CN101026417A - 激光调制器数字自动偏置电压控制设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种激光调制器数字自动偏置电压控制设备，该设备应用于控制安装于发光激光器上的激光调制器，其具有一调顶信号输出端口，其输出的调顶信号经调制器驱动器调制后，耦合进激光调制器；一个直流偏置电压输出端口，其输出直流偏置电压耦合进激光调制器；一个激光调制器输出的PD电信号输入端口；和一个控制模块，用以控制所述的调制器驱动器和所述的直流偏置电压的运行，使其与所述的激光调制器的光电转换功能曲线一致。本发明有效解决了现有技术中存在的滤波器受器件离散性影响大、在温度变化的情况下相位延时变化大、无法实现对PD电信号的峰值点的锁定、偏置控制电压跳转位置不可控和没有控制通信接口而导致的可控可调性不好的问题。
Description
技术领域
本发明涉及通信传输领域，尤指一种适用于需要有高性能和长期稳定性表现的光信号传输系统上的数字自动偏置电压控制设备。
背景技术
BIAS(bias control偏置控制)电平控制已经被广泛应用在高速外调制WDM发射模块上，该控制运用了积分或半功率点方式的偏置控制调节器的应用方法。控制的主要原理是利用调节器的工作非线形原理来产生一个错误的信号，并从该信号中提取出它的幅度和有方向的相位偏差。这个错误的信号又被完整地反馈到调节器的偏置控制口上进行反馈控制，从而实现光信号传输系统的高性能和长期稳定性表现。
采用幅度调制(AM)的数字RF(Radio Freqency)驱动信号来完成控制是一种用来控制调节器偏置控制电压的高性能方法，MACH-ZEHNDER调制器(以下称MZ调制器)偏置控制就是基于这种方法的运用。这种技术就是靠驱动放大器的增益在一个低的预先设定好的频率上抖动实现。这种经幅度调制的光信号由一种同步的解调器来光敏检测和处理。当偏置电压设定后，模块的相位在积分上固定，增益抖动产生的信号拥有幅度对称相等的正负相位偏移量。以下将该信号称作PD(photo detector光电探测)，以便同步解调器产生零错误信号。
先前技术一般是将BIAS电平直接连接调节器的偏置电极或者与RF偏置电极信号联合使用偏置电路，数字RF信号被驱动器放大。这个驱动器由一个通过它的增益控制电压输入端口的微小低频率信号调制，被幅度调制的数据信号直接输入到MZ调制器的RF输入口上，同时被调制的光信号又通过光耦检测，从主光路中分离少量的光信号。光耦信号PD通过一组工作在扰动频率点上的带通放大器来进行滤波和放大。这种从带通滤波器检出的信号中携带了从扰动源到产生错误信号的信息。这个错误信号被完整的反馈给MZ调制器的相位偏置电接口BIAS上，以便将误码调制到零。换句话来说，要保证MZ调制器在各种不同外界环境影响下稳定工作在正常的偏置电压点上，就需要通过MZ调制器输出的PD电信号的变化来动态控制其BIAS电压来实现。
MZ调制器输出的PD电信号与BIAS电平的关系如图1所示(以一个周期为例)，每一个BIAS电平对应一个PD电信号幅度。+MAX和-MAX均表示该点BIAS电压对应PD电信号输出幅度最大，也就是峰值点，0点则表示PD电信号输出幅度为0，而PD幅度正半轴和负半轴的区别是其相位关系正好相差II。由于这条曲线在不同的器件和温度下横轴和纵轴对应关系会发生变化，而我们一般要求调制器工作在已确定的PD幅度对应的点上(如0点或峰值点)，所以需要对该工作点的BIAS电平进行锁定。
如图2所示，首先MZ调制器模拟自动偏置电压控制模块(包括图2虚线框内的所有电路)中的时钟产生电路生成驱动器的低频率调顶信号对光信号进行调顶，同时输出解调时使用的参考时钟信号——解调信号。MZ调制器接收被调制的光信号后通过MZ调制器内部的光耦检测输出PD电信号，该信号经过放大器及工作在扰动频率点上模拟带通滤波电路后输出波形较为良好的正弦信号给解调电路。最后通过解调和开关电路对正弦信号进行选择性积分，得出携带误差信息的正向或者反向的控制电平输出给BIAS管脚。
综上所述，MZ调制器模拟自动偏置电压控制模块提供调顶信号输出的同时，还对调顶信号在MZ调制器上检测输出的微弱信号PD进行放大、滤波，并运用该信号的幅度和相位关系通过算法输出相应的直流偏置控制信号BIAS，从而形成反馈控制环路控制MZ调制器直流偏置电平保持在所需的工作点上，从而实现了用一种反馈控制环路来达到锁定的效果。
