基于高斯回归过程的DBR激光功率和波长建模方法技术

本发明专利技术基于高斯回归过程的DBR激光功率和波长建模方法，基于高斯回归过程算法对DBR激光的输出功率和波长进行精确描述和预测。针对DBR激光开展物理机理研究，分别对功率、电流和温度之间的关系以及波长、电流和温度之间的关系进行分析，搭建实验装置获取数据，并对其进行处理，选取合适的学习样本和测试样本，根据物理分析结果分别设计针对功率和波长的组合核函数，设置超参数的初始值，确定先验模型，训练学习样本对模型参数进行优化，采用极大似然法获取最优化超参数，确定后验模型，将测试样本应用到优化后的模型中，输出功率和波长的预测值。本发明专利技术能够精确且快速获取DBR激光输出功率和波长的模型，有助于提升DBR激光功率和频率控制的效率和精度。频率控制的效率和精度。频率控制的效率和精度。

【技术实现步骤摘要】
基于高斯回归过程的DBR激光功率和波长建模方法


[0001]本专利技术涉及半导体激光应用
，具体涉及基于高斯回归过程的DBR激光功率和波长建模方法。

技术介绍

[0002]分布式布拉格反射式(DBR，distributed Bragg reflector)激光因其线宽窄、可调谐范围广而在原子物理学领域大放异彩。近年来，它已被广泛用于原子磁强计、原子陀螺仪、冷原子干涉、暗物质探测等方面的研究。由商用激光直接发出的激光束往往不足以满足具体的应用，因此提高激光的输出性能是激光应用中最基本但意义重大的研究。在大多数原子物理研究中，激光的功率和波长都需要控制。对于原子磁强计和陀螺仪来说，需要稳定激光的波长和功率，在冷原子的干涉实验中，进行频率快速移动等精细操作意义重大。然而，在实际实验过程中，激光的功率和波长控制往往是复杂而繁琐的。首先，需要通过测量大量的数据来大致获得所用的激光输出特性。其次，为了使控制更加精确，在控制过程中往往要用到各种光学元件、仪器和特定的电路系统，这大大增加了实验装置的复杂性。实验中遇到的上述问题使人们希望找到一种方法来快速准确地描述激光的功率和波长，以提高控制效率和激光输出性能的精度。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的在于针对半导体激光应用领域，提出基于高斯回归过程的DBR激光功率和波长建模方法，提升DBR激光功率和波长控制的效率和精度。
[0004]本专利技术的技术解决方案如下：
[0005]基于高斯回归过程的DBR激光功率和波长建模方法，其特征在于，包括基于高斯回归过程算法对DBR激光的输出功率和波长进行精确描述和预测；针对DBR激光开展物理机理研究，对功率P、电流I和温度T之间的关系进行分析和对波长λ、电流I和温度T之间的关系进行分析，搭建实验装置获取数据，并对获取的数据进行处理，选取学习样本和测试样本，根据物理分析结果设计出功率组合核函数k
p
(x
i
,x
j
)和/或波长组合核函数k
w
(x
i
,x
j
)，x
i
和x
j
均代表学习样本或者测试样本中的变量，i和j均为变量序号数；设置超参数初始值，确定先验模型，训练学习样本对模型参数进行优化，采用极大似然法获取最优化超参数，确定后验模型，将测试样本应用到优化后的模型中，输出功率和波长的预测值。
[0006][0007]其中σ1～σ2是第一至第二输出规模参数，l1表示第一长度尺度参数，c表示常数参数，d表示指数参数，代表x
i
的转置，σ1～σ2、l1、c、和d均属于待优化超参数。
[0008][0009]其中σ3～σ4是第三至第四输出规模参数，l3表示第三长度尺度参数，p表示周期性参数，σ3、σ4、l3和p均属于待优化超参数。
[0010]包括以下步骤：
[0011]步骤1，开展半导体DBR激光器机理研究，分别对输出功率、电流和温度之间的关系以及输出波长、电流和温度之间的关系进行分析，作为后续算法设计的基础；
