CN105099569A - 一种马赫增德尔调制器的偏置控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种马赫增德尔调制器的偏置控制系统及方法，属于通信技术领域，以解决马赫增德尔调制器在调制深度较大的情况下，位于低偏置点工作时偏置角度不稳定的技术问题。马赫增德尔调制器包括输入接口和输出接口，输入接口连接第一光源，马赫增德尔调制器用于调制第一光源发出的第一激光，系统包括：第二光源，连接马赫增德尔调制器的输出接口，用于通过输出接口向马赫增德尔调制器输出第二激光，其中，第二激光与第一激光的波长不相等；射频信号发生器，连接马赫增德尔调制器的射频信号接口，用于为马赫增德尔调制器提供GHz级的射频信号；其中，马赫增德尔调制器在射频信号的作用下调制第二激光，以控制马赫增德尔调制器的偏置角度。

Description

一种马赫增德尔调制器的偏置控制系统及方法

技术领域

本发明涉及通信技术领域，具体地说，涉及一种马赫增德尔调制器的偏置控制系统及方法。

背景技术

近年来，模拟光链路凭借其大带宽、低损耗及抗电磁干扰等明显优势成为国内外各个领域的研究热点。模拟光链路中，外部调制光链路因其在调制带宽及无啁啾等方面表现出的优异性能，备受关注。

对于外部调制光链路而言，最重要的技术指标有噪声指数、链路增益、无杂散动态范围等。马赫增德尔调制器作为外部调制光链路不可或缺的关键器件，它的偏置控制效果决定着链路的整体性能。例如，马赫增德尔调制器的偏置角度对链路的噪声指数和无杂散动态范围有着重要影响。马赫增德尔调制器最常用的偏置角度主要有正交偏置点和低偏置点，工作在正交偏置点可以消除链路二次谐波失真，工作在低偏置点可以获得较大的调制效率、限制探测器的光电流以避免饱和。此外，低偏置点还可以减少链路的噪声指数、提升无杂散动态范围等。

目前，所有的光链路系统都要求具有稳定的性能。然而，由于一些客观因素，如温度变化、机械振动、器件老化等，马赫增德尔调制器的偏置角度极易发生漂移。所以，如何使得马赫增德尔调制器工作时，偏置角度保持稳定，成为了业内亟需解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种马赫增德尔调制器的偏置控制系统及方法，以解决马赫增德尔调制器在调制深度较大的情况下，位于低偏置点工作时偏置角度不稳定的技术问题。

本发明提供了一种马赫增德尔调制器的偏置控制系统，所述马赫增德尔调制器包括输入接口和输出接口，所述输入接口连接第一光源，所述马赫增德尔调制器用于调制所述第一光源发出的第一激光，所述系统包括：

第二光源，连接所述马赫增德尔调制器的输出接口，用于通过所述输出接口向所述马赫增德尔调制器输出第二激光，其中，所述第二激光与所述第一激光的波长不相等；

射频信号发生器，连接所述马赫增德尔调制器的射频信号接口，用于为所述马赫增德尔调制器提供GHz级的射频信号；

其中，所述马赫增德尔调制器在所述射频信号的作用下调制所述第二激光，以控制所述马赫增德尔调制器的偏置角度。

其中，所述系统还包括：

所述马赫增德尔调制器的偏置角度为-90°至0，且所述射频信号的功率大于或等于10dB。

其中，所述系统还包括：

偏置控制器，连接所述马赫增德尔调制器的偏置电压接口，用于在所述射频信号发生器为所述马赫增德尔调制器提供GHz级的射频信号时，为所述马赫增德尔调制器提供稳定的偏置电压。

其中，所述系统还包括：

第一环形器，包括三个接口，第一接口连接所述第一光源，第二接口连接所述马赫增德尔调制器的输入接口，第三接口连接所述偏置控制器的探测接口。

其中，所述系统还包括：

第二环形器，包括三个接口，第一接口连接所述第二光源，第二接口连接所述马赫增德尔调制器的输出接口。

其中，所述第二光源发出的第二激光进入所述第二环形器的第一接口，自所述第二环形器的第二接口输出；自连接所述第二环形器的第二接口的所述输出接口输入所述马赫增德尔调制器，自所述输入接口输出；自连接所述输入接口的所述第一环形器的第二接口输入，自第三接口输出给所述偏置控制器的探测接口，供所述偏置控制器生成稳定的偏置电压。

