基于機(jī)器學(xué)習(xí)的量子通信激光器功率控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊俊嶺

(軍事科學(xué)院 軍事科學(xué)信息研究中心，北京 100142)

0 引言

量子通信激光器是一種單極性器件，通常由多個(gè)級(jí)聯(lián)模塊組成，子帶間具有躍遷的單極性，利用耦合量子價(jià)帶中含有的躍遷特性產(chǎn)生激光，從而實(shí)現(xiàn)多個(gè)粒子的散射功能[1]。原有雙極性半導(dǎo)體激光器在帶間躍遷下產(chǎn)生激光，而光子能量因受材料影響產(chǎn)生帶寬限制，僅能應(yīng)用在可見光和近紅外波段[2-4]。隨著多量子阱技術(shù)和分子技術(shù)逐漸發(fā)展，量子通信激光器增加了量子阱寬度函數(shù)，從理論上拓寬了輻射頻率，只需要在子帶間建立足夠的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，就能將光譜范圍覆蓋到太赫茲波段[5]。在新興材料的不斷研發(fā)過程中，量子通信激光器實(shí)現(xiàn)了多量階級(jí)能帶結(jié)構(gòu)改變和分子光束外延技術(shù)的應(yīng)用，促使電子量態(tài)和光學(xué)散射的技術(shù)發(fā)展，能對(duì)千萬個(gè)量子階進(jìn)行精確[6]。因此量子通信激光器具有高功率和窄線寬以及易集成特征，在多個(gè)領(lǐng)域內(nèi)均具備應(yīng)用價(jià)值。

隨著量子等級(jí)的增加，其在無損檢測(cè)和顯微技術(shù)中的需求日漸增加。而隨著網(wǎng)絡(luò)服務(wù)中用戶的快速增加，無線數(shù)據(jù)流量呈現(xiàn)指數(shù)增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，因此需要更快速的新技術(shù)進(jìn)行支撐[7-9]。為了保證量子通信激光器在通信和成像以及光譜分析等多個(gè)方面進(jìn)行廣泛應(yīng)用，對(duì)該器件的管理和控制提出了更高要求，包括穩(wěn)定的高輸出功率和偏振功率的調(diào)控，需要設(shè)計(jì)一個(gè)可行的功率控制系統(tǒng)。文獻(xiàn)[10]提出面向混沌半導(dǎo)體激光器的高穩(wěn)定控制系統(tǒng)。采用深度負(fù)反饋技術(shù)，實(shí)現(xiàn)激光器的驅(qū)動(dòng)電流高穩(wěn)定高精度恒流控制。在此基礎(chǔ)上，提出了一種H橋驅(qū)動(dòng)電路，并利用該電路實(shí)現(xiàn)了激光器溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)。文獻(xiàn)[11]提出基于輻射壓力傳遞的激光功率穩(wěn)定策略，有源激光功率穩(wěn)定方案從根本上受到環(huán)內(nèi)光電探測(cè)器上量子散粒噪聲的限制，克服這一限制的方法是實(shí)現(xiàn)非退化感測(cè)方案，其中激光功率波動(dòng)被轉(zhuǎn)移到微振蕩器的運(yùn)動(dòng)，微振蕩器可以以高信噪比進(jìn)行感測(cè)。分析受量子和熱噪聲限制的非退化方案，可實(shí)現(xiàn)的功率穩(wěn)定控制。

上述方法均具有一定的有效性，但對(duì)量子通信激光器數(shù)據(jù)傳輸?shù)拿}沖功率波動(dòng)控制效果較差，基于此，本文以機(jī)器學(xué)習(xí)理論為研究基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)量子通信激光器的功率控制系統(tǒng)，在系統(tǒng)硬件方面，采用 MCU和 FPGA為主要控制單元，利用模數(shù)轉(zhuǎn)換器，利用串行封裝的方式實(shí)現(xiàn)了變換電路的設(shè)計(jì)。在軟件方面，通過搭建激光通訊的探測(cè)單元，根據(jù)多個(gè)量子間的耦合建立激光主動(dòng)區(qū)域的調(diào)控方式，根據(jù)介質(zhì)的介電常數(shù)分析激光的工作模式，并相應(yīng)的能量反饋條件。利用機(jī)器學(xué)習(xí)的Q函數(shù)算法，獲取最優(yōu)的功耗控制策略，為連續(xù)精確的功率控制提供理論支持。

