CN103019286A - 电光调制器的偏置电压控制装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于控制电光调制器偏置电压的装置和方法。该装置和方法对电光调制器的偏置电压进行控制，不仅可以使电光调制器稳定的工作以抵抗外界干扰而且可以根据需要控制电光调制器工作在不同的状态。该装置通过对电光调制器输入一个已知周期的连续正弦偏置电压信号，然后解调电光调制器对此信号的响应来判断和确定电光调制器的工作点及其受外界影响导致的工作点的漂移，最后对电光调制器的偏置电压进行调节，使电光调制器稳定的工作在设定的工作点上。

Description

电光调制器的偏置电压控制装置和方法

技术领域

本发明涉及一种电光调制器的偏置电压驱动系统。用于给电光调制器提供合适的偏置电压，使其工作在设定的工作区域。属于光电自动反馈控制领域。

背景技术

铌酸锂马赫-曾德电光调制器(LiNbO₃ Mach-Zehnder Modulator)被广泛应用在光通信、光纤传感等领域。其内部由两个相同的波导臂和两个Y型分支组成。输入光在第一个Y分支被分成两束相等的光，然后分别沿两个相同的波导臂传输，最后在第二个Y分支处相遇，并进行干涉。通过调节加在波导臂上的电场可以改变波导晶体的折射率，使两束光在两波导臂传输的速度不同而产生光程差，从而使两束光的干涉光强发生变化，实现对光的振幅调制(AM)。电光调制器波导臂所加电压(即电场)与输出光强关系曲线即电光调制器的传输特性曲线，如图2所示，是一条类余弦函数曲线。由于电光调制器自身结构的原因，外界的环境如温度、机械拉伸及机械振动等会引起其工作点的漂移，从而导致电光调制器工作不稳定，使其性能受到很大影响，给实际应用带来诸多不便。在不同应用中，电光调制器的工作点是不同的。当应用于需要微波调制等的系统中，为获得线性调制，需要电光调制器工作在传输曲线的斜率最大点或者最小的点处，如示意图2中的d点或者b点，而当应用于需要脉冲调制等的系统中，为获取高消光比，需要电光调制器工作在传输特性曲线的谷底，如示意图2中的c点。因此，对电光调制器的工作点进行自动化跟踪和控制是非常必要的。

专利ZL201010173594中，公开了一种通过直接测量光功率将电光调制器的工作点控制在谷底的偏压控制方法，但该方法不能够判断电光调制器工作点的漂移方向使得控制精度和反应速度相对降低，而且由于其直接测量光功率，所以其控制精度很容易受到光源功率的波动的影响，另外该方法不能随意改变输入电光调制器的光功率，使得光源的使用很不方便。J.SNODDY，Y.LI，F.RAVET，et al.“Stabilization of electro-optic modulator bias voltage drift using alock-in amplifier and a proportional-integral-derivative controller in distributedBrillouin sensor system”.Applied optics，2007：1482～1485.提出了两种偏压控制方法，并比较了这两种方法的优劣。但是这两种方法需要用到锁相放大器或者PC机(个人电脑)等外部大型设备，因此成本较高，且不便于移动。Bui D Tand Journet B，“Electrooptic modulator bias point optimization by detecting itsnonlinear behavior”IEEE Int.Conf.on Communications and Electronics，ICCE2010(Nha Trang，Vietnam，11-13August 2010)paper no.1014，pp 118-23提出了一种基于检测探测信号的调制信号的二次谐波进行电光调制器偏压控制的方案，这种方案也是对电光调制器输入一个探测信号，不同的是它检测的是从电光调制器输出的探测信号的调制信号的二次谐波的有无。这种方案需要用到倍频器，结构相对复杂。本专利克服了以上方法的不足。

而且以往提出的方案只能将工作点控制在一个点或者两个点上，限制了电光调制器的应用范围。而本专利提出的方案可将工作点控制在多个点上，且实现结构和解调方法简易有效。

发明内容

技术问题：本发明解决的技术问题在于提供一种电光调制器偏压控制装置和方法，将电光调制器的工作点控制在所需要的不同位置，且解决了电光调制器工作点漂移的问题。

技术方案：该电光调制器偏压控制装置是一个闭环控制装置。该装置通过控制电光调制器的直流偏置电压来调节电光调制器的工作点。电光调制器的传输特性曲线可以用表达式表示，为

其中P_out表示电光调制器的输出光功率；α表示系数；P_in表示输入电光调制器的光功率；V表示EOM的外加电压；V_π表示EOM的半波电压；表示偏移相位，受外界环境如温度、应变的影响；P₀是电光调制器的泄露的光功率(电光调制器不能将光百分之百的阻断，总会有一部分光从电光调制器中泄露出来)。该电光调制器偏压控制装置向电光调制器输入的偏置电压包括正弦探测信号V_t，可表示为V_t＝Asin(wt)和直流偏置电压V_bias。所以输出光可以表示为

