CN103235623A - 高速电光调制器最佳偏置相位点检测控制装置及其方法 - Google Patents

高速电光调制器最佳偏置相位点检测控制装置及其方法 Download PDF

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张超
王云才
张明江
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Abstract

一种高速电光调制器最佳偏置相位点检测控制装置及其方法，所述装置是由激光输入信号、偏振控制器、电光调制器、光分路器、输出激光信号、光电探测器和电光控制器构成；所述方法是激光输入信号通过偏振控制器后进入电光调制器，电光调制器输出激光信号通过光分路器后分为两束光，一束光输出激光信号；另一束光由光电探测器接收，并输入给电光控制器，得到最佳直流偏置电压点。本装置结构简单，灵敏度高，性能稳定；本方法在求解最佳偏置相位的同时能实时估计实际偏置相位与最佳偏置相位的误差，极大地提高了电光调制器的工作效率，可广泛应用于高速光纤通信，相位式光纤传感等领域。

Description

高速电光调制器最佳偏置相位点检测控制装置及其方法
技术领域
本发明涉及一种电光调制器偏置相位检测控制装置及其控制方法，具体地说，是一种基于交流小相位调制下的谐波抑制比法对高速电光调制器偏置相位点检测最优控制装置及其控制方法，应用于光通信等高速电光调制领域。
背景技术
激光调制技术是现代激光通信的关键技术之一。由于采用电光调制器对激光采用外调制方式，减小了激光器本身的啁啾现象，更容易实现高速调制，因此在高速率光通信系统中被广为利用。偏置相位漂移使得电光器进行调制输出光功率等发生变化，调制效率下降。因此在应用电光调制器时，给电光晶体加载一个偏置电压调节电光调制器偏置相位来保证电光晶体在信号调制时可以工作在最佳偏置相位工作点，从而保证调制信号不失真，得到很高的调制效率。
传统的偏置电压方式是给电光调制器加载固定偏置电压。但电光调制器工作在高速率调制状态下，由于电光介质的热积累效应和环境变化，会使电光调制晶体的最佳偏置相位工作点发生漂移，如果给晶体提供固定的偏置电压，则使电光调制器偏离了其最佳偏置相位工作点，使调制信号变差。
本发明采用电光调制器最佳偏置相位工作点自动控制技术，将闭环反馈闭环系统应用到偏置电压加载部分，实时监测电光调制器偏置相位工作点的漂移，使最佳偏置相位工作点不随温度和环境变化而变化，保证电光调制器始终工作在最佳偏置相位工作点。
发明内容
本发明要解决的具体技术问题是在高速调制状态下，电光调制晶体的最佳偏置相位发生漂移的问题，进而提供一种高速电光调制器最佳偏置相位点检测控制装置及其方法，以保证电光调制器调制信号不失真，进一步提高调制器的调制效率。
本发明所提供的一种高速电光调制器最佳偏置相位点检测控制装置，包括激光输入信号、偏振控制器、电光调制器、光分路器、输出激光信号光电探测器和电光控制器；其特征在于：
所述激光输入信号通过偏振控制器后进入电光调制器，电光调制器输出激光信号通过99:1的光分路器后分为两束光，一束光输出激光信号；另一束光由光电探测器接收，并输入给电光控制器，得到最佳直流偏置电压点。
本发明一种用于上述高速电光调制器最佳偏置相位点检测控制装置的检测控制方法，其具体检测控制方法是通过对电光调制器的交流小相位调制后，建立偏置相位变化项和谐波抑制比和相位调制度的关系，相位调制度可以由输入正弦信号幅度和电光调制器的半波电压确定，进而通过测量谐波抑制比可以实时估计高速率下的电光调制器最佳偏置相位相位误差。
实现本发明上述的用高速电光调制器最佳偏置相位点检测控制装置及其方法，与现有技术相比，本发明解调装置结构简单，灵敏度高，性能稳定；本发明通过对电光调制器的交流小相位调制后，建立了偏置相位变化项和谐波抑制比和相位调制度的关系，相位调制度可以由输入正弦信号幅度和电光调制器的半波电压确定，进而通过测量谐波抑制比可以实时估计高速率下的电光调制器最佳偏置相位相位误差，在求解最佳偏置相位的同时能实时估计实际偏置相位与最佳偏置相位的误差，极大的提高电光调制器的工作效率，可广泛应用于高速光纤通信，相位式光纤传感等领域。
附图说明
图1是本发明光调制器最佳偏置相位点检测控制装置及其方法示意图。