1 量子通信激光器功率控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本次控制系統(tǒng)主要是為量子通信激光器提供連續(xù)供電和管理以及控制功能，實(shí)現(xiàn)量子通信激光器的光功率在連續(xù)脈沖下的持續(xù)輸出。在獲取不同的控制指令后能完成相應(yīng)的控制能力，在量子通信激光器控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)中會(huì)包含多個(gè)功能模塊，總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 量子通信激光器功率控制總體結(jié)構(gòu)

根據(jù)圖1所示，此次設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)含有6個(gè)功能模塊，分別為單片機(jī)主控單元、量子通信激光器電源控制單元、FPGA主控單元、顯示單元、A/D與D/A轉(zhuǎn)換單元及功率控制單元[12]。本文按照模塊功能選擇主控單元和轉(zhuǎn)換單元作為系統(tǒng)基礎(chǔ)，分別對(duì)量子通信激光器進(jìn)行功率控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)。

1.1 選擇量子通信激光器主控單元

功率控制系統(tǒng)中的主控單元為單片機(jī)和FPGA，主要功能為接受下位機(jī)的指令，完成對(duì)底層設(shè)備的控制和管理，并對(duì)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算處理，實(shí)現(xiàn)量子通信激光器的運(yùn)行參數(shù)結(jié)果顯示和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)[13]。根據(jù)控制系統(tǒng)的功能要求，一方面采用MCU+FGPA相結(jié)合的控制核心板，對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和結(jié)果數(shù)據(jù)，作為整個(gè)控制系統(tǒng)的數(shù)字部分的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)；另一方面對(duì)單片機(jī)的選擇要具備豐富的接口，選擇FREESCALE公司生產(chǎn)的MC96S14CD521單片機(jī)作為控制芯片，保證數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和通信接口能夠滿足控制系統(tǒng)功能。

此次選擇的單片機(jī)為增強(qiáng)型16位單片機(jī)，具有增強(qiáng)型內(nèi)核和外盒設(shè)備，能將控制系統(tǒng)的總線速度控制在45 MHz之上，還具備中斷處理服務(wù)的功能。此次單片機(jī)通過通信傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)量子通信激光器所接受的數(shù)據(jù)值，并將通信功率上傳至LCD中進(jìn)行顯示，當(dāng)功率過高或者過低時(shí)會(huì)發(fā)出預(yù)警信號(hào)[14]。對(duì)兩個(gè)主控單元的參數(shù)進(jìn)行展示，如表1所示。

表1 量子通信激光器控制系統(tǒng)主控單元參數(shù)設(shè)定

如表1所示，在單片機(jī)中加入?yún)f(xié)同處理模塊能增加數(shù)據(jù)的預(yù)處理功能，在單片機(jī)高速運(yùn)行的同時(shí)保證數(shù)據(jù)處理效果，可以在不同的端口內(nèi)完成數(shù)據(jù)的高速傳輸和處理[15]。單片機(jī)的協(xié)同處理器還能夠讀取外圍電路的接口數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)的處理結(jié)果直接發(fā)送到通信接口中，減少單片機(jī)的工作負(fù)荷，在一定程度上提升量子通信激光器外圍器件的通信效率。FAGA控制單元財(cái)通ALTERA公司生產(chǎn)的EPIC6T122CT7N型號(hào)，具有低密度和低速率的轉(zhuǎn)換模塊，能夠在核心控制單元直接對(duì)量子通信激光器進(jìn)行電源輸出電流的控制，以此實(shí)現(xiàn)激光器的輸出功率控制。

1.2 轉(zhuǎn)換單元電路設(shè)計(jì)

