CN101354515B - 激光调制器偏置控制方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种激光调制器的偏置控制方法和装置，该方法包括：在激光调制器启动时，在激光调制器的偏置电极输入线性变化的偏置控制电压，并获取激光调制器的输出光功率，确定与预设工作点对应的偏置控制电压；然后，使能激光调制器射频电极的通信电信号，并通过低频正弦导频信号对通信电信号进行幅度调制，同时在偏置电极输入确定的偏置控制电压；对激光调制器的输出光信号进行采样，并将采样的光信号与导频信号进行比较，根据比较的结果，调节输入偏置电极的偏置控制电压。根据本发明提供的技术方案可以缩短控制稳定时间，提高控制精度。

Description

激光调制器偏置控制方法和装置
技术领域
本发明涉及通信技术领域，尤其涉及激光调制器的偏置控制方法和装置。 
背景技术
由于外调制方式具有高速率、大消光比、高输入光功率、啁啾可调及对波长不敏感等优势，可以增加波分系统的传输距离，提高传输速度，因此，在波分系统中具有广泛的应用。然而由于基于LiNbO3(铌酸锂)材料的Mach-Zehnder(马赫-曾德尔)调制器工作点受温度、机械应力、器件老化的影响，可能出现相位漂移，从而影响输出光信号的性能，因此在使用调制器时，需要对调制器的偏置(BIAS)工作点进行反馈控制，形成闭环，保证偏置稳定。 
传统的偏置控制装置的组成如图1所示，主要由调制器、驱动器、信号发生器、放大器、相关运算器等组件组成。该偏置控制装置的工作原理为：信号发生器产生低频正弦导频信号，通过控制铌酸锂驱动器的增益控制端，以很小的比例对高速通信电信号进行幅度调制(Amplitude Modulation，简称为AM)。经过铌酸锂调制器进行Mach-Zehnder调制后转换为光信号输出到光纤线路上。部分光被铌酸锂上附带的光电二极管(Photoelectric Diode，简称为PD)检测，经过放大、滤波后与原始输入的导频信号进行对比，进行相关运算后得到偏置控制的误差电压，对调制器偏置点进行闭环反馈控制。
图2示出了传统的铌酸锂偏置控制方法的流程图，该方法是一个典型的相关检测+比例积分算法，主要包括以下步骤： 
步骤S214：在调制器的输入端输入通信电信号； 
步骤S216：在输出端输出的导频信号通过电-光-电的变换和反馈后，被光电二极管PD检测； 
步骤S218：控制程序采样PD检测的信号，并对该信号进行放大和滤波，并将放大滤波后的信号输入相关运算器； 
步骤S220：相关运算器根据输入的上述信号与导频信号进行相关运算，计算出当前偏置误差； 
步骤S222：根据当前偏置误差的大小和极性，调节当前偏置控制电压，使偏置向正确的工作点方向进行调整；具体地，如果当前偏置误差偏低，则执行步骤S224，增加偏置控制电压，如果正常，则执行步骤S226，不调整偏置电压；如果偏高，则执行步骤S228，降低偏置控制电压。 
如上所述，在目前的偏置控制技术中，在调制器射频(RadioFrequency，简称为RF)电极的通信信号中插入小幅度的低频导频信号，经调制成光信号后，在信号输出位置分光检测调制后的导频信号。通过相关运算将检测信号与原始信号进行幅度和相位上的对比，检测出偏置误差，经积分、放大后输出到调制器BIAS电极上，控制调制器的偏置相位，维持工作点稳定。 
在这种控制方法中，由于每次调节的偏置控制电压的幅度较小，在激光调制器启动时，其收敛速度慢，因此，激光调制器达到稳定工作点所需要的时间较长，有时长达数秒至数十秒。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种激光调制器偏置控制方法及装置，用以解决现有技术中偏置控制方法收敛速度慢、控制时间较长的问题。 
