CN104485997B - 一种iq光调制器偏置电压的控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种IQ光调制器偏置电压控制系统及方法，该控制系统包括顺次连接的激光光源、偏振控制器、IQ光调制器、光耦合器、光电探测器、数据处理模块，IQ光调制器的输出经光耦合器分光后连接到光电探测器，其输出与数据处理模块的输入相连，数据处理模块的三个输出分别送至IQ光调制器的三个子调制器的直流偏置电压输入端口。该控制方法为首先通过测量输出光功率的最大值及相邻最小值，优化子相位调制器的偏压，然后在此基础上，依次在两个子强度调制器上加载一路低频方波信号搜索光功率最小值来优化两个子强度调制器的偏压，最终实现IQ光调制器每个子调制器工作点的控制与锁定。该发明可以快速、自动控制IQ光调制器最佳偏置点。

Description

一种IQ光调制器偏置电压的控制系统及方法

技术领域

本发明属于光纤通信技术领域，更具体地，涉及一种IQ光调制器偏置电压控制系统及方法。

背景技术

随着诸如移动互联、云计算、3D电视、高清视频点播、远程医疗、虚拟现实等大带宽业务的广泛开展，以及宽带网络接入用户数量和范围的不断扩展，作为现代通信网络骨干的长距离光纤通信网络的传输容量仍将面临着巨大的增长压力，并对光传输系统从网络到器件都提出了更高的要求。相干光通信能够提供更高的接收灵敏度、适用各种高阶调制码型、能够采用数字信号处理(DSP)均衡多种光域传输损伤，极大的提高了光通信系统的容量距离积(BL)，它将取代传统的强度调制直接探测(IMDD)方案，并成为解决未来网络容量需求的必然选择。

但是受到光通信器件(如光纤、调制器、放大器、接收机等)的带宽限制，单根光纤的容量是有限的。要提高光通信系统的容量，必须提高单位频带上的信息传输速率，即频谱效率。要提高频谱效率，有两种可行思路。其一是减小信道间隔，压缩信道间隔会引起信道间串扰，劣化传输性能；其二是提高单信道的传输速率，但受到电子瓶颈的限制，目前光通信系统波特率还不能突破100G，因此要提高单信道传输速率，只能提高每个符号携带的信息量(比特数)。可见，提高频谱效率的根本途径是采用高阶码型，保证在相同波特率时，能提高容量。随着100G、400G甚至1T等高速光通信需求的发展，光正交频分复用(O-OFDM)，PDM-QPSK，16QAM等高阶调制格式将发挥重要作用。

IQ光调制器作为实现高阶调制码型的关键器件，常用于产生各种高级调制码型如(D)QPSK、MPSK、MQAM等。但是在调制器的使用过程中，通常都需要将IQ光调制器偏置在合适的工作点，即上下两臂的两个子强度调制器需要偏置在MZM传输曲线的最低点，以实现载波抑制，而子相位调制器需要控制在正交点，以产生精确的90°相移，保证IQ两支路的正交性。同时，IQ光调制器中的强度调制器和相位调制器在实际使用中很容易受到如温度、压力等环境因素的影响，而导致其静态工作点产生漂移，影响光调制信号的质量和稳定性，劣化传输系统误码性能。为确保光信号质量的稳定，提高光传输系统性能，通常需要对IQ光调制器上每个子调制器的偏置电压进行监测和控制，使得每个子调制器都工作在最佳工作点上。

目前已有不少关于调制器偏置电压的控制方法方面的研究，如在每个调制器的直流偏压输入端加上不同频率的正弦扰动信号，在接收端进行频谱分析，提取多个频率分量再进行相关的数据处理运算，得到各偏置点的控制信息，这种方法需要同时产生多个不同频率的正弦扰动信号，同时还需要做较复杂的数据处理运算，对硬件要求高，同时计算延时大，其实际适用范围受限。而其它已报导的IQ光调制器偏置点控制方法如基于监测背向光功率的方法，基于微分相位监测的方法，它们需要加入额外的激光，需要监测复杂的星座图，或者需要锁相放大器，这不仅增加系统复杂度和成本，也有可能干扰其它波长信道。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明提供了一种IQ光调制器偏置电压控制系统及方法，目的在于通过对IQ光调制器中的每个子调制器的偏置电压进行监测和控制，使得每个子调制器都工作在最佳偏置电压，从而确保光信号质量的稳定，提高光传输系统性能。