在控制系統(tǒng)中計(jì)算機(jī)只能對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行識(shí)別，而常規(guī)模式下被檢測(cè)和控制的對(duì)象均是模擬信號(hào)，為了保證計(jì)算機(jī)能有效識(shí)別出模擬信號(hào)，需要將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)進(jìn)行識(shí)別，才能將激光器中的通信數(shù)據(jù)完成運(yùn)算和處理[16]。在本文設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)中采用A/D轉(zhuǎn)換單元，通過A/D將量子通信激光器內(nèi)的功率信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，形成模擬量的輸出電壓信號(hào)，將其變化為FPGA能識(shí)別的數(shù)字電壓信號(hào)。

選擇美國(guó)公司生產(chǎn)的AD234882轉(zhuǎn)換器，為16位逐次逼近型轉(zhuǎn)換器，能夠在2.5～5.75 V的電源電壓模式中完成工作，將電壓控制在25 mV-VCC之間任意配置。電壓的參考值直接決定了模擬信號(hào)的輸入范圍，A/D的轉(zhuǎn)換結(jié)果也通過串口表達(dá)，該芯片的工作電壓較低且功耗較小，便于應(yīng)用在量子通信激光器的控制系統(tǒng)中。AD234882轉(zhuǎn)換器的引腳封裝如圖2所示。

圖2 封裝芯片引腳圖

根據(jù)圖2所示，AD234882轉(zhuǎn)換器采用串行輸入結(jié)構(gòu)，能節(jié)省FPGA的接口資源，在采樣速率為85 kHz的條件下功耗為0.65 mW。同理也可以在單端形式下進(jìn)行差分信號(hào)模擬，對(duì)每個(gè)引腳的功能進(jìn)行分析：

1)1腳：VREF表示輸入?yún)⒖茧妷海?/p>

2)2腳：+IN表示輸入同相端的模擬信號(hào)；

3)3腳：-IN表示輸入反相端的模擬信號(hào)；

4)4腳：GND表示電源；

5)5腳：CS/SHD表示片選端；

6)6腳：DOUT表示輸出串行數(shù)據(jù)；

7)7腳：DCLOVK表示數(shù)據(jù)時(shí)鐘；

8)8腳：+VCC表示供電電源。

以各個(gè)引腳的功能設(shè)計(jì)A/D轉(zhuǎn)換模塊的電路，在其正常工作時(shí)為激光器提供直流電壓，據(jù)此對(duì)A/D轉(zhuǎn)換模塊的轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，局部電路如圖3所示。

圖3 轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)原理圖

如圖3所示，AD234882轉(zhuǎn)換器的5腳、6腳和7腳分別與FPGA的SPI串行接口進(jìn)行連接，負(fù)責(zé)反饋FPGA的模擬量信號(hào)，進(jìn)行輸出電壓信號(hào)參數(shù)的傳輸；2腳與量子通信激光器的輸出功率傳感器相連，再?gòu)亩瓿煞答伒哪M信號(hào)向數(shù)字電壓信號(hào)的轉(zhuǎn)化，并與設(shè)定的基準(zhǔn)值進(jìn)行參數(shù)比較，實(shí)現(xiàn)量子通信激光器的輸出功率控制。

2 基于機(jī)器學(xué)習(xí)的功率控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)置量子通信激光器通信檢測(cè)單元

量子通信激光器的輸出功率是激光器運(yùn)行的重要參數(shù)，輸出功率的穩(wěn)定與準(zhǔn)確直接影響到激光通信領(lǐng)域的應(yīng)用[17]。在量子激光通信過程中實(shí)時(shí)檢測(cè)和控制激光器的輸出功率是十分必要的，主要目的是在給定的功率值下保證激光器能夠在該范圍內(nèi)完成穩(wěn)定地運(yùn)行。由于量子通信激光器是驅(qū)動(dòng)型器件，需要對(duì)其提供激勵(lì)電流才能正常運(yùn)行，要實(shí)現(xiàn)對(duì)光纖激光器的輸出功率控制需要不斷調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電源的激勵(lì)電流，以此保證最終輸出功率的控制。

