CN104836569A - 电光强度调制器自动偏置控制装置及其自动偏置控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了电光强度调制器自动偏置控制装置及其自动偏置控制方法。电光强度调制器自动偏置控制装置包括激光器、分束器、及M-Z型电光强度调制器。电光调制器输入反馈通路及电光调制器输出反馈通路经反馈处理器汇合形成双路跟踪反馈控制系统。本发明采用数字PID算法，由偏压驱动电路配合调节，实现电光调制器线性工作点的自动准确定位和跟踪，同时还可以克服因激光器输出功率抖动导致的控制器误动作问题。

Description

电光强度调制器自动偏置控制装置及其自动偏置控制方法

技术领域

本发明涉及电光强度调制领域，尤其是一种M-Z型电光强度调制器自动偏置控制装置及其自动偏置控制方法。

背景技术

目前常用的Mach-Zehnder结构电光调制器利用线性电光效应调节材料的折射率，利用M-Z干涉使输出光功率随着外加电压变化。但由于电光调制器的调制特性会随环境温度变化等原因发生变化，使得静态工作点偏离调制特性曲线的线性区中点，进而导致调制光波信号失真。在CATV、ROF系统应用中，常采用加微扰动的控制方式，而该方式下会混入低频信号，影响调制信号质量，该种装置结构、控制算法比较复杂；而采用现有单反馈或双反馈方式，不能有效克服激光器输出功率抖动引起的反馈处理器误动作，在对工作点进行预设时，需要人工参与和辅助仪器，手动调节偏压至线性区，使得操作繁琐不便。

目前针对电光调制器的偏置控制方式主要有低频扰动法、输出功率反馈法等方式，上述方式都能根据各自的控制特点、算法及操作程序实现电光调制器正交工作点的定位与跟踪，能达到最终的控制目的，但是上述方式中一般有着各自的缺点。

其中，低频扰动法是将一低频信号通过直流端注入到调制器，其表达式为：

$P_0=\frac{P_1}{2}[1+\cos (\frac{\mathrm{\π}(V\left(t\right)+V_b)}{V_{\mathrm{\π}}}+\mathrm{\θ})]---\left(1\right)$

其中，P₁为输入光功率，θ为初始相位，V_π为半波电压，V_b为直流电压，V(t)＝V₀cos(ωt)，为输入调制信号。由Φ_T＝θ+(πV_b)/V_π进行归一化后并展开表达式，得到出调制信号的基波和二次谐波的表达式为：

$P_1=(V_0-\frac{1}{8}{V}_0^3)\cos \left(\mathrm{\ωt}\right)\sin {\mathrm{\Φ}}_T---\left(2\right)$

$P_2=-\frac{1}{4}{V}_0^{2}c\mathrm{os}\left(2\mathrm{\ωt}\right)\cos {\mathrm{\Φ}}_T---\left(3\right)$

若电光调制器处于其他非线性区，如峰值点Φ_T＝90°，带入式(2)、式(3)，可知输出光解调后将不会存在基波，二次谐波达到最大值；若电光调制器处于线性工作区，Φ_T＝180°或360°，输出光解调后将不含有低频信号的高次谐波分量。其原理如图1所示，低频扰动正弦信号通过直流端接入到调制器，低频信号幅度和频率已知，电光调制器的输出端通过1：99的光分束器，分出部分反馈光，通过光电探测器变为电信号，送入到滤波电路滤除高频调制信号，仅获得低频扰动信号及其高频谐波分量，送入到处理器进行谐波分析，计算得到是否存在低频扰动信号的高频分量，若存在扰动信号，调整偏压，调节电光调制器工作点，直至检测不到高频分量。

其中，平均功率法通过在电光调制器的输入和输出端或者单端引入光分束器，通过一定的分光作为反馈信号，在双端反馈的情况下，利用输入和输出光功率为一半的关系，获取电光调制器的线性工作点；单端反馈是仅在电光调制器的输出端加入光分束器，此时的反馈仅靠输出的恒定值来维持。其中双端反馈形式原理如图1所示。

该装置原理：通过在输入和输出端加入反馈信号，输入反馈信号P1，输出反馈信号为P2，为达到电光调制器工作在线性工作点的目的，首先要测试所用的电光调制器的半波电压值，利用光功率计进行人工实时监测，记录相关数据；待粗略测到半波电压值后，同时了解到线性工作点的大体位置，然后在反馈端加入电压表进行监测，调节电光调制器的偏压，监测输出的反馈电压达到输入电压的一半后，就认为此时的工作点为该电光调制器的线性工作点。