本发明提供了一种IQ光调制器偏置电压的控制系统，包括激光光源、偏振控制器、IQ光调制器、光耦合器、光电探测器、数据处理模块、第一模块和第二模块；所述IQ光调制器包括I支路和Q支路，I支路上设置有第一子强度调制器a，Q支路上设置有依次连接的第二子强度调制器b和子相位调制器c；所述第一子强度调制器a的输入端和所述第二子强度调制器b的输入端均连接至所述偏振控制器的输出端，所述偏振控制器的输入端连接所述激光光源；所述光耦合器的输入端连接所述第一子强度调制器a的输出端和所述子相位调制器c的输出端；所述光电探测器的输入端连接至所述光耦合器的输出端，所述数据处理模块的输入端连接至所述光电探测器的输出端；所述第一模块的直流输入端和所述第二模块的直流输入端连接至所述数据处理模块的第一输出端，所述第一模块的交流输入端和所述第二模块的交流输入端连接至所述数据处理模块的第二输出端，所述第一模块的输出端连接至所述第一子强度调制器a的偏置电压控制端；所述第二模块的输出端连接至所述第二子强度调制器b的偏置电压控制端，所述数据处理模块的第三输出端连接至所述子相位调制器c的偏置电压控制端。

更进一步地，工作时，通过所述数据处理模块的第三输出端调节所述子相位调制器c的偏置电压，所述IQ光调制器输出的光功率也随之变化，所述数据处理模块监测经过光电探测器进行光电转换后的光功率的大小并进行反馈控制，得到所述子相位调制器c的最佳偏置电压，实现I、Q两路正交；设定所述子相位调制器c的偏置电压为最优值，通过数据处理模块的第二输出端给所述第一子强度器a发送低频方波信号，并且通过所述数据处理模块的第一输出端调节所述第一子强度调制器a的偏置电压，所述数据处理模块监测经过光电探测器进行光电转换后的光功率的大小并进行反馈控制，得到所述第一子强度调制器a的最佳偏置电压；设定所述第一子强度调制器a的偏置电压为最优值，调节通过数据处理模块的第二输出端给第二子强度器b发送低频方波信号，并且通过其第一输出端调节第二子强度调制器b的偏置电压，数据处理模块监测经过光电探测器进行光电转换后的光功率的大小并进行反馈控制，得到第二子强度调制器b的最佳偏置电压，最终完成IQ光调制器偏置电压的控制。

更进一步地，所述数据处理模块包括：依次连接的模数转换器、数字低通滤波器、数字处理单元、数字方波发生器和数模转换器，连接在所述数字处理单元的另一个输出端的直流可调电压源，以及用于为所述数据处理模块供电且与所述数字处理单元连接的供电电路；所述模数转换器的输入端用于连接至所述光电探测器的输出端，对经过所述光电探测器光电转换后的光电流进行采集和数字化，所述数字低通滤波器对数模转换后的光电流进行低通滤波，提取所需低频分量，所述数字处理单元对收集到的数据进行处理并产生控制信号；所述数字方波发生器用于给两个子强度调制器(a和b)提供低频方波信号，便于提取反馈信号；所述数模转换器用于将数字方波信号转化成模拟的方波信号输出，所述可调直流电压源用于给IQ光调制器提供可调的偏置电压，供电电路则为整个数据处理模块供电，以保证正常工作。

更进一步地，所述数字低通滤波器、所述数字处理单元和所述数字方波发生器由FPGA实现；所述数字方波发生器输出的低频方波信号的频率低于1MHz，幅度小于0.5V。

更进一步地，所述激光光源为半导体激光器，所述半导体激光器的线宽小于20MHz。

更进一步地，所述光耦合器的分光比为95：5。

更进一步地，所述光电探测器为窄带宽的光电探测器，其3dB带宽不大于10MHz。

本发明还提供了一种IQ光调制器偏置电压的控制方法，包括下述步骤：

(1)对第一子强度调制器a的直流偏压值V_B1、第二子强度调制器b的直流偏压值V_B2和子相位调制器c的直流偏压值V_B3进行初始化，使得V_B1＝V_b10，V_B2＝V_b20，V_B3＝V_b30；

