CN103412594A - 电光调制器工作点控制装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电光调制器工作点控制装置及控制方法，该控制装置包括光电探测器、镜像电流源、光功率监控器、可调跨阻放大器、RF检波器、AD采样器、微处理器、DA控制器及光调制器，微处理器实时采集光功率监控信号和RF功率信号，并计算出光功率的极大值和RF功率的极小值，实现对调制器最佳工作点的控制。本发明解决了现有技术中MZ调制器偏置点的硬件控制电路较为复杂，控制精度低等问题，实现了电路简洁、控制效果好、响应速度快的效果。

Description

电光调制器工作点控制装置及控制方法

技术领域

本发明涉及光传输网络领域，特别是指一种应用于偏振相干相位调制器的工作点控制装置及控制方法。

背景技术

由于IPTV（交互式网络电视）, HDTV（High Definition Television，高清晰度电视）, VoD（Video On Demand，视频点播）和移动宽带业务的快速发展，特别是基于Internet的视频应用和P2P（对等网络）应用的迅猛发展，运营商的骨干网络的业务流量持续增长，为了应对大容量网络带宽要求，目前在光纤通信领域100G bit/s长距传输中需要利用一种偏振相干相位调制技术。对于当前的光电相位调制一般采用锂酸铌材料MZ（马赫曾德）调制器来实现。但是，MZ调制器在运行过程中产生的热、环境温度变化以及长期运行老化都会影响电场的强度，易使电光调制器的特性发生改变，从而使得调制器的理想控制点从预设点处产生漂移。漂移的结果是调制后的光信号的曲线振幅和中心位置发生改变，从而光眼图产生劣化。当发生严重漂移时，MZ调制器将表现出强烈的非线性，降低光通信连接的最大动态范围，劣化整个系统的性能，导致接收到的光信号甚至无法恢复出原有信息，所以必须实现电光调制器工作点的稳定控制。图1所示为电光调制器工作点控制原理图。 

目前常用的MZ调制器的偏置点的控制方法是在MZ的调制信号中加入低频方波信号，然后从输出的调制信号中分离这个信号，通过锁相放大从而控制偏置点的稳定。但是全硬件控制使得控制电路非常复杂，时分复用控制6路偏置工作点电压，同时电路器件的温度稳定性也限制了整个控制环路的精度。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种控制电路简单、且工作点控制精度高的电光调制器工作点控制装置及控制方法。

为达到上述目的，本发明提供一种电光调制器工作点控制装置，其包括有光电探测器、镜像电流源、光功率监控器、可调跨阻放大器、RF检波器、AD采样器、微处理器、DA控制器及光调制器，其中，

该光电探测器是将高速光信号转变成光电流信号；该镜像电流源将光电流信号镜像，分成两路信号，一路探测光功率，一路探测RF信号功率；该光功率监控器将一路光电流信号转变成平均电压作为光功率的监控量；该可调跨阻放大器将另一路光电流信号转化成电压信号，该RF检波器将可调跨阻放大器输出的电压信号通过检波器转换成连续的直流信号作为RF功率量；该AD采样器对光功率监控器输出的光功率监控量与RF检测器输出的RF功率量进行模数转换；经AD采样器转换后的数字信号在该微处理器中处理，并寻找出光功率极大值和RF功率极小值；该DA控制器根据微处理器算法结果输出模拟量完成调制器最佳工作点的控制；并通过光调制器对光电探测器的输入数据信号进行相位调制。