然而，由于模拟带通滤波器的性能指标完全由器件控制，滤波器通带特性难以控制，受器件离散性影响很大，所以应用先前技术需要在使用时必须对不同批次的器件需要经常对参数进行微调，增大了维护工作量；而且模拟电路稳定性较差，在温度变化的情况下，模拟电路的相位延时会发生较大的变化，而相位关系是这个反馈系统中的主要控制关系之一，相位的变化会严重影响到环路稳定状态。
此外，前述模拟电路虽然可以完成PD电信号的零值点(即PD电信号幅度的最小值)的锁定，但却无法实现对PD电信号的峰值点(即PD电信号幅度最大值)的锁定，而且锁定速度较慢，仅仅能够达到秒级。当控制电压超过PD峰值后会发生跳转的位置不可控，必须跳转到零伏重新进行锁定，这样会使业务出现误码。同时，由于模拟电路没有控制通信接口，所以其即时的可控可调性不好，设备网上运行维护困难。
发明内容
本发明提供了一种激光调制器数字自动偏置电压控制设备，用以解决现有技术中存在的滤波器受器件离散性影响大、在温度变化的情况下相位延时变化大、无法实现对PD电信号的峰值点(即PD电信号幅度最大值)的锁定、控制电压跳转位置不可控和没有控制通信接口而导致的可控可调性不好的问题。
本发明提供了一种激光调制器数字自动偏置电压控制设备，该设备应用于控制安装于发光激光器上的激光调制器的运行，包括
一个调顶信号输出端口，其输出的调顶信号经激光调制器驱动器调制后，耦合进激光调制器；和一个直流偏置电压输出端口，其输出直流偏置电压耦合进激光调制器；还包括一个激光调制器输出的PD电信号输入端口，PD电信号是由激光调制器内的光耦产生的一个能反映激光调制器调制后的输出光信号特征的信号；和一个电路控制模块，该模块用于控制所述的调顶信号和所述的直流偏置电压的运行，使其与所述的激光调制器的光电转换功能曲线一致。
所述的电路控制模块包括运算放大电路和单片机。
所述的电路控制模块用于控制所述的调顶信号和所述的直流偏置电压，以使所述的激光调制器能工作在传递功能曲线上任意所需的点上。
所述的电路控制模块用数字带通滤波器提取PD电信号相关的性能特征参数。
所述的电路控制模块用于监控所述输出光信号的各种参数，以获取所述直流偏置电压的偏置电压设置信息。
所述的电路控制模块用于锁定所述偏置电压设置，即在以相同的时间单位同步运行来获得偏置电压设置的相关参数，从而保持所述带通滤波器对环境噪声和温度等干扰的不敏感性。
所述的电路控制模块利用调制器的转换功能曲线来锁定直流偏置电压对应PD电信号输出幅度最小值点、直流偏置电压对应PD电信号输出幅度最大的峰值点(包括极性不同的正负峰值点)。
所述的电路控制模块用于抽样和储存所述输出光信号的参数值以提供一个正常信号参数，以及抽样和储存所述输出光信号以提供一个新的变化后信号参数，以两个参数值的差值来反映调制器转换功能的工作曲线，最终锁定所需的直流偏置电压点。
所述的激光调制器为MZ激光调制器。
所述的直流偏置电压超出既定的电压范围后，可以实现自动地可任意设定的在既定电压范围内跳转。
所述数字自动偏置控制设备可与主设备相连，来响应来自主设备的读写请求。
本发明提供了一种激光调制器数字自动偏置控制设备，该设备应用于控制安装于发光器上的激光调制器运行，包括
一个调顶信号输出端口，其输出的调顶信号经激光调制器驱动器调制后，耦合进激光调制器；和一个直流偏置电压输出端口，其输出直流偏置电压耦合进激光调制器；还包括一个激光调制器输出的PD电信号输入端口，PD电信号是由激光调制器内的光耦产生的一个能反映调制器调制后的输出光信号特征的信号；和一个基于数字处理器的电路控制模块，该模块用于控制所述的调顶信号和所述的直流偏置电压的运行，间隔地调整和使用监测到所述光信号的各种参数，以获取所述直流偏置电压的偏置电压设置。
所述的电路控制模块用于锁定所述偏置电压设置，以相同的时间单位同步运行来获得所述的偏置电压设置的相关参数，从而保持带通滤波器对环境噪声和温度等干扰的不敏感性。
本发明有益效果如下：
1、数字控制电路滤波器只与采样比率和参数有关，所以通带性能更好(-3dB衰减更大)而且不存在器件离散性影响，在温度变化的情况下，数字电路的相位延时很小，保证了环路稳定性。
