CN101800598B - 新的mz外调制器平衡检测偏置控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新的MZ外调制器平衡检测偏置控制方法，包括RF射频信号与导频信号经过信号合成器合成后送入MZ外调制器的信号端，经过调制后的光信号经过分光器，其中的一部分光信号进入光电探测器，光电探测器将该部分光信号转换成电信号，对电信号进行检测，检测出导频信号的基波和二次谐波或两种及两种以上谐波分量；之后对两种谐波分量的传输函数进行相除运算，并根据相除运算后的比值函数得到直流偏置的调整量；然后根据直流偏置的调整量得到偏置电压，将偏置电压送入MZ外调制器的直流偏置端，实现对MZ外调制器的最佳直流偏置点的闭环控制。可以消除激光器的输出光功率及链路损耗对直流偏置控制方法精度的影响，提高系统的精确度。

Description

新的MZ外调制器平衡检测偏置控制方法

技术领域

本发明涉及一种光通信外调制技术，尤其涉及一种新的MZ外调制器平衡检测偏置控制方法。

背景技术

由于信息时代对信息的需求呈爆炸式增长，特别是在因特网对全社会信息需求的推动下，光通信因为具有带宽大、可靠性高、成本低、抗干扰能力强等特点，向高速、大容量方向取得了飞速的发展。光通信系统和光网络飞速发展也给信息时代带来新的革命，光通信将逐步取代传统的交换、传输、接入技术，最终实现全光联网。

高速光通信系统主要由高速光发射机、光纤传输链路和光接收机三个部分组成。在高速光发射机中主要包括了产生光通信载波的激光器、源信号产生电路和实现高速信号对光载波进行调制的光调制器。现在光调制器的发展趋势是实现更高数据率和增加集成度，随着光传输系统和网络的复杂性继续增长，光调制器技术将进一步得到发展和提高，并将在光通信中发挥重要的作用。

在高速光发射机中，核心部分是利用高速光调制技术实现高速电信号对光纤所载光波的调制。

目前，主流的高速光调制技术分为直接调制技术和外调制技术两种。直接调制技术采用高速电信号直接驱动半导体激光器来实现对激光器输出光的调制；外调制技术通过使用单独的光调制器实现高速电信号对激光器输出光载波的调制。

直接强度调制经济、实用，但是存在啁啾效应，难以胜任长距离信号传输；而外调制技术的优点在于啁啾效应很小，系统性能稳定，色散受限距离远大于直接调制。所以外调制技术将大量应用于高速率(＞10Gb/s)长距离的光通信传输系统中，而且将来会成为微波光调制的主流技术。

外调制光调制器在工作原理上主要分为两种：半导体电吸收调制器(EAM)和应用铌酸锂(LiNbO₃)等较大电光系数材料的Mach-Zehnder结构电光调制器(LiNbO₃-MZ外调制器)。

LiNbO₃-MZ外调制器是高速光通信系统中最有前途的器件，它具有以下优点：频带宽、稳定性好、信噪比高、光传输损耗小、电光系数高、调制信号频率啁啾小，易于光波导与光纤的有效耦合，工作性能不依赖于波长，可用于WDM系统。所以在高速、大容量、长距离的传输中，LiNbO₃光调制器应用前景很好。

MZ外调制器在使用中的关键问题是最佳直流偏置电压的检测与控制。根据调制器输出信号的频率分量与直流偏置电压的关系，在实际应用中可以选择一路或者多路确定频率的周期信号作为导频信号。

现有的基于抖动信号的LiNbO₃-MZ外调制器偏置控制技术一般选择一个正弦信号作为导频信号，然后检测其二次谐波分量，根据导频信号二次谐波分量的大小来确定直流偏置电压的调整量。

其工作流程是：

激光器产生的激光载波进入调制器，经调制器调制后的光信号进入光纤，通过分光器一部分调制后的光信号进入光电探测器转换成电信号，然后由滤波器把导频信号的二次谐波分量提取出来，与参考信号对比得到反映调制器直流偏置点的误差信号，以此调整直流电压，使调制器的直流偏置电压工作在最佳直流偏置点上。经过不断的调整，导频信号的二次谐波分量接近为零，此时的调制器就处于最佳直流偏置工作点。