随着现代光通信技术的发展，对电光调制器线性不失真调制的稳定性及功能提出越来越多的要求，尤其随着M-Z型强度电光调制器大带宽、高速调制等技术的发展，需要一种性能稳定、具有自动适应功能的装置或技术，实现在大带宽、高速调制下的线性不失真输出。

在低频扰动方式下，由于在调制信号中混入了低频成分，会导致输出信号频谱成分不纯，同时，由于本身调制器受到多频率调制时，会存在有非线性效应，调制信号频谱越多，非线性效应越强，输出的高频谐波成分越强，虽然起到稳定线性工作点，也同时引入了其他频谱成分。

在现有平均功率方式下的反馈控制方式较之前的方式有很大提高，但目前的该种方式，需要人工参与进行手动调节，进行工作点的定位，同时需要对电光调制器半波电压进行测定，该方式需要更多的辅助仪器完成整个控制的实现，该方式耗时长，操作繁琐。

目前所有方式中，都不能有效地克服激光器输出抖动导致的控制环误动作问题，由于激光器的输出功率短暂抖动时，并没有影响电光调制器的线性工作点，而目前的装置常常会因此引起误动作，使系统处于短暂的非线性区，输出失真调制信号。

发明内容

本发明针对现有技术的缺点和不足，在现有平均功率法基础上，提出了一种结构简单，不要人工参与和额外辅助仪器，具有完全自动校准、跟踪的M-Z型强度型电光调制器自动偏置控制装置，该装置能有效控制电光调制器工作点维持在线性工作区，同时还能克服激光器抖动引起的控制环误操作问题，具有较大的控制动态范围，满足现代高速电光调制的控制需求。

本发明采用如下技术方案：

一种电光强度调制器自动偏置控制装置，电光强度调制器为M-Z型电光强度调制器，包括激光器、分束器、及M-Z型电光强度调制器，所述分束器包括第一分束器、及第二分束器；

所述第一分束器连接在激光器的出光口与M-Z型电光强度调制器入光口之间，第一分束器连接有电光调制器输入反馈通路；

所述第二分束器连接M-Z型电光强度调制器出光口，第二分束器连接有电光调制器输出反馈通路；

电光调制器输入反馈通路、及电光调制器输出反馈通路经反馈处理器汇合形成双路跟踪反馈控制系统，反馈处理器连通M-Z型电光强度调制器的控制端，M-Z型电光强度调制器的入射光束及出射光束经反馈处理器自动校准、跟踪并通过偏压驱动控制M-Z型电光强度调制器。

优选地，所述第一分束器为1％：99％保偏光纤分束器；

所述M-Z型电光强度调制器入射的光束经第一分束器分成两束，其中一束为1％反馈光束，反馈光束进入电光调制器输入反馈通路的第一检测通道，另一束进入M-Z型电光强度调制器。

优选地，所述第二分束器为1％：99％保偏光纤分束器；

所述M-Z型电光强度调制器出射的光束经第一分束器分成两束，其中一束为1％反馈光束，反馈光束进入电光调制器输出反馈通路的第二检测通道，另一束为输出调制光。

优选地，所述电光调制器输入反馈通路包括光电转换模块、同相放大模块，M-Z型电光强度调制器入射的1％反馈光束通过校准通道进入光电转换模块，将反馈光束转换为电信号，再经同相放大由信号采集点输出，作为基准电压V₃；

电光调制器输入反馈通路设有第一级细调、第二级粗调两级数字式可调电位器，用于调节基准电压V₃的大小。

优选地，所述电光调制器输出反馈通路设有校准通道，校准通道采用1×2模拟开关切换控制；

所述校准通道依次连通光电转换模块、同相放大模块，M-Z型电光强度调制器出射的1％反馈光束通过校准通道进入光电转换模块，将反馈光束转换为电信号，再经同相放大模块放大获得反馈电压V₂。

优选地，所述电光调制器输出反馈通路设有第一级细调、第二级粗调两级数字式可调电位器，用于调节反馈电压V₂的大小。

基于上述电光强度调制器自动偏置控制装置的自动偏置控制方法采用如下步骤：

步骤1：采用三点定位法确定最大调节动态范围时的偏置零点位置区域；

步骤2：当偏置控制电压输出达到最大值时，通过调节电光调制器输入反馈通路和电光调制器输出反馈通路的两级数字式可调电位器，使得基准电压V₃和反馈电压V₂的关系满足：V₃＝V₂/2；

步骤3：在步骤2的基础上通过控制调节偏压与查找峰值点时的方向相反调节，直至满足V₃＝V₂，M-Z型电光强度调制器输入与输出功率关系为：P₂＝P₁/2，完成电光调制器线性工作点的准确定位；