其中，所述偏置控制器包括连接探测模块、低通滤波模块、放大模块和微分积分处理模块；

所述探测模块连接所述偏置控制器的探测接口，接入来自所述马赫增德尔调制器的输入接口的第二激光；

所述低通滤波模块获取来自所述探测模块的第二激光，滤除所述第二激光中的噪音；

所述放大模块对滤除噪音后的第二激光进行放大处理；

所述微分积分处理模块根据所述放大处理后的第二激光生成偏置电压，并向所述马赫增德尔调制器的偏置电压接口输出稳定的偏置电压。

本发明带来了以下有益效果：本发明实施例提供了一种马赫增德尔调制器的偏置控制系统，该马赫增德尔调制器用于调制第一激光，该偏置控制系统包括发出第二激光的第二光源和发出GHz级的射频信号的射频信号发生器，其中第二激光在马赫增德尔调制器中的传播方向与第一激光相反。马赫增德尔调制器在射频信号的作用下，调制第二激光，由于第二激光此时的调制效率很低，以至于射频信号的功率的变化对马赫增德尔调制器的偏置角度无影响，特别是在调制深度较大的情况下，马赫增德尔调制器位于低偏置点工作时，可有效地锁定、控制马赫增德尔调制器的偏置角度。

本发明第二方面提供了一种马赫增德尔调制器的偏置控制方法，所述马赫增德尔调制器包括输入接口和输出接口，所述输入接口连接第一光源，所述马赫增德尔调制器用于调制所述第一光源发出的第一激光，所述方法包括：

通过所述输出接口向所述马赫增德尔调制器输出第二激光，所述第二激光与所述第一激光的波长不相等；

通过所述马赫增德尔调制器的射频信号接口，向所述马赫增德尔调制器提供GHz级的射频信号；

其中，所述马赫增德尔调制器在所述射频信号的作用下调制所述第二激光，以控制所述马赫增德尔调制器的偏置角度。

其中，所述马赫增德尔调制器的偏置角度为-90°至0，且所述射频信号的功率大于或等于10dB。

其中，所述方法还包括：

当为所述马赫增德尔调制器提供GHz级的射频信号时，为所述马赫增德尔调制器提供偏置电压。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要的附图做简单的介绍：

图1是本发明实施例提供的MZM的控制系统的结构示意图；

图2是现有技术提供的MZM的控制系统的结构示意图；

图3是图2所示的MZM的控制系统的仿真示意图一；

图4是图2所示的MZM的控制系统的仿真示意图二；

图5是图2所示的MZM的控制系统的仿真示意图三；

图6是图5所示的仿真示意图三的对比图。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

本发明实施例公开了一种马赫增德尔调制器的偏置控制系统。该马赫增德尔调制器包括输入接口和输出接口，输入接口连接第一光源，马赫增德尔调制器用于调制所述第一光源发出的第一激光。

如图1所示，该偏置控制系统主要包括第二光源、第一环形器、第二环形器、射频(RadioFrequency，简称RF)信号发生器和偏置控制器。其中，射频信号发生器连接马赫增德尔调制器(Mach-ZehnderModulator，简称MZM)的RF信号接口，偏置控制器包括连接探测模块、低通滤波模块、放大模块和微分积分处理模块。探测模块连接偏置控制器的探测接口，接入来自马赫增德尔调制器的输入接口的第二激光；低通滤波模块获取来自探测模块的第二激光，滤除第二激光中的噪音；放大模块对滤除噪音后的第二激光进行放大处理；微分积分处理模块根据放大处理后的第二激光生成偏置电压，并向马赫增德尔调制器的偏置电压接口输出稳定的偏置电压。

第一光源L₁连接第一环形器的第一接口11，第一环形器的第二接口12连接MZM的输入接口，即第一光源输出的第一激光(波长为λ₁)通过第一环形器的第一接口11进入，完全通过第一环形器后输出给MZM的输入接口。

MZM从输入接口接收到第一激光。MZM的射频信号接口连接射频信号发生器，偏置电压接口连接偏置控制器。第一激光经过MZM时，在偏置控制器提供的偏置电压的作用下，被RF信号发生器提供的GHz级的射频信号调制。调制后的第一激光从MZM的输出接口输出，MZM的输出接口连接第二环形器的第二接口22，调制后的第一激光由第二环形器的第二接口22进入、由第三接口23输出。