(2)打开激光光源，并以一定步长扫描子相位调制器c的直流偏置电压V_B3，测量IQ光调制器的输出光功率，获得一个周期内与所述输出光功率最大值对应的第一直流偏置电压V_IQ1，与所述输出光功率最小值对应的第二直流偏置电压V_IQ2；

(3)根据所述第一直流偏置电压V_IQ1和所述第二直流偏置电压V_IQ2获得所述子相位调制器c的最佳偏置电压将所述子相位调制器c的最佳偏置电压V_b3opt输入至所述相位调制器c的直流偏压端并使之保持不变；

(4)通过先在第一子强度调制器a的偏压输入端施加低频方波信号，且所述第二子强度调制器b的直流偏压值维持初始值不变，再以一定步长扫描所述第一子强度调制器a的直流偏置电压V_B1，测量IQ光调制器的输出光功率，获得与所述输出光功率最小时对应的第三直流偏压V_b1min；

(5)将所述第三直流偏压作为所述第一子强度调制器a的最佳偏置电压V_b1opt＝V_b1min，将所述第一子强度调制器a的最佳偏置电压V_b1opt输入至所述第一子强度调制器a的直流偏压端并使之保持不变；

(6)通过在第二子强度调制器b的偏压输入端施加低频方波信号，以一定步长扫描所述第二子强度调制器b的直流偏置电压V_B2，测量IQ光调制器的输出光功率，获得与所述输出光功率最小时对应的第四直流偏压V_b2min；

(7)将所述第四直流偏压V_b2min作为所述第二子强度调制器b的最佳偏置电压V_b2opt＝V_b2min，将所述第二子强度调制器b的最佳偏置电压V_b2opt输入至所述第二子强度调制器b的直流偏压端并使之保持不变。

更进一步地，所述低频方波信号频率低于1MHz，幅度小于0.5V。

更进一步地，扫描的步长不超过0.02V。

由于本发明采用逐步优化的方法，将复杂的三维优化问题简化为分步优化问题，首先优化子相位调制器c的偏置电压以保证IQ光调制器上下两支路光场的正交性(相位为90度)，然后保持子相位调制器的偏置电压不变，再依次优化两个子强度调制器的偏置电压，每次只优化一个变量，使得反馈控制更简单。其次，本发明无需用到额外的有源光器件，结构简单，既不会对原有通信系统带来影响，也不会大幅增加成本。另外，在控制算法方面，仅需要完成平均值计算，极大值、极小值搜索等简单操作，运算复杂度低，能方便准确将IQ光调制器控制在其最佳工作点上。

附图说明

图1为本发明IQ光调制器偏置电压控制系统结构框图；

图2为本发明IQ光调制器偏置电压控制系统中数据处理模块主要功能框图；

图3为本发明IQ光调制器偏置电压控制系统控制方法流程图；

1为激光光源，2为偏振控制器，3为IQ光调制器，4为光耦合器，5为光电探测器，6为数据处理模块；7为第一模块，8为第二模块，a为第一子强度调制器，b为第二子强度调制器，c为子相位调制器，Bias1、Bias2、Bias3分别为三个子调制器的直流偏置电压。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供了一种快速、简便控制IQ光调制器偏置电压的系统和方法，先通过扫描相位调制器的偏压，优化子相位调制器的直流偏置点，再依次在两个子强度调制器上加载一路低频方波信号搜索光功率最小值来优化两个子强度调制器的偏置点，最终实现IQ光调制器每个子调制器工作点的控制与锁定。

本发明提供一种适用于IQ光调制器偏置电压控制系统，IQ光调制器3分为I、Q两个支路，I路上包括第一子强度调制器a，Q路上包括第二子强度调制器b和子相位调制器c；偏置电压控制系统还包括半导体激光器1、偏振控制器2、95：5的光耦合器4、光电探测器5、数据处理模块6、第一模块7和第二模块8。

激光光源1输出的光经偏振控制器2调整其偏振态后与IQ光调制器输入相连，光调制器的输出与光耦合器4输入相连，光耦合器4输出的5％的光被送至光电探测器5，光电探测器5与数据处理模块6输入相连，数据处理模块6的三个输出分别连接到IQ光调制器的三个子调制器的直流偏压输入端。

在本发明实施例中，激光光源1可以为半导体激光器，半导体激光器的线宽小于20MHz；半导体激光器为目前光通信系统普遍采用激光器，而未来高速光通信中，采用高阶调制格式时，线宽不能太大，否则激光器相位噪声将引入较大代价。