步骤4：完成工作点的准确定位后，进入跟踪模式，利用数字PID算法实现偏压的反馈控制。

所述步骤1中三点定位法先将初始电压0V设定为偏置零点V₀，确定采样间隔，偏置零点V₀左侧的采样点电压为V_left，偏置零点V₀右侧的采样点电压为V_righ；

偏置零点V₀的位置区域根据以下关系得知：

(1)V_left>V₀>V_right：V₀位于下降区，调节偏压减小获得输出峰值；

(2)V_left<V₀<V_right：V₀位于上升区，调节偏压增大获得输出峰值；

(3)V₀>V_left且V₀>V_right：V₀已位于峰值点；

(4)V₀<V_left且V₀<V_right：V₀位于波谷点，调节偏压增大或减小偏压获得输出值；

(5)V₀＝V_left且V₀<V_righ：V₀位于下降区，调节偏压减小获得输出峰值；

(6)V₀＝V_right且V₀>V_left：V₀位于上升区，调节偏压增大获得输出峰值。

所述步骤4中以基准电压V₃和反馈电压V₂的差值作为反馈信号，定义两者的差值调整阈值为V_th，直至满足|V₃-V₂|≤V_th，利用数字PID算法实现偏压的反馈控制。

所述步骤4中进入跟踪模式的同时，在PID控制基础上采用激光器抖动控制识别算法及延迟采样法。

采用如上技术方案取得的有益技术效果为:

本发明在上述最优技术基础上，结合现代数字和模拟电子技术及相关控制算法，实现了电光调制器偏置控制的真正自动校准、跟踪，不需要辅助仪器和人工参与实现上述的整个过程；同时在数字PID基础上，加入延时判别算法，克服了激光器瞬间抖动而引起的控制环误操作问题，更能长时间稳定可靠的跟踪电光调制器线性工作区。

附图说明

图1为平均光功率方式的装置控制系统。

图2为M-Z型电光调制器自动偏置控制系统。

图3为双路跟随反馈通路的电光调制器输入反馈通路。

图4为双路跟随反馈通路的电光调制器输出反馈通路。

图5为双路跟踪反馈控制技术流程图。

具体实施方式

结合附图2至5对本发明的具体实施方式做进一步说明：

一种电光强度调制器自动偏置控制装置，如图2所示，电光强度调制器为M-Z型电光强度调制器，包括激光器、分束器、及M-Z型电光强度调制器，所述分束器包括第一分束器、及第二分束器。第一分束器连接在激光器的出光口与M-Z型电光强度调制器入光口之间，第一分束器连接有电光调制器输入反馈通路。第二分束器连接M-Z型电光强度调制器出光口，第二分束器连接有电光调制器输出反馈通路。电光调制器输入反馈通路、及电光调制器输出反馈通路经反馈处理器汇合形成双路跟踪反馈控制系统，反馈处理器连通M-Z型电光强度调制器的控制端，M-Z型电光强度调制器的入射光束及出射光束经反馈处理器自动校准、跟踪并通过偏压驱动控制M-Z型电光强度调制器。

第一分束器为1％：99％保偏光纤分束器；M-Z型电光强度调制器入射的光束经第一分束器分成两束，其中一束为1％反馈光束，反馈光束进入电光调制器输入反馈通路的第一检测通道，另一束进入M-Z型电光强度调制器。

第二分束器为1％：99％保偏光纤分束器；M-Z型电光强度调制器出射的光束经第一分束器分成两束，其中一束为1％反馈光束，反馈光束进入电光调制器输出反馈通路的第二检测通道，另一束为输出调制光。

如图3所示，电光调制器输入反馈通路包括光电转换模块、同相放大模块，M-Z型电光强度调制器入射的1％反馈光束通过校准通道进入光电转换模块，将反馈光束转换为电信号，再经同相放大由信号采集点输出，作为基准电压V₃；电光调制器输入反馈通路设有第一级细调、第二级粗调两级数字式可调电位器，用于调节基准电压V₃的大小。

如图4所示，电光调制器输出反馈通路设有校准通道，校准通道采用1×2模拟开关切换控制；校准通道依次连通光电转换模块、同相放大模块，M-Z型电光强度调制器出射的1％反馈光束通过校准通道进入光电转换模块，将反馈光束转换为电信号，再经同相放大模块放大获得反馈电压V₂。电光调制器输出反馈通路设有第一级细调、第二级粗调两级数字式可调电位器，用于调节反馈电压V₂的大小。

