一种结合蚁群算法的级联双微环谐振波长搜索方法

1.本发明属于光子器件技术领域，具体涉及一种结合蚁群算法的级联双微环谐振波长搜索方法。


背景技术：

2.基于级联双微环结构设计的光子器件单元由于其波长选择性可以实现通带平坦、高陡直度，从而具有比单微环结构光子器件更大的带宽以及更高的带外抑制比。尽管级联双微环结构的光子器件具有诸多优势，但其在实际应用中面临工艺误差以及器件温度变化导致的谐振波长漂移问题。为解决该问题，利用热光效应在微环上集成微加热器对光子器件的谐振波长进行调节控制是常用的方法，传统的级联双微环结构光子器件波长控制方法一般包括全局搜索阶段和局部锁定阶段，全局搜索阶段采用逐步扫描的方式得到使双环的谐振波长接近信号波长的全局最佳加热功率，局部锁定阶段对双微环在全局最佳加热功率上进行小范围的搜索调节保证双微环谐振波长与信号波长的始终对齐。
3.然而，全局搜索阶段需要设置合适的加热功率步长；加热功率步长过大时，递增一次加热功率会导致微环的谐振波长漂移跳过信号波长，整个扫描过程中就不会出现监测端光功率极值点；加热功率步长过小时，全局搜索阶段需要大量的步数才能完成，耗费时间过长，进而影响整个波长控制的时间；全局搜索阶段还需要设置合适的最大加热功率；最大加热功率设置过大时，对一个环加热功率到达一定大的功率则会对另外一个环产生热串扰问题，使另外一个环的谐振波长向右漂移，就会导致在固定一个环的加热功率对另外一个环逐步递增加热功率的过程中监测端口不会出现极小值，找不到合适的加热功率点；最大加热功率设置过小时，光子器件的热光调节能力太差达不到一个fsr(全光谱范围)，只能在小范围内完成波长控制。


技术实现要素：

4.本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提出一种结合蚁群算法的级联双微环谐振波长搜索方法，将蚁群算法用于级联双微环结构的光子器件波长控制全局搜索阶段，可以提高全局搜索速度，快速定位全局最佳加热功率，解决了传统全局逐步扫描搜索速度慢的痛点。
5.为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
6.一种结合蚁群算法的级联双微环谐振波长搜索方法，包括以下步骤：
7.s1、设置双微环的最大加热功率，初始化双微环加热功率和信息素浓度；
8.s2、判断第g代监测端口最优值是否大于阈值；若大于阈值，则进入局部锁定阶段，若小于阈值，进入步骤s3；
9.s3、计算加热功率转移概率，变化双微环加热功率；
10.s4、判断新一代加热功率是否为更优值，更新信息素浓度，更新监测端口最优光功率值，跳转至步骤s2。
11.进一步的，设置监测端口，监测端口的光功率与两个微环的圆周相移构成马鞍曲面关系，利用监测端口的光功率变化来反馈调节双微环的加热功率，调节双微环的圆周相移即谐振波长使双微环始终处于谐振状态。
12.进一步的，步骤s1具体为：
13.设置双微环的最大加热功率，双微环的最大加热功率相等，即p
max1
＝p
max2
；
14.在(0，p
max1
)范围内随机选取n个初始加热功率即第0代加热功率,在双微环上依次施加相等的加热功率记录该过程中监测端口的光功率值y
i0
；
15.初始化每个加热功率的信息素浓度为比较得到t
i0
中的最大值即为第0代监测端口最优光功率值而其对应的双微环加热功率即为第0代最优加热功率其中，i＝1,2,3
……
,n。
16.进一步的，步骤s2具体为：
17.设置阈值，当第g代监测端口最优光功率值大于阈值时说明第g代的最优加热功率已经靠近监测端口光功率马鞍曲面的鞍点，则进入局部锁定阶段，在最优加热功率的基础上进行小范围的搜索锁定；
18.否则进行下一次迭代找到更优的最优加热功率，进入步骤s3。
19.进一步的，步骤s3具体为：