所述可调跨阻放大器的跨阻大小根据所述光电探测器的响应度可调。

本发明另提供一种电光调制器工作点控制方法，该方法包括：

步骤一、利用光电探测器将光信号转变为光电流信号；

步骤二、光电流信号经过镜像电流源分成两路信号，一路经光功率监控器将该光电流信号转换成平均光功率信号，即光功率监控信号，一路光电流信号输入到可调跨阻放大器； 

步骤三、输入到可调跨阻放大器的光电流信号转化成电压信号，并且根据光电探测器响应度的不同调节输出电压大小；

步骤四、经过可调跨阻放大器输出的电压信号输入到RF检波器，RF检波器将RF交流信号取均方根运算，得到一个连续直流信号即RF功率信号；

步骤五、分别将光功率监控信号和RF功率信号通过AD采样器，输入到微处理器；

步骤六、微处理器实时采集光功率监控信号和RF功率信号，计算出光功率的极大值和RF功率的极小值；

步骤七、根据微处理器计算结果，DA控制器完成对调制器偏置管脚的控制。

所述步骤六具体包括：

（1）设置偏振态I/Q/Phase偏置工作点的初始值；

（2）在初始工作电压设定的情况下对偏置态光功率采样，将该状态下的功率值记录保存；

（3）调制器偏振态I通道的偏置电压在初始值的基础上步进一个单位，步进值的大小由光电响应速度，以及调制器调制周期决定；

（4）在I通道的偏置电压步进一个单位后对偏置态光功率采样，保存该状态下功率值；

（5）将I通道步进前后时刻偏置工作电压对应的光功率值进行比较；

（6）通过判断光功率大小以及步进方向来预判断下一时刻I通道偏置电压的步进方向，并且保留该预判断值，在完成判断P相位偏置电压步进方向后再执行I通道下时刻的步进；

（7）在上述状态下，偏振态Q通道的偏置电压在初始值的基础上步进一个单位；

（8）在Q通道的偏置电压步进一个单位后对偏置态光功率采样，保存该状态下功率值；

（9）将Q通道步进前后时刻偏置工作电压对应的光功率值进行比较；

（10）通过判断光功率大小以及步进方向来预判断下一时刻Q通道偏置电压的步进方向，并且保留该预判断值，在完成判断I通道偏置电压步进方向后再执行Q通道下时刻的步进；

（11）在上述状态下对偏置RF功率采样，并保存；

（12）调制器偏振态P相位偏置电压在初始值的基础上步进一个单位，同样步进值的大小由光电响应速度，以及调制器光相位相移周期决定；

（13）在P相位的偏置电压步进一个单位后对偏置态RF功率采样，保存该状态下功率值；

（14）将P相位步进前后时刻偏置工作电压对应的RF功率值进行比较；

（15）通过判断RF功率大小以及步进方向来预判断下一时刻P相位偏置电压的步进方向，并且保留该预判断值，在完成判断Q通道偏置电压步进方向后再执行P相位下时刻的步进。

所述偏振态为X偏振态或Y偏振态。

本发明解决了现有技术中MZ调制器偏置点的硬件控制电路较为复杂，控制精度低等问题，特别是对于多路调制器工作点的控制，要保证每个通道的稳定性又要抑制每个通道间的相互干扰。该装置采用硬件监控，软件计算，实现电路简洁，控制效果好，精确度高，响应速度快。

附图说明

图1为电光调制器工作点控制原理图；

图2为相位调制原理图；

图3为本发明电光调制器工作点控制装置的结构框图；

图4为本发明中寻找光功率极大值和RF功率极小值控制处理流程图。

具体实施方式

为便于对本发明的结构及方法及达到的效果有进一步的了解，现结合附图并举较佳实施例详细说明如下。

偏振相干调制器根据应用需求每个通道要求工作在输出光功率最大点，即数据信号的中间电平位于光特性曲线最小点，如图2所示，而pai/2光相移对应着RF（射频）信号最小点。通过调制器的PD（光电探测器）探测出光电流信号并对该信号镜像，一路进行光功率监控，将监控量输入到MCU（微处理器）利用软件算法得到控制量，再通过DA（数模转换器）对调制器I/Q偏置进行调节，另一路信号经过可调跨阻放大器转换成电压信号输入到RF检波器得到一个RF均方根值，将该值进行软件运算寻找极小均方值，再通过DA对调制器的pai/2相位偏置进行调节。

如图3所示，本发明电光调制器工作点控制装置包括有光电探测器（PD，photodiode）10、镜像电流源20、光功率监控器30、可调跨阻放大器40、RF（Radio Frequency，射频）检波器50、AD采样器60、微处理器（MCU）70、DA控制器80、光调制器90。

其中，光电探测器10是将高速光信号转变成光电流信号；镜像电流源20将光电流信号镜像，分成两路信号，一路探测光功率，一路探测RF信号功率；光功率监控器30将一路光电流信号转变成平均电压作为光功率的监控量；可调跨阻放大器40主要是将另一路调制器PD输出光电流信号转化成电压信号，并且跨阻大小根据PD响应度可调；RF检波器50将可调跨阻放大器40输出的电压信号通过检波器转换成连续的直流信号作为RF功率量；AD采样器 60对光功率监控器30输出的光功率监控量与RF检测器输出的RF功率量进行模数转换；经AD采样器60转换后的数字信号在微处理器70中处理，采用导数增量法计算出光功率极大值和RF功率极小值；DA控制器80根据微处理器70算法结果输出模拟量完成调制器最佳工作点的控制；并通过光调制器90对PD 10的输入数据信号进行相位调制。