根据本发明的一个方面，提供了一种激光调制器偏置控制方法。 
根据本发明提供的马赫-曾德尔激光调制器偏置控制方法包括：在马赫-曾德尔激光调制器启动时，在马赫-曾德尔激光调制器的偏置电极输入线性变化的偏置控制电压，并获取马赫-曾德尔激光调制器的输出光功率，确定与预设工作点对应的偏置控制电压；然后，使能马赫-曾德尔激光调制器射频电极的通信电信号，并通过低频正弦导频信号对通信电信号进行幅度调制，同时在偏置电极输入确定的偏置控制电压；对马赫-曾德尔激光调制器的输出光信号进行采样，并将采样的光信号与导频信号进行比较，根据比较的结果，调节输入偏置电极的偏置控制电压。 
根据本发明的另一个方面，提供了一种激光调制器偏置控制装置。 
根据本发明的马赫-曾德尔激光调制器偏置控制装置包括：包括光电二极管、第一放大器、滤波器和相关运算器、控制单元和选择开关，其中，光电二极管用于检测马赫-曾德尔激光调制器的输出光功率；控制单元用于在马赫-曾德尔激光调制器的偏置电极输入线性变化的偏置控制电压，并根据光电二极管检测到的输出光功率，确定与预设的工作点对应的偏置控制电压；相关运算器用于将控制单元确定的偏置控制电压作为初始偏置控制电压输入到马赫-曾德尔激光调制器的偏置电极；选择开关用于在马赫-曾德尔激光调制器启动阶段，将控制单元输出的线性变化的偏置控制电压接入到偏置电极，在马赫-曾德尔激光调制器正常工作阶段，将相关运算器输出的偏置控制电压接入到偏置电极。 
根据本发明的又一个方面，提供了另一种激光调制器偏置控制装置。 
根据本发明的另一种马赫-曾德尔激光调制器偏置控制装置包括：第一输入模块、获取模块、确定模块、第二输入模块和调控模块。其中，第一输入模块用于在马赫-曾德尔激光调制器的偏置电极输入线性变化的偏置控制电压；获取模块用于获取马赫-曾德尔激光调制器的输出光功率；确定模块用于根据第一输入模块输入的偏置控制电压和获取模块获取的输出光功率，确定与预设工作点对应的偏置控制电压；第二输入模块用于在马赫-曾德尔激光调制器正常工作阶段，在偏置电极输入确定模块确定的偏置控制电压；调控模块用于在马赫-曾德尔激光调制器正常工作阶段，根据马赫-曾德尔激光调制器的输出光功率与输入的导频信号，对第二输入模块输入的偏置控制电压进行调节。 
通过本发明的上述至少一个方案，通过在激光调制器的启动阶段，在其偏置电极输入线性变化的偏置控制电压，对调制器的特性进行扫描，从而获取预设工作点对应的偏置控制电压，并将该偏置控制电压作为初始偏置控制电压，对激光调制器进行闭环反馈控制，从而缩短了激光调制器达到稳定的时间，提高了偏置控制的精度。 
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中： 
图1为根据现有技术的偏置控制装置的组成框图； 
图2为根据现有技术的铌酸锂偏置控制方法的流程图； 
图3为根据本发明实施例的激光调制器偏置控制装置的结构框图； 
图4为根据本发明实施例中在输入线性变化的偏置控制电压的作用下的激光调制器输出光功率特性曲线图； 
图5为根据本发明优选实施例的偏置控制装置的结构框图； 
图6为根据本发明实施例的激光调制器偏置控制方法的流程图； 
图7为根据本发明实施例的激光调制器偏置控制方法的具体实现流程图； 
图8A为根据本发明实施例的另一种激光调制器偏置控制装置的结构框图； 
图8B为根据本发明优选实施例的另一种激光调制器偏置控制装置的结构框图。 
具体实施方式
功能概述 
本发明针对目前在激光调制器启动时，达到稳定工作的时间较长的问题，提出了一种激光调制器偏置控制方案，在该方案中，通过在激光调制器启动时，在断开通信信号输入的情况下，在激光调制器的偏置电极输入线性变化的偏置控制电压，扫描调制器的输入输出特性，从而确定与预设工作点对应的偏置控制电压，并将该偏置控制电压初始偏置控制电压，在激光调制器正常工作阶段输入其偏置电极，对激光调制器进行闭环反馈控制。