20.s31、比较上一代各个加热功率的信息素浓度得到信息素浓度最高值
21.计算每个加热功率对应的转移概率，公式为：
[0022][0023]
其中，加热功率的转移概率表征了其离第g代最优加热功率的远近程度；
[0024]
s32、根据加热功率对应的转移概率改变双环加热功率：
[0025]
当pi＞p0时，p0为转移概率常数，说明对应的加热功率离第g代最优加热功率很远，则新一代加热功率p
ig 1
＝p
ig
(rand-0.5)*p
max1
，p
ig
为上一代的加热功率，rand为(0,1)范围内的随机数；
[0026]
当pi＜p0时，说明对应的加热功率离第g代最优加热功率比较近，则新一代加热功率p
ig 1
＝p
ig
(2*rand-1)*step*λ；
[0027]
其中，step为搜索常数，λ＝1/g，g为当前迭代次数；
[0028]
s33、进行边界处理，当变化后的加热功率p
ig 1
大于p
max1
或者小于0时，将其设为(0，p
max1
)范围内的一个随机值。
[0029]
进一步的，步骤s4具体为：
[0030]
s41、将新一代加热功率p
ig 1
依次施加在双微环上，得到新一代监测端口的光功率值y
ig 1
；
[0031]
s42、比较y
ig 1
与上一代监测端口的光功率值y
ig
，当y
ig 1
大时则认为该次迭代成功，将加热功率更新为新一代加热功率；当y
ig 1
小时则认为该次迭代失败，保持上一代加热功率不变，并且保持监测端口光功率值不变；该步骤表示为：
[0032][0033][0034]
s43、更新新一代加热功率信息素浓度：
[0035][0036]
其中，rh为信息素更新常数值；
[0037]
s44、比较得到新一代监测端口光功率值y
ig 1
中的最大值即为第g 1代监测端口最优光功率值而其对应的双微环加热功率即为第g 1代最优加热功率值跳转至步骤s2判断第g 1代监测端最优光功率值是否大于阈值。
[0038]
进一步的，设置阈值为监测端口光功率值最大值的90％。
[0039]
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
[0040]
1、本发明将蚁群算法用于级联双微环结构的光子器件波长控制全局搜索阶段，随机选取起始加热功率，根据每次变化后留下的信息素浓度变化加热功率，比起传统的级联双微环结构光子器件波长控制全局扫描搜索方式减少全局搜索次数8倍左右，提高全局搜索速度，快速定位全局最佳加热功率，解决了传统全局逐步扫描搜索速度慢的痛点，同时通过设置全局搜索过程中双环加热功率相等有效规避级联双微环结构固有的热串扰问题，保证一定可以搜索到全局最佳加热功率，为提升基于级联双微环结构设计的光子器件波长控制速度、准确度提供了解决方案。
附图说明
[0041]
图1是本发明方法的流程图；
[0042]
图2是基于级联双微环结构设计的光开关单元结构示意图；
[0043]
图3是监测端口光功率与双环圆周相移的关系图；
[0044]
图4a是实施例中1000次仿真实验的加热次数直方图；
[0045]
图4b是实施例1000次仿真实验中各次实验得到的波长收敛范围汇总图。
具体实施方式
[0046]
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
[0047]
实施例
[0048]
如图2所示，为常见的级联双微环结构，包括输入光端口，输出光端口1、输出光端口2以及一个监测光端口。
[0049]
单波长光信号从输入光端口进入直波导，若环1与环2均处于谐振状态，即环1与环2的谐振波长与信号波长对齐时，光信号会经过环1与环2之间的耦合以及环2与直波导间的耦合从输出光端口2输出；若环1或者环2不处于谐振状态，即环1或者环2的谐振波长与信号