本发明中工作点调制的实现原理为：

（1）在具体应用上，系统从激光器发光到调制器输出光信号有时间的要求，要在ms级的时间里寻找到工作点并完成反馈控制，对于偏振相干相位调制器两个偏振态工作点的寻找是分别通过两个独立反馈控制装置完成，如图1所示。

（2）对于其中一路X偏振态，PD 10出来的光电流信号经过镜像电流源20分成两路信号，一路经光功率监控器30将该光电流信号转换成平均光功率信号，即光功率监控信号，一路光电流信号输入到可调跨阻放大器40。 

（3）输入到可调跨阻放大器40的光电流转化成电压信号，并且根据PD响应度的不同调节输出电压大小。

（4）经过跨阻放大器40输出的电压信号输入到RF检波器50，检波器的作用是将RF交流信号取均方根运算，得到一个连续直流信号就是RF功率信号。

（5）分别将光功率监控信号和RF功率信号通过AD采样器60，输入到微处理器70。

（6）微处理器70实时采集光功率监控信号和RF功率信号，采用导数增量法计算出光功率的极大值和RF功率的极小值。

（7）根据微处理器70计算结果，DA控制器80完成对调制器偏置管脚的控制。

图4是根据本发明实施例其中X偏振态采用软件导数增量法寻找光功率极大值和RF功率极小值控制处理流程图，具体步骤包括以下处理：

步骤S701，初始化，设置X偏振态I/Q/Phase偏置工作点的初始值；

步骤S702，在初始工作电压设定的情况下对X偏置态光功率采样，将该状态下的功率值记录保存；

步骤S703，调制器X偏振态I通道的偏置电压在初始值的基础上步进一个单位，步进值的大小由光电响应速度，以及调制器调制周期决定；

步骤S704，在I通道的偏置电压步进一个单位后对偏置态光功率采样，保存该状态下功率值；

步骤S705，将I通道步进前后时刻偏置工作电压对应的光功率值进行比较；

步骤S706，通过判断光功率大小以及步进方向来预判断下一时刻I通道偏置电压的步进方向，并且保留该预判断值，在完成判断P相位偏置电压步进方向后再执行I通道下时刻的步进；

步骤S707，在上述状态下，X偏振态Q通道的偏置电压在初始值的基础上步进一个单位；

步骤S708，在Q通道的偏置电压步进一个单位后对偏置态光功率采样，保存该状态下功率值；

步骤S709，将Q通道步进前后时刻偏置工作电压对应的光功率值进行比较；

步骤S710，通过判断光功率大小以及步进方向来预判断下一时刻Q通道偏置电压的步进方向，并且保留该预判断值，在完成判断I通道偏置电压步进方向后再执行Q通道下时刻的步进；

步骤S711，在上述状态下对X偏置RF功率采样，并保存；

步骤S712，调制器X偏振态P相位偏置电压在初始值的基础上步进一个单位，同样步进值的大小由光电响应速度，以及调制器光相位相移周期决定；

步骤S713，在P相位的偏置电压步进一个单位后对偏置态RF功率采样，保存该状态下功率值；

步骤S714，将P相位步进前后时刻偏置工作电压对应的RF功率值进行比较；

步骤S715，通过判断RF功率大小以及步进方向来预判断下一时刻P相位偏置电压的步进方向，并且保留该预判断值，在完成判断Q通道偏置电压步进方向后再执行P相位下时刻的步进。

本发明采用双核并行控制调制器的X/Y偏振态，上述步骤流程同样适用于Y偏振态。

本发明解决了现有技术中MZ调制器偏置点的硬件控制电路较为复杂，控制精度低等问题，特别是对于多路调制器工作点的控制，要保证每个通道的稳定性又要抑制每个通道间的相互干扰。该装置采用硬件监控，软件计算，实现了电路简洁、控制效果好、精确度高、响应速度快的效果。

综上所述，本发明的控制装置可以用于偏振相干调制器工作点的寻找，包括位于光特性曲线最小点即光功率对应最大值的控制，以及pi/2光相移的控制即RF功率最小值的控制，能及时有效地对光路中的信号进行反馈控制，在上电通光的同时就可以完成对调制器工作点的控制，并且在环境变化的情况下保持光信号相对相位不变，达到稳定控制的目的。本发明解决由于外部因素造成了MZ调制器的传输曲线发生了漂移而使传递的信号产生错误，该方法实现了对调制器偏压工作点的反馈控制。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种电光调制器工作点控制装置，其特征在于，其包括有光电探测器、镜像电流源、光功率监控器、可调跨阻放大器、RF检波器、AD采样器、微处理器、DA控制器及光调制器，其中，