2、数字控制电路可以完成PD电信号的零值点、正峰值点、负峰值点以及不同可控偏置锁定，而且锁定速度提升很多，可达到毫秒级。控制电压超过PD峰值后发生跳转的位置可以任意设定，可以选择整数倍周期的跳转，保证业务无损。
3、数字控制电路由于有可控可调的控制通讯接口，可对参数和变量即时控制修改，提高了控制模块的稳定性、可用性和可维护性。
附图说明
图1为PD电信号与BIAS电平的关系示意图；
图2为MZ调制器模拟自动偏置电压控制模块功能示意图；
图3为本发明的MZ调制器数字自动偏置控制设备功能示意图；
图4为本发明的MZ调制器数字自动偏置电压控制模块功能实现方案示意图；
图5为本发明的MZ调制器自动偏置电压控制设备的内部控制流程图。
具体实施方式
图3为本发明的MZ调制器数字自动偏置控制设备功能示意图。本发明中的MZ调制器数字自动偏置控制设备主要包括电路控制模块，以及与该电路控制模块相连接的用以输出调顶信号的调顶信号输出端口、用于输出直流偏置电压的直流偏置电压输出端口、用于输入PD电信号的PD电信号输入端口以及与其他设备进行通信的通信接口。由激光调制器内的光耦产生的一个能反映激光调制器调制后的输出光信号特征的信号PD电信号通过PD电信号输入端口输入电路控制模块，该电路控制模块用于控制调顶信号和直流偏置电压的运行，使其与所述的激光调制器的光电转换功能曲线一致；同时，该电路控制模块通过通信接口，可以使用各类总线接口进行通信
如图4所示，本发明MZ调制器数字自动偏置控制设备中的电路控制模块由运算放大电路和单片机MCU(Microcontroller Unit单片机)组成，主要控制过程为以下四个方面：
调顶信号输出：通过单片机MCU控制DAC(数模转换器)输出调顶信号，该信号与单片机MCU内部时钟同步，增加了放大与直流偏置控制电路(即图4中的运算放大电路3)，从而控制其输出幅度范围，实现调顶信号频率及幅度任意可调。
PD信号放大、PD波形数字滤波：MZ调制器反馈的PD信号直接反映当前温度下的直流偏置情况，但是由于PD信号幅度很小并且淹没在大量噪声中，所以需要首先对MZ调制器输出的PD小信号进行放大，本发明通过单片机MCU控制ADC(模数转换器)对被运算放大电路1放大后PD信号进行高速采样，采样数据在单片机MCU中经过工作在扰动频率点上的数字带通滤波器及放大处理后，从PD信号中提取出与调顶信号同频的有效信号，并且将其处理为可识别信号波形。单片机MCU以单片机MCU中的时钟信号作为参考获得PD信号滤波放大后的相位，以数字带通滤波器的输出作为参考获得PD信号滤波放大后的幅度，把所得到的相位和幅度作为控制的主要参数。
直流偏置反馈BIAS输出：单片机MCU按照滤波器输出波形的幅度、相位及当前BIAS电压之间的关系，在不同的锁定模式下(如0点锁定、峰值锁定)判断当前应该增加BIAS电压或减小BIAS电压，再将增减趋势转化成直流偏置控制字，使单片机MCU控制DAC输出相应的BIAS电平。由于单片机MCU芯片一般采用+3.3V供电，而MZ调制器BIAS电平控制范围在+/-12V左右，因此在本实施例中，增加了放大与直流偏置控制电路(即图中的运算放大电路2)来增大可控电压幅度范围。直流偏置控制电压的变化反过来又会直接影响到PD信号幅度及相位的变化，从而形成一个闭环的反馈控制环路，整个环路最终将动态稳定在平衡点上微小的电压增减之间，从而保证任意时刻该数字自动偏置电压控制电路对当前温度下MZ调制器的直流偏置进行自动补偿。
通信接口：通常单板上使用CPU进行单板控制，CPU与单片机MCU之间通过例如总线接口的通信接口进行通信，此时单片机MCU作为从设备来响应来自主设备CPU的读写请求，完成即时的环路参数和变量修改。