[0012]步骤2，根据激光器机理研究结果，搭建实验装置获取数据，并对其进行处理，选取合适的学习样本和测试样本；
[0013]步骤3，基于激光器机理研究，分别设计针对功率和波长的组合核函数；
[0014]步骤4，基于设计好的组合核函数，设置其中超参数的初始值，确定先验模型；
[0015]步骤5，训练学习样本对先验模型参数进行优化，采用极大似然法获取最优化超参数，确定后验模型；
[0016]步骤6，将测试样本应用到优化后的后验模型中，输出功率和波长的预测值，最终实现对DBR激光功率和波长的精准建模。
[0017]所述步骤1中包括对输出功率、电流和温度之间的关系分析如下：对DBR半导体激光来说，驱动电流直接影响输出功率，而温度通过影响阈值电流和为微分量子效率来改变输出功率；在驱动电流在阈值电流之上时，半导体激光产生受激辐射从而正常出光；根据载流子速率方程理论，在阈值电流以上时，输出功率P与电流I的关系可以由下式表示：
[0018][0019]其中，η
d
为外微分量子效率，定义为激光的输出光子数随着注入电子增加的比率，h是普朗克常数，v是激光频率，q为单位电荷量，I
th
表示阈值电流；
[0020]温度T对激光的阈值电流I
th
和外微分量子效率η
d
的影响分别如下式表示：
[0021]I
th
＝I0exp(T/T0)
[0022]η
d
＝η0exp(
‑
T/T1)
[0023]其中，I0表示T＝0K时候的阈值电流，T0代表特征温度，表征了阈值电流对温度的敏感程度，η0表示T＝0K时候的外微分量子效率，T1代表特征温度，表征了阈值电流以及外微分量子效率对温度的敏感程度；
[0024]在注入电流保持恒定的前提下，阈值电流与外微分量子效率随着温度的变化而呈现指数型变化；综上所示，在阈值电流以上时，功率P和电流I、温度T的关系如下式：
[0025][0026]所述步骤1中包括对输出波长、电流和温度之间的关系分析如下：半导体激光输出波长随电流的变化而变化；当注入电流发生改变时，能带中载流子浓度相应的发生改变，载流子浓度随电流增大而增加，使得导带中电子的填充比率就越高，从而使得增益曲线向更高光子能量处移动，介质增益增大，同时载流子的浓度变化将引起有源区折射率的变化，该二者作用，使半导体激光输出波长发生变化；随着注入电流的增大，半导体激光输出波长向长波长方向移动，即产生所谓的“红移”，一般注入电流每增加1mA，波长将向长波长区移动约0.01nm。此外，电流的增加还将导致半导体激光温度的升高，该温升也将对波长的变化造成一定的影响；半导体材料的禁带宽度会显著地受到温度的影响，禁带宽度E
g
与温度T之间
的关系存在一个经典公式为：
[0027]E
g
＝E
g
(0)
‑
Shv[coth(hv)/2kT
‑
1][0028]其中，E
g
(0)对应于T＝0K时的禁带宽度，S是无量纲的耦合常数，coth()代表双曲余切函数，k是波尔兹曼常数，另一方面，温度也会改变半导体材料的折射率，通常情况下折射率随温度上升而增大。
[0029]所述步骤2中的实验装置包括DBR激光器，所述DBR激光器分别连接温度控制端和电流控制端，所述DBR激光器依次通过隔离器和半波片连接偏振分光棱镜的入射侧，所述偏振分光棱镜的透射侧连接功率计，所述偏振分光棱镜的反射侧连接波长计。
[0030]所述步骤2中包括分别求解电流、温度和功率的数值关系以及电流、温度和波长的数值关系：
[0031]P～f1(I,T)
[0032]λ～f2(I,T本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于高斯回归过程的DBR激光功率和波长建模方法，其特征在于，包括基于高斯回归过程算法对DBR激光的输出功率和波长进行精确描述和预测；针对DBR激光开展物理机理研究，对功率P、电流I和温度T之间的关系进行分析和/或对波长λ、电流I和温度T之间的关系进行分析，搭建实验装置获取数据，并对获取的数据进行处理，选取学习样本和测试样本，根据物理分析结果设计出功率组合核函数k