將量子通信激光器的驅(qū)動(dòng)電源設(shè)定為恒流源，根據(jù)PID 算法設(shè)置激光器的驅(qū)動(dòng)電源激勵(lì)電流的輸出類型，完成量子通信激光器的功率變化形式界定。一般情況量子通信激光器是在連續(xù)脈沖下進(jìn)行通信輸出的，在PID算法模糊規(guī)則匹配過程中給定輸入電流與輸出功率對(duì)應(yīng)關(guān)系，設(shè)置I為激光器輸入電流，單位為A，P為激光器輸出功率，單位為W。兩者變化曲線如圖4所示。

圖4 量子通信激光器I與P變化關(guān)系

根據(jù)圖4所示，激光器的驅(qū)動(dòng)電流值與輸出功率具有良好的線性關(guān)系，因此本文系統(tǒng)通過控制量子通信激光器的驅(qū)動(dòng)電流，以此來間接控制激光器的輸出功率[18]。從圖中的數(shù)據(jù)可以看出電流分別為10、20、30、40、50、60 A，對(duì)應(yīng)的功率為36、116、195、273、351、428 W，通過量子通信激光器的驅(qū)動(dòng)電流值和輸出功率間的線性關(guān)系，建立線性方程如下：

a=8f-46

(1)

式中，a為激光器的輸出功率值。f為量子通信激光器驅(qū)動(dòng)電流值。將兩者的線性關(guān)系代入到機(jī)器學(xué)習(xí)算法中，在控制端為0～10 V的模擬電壓中對(duì)應(yīng)有0～70 A的電流輸出，關(guān)系表示為I=7U。將U表示為激光器電源控制端的模擬電壓輸出值，當(dāng)量子激光器的驅(qū)動(dòng)電源發(fā)生波動(dòng)時(shí)，會(huì)造成激光的輸出功率不穩(wěn)定，在A/D轉(zhuǎn)換單元中將信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，利用機(jī)器學(xué)習(xí)的線性方程在線實(shí)現(xiàn)功率的整定和調(diào)節(jié)，達(dá)到量子通信激光器的功率控制作用。

2.2 多量子耦合下設(shè)定激光器有源區(qū)控制形式

量子通信激光器中能量相近的電子能形成的微帶可以提高電子的抽取效率，以多量子耦合關(guān)系設(shè)定功率控制的有緣區(qū)表現(xiàn)形式，保證微帶可以由多個(gè)量子耦合而成，而微帶帶邊中的復(fù)合輻射躍遷能更產(chǎn)生帶間躍遷功能[19]。在連續(xù)態(tài)的區(qū)間內(nèi)上激光能級(jí)為束縛態(tài)，下激光能級(jí)為微帶形式，通過上下交疊的形式可以增加上下能級(jí)之間的躍遷距離，以此提升量子通信激光器的上能級(jí)電子壽命。

在有源區(qū)內(nèi)會(huì)限制量子通信激光器的部分波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，其中SISP波導(dǎo)結(jié)構(gòu)由上金屬和有緣區(qū)以及半絕緣襯底組成，為保證構(gòu)建的有緣區(qū)和襯底之間會(huì)形成摻雜濃度，設(shè)計(jì)襯底厚度為250～850 nm，使得半絕緣襯底具備類金屬特性，具體分布形式如圖5所示。

圖5 有緣區(qū)介質(zhì)波導(dǎo)表現(xiàn)形式

根據(jù)圖5所示，在量子通信激光器內(nèi)設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的有緣區(qū)介質(zhì)波導(dǎo)基模，設(shè)定光限制因子為15%～55%，腔面反射率在35%～65%范圍內(nèi)，保證波導(dǎo)具備較高光限制因子與較低波導(dǎo)損耗，以此有效降低量子通信激光器的閾值增益[20]。在襯底中含有多個(gè)分布場(chǎng)，由于SISP波導(dǎo)的出面面積較大，在低腔面的反射率作用下能夠獲得更高的輻射損耗，因此設(shè)置雙金屬波導(dǎo)結(jié)構(gòu)能更將光場(chǎng)完全控制在有緣區(qū)內(nèi)。