在本发明实施例中，光耦合器4可以采用分光比为95：5的光耦合器，由于本发明的目的是为IQ光调制器提供正确的偏置电压进而保证光通信质量，因而大部分调制后的光信号应当用于光通信，仅需小部分用于反馈控制95：5分光比的耦合器已经商业成熟，价格便宜。在本发明实施例中，光电探测器可以为窄带宽的光电探测器，其3dB带宽不大于10MHz，由于本系统中所用的方波频率较低，因而探测时仅需使用低带宽的探测器即可，可以有效节约成本同时提高探测器的灵敏度(一般器件的带宽和灵敏度是矛盾的关系)。

在本发明实施例中，第一模块7和第二模块8结构相同，第一模块7可以由bias tee实现，它有三个端口，其中直流输入端有一个电感，只允许直流通过，而交流输入端口串联有一个电容，仅允许交流信号通过，第三个端口输出直流和交流合成信号。它一般用于将直流和交流信号合路。

本发明还提供基于以上所述系统的适用于IQ光调制器的偏置电压控制方法，包括以下步骤：

(一)初始状态下，设定三个子调制器的直流偏压初始值V_B1＝V_b10，V_B2＝V_b20，V_B3＝V_b30，打开激光光源，数据处理模块以一定步长扫描相位调制器的直流偏置电压V_B3，测量IQ光调制器输出光功率，获得一个周期内的分别与输出光功率最大值和最小值对应的第一直流偏置电压V_IQ1和第二直流偏置电压V_IQ2。此过程的相关理论推导如下：

IQ光调制器的输出光场表达式可以写为：其中 分别为两个子强度调制器a、b的输出光场，E₀为调制器输入光场，γ_i,(i＝1,2,3)分别为三个调制器的插入损耗。V_π1、V_π2、V_π3分别为三个子调制器的半波电压，为子相位调制器c引入的相移，而IQ光调制器输出光功率为：

由于子强度调制器一般工作于推挽(Push-Pull)工作方式，上式中E₁,E₂均为实数。所以，①当E₁·E₂≥0时，时，IQ光调制器输出最大值，此时对应的相位调制器上电压V_B3＝V_IQ1；时，IQ光调制器输出最小值，此时对应的相位调制器上电压V_B3＝V_IQ2。②当E₁·E₂＜0时，时，IQ光调制器输出最小值，此时对应的相位调制器上电压V_B3＝V_IQ1；时，IQ光调制器输出最大值，此时对应的相位调制器上电压V_B3＝V_IQ2。由于相位调制器的相位与所加电压成线性关系，故无论对应于上述两种情况中一种，都有即相位调制器c上的最佳电压为：

因此，得到了的最优的子相位调制器最佳偏置电压，保证了IQ光调制器上下两臂的正交性。

(二)数据处理模块通过数据处理得到相位调制器c的最佳偏置点(相移为90°时)并将该值输入到相位调制器c直流偏压端并保持不变。数据处理模块输出一路小幅度的低频方波信号到第一子强度调制器a的偏压输入端，第二子强度调制器b的偏压维持初始值不变，以一定步长扫描子第一子强度调制器a的直流偏置电压V_B1，数据处理模块测量IQ光调制器的输出光功率，记录输出光功率最小时对应的偏置电压V_b1min。此过程理论推导如下：

当子相位调制器为最佳偏置电压时，IQ光调制器输出的光功率可简化为：在第一子强度调制器a上施加直流电压和小幅度低频方波信号，由于没加射频信号，V_RF1＝V_RF2＝0，第二子强度调制器b上所加偏压为初始值(V_b20任意)；V_B1＝V_b1+V_d(t)，V_d(t)为低频方波信号。(4)式可表达为：

其中，Const.为常量，可见寻找第一子强度调制器a的最佳偏置电压的过程，即是以一定步长扫描子强度调制器的偏置电压使得IQ光调制器输出光功率最小的过程，找到最小光功率对应的偏置电压值即为第一子强度调制器a的最佳偏压；同样，对于第二子强度调制器b的最佳偏置电压的设定与之相对应。

