%～0.1%),提供穩(wěn)定的4.096 V的參考電壓。應(yīng)用NTC電阻阻值和溫度值關(guān)系公式,通過FPGA邏輯處理,讀取當前溫度檢測值。克服了線性化電路復(fù)雜的硬件結(jié)構(gòu)和公式計算帶來的問題。具體設(shè)計如圖2所示。

圖2 溫度檢測電路示意圖

3.2 TEC驅(qū)動電路

MAX8520是專用于光學器件的TEC的高度集成驅(qū)動芯片。其內(nèi)置了 PWM 控制器和線性放大器,并集成了金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET) 組成的H橋驅(qū)動電路,如圖3所示。當VTEC>1.5 V時,電流從OS2流向OS1,即TEC-流向TEC +；反之,當VTEC<1.5 V時,電流從OS1流向OS2,即TEC+流向TEC-,從而實現(xiàn)TEC對DFB激光器的制冷和加熱。流過 TEC電流的大小決定加熱或致冷的速率,其值大小由VTEC所決定。

圖3 TEC驅(qū)動電路示意圖

4 溫度控制增量式PID算法

主控芯片F(xiàn)PGA采用EP4CE55F23I7,通過上位機軟件下發(fā)激光器ts以及PID參數(shù),通過串口模塊傳至FPGA。用ADG704BRM(多路器)將Thermistor_V(VThermistor)和ITEC的電壓信號進行合束,合束信號輸出給ADC采樣后,傳給FPGA,進行閉環(huán)控制。

PID模擬控制器的一般算式如式(1)所示:

(1)

式中,u(t)為控制器的輸出；e(t)為控制器的輸入,是設(shè)定值與反饋值的差值；KP為控制器的比例系數(shù)；TI為控制器的積分時間常數(shù)；TD為控制器的微分時間常數(shù)。通過調(diào)節(jié)KP,TI,TD三個參數(shù)使系統(tǒng)達到穩(wěn)定。

在使用處理器后,需要對模擬信號進行離散化處理。設(shè)處理器的取樣時間為T,以一系列取樣時刻點kT代替連續(xù)時間t(k取0,1,2,3,…),以數(shù)字形式的差分方程代替連續(xù)系統(tǒng)的微分方程。

用增量代替微分項:

(2)

式中,Δt=T為采樣周期,必須使T足夠小,以保證系統(tǒng)的精度。為了方便e(kT)簡化表示成E(k),為第k次采樣時的偏差值。

用和式代替積分項:

(3)

將式(2)和式(3)代入式(1),化簡得:

(4)

式中,KI是積分系數(shù),其值為(KP·T)/TI；KD是微分系數(shù),其值為(KP·TD)/T；u(kT)為控制器第k次的輸出值,為了方便可簡化表示成U(k)。此種為位置型PID控制算法,但因為偏差E(k)的累積,需要占用較多的存儲單元?？梢赃M行如下優(yōu)化處理:

ΔU(k)=U(k)-U(k-1)

=Kp[E(k)-E(k-1)]+KIE(k)+KD[E(k)-2E(k-1)+E(E-2)]

=KpΔE(k)+KIE(k)+KD[ΔE(k)-ΔE(k-1)]

(5)

式中,ΔU(k)第k次相對于第(k-1)次的控制量的增量。

此種為增量式PID控制算法[10-11]。在其控制過程中,輸出的控制值只是控制的增量,使被控對象的參數(shù)變化幅度變小,控制系統(tǒng)相對穩(wěn)定并且減少硬件資源的占用。

另外進行PID控制,首先要確定PID控制器的參數(shù)。其整定方法有很多,可歸結(jié)為理論計算法和工程整定法2種。實際中,由于被控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,數(shù)學模型逼真度不高,與真實系統(tǒng)存在較大差異,往往采用工程整定方法。這種方法最大的優(yōu)點就是整定參數(shù)時不依賴對象的數(shù)學模型,采用經(jīng)驗公式,實現(xiàn)對控制參數(shù)P、I和D的確定。本系統(tǒng)采用此種整定方法,具體參數(shù)由實驗調(diào)試時進行調(diào)整,從而實現(xiàn)對控制參數(shù)的確定[11]。

