[发明专利]评估垂直腔面发射激光器L-I故障诊断模型的优化方法

说明书

本发明公开的一种评估垂直腔面发射激光器L‑I模型的优化方法，旨在提供一种准确的根据垂直腔面发射激光器VCSEL工作的环境温度评估和判断器件或系统的故障状态。本发明通过下述技术方案予以实现：L‑I确定模型参数模块以实测数据为基础，根据已知的关于VCSEL的实测值，利用最小二乘回归对模型参数进行建模，结合自适应时刻估计Adagrad算法对回归模型进行参数求解计算，求解得到L‑I模型的模型参数，得到模型参数的优化值；求解出模型参数后，模型绘制L‑I曲线模块根据得到的模型表达式，绘制不同温度下的L‑I曲线；比较改进前的原模型中的曲线，评估得到L‑I模型的模型参数。

技术领域

本发明涉及光通信设备、系统和网络的故障诊断和评估分析，主要适用于使用垂直腔面发射激光器的光通信电子设备及系统等的性能评估、故障诊断和预测分析。

背景技术

与我们生活息息相关的激光器种类繁多，其中的垂直腔面发射激光器(VCSEL)具有使用简单，功耗较低等特点而被广泛应用。由于垂直腔面发射激光器VCSEL具有高速调制能力、低电流单纵模波操作能力，可以实现高速调制，能够应用于长距离、高速率的光纤通信系统。垂直腔面发射激光器(VCSEL)是一种出光方向垂直于谐振腔表面的半导体激光器，具有体积小、阈值低、光束方向性好、动态调制频率高、易成阵列、易耦合、易检测等优点，成为芯片间光互连应用的理想光源。L-I模型和带宽模型一直是VCSEL激光器研究的重点。而在进行光通信系统的设计之前，往往会通过计算机仿真的方式来研究系统设计的指标，以便找到最适合的解决方案，同时在使用中监控各类参数评估其工作状态，判断系统的故障情况。光功率强度与温度的关系决定激光器可以在什么样的环境温度范围内使用。利用各种检查和测试方法，发现系统和设备是否存在故障的过程是故障检测；而进一步确定故障所在大致部位的过程是故障定位。故障检测和故障定位同属网络生存性范畴。要求把故障定位到实施修理时可更换的产品层次(可更换单位)的过程称为故障隔离。故障诊断就是指故障检测和故障隔离的过程。由于激光器(VCSEL)材料中所给参数并非是最佳的参考初值，且数据不多，建立的模型有一定的误差。前期预处理时容易产生考虑不全，虽然建模过程中可以尽量降低模型参数的误差，但仍会存在误差，影响了激光器仿真模型的精度。建模过程中假设激光器在工作状态下，器件发热均匀。但现实环境中，此项假设并非完全成立。这也导致结果与实际还是存在误差。其次，由于VCSEL激光器的电学寄生参数中的寄生电容，寄生电感，寄生电阻等都会影响激光器获得更宽的带宽。激光器在高频工作时，寄生电容是影响激光器带宽的主要因素，它最主要的影响了激光器的响应速度。其中寄生电容的存在限制了注入电流进入有源区，从而导致了高频下微分效率的降低。实际的应用过程中，温度会不断改变。当电流不变时，随着温度的上升，激光器带宽逐渐减；温度降低时，激光器带宽逐渐增大。这主要是由于工作温度的降低会增加微分增益系数，从而增大激光器带宽。计算的L-I模型的精度值，采样点的精度最大值为98.47％，最小值为13.23％，波动范围相当大，分析产生误差的原因主要有三个：实测值的零值干扰、过拟合以及算法陷入局部最优。由于算法在优化的过程中考虑了零值的存在，就难免产生干扰。过拟合的时候，拟合函数的系数往往非常大，在某些很小的区间里，函数值的变化很剧烈。这就意味着函数在某些小区间里的导数值非常大，由于自变量值可大可小，所以只有系数足够大，才能保证导数值很大。现有带宽模型建模方式需要结合稳态条件下和小信号响应条件下的参数分析，且求解过程仍然较为繁琐。

现有的一些模型虽然可以较好的描述VCSEL的性能特性，用于器件以及系统的性能评估和故障诊断预测。但由于基于数值仿真，计算量巨大，并不适合于与其他电路模型相结合。同时，改进前的L-I模型精度值差，波动范围大，优化改进后的新模型精度更高，计算使用更方便，通过优化的模型绘制的功率温度曲线更能反映真实情况，考虑实际使用中的问题能够得到更准确的评估结果。通过优化的模型能够评估特定光功率和环境温度下器件的工作温度，从而可以根据温度评估判断器件、设备乃至系统的性能或故障状态。

发明内容