(三)数据处理模块通过数据处理得到第一子强度调制器a的最佳偏置点(最低点)V_b1opt＝V_b1min，并将该值输入到第一子强度调制器a的直流偏压端。关闭第一子强度调制器a上所加的低频方波信号，维持其直流偏压为V_b1opt，数据处理模块输出一路小幅度的低频方波信号到第二子强度调制器b的偏压输入端，以一定步长扫描第二子强度调制器b的直流偏置电压V_b2，数据处理模块测量IQ光调制器的输出光功率，记录输出光功率最小时对应的偏压V_b2min。

(四)数据处理模块通过数据处理得到第二子强度调制器b的最佳偏置点(最低点)V_b2opt＝V_b2min，并将该值输入到第二子强度调制器b的直流偏压端。此时，锁定V_b1opt、V_b2opt、V_b3opt作为IQ光调制器的最佳偏置电压。

本发明提供的IQ光调制器偏置电压控制系统的控制方法，光功率测量过程包括光电转换、模数转换、数字低通滤波；数据处理过程包括最大值、最小值扫描和简单运算过程；所用的低频方波信号的频率低于1MHz，幅度小于0.5V；以上所述扫描步长不超过0.02V，所用方波信号的频率不能与通信频率接近，否则会干扰正常的通信信号，因而不能太高，低频可以节约器件带宽，降低成本，同时由于该方波信号是加载在子强度调制器的直流偏置电压输入端口上，频率太高的电信号并不能通过；小幅度是出于对控制精度的考虑，幅度太大的方波与直流偏置电压合成后会对整体的偏置电压产生较大的影响；而扫描步长则直接决定了三个偏置电压最终的控制精度，因而步长不宜过大。

本发明提出一种基于分步优化的IQ光调制器偏置电压的控制系统和方法，其结构简单，所用器件成本低，运算复杂度低，能快捷方便准确地将IQ光调制器控制到其最佳工作点。

本发明提出的IQ光调制器偏置电压控制方法主要分三步进行，首先，优化子相位调制器的偏置电压。由于相位调制器的最佳偏置点与其它两个子调制器上所加偏压大小无关，所以优先优化之，保证I、Q两臂的正交性，从而将三个偏置点的协同优化问题，转化为简单的独立优化问题。然后，再优化其中一臂上强度调制器的偏置电压。由于引入一个低频小幅度方波信号，方便通过数字低通滤波器能将之对应的光功率提取出来，并且不干扰正常的光通信信号。最后优化另一臂上的强度调制器的偏置电压。并且，由于两个子强度调制器是分步优化的，所以只需要一路低频方波信号即可，进一步简化系统。

本发明提出的IQ光调制器偏置电压控制方法和过程与IQ光调制器的每个子调制器的半波电压大小是无关的，该方法对IQ光调制器都具有适用性。

本发明采用光电一体化的数字控制系统，使得IQ光调制器偏置电压控制变得更简单、方便，能够实现自动化控制，具有实用化价值。

为了更进一步的说明本发明，下面结合附图1-2以及实例例详述如下：

实施例1

本实施例提供一种IQ光调制器偏置电压控制系统，结构如图1所示，包括顺次连接的激光光源1、偏振控制器2、IQ光调制器3、光耦合器4、光电探测器5、数据处理模块6。光源1发出的激光经过偏振控制器2后保证其偏振态与IQ光调制器3一致，然后被输入到IQ光调制器3，IQ光调制器3的输出经光耦合器4分光后连接到光电探测器5，光电探测器5输出与数据处理模块6的输入相连，数据处理模块6的三个输出分别送至IQ光调制器2的三个子调制器a,b,c的直流偏置电压输入端口。数据处理模块6由模数转换、数字低通滤波、数据处理、数模转换、低频方波产生等功能模块构成。数字低通滤滤器的输入与模数转换器的输出相连，其输出送至数据处理单元，数据处理单元的输出同时与数字方波产生器和可调直流电压源相连，其中数字方波产生器的输出经过数模转换器后送至第一模块和第二模块的交流输入端，第一模块和第二模块的输出端分别与两个子强度调制器的直流偏置电压输入端相连，可调直流电压源的第一、二输出端口分别与第一模块和第二模块的直流输入端相连，可调电压源的第三输入端口与子相位调制器的偏置电压输入相连。数据处理模块6依次逐步扫描每个子调制的直流偏置电压值，根据测量到的光功率最大值或最小值对应的直流偏压大小，经过数据处理后分别得到每个子调制器的最佳偏置电压，最终实现整个IQ光调制器的偏置电压的自动控制。