5 實驗測試與結(jié)果分析

實驗測試,選用中心譜線波長為1550nm的DFB激光器,其驅(qū)動采用壓控電流源硬件電路設(shè)計,偏置可調(diào)。據(jù)激光器數(shù)據(jù)手冊以及實驗反復(fù)測量,確定測量條件為:信號態(tài)偏置電壓3.05V；激光器工作偏置電壓值4.00V；激光器工作電源電壓值4.90V；光譜儀為AQ6370C,其測量范圍為600～1700nm；環(huán)境溫度為26 ℃。用t0表示起始溫度值,λc表示中心波長,tr表示激光器實際工作溫度值。

激光器溫度設(shè)定值與其發(fā)出光中心波長關(guān)系及溫控精度測試:由于器件本身的差別,每個激光器的溫漂特性略有不同。為了保證系統(tǒng)的成碼率,使用前需對其進行標定。選取15 ℃至45 ℃為調(diào)控目標范圍,以15 ℃為起點,以1 ℃為步進,不斷改變ts,每設(shè)定一個ts后,每隔5 s讀取一次激光器輸出波長值和實際溫度值,每組讀10次。算出各組平均值,繪制出圖4。

圖4 溫控精度測試及溫度設(shè)定值與DBF激光器中心波長關(guān)系

分別對激光器溫控精度測試的每組數(shù)據(jù)做求取最大偏差值處理,得到結(jié)果均小于0.03 ℃,可得溫控精度可達±0.03 ℃。

另外,據(jù)激光器工作溫度平均值和發(fā)出光中心波長平均值關(guān)系的測試數(shù)據(jù),可擬合[12]:

y=0.1012x+1547

R2=0.9999

根據(jù)擬合結(jié)果,此條件下,ts為29.64 ℃時,λc最接近1550 nm,漂移量最小。

激光器的溫控和波長的穩(wěn)定性測試:起始工作溫度分別為15 ℃和45 ℃,ts=29.64 ℃,測試時間為120 s,每隔1 s記錄一次實際溫度值和激光器發(fā)出光的波長值。結(jié)果如圖5、6所示。

圖5 起始溫度t0分別為15、45 ℃時的DFB激光器溫度穩(wěn)定性測試

圖6 起始溫度t0分別為15、45 ℃時的DFB激光器波長穩(wěn)定性測試

由測試結(jié)果可知,從溫控系統(tǒng)開始工作到基本穩(wěn)定,均在5 s左右。并且,此后激光器工作溫度保持在(29.64±0.03) ℃內(nèi)浮動；激光器發(fā)出光的波長值從起始到穩(wěn)定在(1550±0.01) nm以內(nèi),僅需8 s左右即可,由此可判斷該系統(tǒng)響應(yīng)快,穩(wěn)定性好。

6 結(jié) 論

通過集成度更高的硬件電路設(shè)計,包括選用內(nèi)部集成NTC熱敏電阻和TEC的DFB激光器、TEC驅(qū)動電路的設(shè)計以及采用增量式PID控制算法代替PID補償電路,實現(xiàn)了精度為±0.03 ℃的激光器溫度控制,并且激光器發(fā)出光的波長漂移小于0.01 nm,可克服QKD系統(tǒng)中,由溫度變化而引起的信號光波長變化,從而減弱QKD系統(tǒng)成碼率因激光器工作溫度變化而呈現(xiàn)的不穩(wěn)定性。另外,溫控的精度及穩(wěn)定性只是影響DFB激光器正常工作的重要因素之一,設(shè)計時還需對其他因素和指標進行綜合考慮。

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