CN103257463A - 锁定LiNbO3马赫–曾德尔调制器偏置工作点的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种锁定LiNbO₃马赫–曾德尔调制器偏置工作点的方法，当调制器没有加射频信号时，在偏置输入端加入一个合适的测试电压，用光电探测器在调制器输出端测量光强作为反馈信号输入到微处理器，微处理器可以计算出当前时刻调制器传递函数上任意相位对应的电压。为了减小激光器功率波动对反馈信号的影响，以一定的周期校准调制器最大输出光强。该方法不需要加入额外的扰动信号，不会引入额外的噪声，对于任意的相位点都可以锁定，通过选择合适的测试电压，可以使反馈信号受系统噪声影响最小，锁定精度可以大幅提高。该方法装置简单，操作方便，稳定性高，激光器功率波动和光路损耗变化对系统的影响较小。

Description

锁定LiNbO3马赫–曾德尔调制器偏置工作点的方法

技术领域

本发明涉及光纤通讯系统，具体是一种锁定LiNbO₃马赫–曾德尔调制器偏置工作点的方法。

背景技术

在网络容量呈指数增长和全球一体化的驱动下，光纤通信系统正朝着大容量、高速率、长距离传输的方向快速发展，调制器的性能和效率首先决定了光纤通讯系统能否达到这个目标。LiNbO₃马赫–曾德尔调制器性能稳定，具有低损耗，高电光效率，啁啾可调，驱动电压低以及带宽大等优点成为光纤通信系统中使用最广泛的高速调制器。LiNbO₃调制器使用时，需要给调制器加载一个偏置电压来保证其信号调制时可以工作在其传递函数合适的工作点上，从而优化调制信号、提高系统性能。LiNbO₃马赫–曾德尔调制器由于其自身结构的缺陷、环境温度、机械振动、外电场等因素都会引起其偏置工作点的缓慢漂移，最终造成调制信号质量变差、眼图劣化、传输系统误码率上升，因此有必要监测调制器的偏置工作点漂移并予以锁定。

为了减小偏置工作点的漂移对调制器的影响，研究人员提出了很多偏置点的控制方法。例如可以通过改进器件的制作工艺，优化器件的结构，从而抑制偏置点的漂移[Journal ofLightwave Technology,2011,vol.29,no.10,pp.1522-1534]。但是这种方法过程复杂而且成本高昂。基于调制器输入输出对工作点漂移进行反馈控制的偏置控制方法通常被用于实验室环境[Optical Fiber Telecommunications III B.New York:Academic,1997,pp.377–462]，这种方法中反馈信号受激光器功率的波动和光路损耗的变化影响严重，偏置点的锁定精度较差，它的优点是不需要加入额外的扰动信号，而且可以锁定任意的相位点。目前工程上常采用低频扰动信号的反馈控制方法来自动控制调制器的偏置点[Journal ofLightwave Technology,2010,vol.28,no.11,pp.1703-1706]，这种方法需要在直流偏置上加入一个低频小振幅的扰动信号，它的优点是稳定性好，锁定精度高，缺点是需要加入额外的扰动信号，然而在某些应用领域，例如在连续变量量子密钥分发系统中，这个扰动信号会对有用的传输信号造成影响，进而影响整个系统的安全性。

发明内容

本发明的目的是提供一种不需要加入扰动信号，受激光器功率波动和光路损耗变化影响较小，可以锁定任意相位的LiNbO₃马赫–曾德尔调制器偏置工作点控制方法。

本发明提供的一种锁定LiNbO₃马赫–曾德尔调制器偏置工作点的方法，包括以下步骤：

(1)、初始化调制器的半波电压V_π、最大输出光强P_inT_D、总的测量噪声

，以最大透射光强P_inT_D为单位；所述的

为光电探测器的电子学噪声，为激光器功率波动引起的探测噪声，C为调制器最大通光时光电探测器探测到的光强起伏标准偏差，T_D是调制器内部的损耗引起的衰减，P_in和P_out分别为马赫–曾德尔调制器的输入和输出光强；

（2）、当调制器没有加载射频信号时，在其偏置输入端加入一个测试电压，用光电探测器在调制器输出端测量透射光强，并作为反馈信号输入到微处理器；所述的测试电压为Δθ取值最小的偏置相位θ₀对应的偏置电压，Δθ取值通过下式计算：

$P_{\mathrm{out}}=\frac{P_{\mathrm{in}}{T}_D}{2}\left(\cos \right[{\mathrm{\θ}}_0]+1)$

