CN104898306A - Mz调制器任意点偏置控制装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种MZ调制器任意点偏置控制装置及方法，所述装置包括光分路器、光探测器、功率检测器、模数变换器、数字信号处理控制器、数模变换器。MZ调制器的输出光信号由光分路器分出部分光信号作为反馈信号，反馈信号光经过光探测器变为电信号，再经过功率检测获得输出光信号的平均光功率，经由模数变换器变换为数字信号，送入数字信号处理控制器进行计算处理，确定偏置点，并由数模变换器变换设置合适的偏置电压，完成偏置控制。本发明提出的装置及方法解决了MZ调制器工作点漂移的问题，能够实现将MZ调制器工作点控制在任意点，与现有技术相比，MZ调制器偏置控制过程不受光功率波动的影响，结构和方法相对简单。

Description

MZ调制器任意点偏置控制装置及方法

技术领域

本发明涉及光通信和光传感技术领域，更具体涉及一种MZ调制器任意点偏置控制装置及方法。

背景技术

铌酸锂（LiNbO3）马赫-曾德尔（Mach-Zehnder,MZ）调制器是一种在光纤通信系统、光纤传感等领域广泛应用的光电器件。MZ调制器由两个波导臂和两个Y型分支构成，通过调节两个波导臂上的电场使光束在两个波导臂传输的速度不同而产生光程差，从而使两束光发生干涉，实现对光信号的调制。MZ调制器的传输特性曲线是一条类余弦函数曲线，一般为周期性的。由于MZ调制器自身结构的原因，如环境稳定、机械振动等，传输特性曲线会随着时间发生改变，引起调制器工作点的漂移，导致调制器工作不稳定，给实际应用带来很大影响。因此，对MZ调制器的工作点进行偏置控制是十分必要的。

现有的MZ调制器偏置控制方法主要分为两类：（1）基于抖动信号的方法；（2）基于功率检测的方法。基于抖动信号的方法是在MZ调制器的输入端加入一个低频率的抖动信号，检测MZ调制器输出信号中抖动信号的谐波信号作为反馈信号，由于需要利用抖动信号的多次谐波信号作为反馈，因此结构相对复杂，而且通常只能将MZ调制器偏置控制在四个常用的工作点。基于功率检测的方法使用MZ调制器输入光功率，输出光功率，或者两者的比值作为反馈信号，基于功率检测的方法相对简单，但是反馈信号与输入光功率密切相关，由于在实际应用当中，MZ调制器的输入光功率信号会发生波动，因此会影响反馈信号，无法实现MZ调制器工作点偏置控制。

在光通信和光传感系统中会需要将MZ调制器工作点控制在任意点，而现有的大部分MZ调制器偏置控制方法只是将调制器的工作点控制在4个工作点中的1个或几个，并且存在MZ调制器工作点漂移的问题，限制了MZ调制器的应用范围。

发明内容

（一）要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是如何解决MZ调制器工作点漂移的问题，同时实现将MZ调制器工作点控制在任意点。

（二）技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种MZ调制器任意点偏置控制装置，所述装置包括光分路器、光探测器、功率检测器、模数变换器、数字信号处理控制器、数模变换器；

MZ调制器的输出光信号由光分路器分出部分光信号作为反馈信号光，所述反馈信号光经过光探测器变为电信号，再经过功率检测器获得输出光信号的平均光功率，经由模数转换器变换为数字信号，送入数字信号处理控制器进行计算处理，确定偏置点，并由数模变换器变换设置合适的偏置电压输入MZ调制器的偏置输入端。

本发明还提出了一种MZ调制器任意点偏置控制方法，所述方法包括以下步骤：

（1）初始化数字信号处理控制器，控制偏置电压，并在整个传输曲线周期内扫描，获得MZ调制器的半波电压V_π的值；

（2）设置所述MZ调制器的工作点，使MZ调制器偏置到任意点；

（3）检测所述MZ调制器输出光功率，由所述数字信号处理控制器计算获得输出光功率对偏置电压的一阶偏导数D₁、二阶偏导数D₂以及D₂与D₁的比值R，记录下当前偏置工作点的D₁和R的值；

（4）经过一段时间后，重新检测所述MZ调制器输出光功率，由所述数字信号处理控制器计算获得输出光功率对偏置电压的一阶偏导数D₁’、二阶偏导数D₂’以及D₂’与D₁’的比值R’；

（5）比较D₁’和D₁的正负是否一致，以及比值R’和R的大小是否相等，当D₁’与D₁的正负不一致，或者R’和R的大小不相等时，调整所述MZ调制器的偏置电压使D₁’和D₁的正负一致，并且比值R’和R的大小相等；

（6）重复步骤（4）和步骤（5）。

（三）有益效果

本发明提供了一种MZ调制器任意点偏置控制装置及方法，基于功率检测，解决了MZ调制器工作点漂移的问题，能够实现将MZ调制器工作点控制在任意点，与现有技术相比，MZ调制器偏置控制过程不受光功率波动的影响，结构和方法相对简单。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为MZ调制器结构示意图；