p
(x
i
,x
j
)和/或波长组合核函数k
w
(x
i
,x
j
)，x
i
和x
j
均代表学习样本或者测试样本中的变量，i和j均为变量序号数；设置超参数初始值，确定先验模型，训练学习样本对模型参数进行优化，采用极大似然法获取最优化超参数，确定后验模型，将测试样本应用到优化后的模型中，输出功率和波长的预测值。2.根据权利要求1所述的基于高斯回归过程的DBR激光功率和波长建模方法，其特征在于，其中σ1～σ2是第一至第二输出规模参数，l1表示第一长度尺度参数，c表示常数参数，d表示指数参数，代表x
i
的转置，σ1～σ2、l1、c、和d均属于待优化超参数；其中σ3～σ4是第三至第四输出规模参数，l3表示第三长度尺度参数，p表示周期性参数，σ3、σ4、l3和p均属于待优化超参数。3.根据权利要求1所述的基于高斯回归过程的DBR激光功率和波长建模方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，开展半导体DBR激光器机理研究，分别对输出功率、电流和温度之间的关系以及输出波长、电流和温度之间的关系进行分析，作为后续算法设计的基础；步骤2，根据激光器机理研究结果，搭建实验装置获取数据，并对其进行处理，选取合适的学习样本和测试样本；步骤3，基于激光器机理研究，分别设计针对功率和波长的组合核函数；步骤4，基于设计好的组合核函数，设置其中超参数的初始值，确定先验模型；步骤5，训练学习样本对先验模型参数进行优化，采用极大似然法获取最优化超参数，确定后验模型；步骤6，将测试样本应用到优化后的后验模型中，输出功率和波长的预测值，最终实现对DBR激光功率和波长的精准建模。4.根据权利要求3所述的基于高斯回归过程的DBR激光功率和波长建模方法，其特征在于，所述步骤1中包括对输出功率、电流和温度之间的关系分析如下：对DBR半导体激光来说，驱动电流直接影响输出功率，而温度通过影响阈值电流和为微分量子效率来改变输出功率；在驱动电流在阈值电流之上时，半导体激光产生受激辐射从而正常出光；根据载流子速率方程理论，在阈值电流以上时，输出功率P与电流I的关系可以由下式表示：其中，η
d
为外微分量子效率，定义为激光的输出光子数随着注入电子增加的比率，h是普
朗克常数，v是激光频率，q为单位电荷量，I
th
表示阈值电流；温度T对激光的阈值电流I
th
和外微分量子效率η
d
的影响分别如下式表示：I
th
＝I0exp(T/T0)η
d
＝η0exp(
‑
T/T1)其中，I0表示T＝0K时候的阈值电流，T0代表特征温度，表征了阈值电流对温度的敏感程度，η0表示T＝0K时候的外微分量子效率，T1代表特征温度，表征了阈值电流以及外微分量子效率对温度的敏感程度；在注入电流保持恒定的前提下，阈值电流与外微分量子效率随着温度的变化而呈现指数型变化；综上所示，在阈值电流以上时，功率P和电流I、温度T的关系如下式：5.根据权利要求3所述的基于高斯回归过程的DBR激光功率和波长建模方法，其特征在于，所述步骤1中包括对输出波长、电流和温度之间的关系分析如下：半导体激光输出波长随电流的变化而变化；当注入电流发生改变时，能带中载流子浓度相应的发生改变，载流子浓度随电流增大而增加，使得导带中电子的填充比率就越高，从而使得增益曲线向更高光子能量处移动，介质增益增大，同时载流子的浓度变化将引起有源区...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐钧剑，岳子骞，翟跃阳，曹俐，袁子琪，李佳洁，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：