波长有偏差时，则信号光主要从输出光端口1输出。
[0050]
然而在实际应用中基于级联双微环结构设计的光开关面临工艺误差以及器件温度变化问题，使光开关的谐振波长产生漂移，往往会使双微环处于失谐状态导致信号光只能从输出光端口1输出，无法实现光信号输出开关功能。其它双环结构的光子器件谐振波长漂移同样会影响器件的光学性能。为解决该问题，热光效应被提出用于调节控制器件的谐振波长。如图3所示，为监测端口的光功率pm双环圆周相移和的关系图，监测端口的光功率值pm与两个环的圆周相移构成了类似马鞍曲面的关系，当即在马鞍曲面上处于鞍点位置时，双微环均处于谐振状态。通过在双环上集成微加热器，利用监测端口的光功率变化来反馈调节双环的加热功率，调节双环的圆周相移即谐振波长使双环始终处于谐振状态，消除器件工艺误差及环境温度带来的谐振波长漂移问题，实现光子器件长时间的谐振波长稳定控制。
[0051]
基于上述原理，传统的级联双微环结构光子器件波长控制方法一般分为全局搜索和局部锁定阶段。全局搜索阶段，首先对环1以一定步长逐步递增加热功率至最大加热功率值，记录并找到过程中监测端口的一系列光功率值的极大值；此后对环1施加该极大值下对应的加热功率p1，对环2以一定步长逐步递增加热功率至最大加热功率值p
max
，记录并找到过程中监测端口的一系列光功率极小值，对环2施加该极小值下对应的加热功率p2。局部锁定阶段，在对环1和环2保持p1和p2的基础上，依次对环1以小步长逐步递增加热功率找到过程中监测端口光功率的极大值，将环1的加热功率更新为该极大值对应下的加热功率，对环2以小步长逐步递增加热功率找到过程中监测端口的极小值，将环2的加热功率更新为该极小值对应下的加热功率。不断重复上述搜索极大值、极小值步骤，以将极值点的圆周相移降到最低，保证双环始终处于谐振状态。
[0052]
如图1所示，本发明，一种结合蚁群算法的级联双微环谐振波长搜索方法，包括以下步骤：
[0053]
s1、设置双微环的最大加热功率，初始化双微环加热功率和信息素浓度；具体为：
[0054]
设置双环的最大加热功率，双环的最大加热功率相等，即p
max1
＝p
max2
；
[0055]
在(0，p
max1
)范围内随机选取n个初始加热功率即第0代加热功率,在双微环上依次施加相等的加热功率记录该过程中监测端口的光功率值y
i0
；其中，设置相两个环的加热功率相等可以有效避免热串扰问题。
[0056]
初始化每个加热功率的信息素浓度为比较得到y
i0
中的最大值即为第0代监测端口最优光功率值而其对应的双微环加热功率即为第0代最优加热功率其中，i＝1,2,3
……
,n。
[0057]
s2、判断第g代监测端口最优值是否大于阈值；若大于阈值，则进入局部锁定阶段，若小于阈值，进入步骤s3；具体为：
[0058]
设置阈值，当第g代监测端口最优光功率值大于阈值时说明第g代的最优加热功率已经足够靠近监测端口光功率马鞍曲面的鞍点，则进入局部锁定阶段，在最优加热功率
的基础上进行小范围的搜索锁定；
[0059]
否则进行下一次迭代找到更优的最优加热功率。
[0060]
在本实施例中，设置阈值为监测端光功率值最大值的90％。
[0061]
s3、计算加热功率转移概率，变化双环加热功率；具体为：
[0062]
s31、比较上一代各个加热功率的信息素浓度得到信息素浓度最高值
[0063]
计算每个加热功率对应的转移概率，公式为：
[0064][0065]
其中，加热功率的转移概率表征了其离第g代最优加热功率的远近程度；
[0066]
s32、根据加热功率对应的转移概率改变双环加热功率：
[0067]
当pi＞p0时，p0为转移概率常数，说明对应的加热功率离第g代最优加热功率很远，需要在大范围内变化加热功率，则新一代加热功率p
ig 1
＝p
ig
(rand-0.5)*p
max1
，p