作为本发明的一个实施例，数字低通滤波器62、数字处理单元63和数字方波发生器64可以由FPGA实现；FPGA为商业成熟器件，可以根据用户需要灵活编程以实现不同的功能，同时还有丰富的寄存器、触发器资源可以方便的建立查找表及各种运算操作，同时编程较简单，开发周期相应较短。在本发明实施例中，第一模块7和第二模块8结构相同，第一模块7可以由bias tee实现，它有三个端口，其中直流输入端有一个电感，只允许直流通过，而交流输入端口串联有一个电容，仅允许交流信号通过，第三个端口输出直流和交流合成信号。它一般用于将直流和交流信号合路。在本实施例中，激光光源1、偏振控制器2、IQ光调制器3、光耦合器4、光电探测器5之间均通过普通单模光纤连接。激光光源为半导体激光器，其线宽为10MHz；耦合器的分光比为95：5；光电探测器3dB带宽5MHz，另外，低频抖动方波信号与直流偏置电压是通过bias Tee加载到子强度调制器上。

实施例2

本实施例提供实施例1中电光相位调制器半波电压测量系统的测量方法，具体包括以下步骤：

(一)初始状态下，IQ光调制器的两个子强度调制器射频输入都为0，即V_RF1＝V_RF2＝0，设定三个子调制器的直流偏压初始值V_B1＝V_b10，V_B2＝V_b20，V_B3＝V_b30，打开激光光源，数据处理模块以一定步长扫描相位调制器的直流偏置电压V_B3，测量IQ光调制器输出光功率，记录光功率最大值和相邻最小值时对应的直流偏置电压V_IQ1和V_IQ2；此过程的相关理论推导如下：

IQ光调制器的输出光场表达式可以写为：其中 分别为两个子强度调制器的输出光场，E₀为调制器输入光场，γ_i,(i＝1,2,3)分别为三个调制器的插入损耗。V_π1、V_π2、V_π3分别为三个子调制器的半波电压，为子相位调制器引入的相移，

而IQ光调制器输出光功率为：(2)由于子强度调制器一般工作于推挽(Push-Pull)工作方式，上式中E₁,E₂均为实数。所以，①当E₁·E₂≥0时，时，IQ光调制器输出最大值，此时对应的相位调制器上电压V_B3＝V_IQ1；时，IQ光调制器输出最小值，此时对应的相位调制器上电压V_B3＝V_IQ2。②当E₁·E₂＜0时，时，IQ光调制器输出最小值，此时对应的相位调制器上电压V_B3＝V_IQ1；时，IQ光调制器输出最大值，此时对应的相位调制器上电压V_B3＝V_IQ2。由于相位调制器的相位与所加电压成线性关系，故无论对应于上述两种情况中一种，都有即相位调制器上的最佳电压为：因此，得到了的最优的子相位调制器最佳偏置电压，保证了IQ光调制器上下两臂的正交性。

(二)数据处理模块通过数据处理得到相位调制器的最佳偏置点(相移为90°时)并将该值输入到相位调制器直流偏压端并保持不变。数据处理模块输出一路小幅度的低频方波信号到子第一子强度调制器a的偏压输入端，第二子强度调制器b的偏压维持初始值不变，以一定步长扫描第一子强度调制器a的直流偏置电压V_B1，数据处理模块测量IQ光调制器的输出光功率，记录输出光功率最小时对应的偏压V_b1min。此过程理论推导如下：

当子相位调制器为最佳偏置电压时，IQ光调制器输出的光功率可简化为：在第一子强度调制器a上施加直流电压和小幅度低频方波信号，由于没加射频信号，V_RF1＝V_RF2＝0，第二子强度调制器b上所加偏压为初始值(V_b20任意)；V_B1＝V_b1+V_d(t)，V_d(t)为低频方波信号。(4)式可表达为：

其中，Const.为常量，可见寻找第一子强度调制器a的最佳偏置电压的过程，即是以一定步长扫描子强度调制器的偏置电压使得IQ光调制器输出光功率最小的过程，找到最小光功率对应的偏置电压值即为第一子强度调制器a的最佳偏压；同样，对于第二子强度调制器b的最佳偏置电压的设定与之相对应。

