用于量子密钥分发的半导体激光器温控系统

秦继伟,洪占勇,刘建宏,余 刚

(1.合肥工业大学工业与装备技术研究院,安徽 合肥 230009；2.科大国盾量子技术股份有限公司,安徽 合肥 230088)

1 引 言

近年来,量子通信得到了迅速发展,其基本思想主要包括QKD和量子态隐形传输。QKD系统需要采用单光子作为传输载体,实际上理想的单光子源是难以产生的,一般用与单光子源具有近似性质的弱相干态光源代替。通常采用分布反馈式激光器及特殊光路结构组成量子光源,要求其具有高调制速率、高稳定性、高峰值特性等特点[1-3]。通过对DFB激光器特性的研究,可知温度对DFB激光器的正常工作有着重要的影响。其影响主要包括:阈值电流、V-I关系、输出波长、P-I关系等。首先,温度升高使出射光波长发生漂移,漂移量为(0.2～0.4)nm/℃。其次,DFB激光器阈值电流随温度的升高而升高,在驱动电流恒定的情况下,出光功率随温度的升高而降低,这主要是由于DFB激光器温度升高所引起的阈值电流增大和斜率效率减小所造成的[4-5]。出射光波长的漂移和出光功率的不稳定,直接影响了QKD系统中探测器的探测效率,进而影响系统的成码率,所以QKD系统对于DFB激光器的温度控制提出了较高的要求[2-3]。针对此情况,文中介绍了一种基于FPGA的温控电路。该设计处理速度快,并达到了较高的温控精度和稳定度,使得激光器的波长漂移变化受温度影响较低。

2 系统原理

本文设计了一种基于FPGA的DFB激光器温控单元,用于QKD系统。由于在QKD系统中缺少理想的单光子源,通常采用调制DFB激光器产生相位随机的弱相干光脉冲作为光源,而且在QKD系统攻击演示和量子随机数产生时,DFB激光器也常作为光源[6]。本设计采用内部集成了NTC热敏电阻和TEC的DFB激光器。

温控单元系统组成如图1所示,上位机下发目标温度值ts给FPGA,FPGA通过AD5665(16位DAC,100 kHz/400 kHz/3.4 MHz)把相应的VTEC值下发给MAX8520,从而控制TEC工作电流的流向和大小。

图1 温控系统总体设计

将DFB激光器工作时腔体温度所对应的NTC热敏电阻电压值VThermistor,通过ADS8328(16位ADC,500 kHz采样率)上传至FPGA,用作温度控制的反馈值；同时MAX8520,也通过ADC上传ITEC给FPGA,作为监控TEC电流的反馈值,避免TEC因工作电流过高而损伤。系统采用增量式PID算法控制,省去了PID补偿电路。FPGA通过调节PID参数,进行反馈调节VTEC的值,从而形成对激光器工作温度的闭环负反馈控制,使其工作温度稳定在设定值。

TEC是系统的关键部件之一,它用两种不同半导体材料(P型和N型)组成PN结,当PN结中有直流电流通过时,由于两种材料中的电子和空穴在跨越PN结移动过程中产生吸热或放热效应(帕尔帖效应),就会使PN结表现出制冷或制热的效果,改变电流方向即可实现TEC加热或制冷,调节电流大小即可控制加热或制冷量的输出[7-8]。

3 硬件设计

3.1 温度检测电路

利用集成于DFB激光器内部的NTC热敏电阻对其工作温度进行检测,避免了外加测温电路引入的环境误差。主要通过精密电阻和热敏电阻组成的分压网路进行温度采样,但是由于电压源常常容易受到噪声的干扰,导致电压源自身的电压不准,从而造成温度采样电压不准,对温度的计算带来误差[9]。针对此种情况,采用低噪声、低温漂、精确的电压转换芯片REF5040ID(3 ppm/℃～8 ppm/℃,0.05%～0.1%),提供稳定的4.096 V的参考电压。应用NTC电阻阻值和温度值关系公式,通过FPGA逻辑处理,读取当前温度检测值。克服了线性化电路复杂的硬件结构和公式计算带来的问题。具体设计如图2所示。

图2 温度检测电路示意图

3.2 TEC驱动电路

MAX8520是专用于光学器件的TEC的高度集成驱动芯片。其内置了 PWM 控制器和线性放大器,并集成了金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET) 组成的H桥驱动电路,如图3所示。当VTEC>1.5 V时,电流从OS2流向OS1,即TEC-流向TEC +；反之,当VTEC<1.5 V时,电流从OS1流向OS2,即TEC+流向TEC-,从而实现TEC对DFB激光器的制冷和加热。流过 TEC电流的大小决定加热或致冷的速率,其值大小由VTEC所决定。

图3 TEC驱动电路示意图

4 温度控制增量式PID算法

主控芯片FPGA采用EP4CE55F23I7,通过上位机软件下发激光器ts以及PID参数,通过串口模块传至FPGA。用ADG704BRM(多路器)将Thermistor_V(VThermistor)和ITEC的电压信号进行合束,合束信号输出给ADC采样后,传给FPGA,进行闭环控制。