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。 
根据本发明实施例，首先提出了一种激光调制器偏置控制装置。 
图3为根据本发明实施例的激光调制器偏置控制装置的结构框图，由图3可知，本发明实施例的偏置控制装置在传统偏置控制装置(如图1所示)基础上增加了控制单元和选择开关。如图3所示，根据本发明实施例的激光调制器偏置控制装置包括：光电二极管PD31、第一放大器32、滤波器33、信号发生器35、相关运算器34、控制单元36和选择开关37。下面接合附图进一步描述上述各个实体。 
光电二极管PD31，用于检测激光调制器的输出光功率； 
第一放大器32的一端与PD31连接，另一端与滤波器33连接，用于对PD31检测到的输出光功率进行放大，并将放大后的输出光功率输入到滤波器33 
滤波器33的一端与第一放大器32连接，另一端与相关运算器34连接，用于对经第一放大器32放大的输出光功率进行滤波，并将滤波后的输出光功率输入到相关运算器34； 
相关运算器34的一端与滤波器33连接，另一端通过选择开关37与激光调制器的偏置电极连接，并且，相关运算器34还与信号发生器35和控制单元36连接，用于将控制单元36输入的偏置控制电压输入到激光调制器的偏置电极，并将光电二极管PD31检测到的经第一放大器32和滤波器33处理后的输出光功率与从信号发生器35接收到的导频信号进行比较，根据比较结果，调节输入偏置电极的偏置控制电压；
选择开关37与控制单元36和相关运算器34连接，用于在激光调制器启动阶段，将控制单元36输出的线性变化的偏置控制电压接入到偏置电极，在激光调制器正常工作阶段，将相关运算器34输出的偏置控制电压接入到偏置电极。 
为了使控制单元36获取的输出光功率便于处理，可以在控制单元36和光电二极管PD31之间，添加第二放大器38，如图3所示，用于对光电二极管PD31检测到的光功率进行放大。 
为了将获取的输出光功率由模拟信号转换为数字信号，在控制单元36中可以包含一个模/数变换器，用于将输出光功率转换为数字量。并且，控制单元36还可以包括一个扫描发生器，用于产生并输出呈线性变化的偏置控制电压，使得在这种连续输入的偏置控制电压的情况下，激光调制器的输出光功率可以呈如图4所示的正弦变化。 
如图4所示在偏置电极输入呈线性变化的偏置控制电压作用下，且在RF电极无信号输入，铌酸锂调制器输出光功率按照三角函数规律周期变化。 
图5为在具体实施过程中上述偏置控制器的具体实现的结构图，该偏置控制器采用模拟-数字混合电路架构。硬件部分由MCU微处理器、跨阻抗放大器、两级滤波器和偏置放大器、加法器组成，硬件上比传统方案增加了光功率监控ADC1等极少的器件，分步控制流程主要通过MCU软件编程实现。通过附加的开环控制回路，将传统的控制流程分成了两步，首先开环控制，检测出激光调制器输出特性，得到预设工作点对应的偏置控制电压；然后将得到的偏置控制电压作为初始值输入到偏置电极，进行闭环控制，跟踪特性漂移，缩短了控制稳定时间。
根据本发明实施例，还提供了一种激光调制器偏置控制方法，该方法可以利用上述的偏置控制装置实现。 
图6为根据本发明实施例的激光调制器偏置控制方法的控制流程，如图6所示，根据本发明实施例的激光调制器偏置控制方法主要包括如下处理步骤： 
步骤S602：在激光调制器启动时，在激光调制器的偏置电极输入线性变化的偏置控制电压，并获取激光调制器的输出光功率，扫描调制器的输入输出特性，确定与预设工作点对应的偏置控制电压； 
步骤S604：导通输入激光调制器射频电极的信号，并通过低频正弦导频信号对输入的信号进行幅度调制，同时在偏置电极输入上述确定的偏置控制电压； 