(三)数据处理模块通过数据处理得到第一子强度调制器a的最佳偏置点(最低点)V_b1opt＝V_b1min，并将该值输入到第一子强度调制器a的直流偏压端。关闭第一子强度调制器a上所加的低频方波信号，维持其直流偏压为V_b1opt，数据处理模块输出一路小幅度的低频方波信号到第二子强度调制器b的偏压输入端，以一定步长扫描第二子强度调制器b的直流偏置电压V_B2，数据处理模块测量IQ光调制器的输出光功率，记录输出光功率最小时对应的偏压V_b2min。

(四)数据处理模块通过数据处理得到第二子强度调制器b的最佳偏置点(最低点)V_b2opt＝V_b2min，并将该值输入到第二子强度调制器b的直流偏压端。此时，锁定V_b1opt、V_b2opt、V_b3opt作为IQ光调制器的最佳偏置电压。

在本实施例中：首先设定三个子调制器偏压初值以及扫描步长，同时给定偏压的上限，开始初始化；然后开始用迭代的方法扫描子相位调制器的偏置电压测量IQ光调制器输出光功率的最大值及相邻最小值，最终经过分析处理得到子相位调制器的最佳偏压；接着由数据处理模块产生一路低频小幅度方波信号，加载到第一子强度调制器a的直流偏压端口上，迭代扫描输出光功率的最小值，最终经分析处理得到子强度调制器a的最佳偏压；最后，将低频方波信号加载到第二子强度调制器b的直流偏压端口上，迭代扫描输出光功率的最小值，最终经分析处理得到第二子强度调制器b的最佳偏压。整个IQ光调制器偏压控制方法大致流程如图3所示。

本实施例中，所用的低频方波信号的频率为10KHz，幅度0.1V，扫描步长为0.01V。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种IQ光调制器偏置电压的控制系统，其特征在于，包括激光光源(1)、偏振控制器(2)、IQ光调制器(3)、光耦合器(4)、光电探测器(5)、数据处理模块(6)、第一模块(7)和第二模块(8)；

所述IQ光调制器(3)包括I支路和Q支路，I支路上设置有第一子强度调制器a，Q支路上设置有依次连接的第二子强度调制器b和子相位调制器c；

所述第一子强度调制器a的输入端和所述第二子强度调制器b的输入端均连接至所述偏振控制器(2)的输出端，所述偏振控制器(2)的输入端连接所述激光光源(1)；

所述光耦合器(4)的输入端连接所述第一子强度调制器a的输出端和所述子相位调制器c的输出端；所述光电探测器(5)的输入端连接至所述光耦合器(4)的输出端，所述数据处理模块(6)的输入端连接至所述光电探测器(5)的输出端；

所述第一模块(7)的直流输入端和所述第二模块(8)的直流输入端连接至所述数据处理模块(6)的第一输出端，所述第一模块(7)的交流输入端和所述第二模块(8)的交流输入端连接至所述数据处理模块(6)的第二输出端，所述第一模块(7)的输出端连接至所述第一子强度调制器a的偏置电压控制端；所述第二模块(8)的输出端连接至所述第二子强度调制器b的偏置电压控制端，所述数据处理模块(6)的第三输出端连接至所述子相位调制器c的偏置电压控制端；

工作时，通过所述数据处理模块(6)的第三输出端调节所述子相位调制器c的偏置电压，所述IQ光调制器(3)输出的光功率也随之变化，所述数据处理模块(6)监测经过光电探测器(5)进行光电转换后的光功率的大小并进行反馈控制，得到所述子相位调制器c的最佳偏置电压，实现I、Q两路正交；设定所述子相位调制器c的偏置电压为最优值，通过数据处理模块(6)的第二输出端给所述第一子强度器a发送低频方波信号，并且通过所述数据处理模块(6)的第一输出端调节所述第一子强度调制器a的偏置电压，所述数据处理模块(6)监测经过光电探测器(5)进行光电转换后的光功率的大小并进行反馈控制，得到所述第一子强度调制器a的最佳偏置电压；设定所述第一子强度调制器a的偏置电压为最优值，调节通过数据处理模块(6)的第二输出端给第二子强度器b发送低频方波信号，并且通过其第一输出端调节第二子强度调制器b的偏置电压，数据处理模块(6)监测经过光电探测器(5)进行光电转换后的光功率的大小并进行反馈控制，得到第二子强度调制器b的最佳偏置电压，最终完成IQ光调制器偏置电压的控制；所述最佳偏置电压V_IQ1为第一直流偏置电压，V_IQ2为第二直流偏置电压。