$P_{\mathrm{out}}=\frac{1}{2}{\mathrm{\αP}}_n[1+\cos (\frac{\mathrm{\π}}{V_{\mathrm{\π}}}(V_{\mathrm{bias}}+A\sin \left(\mathrm{wt}\right))+{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{offset}})]+P_0.$ 其中，此微扰动信号的设置不能影响到调制信号。此信号经过光电探测器模块转变成电信号，并进行交流耦合放大。然后进入乘法器模块与输入电光调制器的原探测信号相乘，再经过积分电路积分后，得到的一个直流信号D，

即此信号与电光调制器工作点的斜率成线性关系。当工作点在谷底点或者峰顶点时，此时的斜率为0，得到的D也为0，当工作点在斜率最大点和斜率最小点点时，此时的斜率分别为正值且最大和负值且最小，得到的D也分别为正值且最大和负值且最小。因此通过检测这个直流信号D，就可以判断和确定电光调制器的工作点位置及工作点的漂移方向和漂移距离。在此装置中，是将这个直流信号D经过AD转换模块转变成数字信号进入中央控制器后，控制器就可以通过检测和判断这个直流量的符号和数值的大小，确定电光调制器的工作点位置及工作点的漂移方向和漂移距离，进而对输出的偏置电压进行调节，通过DA转换模块输出模拟的偏置电压，通过加法电路加载到电光调制器的偏压控制端。

电光调制器偏置电压控制方法中，对电光调制器工作点的控制主要分了两步：第一步，扫描确定电光调制器的工作点。电光调制器偏压控制装置输出探测信号——小幅正弦连续信号到电光调制器，然后将输出的直流偏置电压快速扫描；同时判断和记录AD转换模块采集到的，对应电光调制器不同工作点的，不同直流信号值所对应的直流偏置电压值，最后将工作点设置在使用者选定的工作点上。第二步，控制电光调制器工作点的漂移。工作点设定好以后，再检测采集到的直流信号值来判断当前工作点的漂移方向及大小，然后采用一定的算法对偏置电压进行相应的调节，保持采集到的直流信号在相应范围内，使得电光调制器稳定的工作。

本发明实现了全自动扫描，自动跟踪，自动锁定电光调制器工作点的全闭环控制，其优点在于：不仅可以使电光调制器稳定的工作，还可以设置其工作点在不同位置，从而能够使其应用于不同应用系统及领域；当工作点在传输特性曲线的谷底或者峰顶时可以判断工作点的漂移方向，提高了反应速度与控制精度；能随意改变输入电光调制器的光功率的大小，，且不受光源不稳定的影响，使得对光源的限制进一步放宽；探测信号为低频的正弦小信号，所以解调的调制信号也是低频的信号，不需要进行高速采集，高速处理的复杂操作及高成本器件；不依赖于其他外部设备，使用方便可靠；控制器可以使用8位的MCU，成本低，易于开发，使用方便；整个装置不需要借助任何外部的光学和电子设备，集成度高，具有广阔的市场应用前景。

附图说明

图1是本发明的电光调制器偏置电压控制系统的示意图。

图2是电光调制器输出特性曲线的示意图。横坐标表示的是驱动电压，纵坐标表示的是电光调制器的输出光功率。

图3是电光调制器工作点在传输曲线谷底时工作点漂移输出调制信号的示意图，横坐标表示的是偏置电压，纵坐标表示的是电光调制器的输出光功率。图中1表示工作点未漂移的传输特性曲线及输出的调制光。2表示工作点向右漂移未超过探测信号幅度的传输特性曲线及输出的调制光。3表示工作点向右漂移超过探测信号幅度的传输特性曲线及输出的调制光。4表示工作点向左漂移未超过探测信号幅度的传输特性曲线及输出的调制光。5表示工作点向左漂移超过探测信号幅度的传输特性曲线及输出的调制光。

图4是电光调制器工作点在传输曲线斜率最小点时工作点漂移的现象的示意图，横坐标表示的是偏置电压，纵坐标表示电光调制器的输出光功率。具体如图中注释。

图5是电光调制器工作点在传输曲线斜率最大点时工作点漂移的现象的示意图，横坐标表示的是偏置电压，纵坐标表示电光调制器的输出光功率。具体如图中注释。

具体实施方式

以下结合实例对本发明做详细的说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

作为本发明的优选方案之一，如下所述。参考图1，该装置由光电探测模块(1)，带通滤波模块(2)，乘法器模块(3)，积分电路模块(4)，模数(AD)转换模块(5)，正弦信号发生器模块(6)，控制器(7)，数模(DA)转换模块(8)，加法电路模块(9)组成。其连接关系是：所述的光电探测器模块(1)的输出端接带通滤波器(2)的输入端，带通滤波器(2)的输出端接乘法器(3)两个输入端中的一个，，乘法器(3)的另一输入端接正弦信号发生器(6)的输出端，乘法器(3)的输出端接积分电路的输入端，积分电路(4)的输出端接AD转换模块(5)的输入端，AD转换模块(5)的输出端接控制器(7)，DA转换模块(8)的输入端也与控制器(7)相连。DA转换模块(8)的输出端接加法电路(9)两个输入端中的一个，加法电路(9)的另一个输入端接正弦信号发生器(6)输出，加法电路(9)的输出端接电光调制器的偏压输入端，电光调制器的输出端接一个光纤耦合器或分光器，分出一小部分光输入光电探测器模块(1)的输入端。所有上述光电器件共同组成一个闭合控制回路。特别说明的是，电光调制器和光纤耦合器或者分光器不包含在本发明之内。