PID模拟控制器的一般算式如式(1)所示:

(1)

式中,u(t)为控制器的输出；e(t)为控制器的输入,是设定值与反馈值的差值；KP为控制器的比例系数；TI为控制器的积分时间常数；TD为控制器的微分时间常数。通过调节KP,TI,TD三个参数使系统达到稳定。

在使用处理器后,需要对模拟信号进行离散化处理。设处理器的取样时间为T,以一系列取样时刻点kT代替连续时间t(k取0,1,2,3,…),以数字形式的差分方程代替连续系统的微分方程。

用增量代替微分项:

(2)

式中,Δt=T为采样周期,必须使T足够小,以保证系统的精度。为了方便e(kT)简化表示成E(k),为第k次采样时的偏差值。

用和式代替积分项:

(3)

将式(2)和式(3)代入式(1),化简得:

(4)

式中,KI是积分系数,其值为(KP·T)/TI；KD是微分系数,其值为(KP·TD)/T；u(kT)为控制器第k次的输出值,为了方便可简化表示成U(k)。此种为位置型PID控制算法,但因为偏差E(k)的累积,需要占用较多的存储单元。可以进行如下优化处理:

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次相对于第(k-1)次的控制量的增量。

此种为增量式PID控制算法[10-11]。在其控制过程中,输出的控制值只是控制的增量,使被控对象的参数变化幅度变小,控制系统相对稳定并且减少硬件资源的占用。

另外进行PID控制,首先要确定PID控制器的参数。其整定方法有很多,可归结为理论计算法和工程整定法2种。实际中,由于被控系统结构复杂,数学模型逼真度不高,与真实系统存在较大差异,往往采用工程整定方法。这种方法最大的优点就是整定参数时不依赖对象的数学模型,采用经验公式,实现对控制参数P、I和D的确定。本系统采用此种整定方法,具体参数由实验调试时进行调整,从而实现对控制参数的确定[11]。

5 实验测试与结果分析

实验测试,选用中心谱线波长为1550nm的DFB激光器,其驱动采用压控电流源硬件电路设计,偏置可调。据激光器数据手册以及实验反复测量,确定测量条件为:信号态偏置电压3.05V；激光器工作偏置电压值4.00V；激光器工作电源电压值4.90V；光谱仪为AQ6370C,其测量范围为600～1700nm；环境温度为26 ℃。用t0表示起始温度值,λc表示中心波长,tr表示激光器实际工作温度值。

激光器温度设定值与其发出光中心波长关系及温控精度测试:由于器件本身的差别,每个激光器的温漂特性略有不同。为了保证系统的成码率,使用前需对其进行标定。选取15 ℃至45 ℃为调控目标范围,以15 ℃为起点,以1 ℃为步进,不断改变ts,每设定一个ts后,每隔5 s读取一次激光器输出波长值和实际温度值,每组读10次。算出各组平均值,绘制出图4。

图4 温控精度测试及温度设定值与DBF激光器中心波长关系

分别对激光器温控精度测试的每组数据做求取最大偏差值处理,得到结果均小于0.03 ℃,可得温控精度可达±0.03 ℃。

另外,据激光器工作温度平均值和发出光中心波长平均值关系的测试数据,可拟合[12]:

y=0.1012x+1547

R2=0.9999

根据拟合结果,此条件下,ts为29.64 ℃时,λc最接近1550 nm,漂移量最小。

激光器的温控和波长的稳定性测试:起始工作温度分别为15 ℃和45 ℃,ts=29.64 ℃,测试时间为120 s,每隔1 s记录一次实际温度值和激光器发出光的波长值。结果如图5、6所示。

图5 起始温度t0分别为15、45 ℃时的DFB激光器温度稳定性测试

图6 起始温度t0分别为15、45 ℃时的DFB激光器波长稳定性测试

由测试结果可知,从温控系统开始工作到基本稳定,均在5 s左右。并且,此后激光器工作温度保持在(29.64±0.03) ℃内浮动；激光器发出光的波长值从起始到稳定在(1550±0.01) nm以内,仅需8 s左右即可,由此可判断该系统响应快,稳定性好。

6 结 论

通过集成度更高的硬件电路设计,包括选用内部集成NTC热敏电阻和TEC的DFB激光器、TEC驱动电路的设计以及采用增量式PID控制算法代替PID补偿电路,实现了精度为±0.03 ℃的激光器温度控制,并且激光器发出光的波长漂移小于0.01 nm,可克服QKD系统中,由温度变化而引起的信号光波长变化,从而减弱QKD系统成码率因激光器工作温度变化而呈现的不稳定性。另外,温控的精度及稳定性只是影响DFB激光器正常工作的重要因素之一,设计时还需对其他因素和指标进行综合考虑。

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