基于上述电光强度调制器自动偏置控制装置的自动偏置控制方法采用如下步骤：

步骤1：采用三点定位法确定最大调节动态范围时的偏置零点位置区域；

步骤2：当偏置控制电压输出达到最大值时，通过调节电光调制器输入反馈通路和电光调制器输出反馈通路的两级数字式可调电位器，使得基准电压V₃和反馈电压V₂的关系满足：V₃＝V₂/2；

步骤3：在步骤2的基础上通过控制调节偏压与查找峰值点时的方向相反调节，直至满足V₃＝V₂，M-Z型电光强度调制器输入与输出功率关系为：P₂＝P₁/2，完成电光调制器线性工作点的准确定位；

步骤4：完成工作点的准确定位后，进入跟踪模式，利用数字PID算法实现偏压的反馈控制。

所述步骤1中三点定位法先将初始电压0V设定为偏置零点V₀，确定采样间隔，偏置零点V₀左侧的采样点电压为V_left，偏置零点V₀右侧的采样点电压为V_righ；

偏置零点V₀的位置区域根据以下关系得知：

(1)V_left>V₀>V_right：V₀位于下降区，调节偏压减小获得输出峰值；

(2)V_left<V₀<V_right：V₀位于上升区，调节偏压增大获得输出峰值；

(3)V₀>V_left且V₀>V_right：V₀已位于峰值点；

(4)V₀<V_left且V₀<V_right：V₀位于波谷点，调节偏压增大或减小偏压获得输出值；

(5)V₀＝V_left且V₀<V_righ：V₀位于下降区，调节偏压减小获得输出峰值；

(6)V₀＝V_right且V₀>V_left：V₀位于上升区，调节偏压增大获得输出峰值。

所述步骤4中以基准电压V₃和反馈电压V₂的差值作为反馈信号，定义两者的差值调整阈值为V_th，直至满足|V₃-V₂|≤V_th，利用数字PID算法实现偏压的反馈控制。

在数字PID算法中，设采样周期为T，间隔采样并判别激光器功率电压值V₁作为设定参考值，同等间隔下采样电光调制器输出功率电压值V₂(V₂也为反馈电压)，误差值e(k)＝V₁(k)-V₂(k)，那么调整量u(k)表达式：

$u\left(k\right)=K_p\{e\left(k\right)+\frac{T}{T_i}\underset{j=0}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}e\left(j\right)+\frac{T_D}{T}[e\left(k\right)-e(k-1)\left]\right\}---\left(4\right)$

式中：k为采样序号，K_p为比例系数，令为积分系数，为微分系数。

在此为减小系统数据量及计算量，采用增量式数字PID算法以提高计算效率，那么增量式调整量表达式为：

Δu＝u(k)-u(k-1)＝K_PΔe(k)+K_Ie(k)+K_D[Δe(k)-Δe(k-1)]   (5)

更新最终调整输出量：

u(k+1)＝u(k)+Δu   (6)

通过以上算法表达式可直接有效的控制精密电压调节单元调节电光调制器线性工作点位置，保证高速调制工作时不失真输出。

所述步骤4中进入跟踪模式的同时，在PID控制基础上采用激光器抖动控制识别算法及延迟采样法，可克服常采用的单端反馈下操作器直接误判，或双端反馈形式下，输入瞬变，输出滞后采样，导致反馈差值超过阈值引起误操作的问题。其算法原理如图5所示。

激光器抖动识别的意思就是说，激光器瞬间抖动后，瞬间回到原来的值，导致输入采样时激光器处于瞬变过程中，但输出采样的时候，激光器输出已经回到原始值，导致计算偏差增大，使PID控制器误以为差值变大，进行误操作，此时通过延迟采样进行比较。

当然，以上说明仅仅为本发明的较佳实施例，本发明并不限于列举上述实施例，应当说明的是，任何熟悉本领域的技术人员在本说明书的指导下，所做出的所有等同替代、明显变形形式，均落在本说明书的实质范围之内，理应受到本发明的保护。

Claims (10)

1.一种电光强度调制器自动偏置控制装置，电光强度调制器为M-Z型电光强度调制器，其特征在于，包括激光器、分束器、及M-Z型电光强度调制器，所述分束器包括第一分束器、及第二分束器；

所述第一分束器连接在激光器的出光口与M-Z型电光强度调制器入光口之间，第一分束器连接有电光调制器输入反馈通路；

所述第二分束器连接M-Z型电光强度调制器出光口，第二分束器连接有电光调制器输出反馈通路；

电光调制器输入反馈通路及电光调制器输出反馈通路经反馈处理器汇合形成双路跟踪反馈控制系统，反馈处理器连通M-Z型电光强度调制器的控制端，M-Z型电光强度调制器的入射光束及出射光束经反馈处理器自动校准、跟踪并通过偏压驱动控制M-Z型电光强度调制器。