其中光电探测模块包括光电二极管，电流电压转换电路和后级放大电路。光电二极管的响应速度可以比较低，在1s-50us范围，后级放大电路进行交流耦合。正弦信号发生器产生的正弦信号，频率可在1Hz-20kHz范围内，振幅可在1mY-100mV范围内，远小于电光调制器的调制信号的幅度，使电光调制器的输出不受影响。乘法器模块实现将原输入到电光调制器的探测信号与经过电光调制器调制了的相位未移动的探测信号相乘的功能。所述的控制器可以使用8位的8051及其兼容系列微处理器或者16位的MSP430系列的微控制单元(MCU)。

本实验方案中，AD转换芯片使用Analog Devices公司的可以接受正负电压的12位的AD7893，DA转换芯片使用Analog Devices公司的14位的AD5453，控制器使用STMicroelectronics公司生产的STC89C51，运放使用的是AnalogDevices公司的超低噪声的OP07，函数信号发生器使用的是Intersil公司生产的ICL8038来实现的。

Claims (9)

1.一种电光调制器偏压控制装置，其特征在于它由光电探测模块、带通滤波模块、乘法器模块、积分电路模块、模数(AD)转换模块、正弦信号发生器模块、控制器、数模(DA)转换模块、加法电路模块组成。其连接关系是：所述的光电探测器模块的输出端接带通滤波器的输入端，带通滤波器的输出端接乘法器的两个输入端中的一个，乘法器的另一输入端接正弦信号发生器的输出端，乘法器的输出端接积分电路的输入端，积分电路的输出端接AD转换模块的输入端，AD转换模块的输出端接控制器，DA转换模块的输入端也与控制器相连。DA转换模块的输出端接加法电路的两个输入端中的一个，加法电路的另一个输入端接正弦信号发生器输出端，加法电路的输出端接电光调制器的偏压输入端。电光调制器的输出端接一个光纤耦合器或分光器，分出少部分光输入光电探测器模块的输入端。所有上述光电器件共同组成一个闭合控制回路。特别说明的是，上述电光调制器和光纤耦合器或者分光器不包含在本发明之内。

2.一种如权利要求1所述的电光调制器偏压控制装置，其特征在于：所述的正弦信号发生器产生的正弦信号，频率可在1Hz-20kHz范围内，振幅可在1mV-100mV范围内。

3.一种如权利要求1所述的电光调制器偏压控制装置，其特征在于：使用乘法器模块进行信号处理。

4.一种如权利要求3所述的乘法器模块，其特征在于：所述的乘法器模块实现将原输入到电光调制器的探测信号与经过电光调制器调制了的相位未移动的探测信号相乘的功能。

5.一种如权利要求1所述的电光调制器偏压控制装置，其特征在于：所述的积分电路模块将如权利要求3所述的乘法器输出的交流信号变为直流信号。

6.一种如权利要求1所述的电光调制器偏压控制装置，其特征在于：所述的控制器通过检测和判断AD采集到的直流信号的符号和数值大小来设置电光调制器的工作点以及控制电光调制器的工作点稳定在所设定的位置。

7.一种如权利要求1所述的电光调制器偏压控制装置，其特征在于：所述的光电探测模块中的光电二极管响应速度在1s-50us范围，放大电路采用交流耦合。

8.一种如权利要求6所述的控制器，其特征在于：所述的控制器可以使用8位的8051及其兼容系列微处理器或者16位的MSP430系列的微控制单元(MCU)。

9.一种如权利要求1所述的电光调制器的偏压控制方法，其特征在于对电光调制器工作点的控制主要分了两步：

第一步，扫描确定电光调制器的工作点。电光调制器偏压控制装置输出探测信号——小幅正弦连续信号输入到电光调制器，然后控制器控制输出的直流偏置电压进行快速扫描；同时判断和记录AD转换模块采集到的，对应电光调制器不同工作点的，不同直流信号值所对应的直流偏置电压值，最后将工作点设置在使用者选定的工作点上。

第二步，控制电光调制器工作点的漂移。工作点设定好以后，再检测AD转换模块采集到的不同直流信号值来判断当前工作点的漂移方向及大小，然后采用一定的算法对偏置电压进行相应的调节，保持AD采集到的直流信号在相应范围内，即使电光调制器相对稳定的工作。

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