另外，第二光源L₂连接第二环形器的第一接口21，第二光源L₂发出的第二激光(波长为λ₂，λ₁≠λ₂)进入第二环形器的第一接口21，从第二环形器的第二接口22输出，自MZM的输出接口进入MZM。第二激光经过MZM的方向与第一激光的方向相反。

由于RF信号发生器提供的RF信号为GHz级的，在GHz级的RF信号的作用下，MZM对反向的第二激光的调制效率很低，以至于RF信号的变化对第二激光的功率无影响。因此反向的第二激光结合GHz级的RF信号，可以实现对MZM的偏置角度进行控制、锁定。特别是MZM的偏置角度为-90°至0(低偏置点)，甚至是接近-90°时，且同时RF信号的功率大于或等于10dB的情况下(此时调制深度较大)，本发明提供的MZM的偏置控制系统对偏置角度的锁定效果相对于现有技术更为突出。

需要说明的是，本发明实施例中，虽然第一激光和第二激光的部分光路重合，但由于第二激光的波长λ₂与第一激光的波长λ₁不相等，两路光具有非相干性，两路光相遇后仍然保持相互独立、不会互相干扰。

第二激光经过MZM后，从MZM的输入接口输出。由于第一环形器的第二接口12连接MZM的输入接口、第三接口13连接偏置控制器的探测接口，则第二激光自第一环形器的第二接口12进入、自第三接口13输出，自偏置控制器的探测接口进入，供偏置控制器生成稳定的偏置电压。

现有技术中，通常采用的MZM的偏置控制系统包括分布反馈激光器、光耦合器及偏置反馈器组成。该方案的主要原理是，在MZM调制器的RF信号接口加入了一个1KHz的低频抖动信号，在MZM调制器的输出接口通过光电探测器对MZM调制器该低频抖动信号及其谐波进行探测，将此低频抖动信号的输出光功率及其一次谐波的比值作为分布反馈激光器的反馈信号，偏置反馈器通过监测此反馈信号的变化，对MZM调制器的偏置角度进行精确的控制。

但是，在使用上述偏置控制系统时，需要精确控制此低频抖动信号的幅度。若幅度控制不好，原有的RF信号易与该低频抖动信号产生交调，使得原有的RF信号收到干扰。另外，该偏置控制系统中加入的低频抖动信号对光链路的动态范围有一定的损害，低频抖动信号和原有的RF信号，在调制器非线性相互作用下，会产生三阶交调失真。因此，该类型的偏置偏置控制系统的工作效果并不十分理想。

因此，现有技术中，另外提供了一种如图2所示的MZM的偏置控制系统。该偏置控制系统中，设置有光源L、光耦合器、偏置控制器以及RF信号发生器等结构。该偏置控制系统无低频抖动信号的干扰，避免了交调失真等问题的发生。

如图2所示，光源L连接MZM的输入接口，MZM的输出接口连接光耦合器的输入端，该光耦合器包括两个输出端，其中一个输出端输出99％的经过调制的激光，另一个输出端向偏置控制器提供剩余1％的经过调制的激光。与本发明实施例类似的，偏置控制器连接MZM的偏置电压接口、为MZM提供偏置电压，RF信号发生器连接MZM的RF信号接口、为MZM提供用于调制激光的RF信号。

对于图2中的MZM的偏置控制系统而言，该系统工作时，偏置控制器监测的是MZM的输出光功率与输入光功率的比值。此处假设MZM的固有损耗全部忽略，MZM的功率损失可表示为：

其中，P_out是MZM输出的光功率，P_in是MZM输入的光功率，J₀(m)是一类贝塞尔函数的零阶，是偏置角度，m是MZM的调制深度，具体定义为m＝πV_in/V_π，其中，V_π是MZM的半波电压、V_in是输入MZM的RF信号的幅度。

式(1)表明，只要MZM不工作在正交偏置点，MZM的功率损失随着调制深度的变化而变化。因J₀(m)≈1-(m/2)²，当调制深度m很小时(接近0)，MZM的功率损失近似不变，所以图2所示的偏置控制系统的偏置控制能力发挥作用，即偏置角度保持不变。

具体的，可对图2所示的MZM的偏置控制系统进行仿真。依次假设MZM的半波电压V_π为5V、15V和25V，分别在偏置角度为-20°、-50°和-80°的情况下进行仿真，MZM的功率损失随着输入MZM的RF信号功率变化的仿真如图3所示。