$\mathrm{\Δ\θ}=\frac{2}{\sqrt{1-{(2P_{\mathrm{out}}-1)}^2}}\mathrm{\Δ}{P}_{\mathrm{out}}$

（3）、微处理器计算出当前时刻调制器传递函数上任意相位对应的偏置电压，根据具体的锁定相位要求将计算出的所需偏置电压输出到调制器的偏置端。

根据调制器偏置工作点的漂移速度，选择合适的周期重复步骤（2）和（3）校准偏置工作点。同时为了减小激光器功率波动对反馈信号的影响，以一定的周期校准调制器最大的输出光强。本发明由于反馈信号受系统噪声影响很小，所以偏置工作点的锁定精度高。

本发明的核心思想是通过给调制器偏置输入口加一个合适的测试电压，然后在调制器输出端测量对应的光强作为反馈信号，通过微处理器计算就可以得到当前时刻调制器传递函数上任意相位对应的偏置电压。由于偏置工作点的变化是缓慢的，以一定的周期用同样的方法重复校准偏置工作点就可以实现调制器的长期锁定。不同的测试电压得到的偏置工作点锁定精度也是不同的，按照本发明提出的方法可以选择最佳的测试电压，从而能够使锁定精度大幅提高。

调制器的输出光强可以表示为

，θ₀是相位偏置角。调制器透射率最大时偏置电压记作V_max(t)，为了简化公式，令P_in=1，T_D=1，输出光强表示为

，V是加到调制器上的测试电压，V_π是半波电压，则有

,V∈[V_max,V_min],V_min(t)=V_max(t)+V_π.那么任意相位x对应的电压

，P(x)是相位x对应的传递函数的值。最后可以得到 $V_x\left(t\right)=V-\frac{\arccos (2P_{\mathrm{out}}-1)}{\mathrm{\π}}{V}_{\mathrm{\π}}+\frac{\arccos (2P\left(x\right)-1)}{\mathrm{\π}}{V}_{\mathrm{\π}}$ （1）。通过在调制器输出端测量测试电压V对应的光强P_out，利用公式（1）通过微处理器就可以计算出任意相位x的偏置电压。

由于反馈光强的测量总是存在噪声，这将会影响偏置工作点的锁定精度，选择合适的测试电压可以大大提高偏置工作点的锁定精度，测量噪声主要包含两部分，一个是探测器的电子学噪声

（以最大光强P_inT_D为单位），它是一个与激光器功率波动无关的常数，另一个是由激光器功率波动引起的，它是和调制器的输出光强成正比的，可以表示为，P_out∈[0,1]，C为当调制器最大通光时在其输出端测量光强的波动标准差，总的噪声为 $\mathrm{\&Delta;}{P}_{\mathrm{out}}=\sqrt{<{\left(\mathrm{\&Delta;}{P}_1\right)}^2>+<{\left(\mathrm{\&Delta;}{P}_2\right)}^2>}$ ；根据噪声传递理论

$\mathrm{\&Delta;}{V}_x=\frac{\&PartialD;V_x}{\&PartialD;P_{\mathrm{out}}}\mathrm{\&Delta;}{P}_{\mathrm{out}}$

$=\frac{2V_{\mathrm{\&pi;}}}{\mathrm{\&pi;}\sqrt{1-{(2P_{\mathrm{out}}-1)}^2}}\mathrm{\&Delta;}{P}_{\mathrm{out}},$

$\mathrm{\&Delta;\&theta;}=\frac{\mathrm{\&Delta;}{V}_x}{V_{\mathrm{\&pi;}}}\mathrm{\&pi;}$

$=\frac{2}{\sqrt{1-{(2P_{\mathrm{out}}-1)}^2}}\mathrm{\&Delta;}{P}_{\mathrm{out}}$   （2）

根据公式（2）可以得到测试电压引起的偏置相位θ₀和偏置工作点的锁定精度Δθ之间的关系。选择Δθ最小时对应的θ₀作为测试电压的偏置相位，此时，偏置工作点的锁定精度最高，而且理论上任意相位的偏置工作点锁定精度都是相同的。

调制器的偏置工作点的变化是缓慢的，以一定的周期重复校准偏置工作点，每一次反馈控制中，测试电压对应的偏置相位都是θ₀，下一次反馈控制中的测试电压可由上一次反馈控得出。为了减小激光器功率波动对系统的影响，以一定的周期校准调制器的最大输出光强。

与现有技术相比，本发明的优点和效果：

基于调制器输入输出对工作点漂移进行反馈控制的偏置控制方法受系统噪声影响严重，锁定精度不高，而且探测器的动力学范围要求很高。本发明提出的方法，反馈信号受系统噪声影响很小，可以锁定任意相位点，且锁定精度是相同的，同时探测器的动力学范围要求不高。