2.如权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述数据处理模块(6)包括：依次连接的模数转换器(61)、数字低通滤波器(62)、数字处理单元(63)、数字方波发生器(64)和数模转换器(65)，连接在所述数字处理单元(63)的另一个输出端的直流可调电压源(66)，以及用于为所述数据处理模块(6)供电且与所述数字处理单元(63)连接的供电电路(67)；

所述模数转换器(61)的输入端用于连接至所述光电探测器(5)的输出端，对经过所述光电探测器(5)光电转换后的光电流进行采集和数字化，所述数字低通滤波器(62)对数模转换后的光电流进行低通滤波，提取所需低频分量，所述数字处理单元(63)对收集到的数据进行处理并产生控制信号；

所述数字方波发生器(64)用于给所述第一子强度调制器a和所述第二子强度调制器b提供低频方波信号，便于提取反馈信号；

所述数模转换器(65)用于将数字方波信号转化成模拟的方波信号输出，所述可调直流电压源(66)用于给IQ光调制器提供可调的偏置电压，供电电路(67)则为整个数据处理模块(6)供电，以保证正常工作。

3.如权利要求2所述的控制系统，其特征在于，所述数字低通滤波器(62)、所述数字处理单元(63)和所述数字方波发生器(64)由FPGA实现；所述数字方波发生器(64)输出的低频方波信号的频率低于1MHz，幅度小于0.5V。

4.如权利要求1-3任一项所述的控制系统，其特征在于，所述激光光源(1)为半导体激光器，所述半导体激光器的线宽小于20MHz。

5.如权利要求1-3任一项所述的控制系统，其特征在于，所述光耦合器(4)的分光比为95：5。

6.如权利要求1-3任一项所述的控制系统，其特征在于，所述光电探测器(5)为窄带宽的光电探测器，其3dB带宽不大于10MHz。

7.一种IQ光调制器偏置电压的控制方法，其特征在于，包括下述步骤：

(1)对第一子强度调制器a的直流偏压值V_B1、第二子强度调制器b的直流偏压值V_B2和子相位调制器c的直流偏压值V_B3进行初始化，使得V_B1＝V_b10，V_B2＝V_b20，V_B3＝V_b30；

(2)打开激光光源，并以一定步长扫描子相位调制器c的直流偏置电压V_B3，测量IQ光调制器的输出光功率，获得一个周期内与所述输出光功率最大值对应的第一直流偏置电压V_IQ1，与所述输出光功率最小值对应的第二直流偏置电压V_IQ2；

(3)根据所述第一直流偏置电压V_IQ1和所述第二直流偏置电压V_IQ2获得所述子相位调制器c的最佳偏置电压将所述子相位调制器c的最佳偏置电压V_b3opt输入至所述相位调制器c的直流偏压端并使之保持不变；

(4)通过先在第一子强度调制器a的偏压输入端施加低频方波信号，且所述第二子强度调制器b的直流偏压值维持初始值不变，再以一定步长扫描所述第一子强度调制器a的直流偏置电压V_B1，测量IQ光调制器的输出光功率，获得与所述输出光功率最小时对应的第三直流偏压V_b1min；

(5)将所述第三直流偏压作为所述第一子强度调制器a的最佳偏置电压V_b1opt＝V_b1min，将所述第一子强度调制器a的最佳偏置电压V_b1opt输入至所述第一子强度调制器a的直流偏压端并使之保持不变；

(6)通过在第二子强度调制器b的偏压输入端施加低频方波信号，以一定步长扫描所述第二子强度调制器b的直流偏置电压V_B2，测量IQ光调制器的输出光功率，获得与所述输出光功率最小时对应的第四直流偏压V_b2min；

(7)将所述第四直流偏压V_b2min作为所述第二子强度调制器b的最佳偏置电压V_b2opt＝V_b2min，将所述第二子强度调制器b的最佳偏置电压V_b2opt输入至所述第二子强度调制器b的直流偏压端并使之保持不变。

8.如权利要求7所述的控制方法，其特征在于，所述低频方波信号频率低于1MHz，幅度小于0.5V。

9.如权利要求7所述的控制方法，其特征在于，扫描的步长不超过0.02V。