由图3可知，MZM的功率损失的程度取决于MZM的偏置角度比对偏置角度为-20°、-50°(此时V_π为15V和25V的仿真曲线重合)和-80°(此时三条曲线重合)的仿真情况可知，当偏置角度靠近0，即MZM的正交偏置点时，MZM的功率损失变化很小，几乎为零；当偏置角度靠近-90°，即最低偏置点时，若输入的RF信号的功率变化越大，MZM的功率损失变化越大；而且半波电压V_π越小，MZM的功率损失变化也越大。

对于图2所示的MZM的偏置控制系统而言，假设MZM的功率损失不变，随着输入MZM的RF信号功率的增大，实际上MZM的偏置角度已经发生漂移，实际的偏置角度可表示为：

其中，是MZM预设的偏置角度。

图4表示在不同预设的偏置角度情况下、实际的偏置角度随调制深度m变化的仿真图。可以看到，当预设的偏置角度由-20°变为-50°、变为-80°时，随着调制深度m的增加，实际的偏置角度逐渐偏向-90°，并且MZM的功率损失不再保持预定的稳定状态了。

对于图2所示的MZM的偏置控制系统而言，即使固定MZM的调制深度m不变，MZM在实际应用过程中的偏置角度也不稳定。因为反馈的偏置控制器是根据是实时监测到的MZM的功率损失，来实现偏置角度的调节，任何监测的误差都会导致偏置角度出现误差。偏置控制器根据检测到的MZM的功率损失控制偏置角度的具体理论表达如式(3)所示：

由式(3)知，当调制深度m很大(即RF信号的功率大于或等于10dB)时，偏置控制器的监测误差导致偏置角度发生偏移。

显然，对于图2所示的MZM的偏置控制系统而言，该偏置控制系统在稳定低偏置点时不够准确。即当光链路处于低偏置状态时，若偏置点真正得到稳定，实际输出的光功率是随着射频功率的变化而变化的；若MZM输出的光功率不变，当不断增加输入MZM的RF功率时，MZM的偏置点实际上不再是稳定的状态，而是发生了漂移。所以，在这种大调制深度状态下，图2所示的MZM的偏置控制系统实际上已经失效了。

而对于本发明实施例提供的MZM的偏置控制系统而言，MZM的调制效率随着调制频率的增加而减小，具体如下式所示：

$\left|H\right|\∝\frac{\sin \left({\mathrm{\ω\τ}}_d\right)}{{\mathrm{\ω\τ}}_d}---\left(4\right)$

式中τ_d是MZM的时延、|H|是调制效率、ω是调制频率。换种说法，相当于MZM的半波电压V_π增大时，由调制深度m导致的调制功率的损失变化可以得到抑制，即RF频率的增加不会引起偏置角度的变化。即使RF频率达到GHz级别，偏置角度依然比较稳定。说明本发明实施例提供的MZM在调制深度较大、低偏置点时，仍然有理想的偏置角度的控制、锁定效果。

为了证明本发明实施例提供的MZM的偏置控制系统相对于图2所示的MZM偏置控制系统的优越性，下面将在相同条件下，分别针对图2所示的MZM偏置控制系统和本发明实施例提供的偏置控制系统进行仿真。

本次仿真中，所使用的RF信号的频率为GHz级。第一光源(图2中的光源)输出的第一激光波长为1550nm，第二光源输出的第二激光波长为1552nm，MZM的半波电压V_π为4.9V。此次仿真中利用光功率计和频谱仪进行测量。

如图5所示，对于图2所示的MZM的偏置控制系统而言，RF信号的频率无论为5GHz、10GHz还是15GHz，偏置角度都会随着RF信号的功率的增大而急剧减小，甚至当输入RF信号的功率增大到10dB、RF信号的频率为5GHz时，偏置角度已经由原本RF功率为0时的-77°下降到-87°。即使是忽略仿真误差的理论值，也可看到偏置角度不稳定的情况。

而如图6所示，对于图1所示的本发明实施例提供的MZM的偏置控制系统而言，即使输入RF功率超过10dB，甚至高达20dB时，RF信号的频率无论为5GHz、10GHz还是15GHz，偏置角度基本保持稳定状态，低偏置点为-81°左右，偏移最大不超过2.6°，100分钟内测量角度的方差为0.82°。