上述这种方法要求：激光器的稳定激光输出；实现微弱二次谐波信号的检测。

上述现有技术至少存在以下缺点：

1.受激光器输出光功率波动的影响大：

上述这种方法的缺点在于它对激光器输出光功率的稳定性有严格的要求。因为接近最佳直流偏置点时，导频信号的二次谐波分量特别小，如果激光器的输出光功率不稳定，那么导频信号的二次谐波分量受激光功率变化的影响特别大，严重时会淹没反映调制器直流偏置点的信息，从而大大降低了调制器的直流偏置控制精度。虽然可以通过措施稳定激光源的光输出，但是代价昂贵，而且不可避免的存在一定的功率波动。这并没有从根本上解决该直流偏置控制方法的精度受激光器光功率变化影响的问题。

2.受链路损耗的影响大：

为了不影响射频RF信号，导频信号的幅度一般不能太大，在输出端检测到的二次谐波分量就更小了。链路的损耗随时间、温度会发生改变，由此会影响二次谐波分量的测试精度与准确度。

3.同一时刻只有一个反映直流偏置电压的量：

由于只是检测二次谐波分量的大小，所以在某一时刻只有一个反映直流偏置电压的值，因而限制了后续的微处理器可采用的算法。

发明内容

本发明的目的是提供一种新的MZ外调制器平衡检测偏置控制方法，该方法能够消除激光器输出光功率波动对谐波检测的影响，使可测试的直流偏置电压调整量数值更加精确，同时降低对激光器的要求；消除链路损耗对谐波检测的影响，使可测试的直流偏置电压调整量数值更加精确，同时降低对链路各器件的要求；实现在同一时刻有多个反映直流偏置电压的量值，使微处理器可以采用灵活的算法策略，进一步提高测试值的精确度。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明的新的MZ外调制器平衡检测偏置控制方法，包括RF射频信号与导频信号经过信号合成器合成后送入MZ外调制器的信号端，经过调制后的光信号经过分光器，其中的一部分光信号进入光电探测器，所述光电探测器将该部分光信号转换成电信号，对所述电信号进行检测，检测出所述导频信号的至少两种谐波分量；

之后，对所述至少两种谐波分量的传输函数进行相除运算，并根据相除运算后的比值函数得到直流偏置的调整量；

然后，根据所述直流偏置的调整量得到偏置电压，将所述偏置电压送入所述MZ外调制器的直流偏置端，实现对所述MZ外调制器的最佳直流偏置点的闭环控制。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明所述的新的MZ外调制器平衡检测偏置控制方法，由于检测出导频信号的至少两种谐波分量，并对至少两种谐波分量的传输函数进行相除运算，并根据相除运算后的比值函数得到直流偏置的调整量；然后，根据直流偏置的调整量得到偏置电压，将偏置电压送入MZ外调制器的直流偏置端，实现对MZ外调制器的最佳直流偏置点的闭环控制。能够消除激光器输出光功率波动对谐波检测的影响，使可测试的直流偏置电压调整量数值更加精确，同时降低对激光器的要求；消除链路损耗对谐波检测的影响，使可测试的直流偏置电压调整量数值更加精确，同时降低对链路各器件的要求；实现在同一时刻有多个反映直流偏置电压的量值，使微处理器可以采用灵活的算法策略，进一步提高测试值的精确度。

附图说明

图1为本发明新的MZ外调制器平衡检测偏置控制方法的具体实施例一的原理框图；

图2为本发明新的MZ外调制器平衡检测偏置控制方法的具体实施例一的控制流程框图；

图3为本发明新的MZ外调制器平衡检测偏置控制方法的具体实施例一中自动移相式锁定放大器原理框图；

图4为本发明新的MZ外调制器平衡检测偏置控制方法中MZ外调制器的传输函数示意图；

图5为本发明新的MZ外调制器平衡检测偏置控制方法的具体实施例中微处理器软件处理流程图；

图6为本发明新的MZ外调制器平衡检测偏置控制方法的具体实施例二的原理框图。

具体实施方式

本发明的新的MZ外调制器平衡检测偏置控制方法，其较佳的具体实施方式是：

包括RF射频信号与导频信号经过信号合成器合成后送入MZ外调制器的信号端，经过调制后的光信号经过分光器，其中的一部分光信号进入光电探测器，所述光电探测器将该部分光信号转换成电信号，对所述电信号进行检测，检测出所述导频信号的至少两种谐波分量，可以是基波和二次谐波，也可以是高次谐波中的任意两种；