图中：1：激光输入信号；2：偏振控制器；3：电光调制器；4：光分路器；5：输出激光信号；6：光电探测器；7：电光控制器；8：正弦信号发生器。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式做出说明。
实施本发明所提供的一种高速电光调制器最佳偏置相位点检测控制装置，包括激光输入信号、偏振控制器、电光调制器、光分路器、输出激光信号、光电探测器和电光控制器；其结构组成关系如下：
将激光输入信号1通过偏振控制器2后进入电光调制器3，电光调制器3输出激光信号通过99:1的光分路器4后分为两束光，一束光输出激光信号5；另一束光由光电探测器6接收，并输入给电光控制器7，得到最佳直流偏置电压点。
实施本发明所提供的一种用于上述高速电光调制器最佳偏置相位点检测控制装置的检测控制方法，其所述检测控制方法如下：
通过对电光调制器3的交流小相位调制后，建立偏置相位变化项和谐波抑制比和相位调制度关系，相位调制度由输入正弦信号幅度和电光调制器3的半波电压确定，进而通过测量谐波抑制比实时估计高速率下的电光调制器3的最佳偏置相位误差。
下面结合附图对本发明的具体实施方式作出进一步的详细说明。
如附图1所示，激光输入信号1通过偏振控制器2后进入电光调制器3，电光调制器3输出激光信号通过99:1的光分路器4后分为两束光，其中绝大部分为输出激光信号5，很少一部分由光电探测器6接收，光电探测器6接收的信号输入给电光控制器7，电光控制器7通过结合谐波抑制比法的高速率电光调制器最佳偏置相位相位误差估计方法，对直流偏置电压点进行迭代寻优，进而得到最佳直流偏置电压点，实现对电光调制器3偏置相位的闭环反馈控制，同时对偏振控制器2进行控制。由于交流小相位调制对电路的微光探测能力提出要求，在电光控制器7中采用锁相放大原理，得到一次和二次谐波项系数。其中模拟正弦波信号发生器输出信号给电光调制器，进行交流小相位调制。
本发明从高速电光调制器偏置相位控制模型出发，在交流小相位调制下的谐波抑制比法对高速电光调制器偏置相位相位误差进行估计，进而通过迭代寻优得到高速电光调制器偏置相位最优值，进而克服电光调制器在高速率调制状态下，由于电光介质的热积累效应和环境变化，使得电光调制晶体的最佳偏置相位工作点发生漂移的现象，保证了电光调制器调制信号不失真，得到很高的调制效率。提出在交流小相位调制下的谐波抑制比法对高速电光调制器偏置相位相位误差进行估计，进而通过迭代寻优得到高速电光调制器偏置相位最优值，其具体调制方法如下：
对一个典型铌酸锂(                                                
Figure 390354DEST_PATH_IMAGE001
)电光调制器(EOM)来说，它的传递函数为：
Figure 84641DEST_PATH_IMAGE002
                         （1）
其中
Figure 673885DEST_PATH_IMAGE003
为归一化输出功率，
Figure 719201DEST_PATH_IMAGE004
为控制电压，
Figure 114411DEST_PATH_IMAGE005
为半波电压，为偏置相位。由于温度或者环境变化，偏置相位
Figure 751245DEST_PATH_IMAGE006
极易变化，从而使得电光调制器调制不稳定，最大调制速率变化较大。当
Figure 955962DEST_PATH_IMAGE007
（其中
Figure 154862DEST_PATH_IMAGE008
为整数）时，电光调制器调制速率最快。通过输入幅度很小的正弦波信号对电光调制器实现交流小相位调制，其调制频率为
Figure 558161DEST_PATH_IMAGE009
，正弦信号幅度为C。通过交流小相位调制后，电光调制器输出光功率信号为，
Figure 817104DEST_PATH_IMAGE010
（2）
其中
Figure 509117DEST_PATH_IMAGE011
为电光调制器相位调制度，
Figure 246129DEST_PATH_IMAGE012
，
Figure 769514DEST_PATH_IMAGE013
为温度或者环境变化带来的电光调制器偏置相位变化；
式（2）中一次谐波项为：
Figure 199358DEST_PATH_IMAGE014
                                 (3)
其中二次谐波项为：
 