加入低频扰动信号的反馈控制方法需要加入额外的扰动信号，这在某些应用领域中会给系统带来额外的噪声，例如连续变量量子密钥分发系统。本发明不需要加入扰动信号，因此，不会引入额外的噪声。

附图说明

图1是本发明的方法示意图

图2是本发明和传统的基于调制器输入输出反馈控制法锁定效果的对比

图3是本发明在90分钟内对15°相位点的锁定情况

具体实施方式

图1所示的是本发明的方法示意图,包括激光器1、LiNbO₃马赫–曾德尔调制器2、分束器3、光电探测器4、微处理器5。用分束器提取小部分光信号作为反馈信号，并输入到微处理器。

操作步骤如下：

(1)初始化调制器的半波电压V_π、最大输出光强P_inT_D、总的测量噪声

（以最大透射光强P_inT_D为单位），其中，为光电探测器的电子学噪声，

为激光器功率波动引起的探测噪声，C为调制器最大通光时光电探测器探测到的光强起伏标准偏差,根据公式（2）可以得到测试电压引起的偏置相位θ₀和偏置工作点的锁定精度Δθ之间的关系。选择Δθ最小时对应的θ₀作为测试电压的偏置相位。

（2）当没有加射频信号时，在调制器偏置输入端加入锁定精度最高的测试电压，用光电探测器在调制器输出端测量光强作为反馈信号输入到微处理器。

（3）微处理器利用公式（1）可以计算出当前时刻调制器传递函数上任意相位对应的电压，然后将偏置电压输出到调制器的偏置端。

（4）一分钟后重复步骤（2）和（3）校准偏置工作点。

（5）为了减小激光器功率的波动对反馈信号的影响，每分钟校准调制器最大的输出光强。

实验中使用Photline公司的LiNbO₃马赫–曾德尔振幅调制器，对系统的初始化结果如下，V_π=7.852V， $\sqrt{<{\left(\mathrm{\&Delta;}{P}_1\right)}^2>}=0.00014$ ， $\sqrt{<{\left(\mathrm{\&Delta;}{P}_2\right)}^2>}=0.0025P_{\mathrm{out}}$ （探测带宽是1MHz）。每1分钟校准一次偏置工作点和调制器最大输出光强，反馈控制中测试电压引起的相位θ₀选择为150°，我们对8个相位点（15°,20°,45°,90°,135°,150°,175°,177°）分别进行90分钟的锁定监测，结果如图2中的星号所示。为了和传统的锁定方法对比，测试电压的偏置相位θ₀和待锁定的工作点相同时的锁定结果如图2中的圆圈所示，实线代表的是传统锁定方法理论上的锁定精度，可以看出传统的锁定方法在0°和180°附近锁定效果很差，本发明提出的方法可以提高锁定精度，并且在任意的相位点锁定精度基本上相同（从0.05°到0.09°）。

90分钟内15°相位点的锁定情况如图3所示，相应的锁定精度（标准差）为0.09°。

Claims (1)

1.一种锁定LiNbO₃马赫–曾德尔调制器偏置工作点的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、初始化调制器的半波电压V_π、最大输出光强P_inT_D、总的测量噪声

，以最大透射光强P_inT_D为单位；所述的

为光电探测器的电子学噪声，为激光器功率波动引起的探测噪声，C为调制器最大通光时光电探测器探测到的光强起伏标准偏差，T_D是调制器内部的损耗引起的衰减，P_in和P_out分别为马赫–曾德尔调制器的输入和输出光强；

（2）、当调制器没有加载射频信号时，在其偏置输入端加入一个测试电压，用光电探测器在调制器输出端测量透射光强，并作为反馈信号输入到微处理器；所述的测试电压为Δθ取值最小的偏置相位θ₀对应的偏置电压，Δθ取值通过下式计算：

$P_{\mathrm{out}}=\frac{P_{\mathrm{in}}{T}_D}{2}\left(\cos \right[{\mathrm{\&theta;}}_0]+1)$

$\mathrm{\&Delta;\&theta;}=\frac{2}{\sqrt{1-{(2P_{\mathrm{out}}-1)}^2}}\mathrm{\&Delta;}{P}_{\mathrm{out}}$

（3）、微处理器计算出当前时刻调制器传递函数上任意相位对应的偏置电压，根据具体的锁定相位要求将计算出的所需偏置电压输出到调制器的偏置端。

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