之后，对所述至少两种谐波分量的传输函数进行相除运算，并根据相除运算后的比值函数得到直流偏置的调整量；

然后，根据所述直流偏置的调整量得到偏置电压，将所述偏置电压送入所述MZ外调制器的直流偏置端，实现对所述MZ外调制器的最佳直流偏置点的闭环控制。

上述的相除运算通过微处理器实现，微处理器还可以对检测的误差进行基于神经网络的最优自适应估计和补偿，或进行其它的算法和策略。提高直流偏置电压的调整精确性，从而提高整个系统的精确度。

下面通过具体实施例并结合附图对本发明新的MZ外调制器平衡检测偏置控制方法进行详细的描述：

具体实施例一，如图1、图2所示：

由激光器输出光载波进入铌酸锂MZ外调制器。RF射频信号与导频信号经过信号合成器合成后送入铌酸锂MZ外调制器的信号端，经过调制后的光信号经过分光器，其中的一部分进入光电探测器。光电探测器将光信号转换成电信号，经基波检测电路得到导频信号的基波信号大小；经过二次谐波检测得到导频信号的二次谐波失真信号大小。这两个信号都反映了铌酸锂MZ外调制器的直流电压偏置点的大小。它们通过A/D采集进入微处理器进行数据处理，使用相应的公式计算和控制算法，自动检测到最佳直流偏置点并得到直流偏置的调整量，然后控制直流电压，得到所需的偏置电压，将其送入MZ外调制器的DC偏置端，从而实现了对调制器最佳直流偏置点的闭环控制。

二次谐波的检测采用自动移相式锁定放大器完成，其工作原理如图3所示。被测信号X(t)通过前置放大器进入信号通道，由于X(t)中除了包含待检测的微弱信号，还含有大量的噪声，为了提高信噪比，以及避免后面的相敏检波器出现过载，要用带通滤波器进行预滤波。经过滤波后的信号Y(t)同时进入两个相敏检波器，两个参考信号r_I(t)、r_Q(t)为1∶1的方波，它们的幅度和频率都相等，但是相位相差90度，它们都由数字信号处理器DSP产生。Y(t)经过相敏检波器及低通滤波器后，得到两个信号I(t)、Q(t)，经A/D采集后在DSP中进行处理，计算出被测信号的幅值E和相位

即

$E=\sqrt{I{\left(t\right)}^2+Q{\left(t\right)}^2}$

根据处理结果，如果参考信号与微弱信号的相位不相等，则DSP实时调整r_I(t)、r_Q(t)的相位，使得参考信号与被测的微弱信号达到同频同相，实现同步精确测量。

该方案通过在输出端同时检测导频信号的基波分量和二次谐波分量，得到了两个反映调制器直流偏置电压的参量，它们与调制器的直流偏置电压和激光器的输出光载波功率有关。这两个参量通过模数转换进入微处理器，通过相除运算从而得到只与调制器的直流偏置点有关的比值量，这样就把激光器的输出光功率及链路损耗对直流偏置控制精度的影响消除了。由于在同一时刻有两个反映直流偏置电压的量值，在微处理器中，可以采用一些特殊的算法或策略进行处理，例如对测量的误差进行估计和补偿，以进一步提高直流偏置电压的调整精确性，从而提高整个系统的精确度。

上述具体实施例的原理是：

如图4所示，LiNbO₃-MZ外调制器的传输函数为其中V_b＝V_B+V_m；

式中，式中P_in为输入的光功率；P_out为输出的光功率；V_B为直流偏置电压；V_m为调制信号；V_b＝V_B+V_m是加在调制器电极上的总电压；V_π为调制器半波电压；φ₀为光束通过调制器两臂时由温度、压力等因素造成的相位差，是时间的随机函数，它是随环境和时间变化的。