在有緣區(qū)內(nèi)雙金屬波導(dǎo)結(jié)構(gòu)會(huì)形成兩個(gè)金屬夾層，光場(chǎng)被完全限制在有緣區(qū)中，光限制因子可約等于100%。并且在雙金屬波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中的主要損耗為外伸的摻雜層，當(dāng)腔面高度與有源區(qū)厚度相接近時(shí)，以95%的腔面反射率作為增益前提，通常情況下以極高的光學(xué)限制因子獲取控制參數(shù)，表現(xiàn)為：

δqwe=rt+ru

(2)

式中，δ表示在有緣區(qū)內(nèi)設(shè)定波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的限制因子。qwe表示閾值增益。rt表示本征損耗，主要為摻雜層的自由載流子吸收。ru表示諧振腔輻射損耗。由于本征損耗與量子通信激光器的外延性能相關(guān)，因此常使用閾值凈增益qnet，we進(jìn)行控制，即去掉本證損耗的增值為qnet，we=ru。因此在SISP波導(dǎo)介質(zhì)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)多量子耦合關(guān)系下的有緣區(qū)形式設(shè)定，保證量子通信激光器具備相對(duì)較好的輸出功率。

2.3 基于介電常數(shù)對(duì)應(yīng)量子通信功率反饋條件

在介電常數(shù)的周期性變化規(guī)律中對(duì)于特定頻率的電磁波，其有緣區(qū)內(nèi)的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中存在有耦合關(guān)系，通過光柵平面內(nèi)的矢量守恒原理選擇功率反饋條件。為保證有效控制量子通信激光器的輸出功率，以波導(dǎo)模式場(chǎng)的分布結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)功率問題，在不同射頻面內(nèi)進(jìn)行有限分析。上節(jié)中表明有源區(qū)中的增益與頻率有關(guān)，在多個(gè)腔面占比中所支持的頻譜共同決定了量子激光器的運(yùn)行模式，守恒形式表示為：

2α=iβ

(3)

(4)

pβ=α+dssin(εs)

(5)

式中，p表示衍射級(jí)別，ds表示衍射波的波矢量，εs為衍射角度，即衍射的波矢量與腔表面的法線方向夾角。根據(jù)不同的光柵階數(shù)能夠形成多個(gè)布拉格反射條件，當(dāng)光柵階數(shù)逐漸增加時(shí)，布拉格衍射級(jí)別也不斷增加，在不同的衍射級(jí)別與量子波矢量關(guān)系中形成動(dòng)量守恒關(guān)系。

在已知的條件下選擇功率反饋模式表示i=1、i=2、i=3時(shí)的光柵反射條件。當(dāng)處于一階光柵時(shí)功率反饋器只能容許功率呈現(xiàn)背向散射，當(dāng)處于二階光柵時(shí)容許為背向散射或者垂直于表面的功率輻射，當(dāng)為三階光柵時(shí)除了背向散射還需要在特定角度下進(jìn)行功率反饋傳播，只有在設(shè)定的反饋條件下，有效折射率大于3時(shí)才能將功率耦合到自由空間中。

由于光柵階數(shù)可以在剝離技術(shù)下進(jìn)行光刻制備，因此在不同的功率反饋條件中能夠使波導(dǎo)模式產(chǎn)生不同的折射率，以滿足量子通信激光器的傳輸模式，保證該器件在多種介質(zhì)中完成周期性信號(hào)傳輸，無論波導(dǎo)介質(zhì)常數(shù)怎樣變化，均可以在金屬結(jié)構(gòu)的有緣區(qū)損耗中自由變化波長(zhǎng)。金屬基底在有源區(qū)上方交替出現(xiàn)，促使介電常數(shù)發(fā)生周期性的變化，而光柵在角度轉(zhuǎn)換中可以改變折射率，在強(qiáng)反饋模式下對(duì)功率產(chǎn)生一定的控制作用。