2.根据权利要求1所述的一种电光强度调制器自动偏置控制装置，其特征在于，所述第一分束器为1％：99％保偏光纤分束器；

所述M-Z型电光强度调制器入射的光束经第一分束器分成两束，其中一束为1％反馈光束，反馈光束进入电光调制器输入反馈通路的第一检测通道，另一束进入M-Z型电光强度调制器。

3.根据权利要求1所述的一种电光强度调制器自动偏置控制装置，其特征在于，所述第二分束器为1％：99％保偏光纤分束器；

所述M-Z型电光强度调制器出射的光束经第一分束器分成两束，其中一束为1％反馈光束，反馈光束进入电光调制器输出反馈通路的第二检测通道，另一束为输出调制光。

4.根据权利要求3所述的一种电光强度调制器自动偏置控制装置，其特征在于，所述电光调制器输入反馈通路包括光电转换模块、同相放大模块，M-Z型电光强度调制器入射的1％反馈光束通过校准通道进入光电转换模块，将反馈光束转换为电信号，再经同相放大由信号采集点输出，作为基准电压V₃；

电光调制器输入反馈通路设有第一级细调、第二级粗调两级数字式可调电位器，用于调节基准电压V₃的大小。

5.根据权利要求4所述的一种电光强度调制器自动偏置控制装置，其特征在于，所述电光调制器输出反馈通路设有校准通道，校准通道采用1×2模拟开关切换控制；

所述校准通道依次连通光电转换模块、同相放大模块，M-Z型电光强度调制器出射的1％反馈光束通过校准通道进入光电转换模块，将反馈光束转换为电信号，再经同相放大模块放大获得反馈电压V₂。

6.根据权利要求5所述的一种电光强度调制器自动偏置控制装置，其特征在于，所述电光调制器输出反馈通路设有第一级细调、第二级粗调两级数字式可调电位器，用于调节反馈电压V₂的大小。

7.电光强度调制器自动偏置控制装置的自动偏置控制方法，其特征在于，自动偏置控制方法基于权利要求6所述的电光强度调制器自动偏置控制装置采用如下步骤：

步骤1：采用三点定位法确定最大调节动态范围时的偏置零点位置区域；

步骤2：当偏置控制电压输出达到最大值时，通过调节电光调制器输入反馈通路和电光调制器输出反馈通路的两级数字式可调电位器，使得基准电压V₃和反馈电压V₂的关系满足：V₃＝V₂/2；

步骤3：在步骤2的基础上通过控制调节偏压与查找峰值点时的方向相反调节，直至满足V₃＝V₂，M-Z型电光强度调制器输入与输出功率关系为：P₂＝P₁/2，完成电光调制器线性工作点的准确定位；

步骤4：完成工作点的准确定位后，进入跟踪模式，利用数字PID算法实现偏压的反馈控制。

8.根据权利要求7所述的电光强度调制器自动偏置控制装置的自动偏置控制方法，其特征在于，所述步骤1中三点定位法先将初始电压0V设定为偏置零点V₀，确定采样间隔，偏置零点V₀左侧的采样点电压为V_left，偏置零点V₀右侧的采样点电压为V_righ；

偏置零点V₀的位置区域根据以下关系得知：

(1)V_left>V₀>V_right：V₀位于下降区，调节偏压减小获得输出峰值；

(2)V_left<V₀<V_right：V₀位于上升区，调节偏压增大获得输出峰值；

(3)V₀>V_left且V₀>V_right：V₀已位于峰值点；

(4)V₀<V_left且V₀<V_right：V₀位于波谷点，调节偏压增大或减小偏压获得输出值；

(5)V₀＝V_left且V₀<V_righ：V₀位于下降区，调节偏压减小获得输出峰值；

(6)V₀＝V_right且V₀>V_left：V₀位于上升区，调节偏压增大获得输出峰值。

9.根据权利要求8所述的电光强度调制器自动偏置控制装置的自动偏置控制方法，其特征在于，所述步骤4中以基准电压V₃和反馈电压V₂的差值作为反馈信号，定义两者的差值调整阈值为V_th，直至满足|V₃-V₂|≤V_th，利用数字PID算法实现偏压的反馈控制。

10.根据权利要求8所述的电光强度调制器自动偏置控制装置的自动偏置控制方法，其特征在于，所述步骤4中进入跟踪模式的同时，在PID控制基础上采用激光器抖动控制识别算法及延迟采样法。