步骤S606：对激光调制器的输出光信号进行采样，并将采样的光信号与导频信号进行比较，根据比较的结果，调节在偏置电极输入的偏置控制电压。 
以下进一步描述上述处理的各细节。 
(一)步骤S602 
在激光调制器启动时，首先断开RF电极输入的通信信号以及相关运算器的输入，然后通过控制单元的扫描发生器在激光调制器的偏置电极输入呈线性变化的偏置控制电压，在该偏置电压的作用下，激光调制器在输出端可以输出如图4所示的呈正弦变化的输出光功率，PD可以检测到该输出光功率，进行放大和模/数变化后，可以得到输入的偏置控制电压与输出光功率的对应关系。
由于预设工作点一般为输出光功率的最大值、最小值或中间值对应的点，因此，在得到输入的偏置控制电压与输出光功率的对应关系后，可以得到预设工作点对应的输出光功率所对应的偏置控制电压，也就是预设工作点对应的偏置控制电压。 
该步骤的处理其实是一个开环控制过程，其目的是得到预设工作点对应的偏置控制电压，该步骤关闭通信信号，数十毫秒内即可检测出输入的偏置控制电压与输出光功率的对应关系，从而得到正确工作点的偏置控制电压。 
(二)步骤S604 
在该步骤中，导通激光调制器RF极输入的通信信号，并通过信号发生器产生一低频正弦导频信号对输入RF极之前的通信信号进行幅度调制，控制单元将在步骤S602中确定的偏置控制电压输出给相关运算器，相关运算器将其作为初始偏置控制电压输出到偏置控制电极。 
(三)步骤S606 
PD对激光调制器的输出光信号进行采样，采样得到的输出光功率进行放大和滤波后，输出到相关运算器，相关运算器输入的光功率与信号发生器输入的导频信号进行比较，根据比较的结果，调节输入偏置电极的偏置控制电压。 
该步骤的处理与传统的偏置控制过程相同，对在激光调制器工作过程中，由于温度、应力、老化等外部因素，输出光功率的特性曲线将发生左右的偏移时，通过调整偏置控制电压，在曲线漂移的情况下，保持调制器工作点位于光功率Pmax、Pmin或者(Pmax+Pmin)/2的位置。由于相关运算器输出已经是正确的偏置工作点， 控制环路只需要跟踪外部因素造成的偏置工作点漂移即可，从而大大地缩短了调制器达到稳定的时间。 
根据本发明实施例的上述方法克服了现有偏置控制技术收敛速度慢，控制时间过长的缺点，缩短了控制稳定时间，提高了控制精度。 
图7为根据本发明实施例的激光调制器偏置控制方法的具体实现流程图，如图7所示，该方法的具体实现包括： 
步骤S702：关闭通信电信号； 
步骤S704：控制电压进行线性扫描，经DAC1输出到调制器偏置控制端，在该偏置扫描电压的作用下，输出光功率将按照当前调制器偏置电-光调制特性变化； 
步骤S706：ADC1采样经过光电二极管PD检测放大后的表征光功率的PD电压信号； 
步骤S708：存储每一个偏置电压所对应的光功率； 
步骤S710：判断扫描是否结束，如果是，则执行步骤S712，否则，返回步骤S704； 
在扫描结束后，根据存储的每个偏置电压对应的光功率，可以得到调制器的偏置特性表； 
步骤S712：根据需求查表得到偏置工作点对应的电压，经DAC1输出，即可快速建立初始偏置，完成开环控制扫描流程。 
上述步骤S702-步骤S712为开环控制的扫描流程。
闭环控制反馈流程与图2所示的传统铌酸锂偏置控制方法基本相同，主要包括以下步骤： 
步骤S714：控制使能通信电信号； 
步骤S716：DAC1输出导频信号，该导频信号通过电-光-电的变换和反馈后被光电二极管PD检测； 
步骤S718：ADC0采样PD检测的信号，并对该信号进行放大和滤波； 
步骤S720：利用上述放大和滤波后的信号与导频信号进行相关运算，计算出当前偏置误差； 