Figure 113088DEST_PATH_IMAGE015
                                (4)
一次谐波项和二次谐波项的谐波系数分别为，
Figure 653790DEST_PATH_IMAGE016
                                  (5)
   
Figure 297261DEST_PATH_IMAGE017
                                   (6)
其中 
Figure 632428DEST_PATH_IMAGE018
和 
Figure 296103DEST_PATH_IMAGE019
分别为一次和二次谐波系数。                         
由于对于
Figure 374917DEST_PATH_IMAGE008
阶贝塞尔函数展开式：
Figure 378962DEST_PATH_IMAGE021
                              (7)
在交流小相位调制下：
             (8)
Figure 415369DEST_PATH_IMAGE023
       (9)
  将（8）和（9）式带入（5）和（6）式：
Figure 767852DEST_PATH_IMAGE024
                                 （10） 
Figure 648084DEST_PATH_IMAGE025
    （11）
当
Figure 86018DEST_PATH_IMAGE026
（其中
Figure 444319DEST_PATH_IMAGE008
为整数）时，电光调制器调制速率最快。通过式（11）和式（10）可以得到，
  
Figure 916888DEST_PATH_IMAGE027
           （12）
                                (13)
从而通过对电光调制器的交流小相位调制后，建立了偏置相位变化项和谐波抑制比和相位调制度的关系，相位调制度可以由输入正弦信号幅度和电光调制器的半波电压确定，进而通过测量谐波抑制比可以实时估计高速率下的电光调制器最佳偏置相位相位误差。由于可以通过改变电光调制器的直流偏置电压改变电光调制器的偏置相位，通过结合谐波抑制比法的高速率电光调制器最佳偏置相位相位误差估计方法对直流偏置电压点进行迭代寻优，进而得到最佳直流偏置电压点，实现对电光调制器偏置相位的闭环反馈控制。理论上在进行交流小相位调制时，相位调制度越小越好，但对电路的微光探测能力提出要求，因此需要实现高信噪比窄带接收。 

Claims (3)

1.一种高速电光调制器最佳偏置相位点检测控制装置，包括激光输入信号、偏振控制器、电光调制器、光分路器、输出激光信号、光电探测器和电光控制器；其特征在于：
所述激光输入信号（1）通过偏振控制器（2）后进入电光调制器（3），电光调制器（3）输出激光信号通过99:1的光分路器（4）后分为两束光，一束光输出激光信号（5）；另一束光由光电探测器（6）接收，并输入给电光控制器（7），得到最佳直流偏置电压点。
2.一种用于如权利要求1所述的高速电光调制器最佳偏置相位点检测控制装置的检测控制方法，其特征在于：
所述检测控制方法是通过对电光调制器（3）的交流小相位调制后，建立偏置相位变化项和谐波抑制比和相位调制度关系，相位调制度由输入正弦信号幅度和电光调制器（3）的半波电压确定，进而通过测量谐波抑制比实时估计高速率下的电光调制器（3）的最佳偏置相位误差。
3.一种如权利要求2所述的高速电光调制器最佳偏置相位点检测控制装置的检测控制方法，其具体检测控制方法如下：
一电光调制器(EOM)的传递函数如下：
Figure 383471DEST_PATH_IMAGE001
                         （1）
其中
Figure 545462DEST_PATH_IMAGE002
为归一化输出功率，
Figure 872538DEST_PATH_IMAGE003
为控制电压，为半波电压，
Figure 507098DEST_PATH_IMAGE005
为偏置相位；当
Figure 269518DEST_PATH_IMAGE006
时，电光调制器调制速率最快，通过输入幅度很小的正弦波信号对电光调制器实现交流小相位调制，其调制频率为
Figure 451101DEST_PATH_IMAGE007
，正弦信号幅度为C；通过交流小相位调制后，电光调制器输出光功率信号为，
Figure 906353DEST_PATH_IMAGE008
（2）
其中，为电光调制器相位调制度，
Figure 309969DEST_PATH_IMAGE010
，
Figure 346059DEST_PATH_IMAGE011
为温度或者环境变化带来的电光调制器偏置相位变化；
式（2）中一次谐波项为：
Figure 972212DEST_PATH_IMAGE012
                                 (3)
其中二次谐波项为：
 
Figure 297014DEST_PATH_IMAGE013
                                (4)
一次谐波项和二次谐波项的谐波系数分别为，
Figure 401236DEST_PATH_IMAGE014
                                  (5)
    
Figure 557411DEST_PATH_IMAGE015
                                   (6)
其中 
Figure 354466DEST_PATH_IMAGE016
和 
Figure 900985DEST_PATH_IMAGE017
分别为一次和二次谐波系数；                      
由于对于
Figure 74477DEST_PATH_IMAGE018
阶贝塞尔函数展开式：
Figure 53115DEST_PATH_IMAGE020
                              (7)
在交流小相位调制下：
Figure 86930DEST_PATH_IMAGE021
             (8)
Figure 532954DEST_PATH_IMAGE022
       (9)
      将（8）和（9）式带入（5）和（6）式：
Figure 663722DEST_PATH_IMAGE023
                                 （10） 
Figure 802579DEST_PATH_IMAGE024
     （11）
当（其中
Figure 570476DEST_PATH_IMAGE018
为整数）时，电光调制器调制速率最快；
 通过式（11）和式（10）可以得到，
   
Figure 555750DEST_PATH_IMAGE026
          （12）
Figure 865508DEST_PATH_IMAGE027
                          (13)
从而通过对电光调制器的交流小相位调制后，建立偏置相位变化项和谐波抑制比和相位调制度的关系，相位调制度可以由输入正弦信号幅度和电光调制器的半波电压确定，进而通过测量谐波抑制比可以实时估计高速率下的电光调制器最佳偏置相位相位误差。
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