综上，本发明实施例提供了一种马赫增德尔调制器的偏置控制系统，该马赫增德尔调制器用于调制第一激光，该偏置控制系统包括发出第二激光的第二光源和发出GHz级的射频信号的射频信号发生器，其中第二激光在马赫增德尔调制器中的传播方向与第一激光相反。马赫增德尔调制器在射频信号的作用下，调制第二激光，由于第二激光此时的调制效率很低，以至于射频信号的功率的变化对马赫增德尔调制器的偏置角度无影响，特别是在调制深度较大的情况下，马赫增德尔调制器位于低偏置点工作时，可有效地锁定、控制马赫增德尔调制器的偏置角度。

进一步的，本发明实施例还提供了一种MZM的控制方法，该MZM包括输入接口和输出接口，用于调制第一光源发出的第一激光。该方法包括：

步骤S101、通过输出接口向MZM输出第二激光，第二激光与第一激光的波长不相等。

步骤S102、通过MZM的射频信号接口，向MZM提供GHz级的射频信号。

其中，MZM在射频信号的作用下调制所述第二激光，以控制MZM的偏置角度。

更进一步的，本发明实施例中，为马赫增德尔调制器提供GHz级的射频信号，同时为马赫增德尔调制器提供偏置电压，以保证马赫增德尔调制器可以正常工作。

虽然本发明所公开的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所公开的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种马赫增德尔调制器的偏置控制系统，所述马赫增德尔调制器包括输入接口和输出接口，所述输入接口连接第一光源，所述马赫增德尔调制器用于调制所述第一光源发出的第一激光，其特征在于，所述系统包括：

第二光源，连接所述马赫增德尔调制器的输出接口，用于通过所述输出接口向所述马赫增德尔调制器输出第二激光，其中，所述第二激光与所述第一激光的波长不相等；

射频信号发生器，连接所述马赫增德尔调制器的射频信号接口，用于为所述马赫增德尔调制器提供GHz级的射频信号；

其中，所述马赫增德尔调制器在所述射频信号的作用下调制所述第二激光，以控制所述马赫增德尔调制器的偏置角度。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括：

所述马赫增德尔调制器的偏置角度为-90°至0，且所述射频信号的功率大于或等于10dB。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，还包括：

偏置控制器，连接所述马赫增德尔调制器的偏置电压接口，用于在所述射频信号发生器为所述马赫增德尔调制器提供GHz级的射频信号时，为所述马赫增德尔调制器提供稳定的偏置电压。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，还包括：

第一环形器，包括三个接口，第一接口连接所述第一光源，第二接口连接所述马赫增德尔调制器的输入接口，第三接口连接所述偏置控制器的探测接口。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，还包括：

第二环形器，包括三个接口，第一接口连接所述第二光源，第二接口连接所述马赫增德尔调制器的输出接口。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，

所述第二光源发出的第二激光进入所述第二环形器的第一接口，自所述第二环形器的第二接口输出；自连接所述第二环形器的第二接口的所述输出接口输入所述马赫增德尔调制器，自所述输入接口输出；自连接所述输入接口的所述第一环形器的第二接口输入，自第三接口输出给所述偏置控制器的探测接口，供所述偏置控制器生成稳定的偏置电压。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，

所述偏置控制器包括连接探测模块、低通滤波模块、放大模块和微分积分处理模块；

所述探测模块连接所述偏置控制器的探测接口，接入来自所述马赫增德尔调制器的输入接口的第二激光；

所述低通滤波模块获取来自所述探测模块的第二激光，滤除所述第二激光中的噪音；

所述放大模块对滤除噪音后的第二激光进行放大处理；

所述微分积分处理模块根据所述放大处理后的第二激光生成偏置电压，并向所述马赫增德尔调制器的偏置电压接口输出稳定的偏置电压。

8.一种马赫增德尔调制器的偏置控制方法，所述马赫增德尔调制器包括输入接口和输出接口，所述输入接口连接第一光源，所述马赫增德尔调制器用于调制所述第一光源发出的第一激光，其特征在于，所述方法包括：

通过所述输出接口向所述马赫增德尔调制器输出第二激光，所述第二激光与所述第一激光的波长不相等；

通过所述马赫增德尔调制器的射频信号接口，向所述马赫增德尔调制器提供GHz级的射频信号；

其中，所述马赫增德尔调制器在所述射频信号的作用下调制所述第二激光，以控制所述马赫增德尔调制器的偏置角度。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，

所述马赫增德尔调制器的偏置角度为-90°至0，且所述射频信号的功率大于或等于10dB。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

当为所述马赫增德尔调制器提供GHz级的射频信号时，为所述马赫增德尔调制器提供偏置电压。