先不加入RF射频信号，只加入导频信号，且导频信号的频率分别为f₁、f₂，即

其中W₁＝2πf₁、W₂＝2πf₂，V₁、V₂是信号的幅度，φ₁、φ₂是信号的初始相位。

令此时LiNbO₃-MZ外调制器的输入信号为V_b＝V_m，在调制器中对激光载波进行光调制，实现电光转换，输出的光功率为：

$P_{\mathrm{out}}=P_{\mathrm{in}}\frac{1}{2}\{1+\cos \{\frac{\mathrm{\π}}{V_{\mathrm{\π}}}[V_1\cos (W_{1}t+{\mathrm{\φ}}_1)+V_2\cos (W_{2}t+{\mathrm{\φ}}_2)]+{\mathrm{\φ}}_0\left\}\right\}$

然后进入分光器，一部分光通过光电探测器进行光电转换，供后续电路处理。假设链路的损耗为L，则光电探测器的输出光功率为：

$P_{\mathrm{out}}=P_{\mathrm{in}}\frac{1}{2L}\{1+\cos \{\frac{\mathrm{\π}}{V_{\mathrm{\π}}}[V_1\cos (W_{1}t+{\mathrm{\φ}}_1)+V_2\cos (W_{2}t+{\mathrm{\φ}}_2)]+{\mathrm{\φ}}_0\left\}\right\}$

对其进行频谱分析，得到各频谱分量的表达式：

输出信号的基波分量是：

$P_{\mathrm{out}}^{\left(1\right)}=\cos \left(\frac{\mathrm{\π}}{V_{\mathrm{\π}}}\mathrm{\Δ}{V}_B\right)\mathrm{\β}[V_1\cos (W_{1}t+{\mathrm{\φ}}_1)+V_2\cos (W_{2}t+{\mathrm{\φ}}_2)]g\frac{P_{\mathrm{in}}}{L}$

输出信号的二次谐波分量是：

$P_{\mathrm{out}}^{\left(2\right)}=\frac{{\mathrm{\β}}^2}{4}\sin \left(\frac{\mathrm{\π}}{V_{\mathrm{\π}}}\mathrm{\Δ}{V}_B\right)\{2V_1{V}_2\cos (W_{1}t+W_{2}t+{\mathrm{\φ}}_1+{\mathrm{\φ}}_2)+2V_1{V}_2\cos (W_{1}t-W_{2}t+{\mathrm{\φ}}_1-{\mathrm{\φ}}_2)$

$+V_1^2\cos (2W_{1}t+2{\mathrm{\φ}}_1)+V_2^2\cos (2W_{2}t+2{\mathrm{\φ}}_2)+V_1^2+V_2^2\}g\frac{P_{\mathrm{in}}}{L}$

式中：

ΔV_B是偏离最佳直流偏置电压点Q+或者Q-的大小，如图4所示。

由于基波分量及二次谐波分量有多个，都携带了有关最佳直流偏置电压点Q+或者Q-的信息，即ΔV_B，所以可以取其中的两个频率信号进行检测，如检测W₁与(W₁-W₂)两个频率分量的大小。

是W₁频率分量的大小；

是(W₁-W₂)频率分量的大小。

基波检测将测试出P_W1的大小，而二次谐波检测将测试出P_(W1-W2)的大小。它们进入微处理器中进行处理。由式子可以看出，基波与二次谐波分量的幅值大小都与直流偏置电压调整量ΔV_B、链路损耗L及输入光功率P_in有关。对基波与二次谐波分量的幅值进行相除，得：

$\left|\frac{P_{(W1-W2)}}{P_{W1}}\right|=\frac{\frac{{\mathrm{\β}}^2}{2}\sin \left(\frac{\mathrm{\π}}{V_{\mathrm{\π}}}\mathrm{\Δ}{V}_B\right)V_1{V}_{2}g\frac{P_{\mathrm{in}}}{L}}{\cos \left(\frac{\mathrm{\π}}{V_{\mathrm{\π}}}\mathrm{\Δ}{V}_B\right)\mathrm{\β}{V}_{1}g\frac{P_{\mathrm{in}}}{L}}=\frac{\mathrm{\β}}{2}\tan \left(\frac{\mathrm{\π}}{V_{\mathrm{\π}}}\mathrm{\Δ}{V}_B\right)V_2$

可以看出，经过运算，基波与二次谐波分量的幅值比消除了链路损耗L和P_in这两项，其大小只与直流偏置电压调整量ΔV_B有关，从而消除了激光器输出光功率波动对测试直流偏置电压调整量所产生的影响。