2.4 基于機(jī)器學(xué)習(xí)控制量子通信系統(tǒng)激光器功率

機(jī)器學(xué)習(xí)的主要方法有決策樹學(xué)習(xí)和人工網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)以及加強(qiáng)學(xué)習(xí)，各個(gè)算法能解決的問題各不相同，而對(duì)軟件的設(shè)計(jì)此次選用加強(qiáng)學(xué)習(xí)算法對(duì)功率進(jìn)行控制，即在特定狀態(tài)下對(duì)量子通信激光器的動(dòng)作進(jìn)行最優(yōu)策略選擇。加強(qiáng)學(xué)習(xí)中非常重要的算法為Q算法，表現(xiàn)為當(dāng)前環(huán)境狀態(tài)下執(zhí)行某一組動(dòng)作后對(duì)量子通信激光器的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行描述，并在收到狀態(tài)描述的基礎(chǔ)上更新Q函數(shù)，以此重復(fù)地進(jìn)行學(xué)習(xí)最終尋找到最優(yōu)的控制參數(shù)。

假設(shè)Q學(xué)習(xí)的初始函數(shù)為0，當(dāng)其處于狀態(tài)h1時(shí)采取恰當(dāng)?shù)膭?dòng)作k會(huì)進(jìn)入到狀態(tài)h2，此時(shí)在該狀態(tài)下選擇的動(dòng)作能夠存在一組Q函數(shù)。設(shè)定Q函數(shù)在動(dòng)態(tài)區(qū)間學(xué)習(xí)的過程中產(chǎn)生的誤差是按照λ來減少的，在j次通信傳輸后得到的函數(shù)值即為實(shí)際Q函數(shù)，其關(guān)系表示為：

Δj=maxh，k|Qj(h，k)-Q(h，k)|

(6)

|Qj+1(h，k)-Q(h，k)|=

|l+λmaxzQj(x，z)-[l+λmaxzQ(x，z)]|=

λ|maxzQj(x，z)-maxzQ(x，z)|

(7)

式中，Q(h，k)表示實(shí)際過程中的Q函數(shù)值，Qj(h，k)表示j次更新后的估計(jì)Q函數(shù)值，Δj表示通信傳輸過程中的最大誤差，h為當(dāng)前狀態(tài)選擇的動(dòng)作，k為對(duì)應(yīng)選擇的動(dòng)作，x表示下一狀態(tài)，z為下一對(duì)應(yīng)動(dòng)作，在j+1次更新后誤差量為Qj+1(h，k)。在此基礎(chǔ)上引入新的變量g，當(dāng)變量發(fā)生變化時(shí)最大值只能大于或等于當(dāng)前的值，推導(dǎo)出與Δj相匹配的表達(dá)式：

|Qj+1(h，k)-Q(h，k)|=

|l+λmaxzQj(x，z)-[l+λmaxzQ(x，z)]|≤

λmaxg，z|Qj(g，z)-Q(g，z)|

(8)

通過上式完成推導(dǎo)即表示為|Qj+1(h，k)-Q(h，k)|≤λΔj，從該不等式中可以看出，更新后的Q函數(shù)值的最大誤差是Δj的λ倍。當(dāng)j為無限大的時(shí)候Δj會(huì)趨近于0，可在Q函數(shù)的不斷更新下完成對(duì)量子通信激光器輸出功率的控制。至此本文通過對(duì)硬件和軟件的綜合分析，實(shí)現(xiàn)了量子通信激光器的功率控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試分析

上文中通過機(jī)器學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)了量子通信激光器的功率控制系統(tǒng)，為驗(yàn)證新系統(tǒng)具有應(yīng)用效果，采用對(duì)比測(cè)試的方法完成論證。分別選擇基于遺傳算法控制系統(tǒng)和時(shí)序分類控制系統(tǒng)以及基于雙平衡控制系統(tǒng)作為對(duì)照組，分別與本文控制系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比，在不同信號(hào)增益條件下對(duì)激光器的初始脈沖功率進(jìn)行控制，驗(yàn)證不同系統(tǒng)的控制效果。

3.1 設(shè)定測(cè)試條件

以數(shù)值模擬方式推導(dǎo)量子通信激光器脈沖形狀，在數(shù)值計(jì)算中設(shè)定脈沖的初始高度和寬度均為0，脈沖的變化條件為1.5 ps。分別選擇不同的信號(hào)增益條件，在0.05、0.10、0.15時(shí)獲取激光器的功率變化情況，如圖6所示。