所述MZ调制器自动偏置电压控制设备的内部控制流程图如图5所示，模块上电后首先初始化BIAS，控制MCU内部的DAC连续地输出调顶信号，然后启动MCU内部中断，以等时间间隔的中断对PD放大后的信号进行AD采样。每次中断采样的ADC数据输入数字带通滤波器中滤波，滤除信号中的噪声，提取与MCU内部的DAC输出调顶信号同频的信号量，并对该信号进行放大，然后判断调制器类型，通过类型选择算法中使用的不同极性的数据(如正向数据或负向数据，这两种相位相差半个周期)。判断当前的锁定模式，如果当前模式是锁定上升沿0电平或者下降沿0电平，则只需要通过当前相位和幅度来判断BIAS的调整方向，进入锁定算法；如果当前模式是正峰值或负峰值锁定，则需要通过当前相位、幅度以及当前BIAS电压共同判断BIAS的调整方向，进入锁定算法。锁定算法最终输出本次中断的BIAS电平值，既而返回等待下一次中断响应。
综上所述，采用本发明激光调制器自动偏置电压控制设备解决了现有技术中存在的滤波器受器件离散性影响大、在温度变化的情况下相位延时变化大、无法实现对PD信号的峰值点(即PD信号幅度最大值)的锁定、控制电压跳转位置不可控和没有控制通信接口而导致的可控可调性不好的问题，提高了控制模块的稳定性、可用性和可维护性，
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (12)
1、一种激光调制器数字自动偏置控制设备，该设备应用于控制安装于发光激光器上的激光调制器的运行，其特征在于，具有一个调顶信号输出端口，其输出的调顶信号经激光调制器驱动器调制后，耦合进激光调制器；和一个直流偏置电压输出端口，其输出直流偏置电压耦合进激光调制器；还包括一个激光调制器输出的PD电信号输入端口，PD电信号是由激光调制器内的光耦产生的一个能反映激光调制器调制后的输出光信号特征的信号；和一个电路控制模块，该模块用于控制所述的调顶信号和所述的直流偏置电压的运行，使其与所述的激光调制器的光电转换功能曲线一致。
2、如权利要求1所述的数字自动偏置控制设备，其特征在于，所述的电路控制模块包括运算放大电路和单片机。
3、如权利要求1所述的数字自动偏置控制设备，其特征在于，所述的电路控制模块用于控制所述的调顶信号和所述的直流偏置电压，以使所述的激光调制器能工作在传递功能曲线上任意所需的点上。
4、如权利要求1所述的数字自动偏置控制设备，其特征在于，所述的电路控制模块用数字带通滤波器提取PD电信号相关的性能特征参数。
5、如权利要求1所述的数字自动偏置控制设备，其特征在于，所述的电路控制模块用于监控所述输出光信号的各种参数，以获取所述直流偏置电压的偏置电压设置信息。
6、如权利要求4所述的数字自动偏置控制设备，其特征在于，所述的电路控制模块用于锁定所述偏置电压设置，即在以相同的时间单位同步运行来获得偏置电压设置的相关参数，从而保持所述带通滤波器对环境噪声和温度等干扰的不敏感性。
7、如权利要求1所述的数字自动偏置控制设备，其特征在于，所述的电路控制模块利用调制器的转换功能曲线来锁定直流偏置电压对应PD电信号输出幅度最小值点、直流偏置电压对应PD电信号输出幅度最大的峰值点(包括极性不同的正负峰值点)。
8、如权利要求1所述的数字自动偏置控制设备，其特征在于，所述的电路控制模块用于抽样和储存所述输出光信号的参数值以提供一个正常信号参数，以及抽样和储存所述输出光信号以提供一个新的变化后信号参数，以两个参数值的差值来反映调制器转换功能的工作曲线，最终锁定所需的直流偏置电压点。
9、如权利要求1所述的数字自动偏置控制设备，其特征在于，所述的激光调制器为MZ激光调制器。
10、如权利要求1所述的数字自动偏置控制设备，其特征在于，所述的直流偏置电压超出既定的电压范围后，可以实现自动地可任意设定的在既定电压范围内跳转。
11、如权利要求1所述的数字自动偏置控制设备，其特征在于，所述数字自动偏置控制设备可与主设备相连，来响应来自主设备的读写请求。
12、如权利要求1所述的数字自动偏置控制设备，其特征在于，所述的电路控制模块为一个基于数字处理器的电路控制模块，该模块用于控制所述的调顶信号和所述的直流偏置电压的运行，间隔地调整和使用监测到所述光信号的各种参数，以获取所述直流偏置电压的偏置电压设置。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C12 | Rejection of a patent application after its publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Open date: 20070829 |