步骤S722：根据当前偏置误差的大小和极性调节当前偏置电压。具体地，如果偏低，则执行步骤S724，增加偏置控制电压；如果正常，则执行步骤S726，不调整偏置控制电压；如果偏高，则执行步骤S728，降低偏置控制电压。由于开环控制扫描流程已经建立初始偏置控制电压，闭环控制反馈流程不需要做过多的调整即可实现偏置稳定。 
根据本发明实施例，还提供了一种激光调制器偏置控制装置，该装置可以实现上述方法。 
图8A为根据本发明实施例的激光调制器偏置控制装置的结构框图，图8B为根据本发明优选实施例的激光调制器偏置控制装置的结构框图。如图8A所示，根据本发明实施例的激光调制器偏置控制装置包括：第一输入模块80、获取模块82、确定模块84、第二输入模块86和调控模块88。以下接合附图进一步描述上述各个模块。
第一输入模块80与激光调制器的偏置电极连接，用于在激光调制器的偏置电极输入线性变化的偏置控制电压； 
获取模块82与激光调制器的输出端连接，用于获取激光调制器的输出光功率； 
确定模块84与第一输入模块80和获取模块82连接，用于根据第一输入模块80输入的偏置控制电压和获取模块82获取的输出光功率，确定与预设工作点对应的偏置控制电压； 
第二输入模块86与确定模块84和激光调制器的偏置电极连接，用于在偏置电极输入确定模块84确定的偏置控制电压； 
调控模块88与获取模块82和第二输入模块86连接，用于根据获取模块82获取的激光调制器的输出光功率与输入的导频信号，对第二输入模块输入86的偏置控制电压进行调节。 
进一步地，获取模块82可以包括：检测子模块822、处理子模块824和获取子模块826，如图8B所示。其中，检测子模块822，用于在第一输入模块80输入偏置控制电压的过程中，检测激光调制器的输出光功率；处理子模块824与检测子模块822连接，用于对检测子模块822检测到的输出光功率进行放大和模/数变换；获取子模块826与检测子模块824连接，用于获取经过处理子模块824处理后的所述输出光功率。 
如上所述，借助本发明，可以在激光调制器的启动阶段，通过关闭通信信号，在激光调制器的偏置电极输入线性变化的偏置控制电压，扫描调制器的输入输出特性，从而得到与激光调制器的工作点对应的偏置控制电压，并将该偏置控制电压作为激光调制器正常工作时的初始偏置控制电压输入到偏置控制电极，并根据工作中的偏移对该偏置控制电压进行调节。由于在关闭通信信号后，数十毫 秒内便可检测出初始偏置控制电压，而在工作阶段，只需要跟踪外部因素造成的偏置工作点漂移，因而可以缩短激光调制器达到稳定的时间，拉高控制精度，减少了光发射机的准备时间。 
显然，本领域的技术人员应该明白，上述的本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。 
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种马赫-曾德尔激光调制器偏置控制方法，其特征在于，包括：
在马赫-曾德尔激光调制器启动时，在所述马赫-曾德尔激光调制器的偏置电极输入线性变化的偏置控制电压，并获取所述马赫-曾德尔激光调制器的输出光功率，确定与预设工作点对应的偏置控制电压；
使能所述马赫-曾德尔激光调制器射频电极的通信电信号，并通过低频正弦导频信号对所述通信电信号进行幅度调制，同时在所述偏置电极输入确定的所述偏置控制电压；
对所述马赫-曾德尔激光调制器的输出光信号进行采样，并将采样的光信号与所述导频信号进行比较，根据比较的结果，调节输入所述偏置电极的所述偏置控制电压。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述马赫-曾德尔激光调制器的偏置电极输入线性变化的偏置控制电压具体包括：