圖6 不同信號(hào)增益條件下激光器功率變化

根據(jù)圖6所示，此次選擇的變化條件基本為小信號(hào)增益，在不同的增益條件下激光器的功率會(huì)發(fā)生波動(dòng)，且對(duì)應(yīng)的脈寬與功率變化相一致。當(dāng)功率增長(zhǎng)時(shí)脈沖帶寬隨之增加，當(dāng)功率下降時(shí)脈沖寬度隨之縮減，但對(duì)著通信脈沖的多次往返會(huì)將功率保持在一定數(shù)值，使其保持在穩(wěn)定狀態(tài)。

綜合圖6(a)與(b)中的信息可知，當(dāng)功率穩(wěn)定在4.25×103W時(shí)，不同信號(hào)增益對(duì)應(yīng)的脈沖寬度分別為528、556、585 FS，并且在穩(wěn)定后無論脈沖如何往返，激光器的功率和脈沖寬度均不會(huì)發(fā)生變化。但實(shí)際應(yīng)用過程中若往返次數(shù)過多會(huì)影響通信信號(hào)的傳輸效果，需要對(duì)量子通信激光器進(jìn)行功率控制。分別將選擇的控制系統(tǒng)應(yīng)用在該量子通信激光器數(shù)據(jù)傳輸中，驗(yàn)證不同系統(tǒng)的控制效果。

3.2 分析測(cè)試結(jié)果

將設(shè)定的多組信號(hào)增益條件下的功率變化情況上傳至Matlab測(cè)試平臺(tái)，分別連接選擇的4組控制系統(tǒng)，對(duì)不同的功率進(jìn)行控制效果比較，結(jié)果如圖7所示。

圖7 功率控制效果

根據(jù)圖7所示，在文本系統(tǒng)應(yīng)用下無論是哪一種信號(hào)增益條件，均可以在50次往返過程中對(duì)功率完成控制，使其保持在穩(wěn)定狀態(tài)。而3組傳統(tǒng)控制系統(tǒng)僅能對(duì)信號(hào)增益為0.05條件，在較少的往返次數(shù)中將功率控制在穩(wěn)定狀態(tài)，當(dāng)信號(hào)增益為0.15條件時(shí)，3組傳統(tǒng)系統(tǒng)的功率控制往返次數(shù)分別為500、650和700次，雖然較比原有的往返次數(shù)有所減少，與本文系統(tǒng)相比仍存在較大差距，說明本文系統(tǒng)更加有效。

在此基礎(chǔ)上對(duì)控制后的通信脈寬進(jìn)行分析，驗(yàn)證在控制后脈沖形狀是否能與功率變化保持一致。結(jié)果如表2所示。

表2 功率控制后脈沖寬度比較 fs

根據(jù)表2所示，本文系統(tǒng)應(yīng)用后在不同的信號(hào)增益條件下，可以保持與樣本數(shù)據(jù)一樣的脈沖帶寬，表明新系統(tǒng)具備控制時(shí)效的同時(shí)具有精準(zhǔn)的控制效果，而3組傳統(tǒng)系統(tǒng)存在一定的誤差，綜合說明本文系統(tǒng)更加有效。

4 結(jié)束語

對(duì)量子通信激光器中激光的控制主要分為空間上、時(shí)間上的控制，前者包括幅度與相位的控制，后者包括頻譜和時(shí)譜的控制。幅度調(diào)控主要為量子通信激光器輸出功率的控制，此次著眼于獲取高功率光源來設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的多個(gè)結(jié)構(gòu)，以機(jī)器學(xué)習(xí)中的不同算法完成了控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并在對(duì)比測(cè)試中驗(yàn)證了新系統(tǒng)有效性。但由于對(duì)硬件模塊中仍有待完成的模塊，在設(shè)計(jì)過程中存在少許不足之處，后續(xù)研究中會(huì)對(duì)剩余的模塊功能進(jìn)行完善，推進(jìn)量子通信激光器控制系統(tǒng)的應(yīng)用。