该光电探测器是将高速光信号转变成光电流信号；该镜像电流源将光电流信号镜像，分成两路信号，一路探测光功率，一路探测RF信号功率；该光功率监控器将一路光电流信号转变成平均电压作为光功率的监控量；该可调跨阻放大器将另一路光电流信号转化成电压信号，该RF检波器将可调跨阻放大器输出的电压信号通过检波器转换成连续的直流信号作为RF功率量；该AD采样器对光功率监控器输出的光功率监控量与RF检测器输出的RF功率量进行模数转换；经AD采样器转换后的数字信号在该微处理器中处理，并寻找出光功率极大值和RF功率极小值；该DA控制器根据微处理器算法结果输出模拟量完成调制器最佳工作点的控制；并通过光调制器对光电探测器的输入数据信号进行相位调制。

2.如权利要求1所述的电光调制器工作点控制装置，其特征在于，所述可调跨阻放大器的跨阻大小根据所述光电探测器的响应度可调。

3.一种电光调制器工作点控制方法，其特征在于，该方法包括：

步骤一、利用光电探测器将光信号转变为光电流信号；

步骤二、光电流信号经过镜像电流源分成两路信号，一路经光功率监控器将该光电流信号转换成平均光功率信号，即光功率监控信号，一路光电流信号输入到可调跨阻放大器； 

步骤三、输入到可调跨阻放大器的光电流信号转化成电压信号，并且根据光电探测器响应度的不同调节输出电压大小；

步骤四、经过可调跨阻放大器输出的电压信号输入到RF检波器，RF检波器将RF交流信号取均方根运算，得到一个连续直流信号即RF功率信号；

步骤五、分别将光功率监控信号和RF功率信号通过AD采样器，输入到微处理器；

步骤六、微处理器实时采集光功率监控信号和RF功率信号，计算出光功率的极大值和RF功率的极小值；

步骤七、根据微处理器计算结果，DA控制器完成对调制器偏置管脚的控制。

4.如权利要求3所述的电光调制器工作点控制方法，其特征在于，所述步骤六具体包括：

（1）设置偏振态I/Q/Phase偏置工作点的初始值；

（2）在初始工作电压设定的情况下对偏置态光功率采样，将该状态下的功率值记录保存；

（3）调制器偏振态I通道的偏置电压在初始值的基础上步进一个单位，步进值的大小由光电响应速度，以及调制器调制周期决定；

（4）在I通道的偏置电压步进一个单位后对偏置态光功率采样，保存该状态下功率值；

（5）将I通道步进前后时刻偏置工作电压对应的光功率值进行比较；

（6）通过判断光功率大小以及步进方向来预判断下一时刻I通道偏置电压的步进方向，并且保留该预判断值，在完成判断P相位偏置电压步进方向后再执行I通道下时刻的步进；

（7）在上述状态下，偏振态Q通道的偏置电压在初始值的基础上步进一个单位；

（8）在Q通道的偏置电压步进一个单位后对偏置态光功率采样，保存该状态下功率值；

（9）将Q通道步进前后时刻偏置工作电压对应的光功率值进行比较；

（10）通过判断光功率大小以及步进方向来预判断下一时刻Q通道偏置电压的步进方向，并且保留该预判断值，在完成判断I通道偏置电压步进方向后再执行Q通道下时刻的步进；

（11）在上述状态下对偏置RF功率采样，并保存；

（12）调制器偏振态P相位偏置电压在初始值的基础上步进一个单位，同样步进值的大小由光电响应速度，以及调制器光相位相移周期决定；

（13）在P相位的偏置电压步进一个单位后对偏置态RF功率采样，保存该状态下功率值；

（14）将P相位步进前后时刻偏置工作电压对应的RF功率值进行比较；

（15）通过判断RF功率大小以及步进方向来预判断下一时刻P相位偏置电压的步进方向，并且保留该预判断值，在完成判断Q通道偏置电压步进方向后再执行P相位下时刻的步进。

5.如权利要求4所述的电光调制器工作点控制方法，其特征在于，所述偏振态为X偏振态或Y偏振态。

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