输入呈线性变化的偏置控制电压，使所述马赫-曾德尔激光调制器的输出光功率呈正弦变化。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述确定与预设工作点对应的偏置电压具体包括：
确定输入的所述偏置控制电压和所述输出光功率的对应关系；
根据所述对应关系，以及所述预设工作点对应的输出光功率，获取所述预设工作点对应的所述偏置控制电压。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述确定输入的所述偏置控制电压和所述输出光功率的对应关系具体包括：
检测所述输出光功率，并对所述光功率进行放大和模/数变换，获取经过变换的输出光功率的值；
根据输入的所述偏置控制电压的值与所述经过变换的输出光功率的值，获取所述输出光功率与输入的所述偏置控制电压的对应关系。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预设工作点包括：所述输出光功率的最大值、最小值或中间值对应的点。
6.一种马赫-曾德尔激光调制器偏置控制装置，包括光电二极管、第一放大器、滤波器和相关运算器，其特征在于，还包括：控制单元和选择开关，其中，
所述光电二极管，用于检测所述马赫-曾德尔激光调制器的输出光功率；
所述控制单元，用于在所述马赫-曾德尔激光调制器的偏置电极输入线性变化的偏置控制电压，并根据所述光电二极管检测到的输出光功率，确定与预设的工作点对应的偏置控制电压；
所述相关运算器，用于将所述控制单元确定的所述偏置控制电压作为初始偏置控制电压输入到所述马赫-曾德尔激光调制器的偏置电极；
所述选择开关，用于在所述马赫-曾德尔激光调制器启动阶段，将所述控制单元输出的线性变化的偏置控制电压接入到所述偏置电极，在所述马赫-曾德尔激光调制器正常工作阶段，将所述相关运算器输出的所述偏置控制电压接入到所述偏置电极。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述偏置控制装置还包括：
第二放大器，用于对所述光电二极管检测到的输出光功率进行放大后，输入所述控制单元。
8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述控制单元包括：
扫描发生器，用于产生呈线性变化的偏置控制电压，并将所述偏置控制电压输入到所述马赫-曾德尔激光调制器的偏置电极；
模/数变换器，用于将所述光电二极管检测到的输出光功率转换为数字量。
9.一种马赫-曾德尔激光调制器偏置控制装置，其特征在于，包括：
第一输入模块，用于在马赫-曾德尔激光调制器的偏置电极输入线性变化的偏置控制电压；
获取模块，用于获取所述马赫-曾德尔激光调制器的输出光功率；
确定模块，用于根据所述第一输入模块输入的偏置控制电压和所述获取模块获取的输出光功率，确定与预设工作点对应的偏置控制电压；
第二输入模块，用于在所述马赫-曾德尔激光调制器正常工作阶段，在所述偏置电极输入所述确定模块确定的所述偏置控制电压；
调控模块，用于在所述马赫-曾德尔激光调制器正常工作阶段，根据所述马赫-曾德尔激光调制器的输出光功率与输入的导频信号，对所述第二输入模块输入的所述偏置控制电压进行调节。
10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述获取模块包括：
检测子模块，用于在所述第一输入模块输入所述偏置控制电压的过程中，检测所述马赫-曾德尔激光调制器的输出光功率；
处理子模块，用于对所述检测子模块检测到的所述输出光功率进行放大和模/数变换；
获取子模块，用于获取经过所述处理子模块处理后的所述输出光功率。
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