图2为传输特性曲线图；

图3为本发明的一个较佳实施例的MZ调制器任意点偏置控制装置结构示意图；

图4为MZ调制器输出光功率一阶导数D₁和比值R与偏置电压关系图。

图例说明：

1、光导波；2、射频输入端；3、偏置输入端；4、光分路器；5、光探测器；6、功率检测器；7、模数转换器；8、数字信号处理器；9、数模转换器；10、激光器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。

图1为MZ调制器结构示意图；图2为传输特性曲线图。MZ调制器包括光波导1、偏置输入端3、射频输入端2；其中射频信号由射频输入端输入，偏置电压由偏置输入端输入。MZ调制器的传输特性曲线如图2所示，为类余弦函数曲线，且具有周期性，因此MZ调制器工作点的控制只需要实现一个周期内的偏置控制即可。MZ调制器输出光功率P_o(t)可以表示为：

$P_o\left(t\right)=\frac{{\mathrm{kP}}_i}{2}[1+\cos \frac{\mathrm{\π}}{V_{\mathrm{\π}}}(V_s\left(t\right)+V_B)]---\left(1\right)$

其中P_i为输入光功率，k为MZ调制器插入损耗，V_π为调制器半波电压，V_s(t)为射频输入信号，V_B为直流偏置电压。

射频输入信号的时间周期为T，则输出的平均光功率为：

$\begin{array}{c}<P_o\left(t\right)>=\frac{{\mathrm{kP}}_i}{2}[1+\frac{1}{T}{\&Integral;}_0^T\cos \frac{\mathrm{\&pi;}}{V_{\mathrm{\&pi;}}}(V_s\left(t\right)+V_B)\mathrm{dt}]\\ =\frac{{\mathrm{kP}}_i}{2}[1+\frac{1}{T}{\&Integral;}_0^T\cos \frac{\mathrm{\&pi;}}{V_{\mathrm{\&pi;}}}{V}_s\left(t\right)\mathrm{dt}\cos \frac{\mathrm{\&pi;}}{V_{\mathrm{\&pi;}}}{V}_B-\frac{1}{T}{\&Integral;}_0^T\sin \frac{\mathrm{\&pi;}}{V_{\mathrm{\&pi;}}}{V}_s\left(t\right)\mathrm{dt}\sin \frac{\mathrm{\&pi;}}{V_{\mathrm{\&pi;}}}{V}_B]\end{array}---\left(2\right)$

令

$\mathrm{\&alpha;}=\frac{1}{T}{\&Integral;}_0^T\cos \frac{\mathrm{\&pi;}}{V_{\mathrm{\&pi;}}}{V}_s\left(t\right)\mathrm{dt}---\left(3\right)$

$\mathrm{\&beta;}=\frac{1}{T}{\&Integral;}_0^T\sin \frac{\mathrm{\&pi;}}{V_{\mathrm{\&pi;}}}{V}_s\left(t\right)\mathrm{dt}---\left(4\right)$

则公式（2）可以表示为：

$<P_o\left(t\right)>=\frac{{\mathrm{kP}}_i}{2}(1+\mathrm{\&alpha;}\cos \frac{\mathrm{\&pi;}}{V_{\mathrm{\&pi;}}}{V}_B-\mathrm{\&beta;}\sin \frac{\mathrm{\&pi;}}{V_{\mathrm{\&pi;}}}{V}_B)---\left(5\right)$

α，β的值只与射频输入信号有关，对于固定的射频输入信号，α，β的值不变。输出的平均光功率只与输入光功率和偏置电压有关。

将公式（5）对偏置电压V_B求导，可得

$D_1=\frac{\&PartialD;<P_o\left(t\right)>}{{\&PartialD;V}_B}=-\frac{{\mathrm{kP}}_i}{2}\&CenterDot;\frac{\mathrm{\&pi;}}{V_{\mathrm{\&pi;}}}(\mathrm{\&alpha;}\sin \frac{\mathrm{\&pi;}}{V_{\mathrm{\&pi;}}}{V}_B+\mathrm{\&beta;}\cos \frac{\mathrm{\&pi;}}{V_{\mathrm{\&pi;}}}{V}_B)---\left(6\right)$

将公式（6）在对V_B求导，可得

$D_2=\frac{{\&PartialD;}^2<P_o\left(t\right)>}{{{\&PartialD;V}_B}^2}=-\frac{{\mathrm{kP}}_i}{2}\&CenterDot;{\left(\frac{\mathrm{\&pi;}}{V_{\mathrm{\&pi;}}}\right)}^2(\mathrm{\&alpha;}\cos \frac{\mathrm{\&pi;}}{V_{\mathrm{\&pi;}}}{V}_B-\mathrm{\&beta;}\sin \frac{\mathrm{\&pi;}}{V_{\mathrm{\&pi;}}}{V}_B)---\left(7\right)$