ig
为上一代的加热功率，rand为(0,1)范围内的随机数；
[0068]
当pi＜p0时，说明对应的加热功率离第g代最优加热功率比较近，只需要在该加热功率附近去变化加热功率即可，则新一代加热功率p
ig 1
＝p
ig
(2*rand-1)*step*λ；
[0069]
其中，step为搜索常数，λ＝1/g，g为当前迭代次数；
[0070]
s33、进行边界处理，当变化后的加热功率p
ig 1
大于p
max1
或者小于0时，将其设为(0，p
max1
)范围内的一个随机值。
[0071]
s4、判断新一代加热功率是否为更优值，更新信息素浓度，更新监测端口最优光功率值，跳转至步骤s2；具体为：
[0072]
s41、将新一代加热功率p
ig 1
依次施加在双微环上，得到新一代监测端口的光功率值y
ig 1
；该过程中同样要保证双环的加热功率相等避免热串扰问题。
[0073]
s42、比较y
ig 1
与上一代监测端口的光功率值y
ig
，当y
ig 1
大时则认为该次迭代成功，将加热功率更新为新一代加热功率；当y
ig 1
小时则认为该次迭代失败，保持上一代加热功率不变，并且保持监测端口光功率值不变；该步骤表示为：
[0074][0075][0076]
s43、更新信息素浓度；具体为：
[0077]
更新新一代加热功率信息素浓度：
[0078][0079]
其中，rh为信息素更新常数值；其中，设置合适的信息素更新常数值可以使加热功率越靠近全局搜索阶段的最佳加热功率信息素浓度就越高，下一代加热功率就会向信息素浓度高的方向变化。
[0080]
s44、比较得到新一代监测端口光功率值y
ig 1
中的最大值即为第g 1代监测端口最
优光功率值而其对应的双微环加热功率即为第g 1代最优加热功率跳转至步骤s2比较判断第g 1代监测端最优光功率值是否大于阈值。
[0081]
在本实施例中，按照本发明方法在matlab中做级联双微环结构光子器件的波长控制全局搜索仿真实验，模拟的监测端光功率与双环圆周相移关系为：实验中双环的最大加热功率p
max1
＝p
max2
设置为1000mw，在双微环都设置为最大加热功率时光子器件的谐振波长漂移为10nm，加热功率调节范围为(1545nm，1555nm)，设置信号波长为1550nm，初始加热功率粒子个数为30，最大迭代次数为20，转移概率常数p0＝5，信息素更新常数值rh设置为0.9，搜索常数值step＝100，退出全局搜索阈值设置为监测端光功率值最大值的90％，监测端口光功率值最大值根据监测端口光功率与双环圆周相移的关系得出，如图2所示。仿真结果如图4a和图4b所示，在1000次仿真全局搜索实验中，大部分实验需要搜索40次左右，平均搜索次数为60，而收敛到的波长处于(1549.92nm，1550.08nm)范围内，在信号波长1550nm
±
0.08nm内，符合进入局部锁定阶段的要求，即完成了全局搜索到最佳加热功率点过程。如果采用传统扫描方式来搜索全局最佳加热功率则需要500次左右。
[0082]
本发明提出将蚁群算法用于级联双微环结构的光子器件波长控制全局搜索阶段，将全局搜索阶段的最佳加热功率设为目标点，随机初始化双环的加热功率，根据变化路径上的信息素浓度进行加热功率的变化，每次变化后加热功率会释放相对应的信息素来不断更新信息素浓度，给下一次加热功率变化提供依据，经过多次迭代寻找过程，找到满足条件的全局最佳加热功率点后进入局部锁定阶段，完成级联双微环结构光子器件的波长控制。
[0083]
还需要说明的是，在本说明书中，诸如术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
[0084]
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。