如图5所示，是上述具体实施例中微处理器软件处理流程图。

具体实施例二，如图6所示：

本发明的关键在于引入多个测试量进行平衡检测的思想。由于实际中的导频信号可以是一个、两个或者多个，而在MZ调制器的输出端可以检测的谐波分量也很多，可以在MZ调制器的输出端通过检测多个可测试量来进行MZ调制器直流偏置控制处理。

所以凡是在MZ调制器的输出端通过检测两个以及两个以上可测试量来进行MZ调制器直流偏置控制处理的方法都在本发明的范围之内。其中的可检测测试量应根据MZ调制器输入信号的情况而定，具体公式如下：

MZ调制器的输入信号可以有多种形式，但是都可以分解为

形式，式中W_i是第i路信号的角频率，V_i是第i路信号的幅度，φ_i是第i路信号的初始相位，N＝1，2，3，L，因此本发明的MZ调制器输入信号包括了多种形式的信号输入。

MZ调制器输出端可检测的测试量，是输入信号经过MZ调制器所产生的所有频率分量。它通过对输出的表达式

进行频谱分析得到，如表1所示，列出了常用的几种情况：

表1：调制器的导频输入信号和调制器输出端可检测的测试量列表

本发明的可测试量即是表1中列出的调制器输出端可检测的测试量中的两种或多种。

本发明的新的MZ外调制器平衡检测偏置控制方法，关键是引入两个或多个测试量进行平衡检测的思想。它包括了在调制器接收端对多个可测试量进行检测，在微处理器中进行相除运算及误差分析，确定最佳的直流偏置电压调整量，以消除激光器的输出光功率及链路损耗对直流偏置控制方法精度的影响，并提供多个可测试量值，以满足各种算法及控制策略的要求。

本发明的方案具有以下有益效果：

1.大大提高LiNbO₃-MZ外调制器的性能：

本发明消除了对谐波检测的影响因素，使检测结果直接反映LiNbO₃-MZ外调制器的直流偏置电压，从而大大提高LiNbO₃-MZ外调制器的直流偏置控制精确度，使LiNbO₃-MZ外调制器的非线性得到很好的抑制，因而采用本发明的LiNbO₃-MZ外调制器可以应用于更大容量和更精密的光发射系统中，使LiNbO₃-MZ外调制器的应用更加广泛。

2.降低光发射机系统的成本：

本发明解决了激光器的输出光功率及链路损耗对直流偏置控制方法精度的影响，电就是说，在提高谐波检测的精确度以提升光发射机系统性能的同时，对激光器及链路各器件的性能并没有提出更高的要求。因此，在现有激光器及链路各器件的条件下，通过本发明就可以大大提高光发射机系统的性能，从而降低了光发射机系统的成本。

3.促进光纤通信的应用：

本发明使LiNbO₃-MZ外调制器的性能大大提高，可以应用于更大容量和更精密的光发射机系统中，同时降低了整个光发射机系统的成本，因而可极大地促进光纤通信向高速率、实用化方面的发展，对整个光纤通信产业都具有重要的意义和作用。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种MZ外调制器平衡检测偏置控制方法，包括RF射频信号与导频信号经过信号合成器合成后送入MZ外调制器的信号端，经过调制后的光信号经过分光器，其中的一部分光信号进入光电探测器，所述光电探测器将该部分光信号转换成电信号，其特征在于，对所述电信号进行检测，检测出所述导频信号的至少两种谐波分量；

之后，对所述至少两种谐波分量的传输函数进行相除运算，并根据相除运算后的比值函数得到直流偏置的调整量；

然后，根据所述直流偏置的调整量得到偏置电压，将所述偏置电压送入所述MZ外调制器的直流偏置端，实现对所述MZ外调制器的最佳直流偏置点的闭环控制。

2.根据权利要求1所述的MZ外调制器平衡检测偏置控制方法，其特征在于，所述至少两种谐波分量包括基波和二次谐波。

3.根据权利要求1或2所述的MZ外调制器平衡检测偏置控制方法，其特征在于，所述相除运算通过微处理器实现。

4.根据权利要求3所述的MZ外调制器平衡检测偏置控制方法，其特征在于，所述微处理器还对检测的误差进行基于神经网络的最优自适应估计和补偿。

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