公式（7）和公式（6）之比可表示为：

$R=\frac{D_2}{D_1}=\frac{\mathrm{\&pi;}}{V_{\mathrm{\&pi;}}}\&CenterDot;\frac{\mathrm{\&alpha;}\cos \frac{\mathrm{\&pi;}}{V_{\mathrm{\&pi;}}}{V}_B-\mathrm{\&beta;}\sin \frac{\mathrm{\&pi;}}{V_{\mathrm{\&pi;}}}{V}_B}{\mathrm{\&alpha;}\sin \frac{\mathrm{\&pi;}}{V_{\mathrm{\&pi;}}}{V}_B+\mathrm{\&beta;}\cos \frac{\mathrm{\&pi;}}{V_{\mathrm{\&pi;}}}{V}_B}---\left(8\right)$

公式（8）中可以看出比值R只与偏置电压有关，与输入光功率无关，比值R与偏置电压关系如图4所示，从图中可以看出，在半个传输曲线周期内比值R与偏置电压是单调关系，而在整个传输曲线周期内可以结合输出光功率一阶偏导数D₁的正负判断偏置电压的位置，因此可以通过仅监测输出光功率并计算出比值R来确定偏置点，从而实现MZ调制器任意点偏置控制。

MZ调制器任意点偏置控制装置如图3所示，该装置由光分路器4、光探测器5、功率检测器6、模数变换器7、数字信号处理控制器8、数模变换器9构成。激光器10发出的激光作为光输入信号输入到MZ调制器，MZ调制器的输出光信号由光分路器分出部分光信号作为反馈信号，反馈信号光经过光探测器变为电信号，再经过功率检测获得输出光信号的平均光功率，经由模数变换器即AD转换器变换为数字信号，送入数字信号处理控制器即DSP控制器，由DSP控制器进行计算处理，获得输出光功率对偏置电压的一阶偏导数D₁、二阶偏导数D₂以及D₂与D₁的比值R，确定偏置点，并由数模变换器即DA变换器变换设置合适的偏置电压，完成偏置控制。

本发明还提出了一种MZ调制器任意点偏置控制方法，所述方法包括以下步骤：

（1）初始化DSP控制器，控制偏置电压，并在整个传输曲线周期内扫描，获得MZ调制器的半波电压V_π的值；

（2）设置所述MZ调制器的工作点，使MZ调制器偏置到任意点；

（3）检测所述MZ调制器输出光功率，由所述DSP控制器计算获得输出光功率对偏置电压的一阶偏导数D₁、二阶偏导数D₂以及D₂与D₁的比值R，记录下当前偏置工作点的D₁和R的值；

（4）经过一段时间后，重新检测所述MZ调制器输出光功率，由所述DSP控制器计算获得输出光功率对偏置电压的一阶偏导数D₁’、二阶偏导数D₂’以及D₂’与D₁’的比值R’；

（5）比较D₁’和D₁的正负是否一致，以及比值R’和R的大小是否相等，当D₁’与D₁的正负不一致，或者R’和R的大小不相等时，调整所述MZ调制器的偏置电压使D₁’和D₁的正负一致，并且比值R’和R的大小相等；

（6）重复步骤（4）和步骤（5）。

本发明的MZ调制器任意点偏置控制装置及方法，解决MZ调制器工作点漂移的问题，能够实现将MZ调制器工作点控制在任意点，与现有技术相比，偏置控制过程不受光功率波动的影响，结构和方法相对简单。

以上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (2)

1.一种MZ调制器任意点偏置控制装置，其特征在于，所述装置包括光分路器、光探测器、功率检测器、模数变换器、数字信号处理控制器、数模变换器；

MZ调制器的输出光信号由光分路器分出部分光信号作为反馈信号光，所述反馈信号光经过光探测器变为电信号，再经过功率检测器获得输出光信号的平均光功率，经由模数转换器变换为数字信号，送入数字信号处理控制器进行计算处理，确定偏置点，并由数模变换器变换设置合适的偏置电压输入MZ调制器的偏置输入端。

2.一种MZ调制器任意点偏置控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

（1）初始化数字信号处理控制器，控制偏置电压，并在整个传输曲线周期内扫描，获得所述MZ调制器的半波电压V_π的值；

（2）设置所述MZ调制器的工作点，使MZ调制器偏置到任意点；

（3）检测所述MZ调制器输出光功率，由所述数字信号处理控制器计算获得输出光功率对偏置电压的一阶偏导数D₁、二阶偏导数D₂以及D₂与D₁的比值R，记录下当前偏置工作点的D₁和R的值；

（4）经过一段时间后，重新检测所述MZ调制器输出光功率，由所述数字信号处理控制器计算获得输出光功率对偏置电压的一阶偏导数D₁’、二阶偏导数D₂’以及D₂’与D₁’的比值R’；

（5）比较D₁’和D₁的正负是否一致，以及比值R’和R的大小是否相等，当D₁’与D₁的正负不一致，或者R’和R的大小不相等时，调整所述MZ调制器的偏置电压使D₁’和D₁的正负一致，并且比值R’和R的大小相等；

（6）重复步骤（4）和步骤（5）。