CN105911723A - 基于Sagnac环的电光调制器偏压控制装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于控制电光调制器偏置电压的系统装置和方法，提出了一种基于萨格奈克(Sagnac)环和直流功率检测算法的自动偏压控制系统。该发明主要涉及光通信技术以及自动控制领域。该发明在光源输出端通过偏振控制器、偏振分束器将光载波分成两路进入到Sagnac环，其中顺时针光载波进行强度调制，而逆时针光载波因为电光调制器反向调制特性而没有被射频信号调制。Sagnac环输出光信号通过偏振控制器和偏振分束器使得未经过调制光信号经过光电探测器进入到偏压控制模块中，利用直流功率检测法可以对直流漂移进行判断和补偿，从而对调制器的直流工作点进行锁定。本方案通过Sagnac环克服了直流功率检测法受射频信号影响的缺陷，实现了射频信号无关的自动偏压控制。

Description

基于Sagnac环的电光调制器偏压控制装置和方法

技术领域

本发明涉及光通信技术以及自动控制领域，特别涉及一种基于萨格奈克(Sagnac)环实现电光调制器偏压控制的装置和方法。

背景技术

光载射频通信(RoF)技术利用光纤和高频无线电波各自的优点，实现低成本、大容量的射频信号光纤传输以及无线接入，是未来宽带接入发展的必然趋势。基于铌酸锂材料的电光调制器，因其具有调制带宽大、损耗小、零啁啾等优点，而被广泛应用于RoF系统，其性能对整个系统信号传输质量起决定性作用。

电光调制器的传输函数一般是正弦函数，由于调制材料以及结构的限制，热电效应、光折变效应、光电导效应、外部环境变化、结构形变等因素都会使得调制器的直流工作点发生漂移，输出信号的波形不符合预期，严重影响到整个通信系统信号质量。

为解决上述问题，当前的主流方案是通过偏压控制系统，实时监控调制器直流工作点的变化，自动调节直流偏置电压，从而锁定直流工作点。主要的方法有导频信号法和直流功率检测法两种。

导频法一般选用低频的正弦或者类正弦信号，将其与直流偏置电压一同输入到调制器的直流电压端口上。经过电光调制器调制，输出的光信号便带有导频信号的谐波分量，提取相关谐波信号之后计算二阶谐波和一阶谐波的比值，通过增大或减小直流电压保持谐波比不变，以此来稳定直流工作点，达到偏压控制的目的。导频法的优势是通过分析一、二阶谐波比可以消除射频信号变化对偏压控制算法的影响，但是缺点也很明显。首先，导频信号的大小需要很小，否则会和射频信号产生交调，产生非线性失真，影响信号调制质量；其次，经过调制后导频的谐波分量，尤其是二次以上谐波分量很小，对偏压点的判定会有一定的影响，降低控制精度。

直流功率检测法的主要原理是通过检测经过调制器之后的输出光电流的直流功率，然后通过计算理论值和实际值的差别，进而通过调整直流电压维持直流分量不变，以此锁定直流工作点。这种方法的优点在于不需要导频信号、直接检测，因此结构简单，成本较低，而且直流分量值较大，理论上可以实现较高精度的控制。但其最主要的缺点是直流分量受射频信号影响，特别是工作在最小工作点附近，当射频信号变化时，直流分量会随之发生明显变化，使得当保持直流分量不变时，不能锁定直流工作点，影响偏压控制。

发明内容

为了解决背景技术中所存在的技术问题，本发明提出了一种新型的基于Sagnac环的电光调制器偏压控制装置和方法。其中偏压控制模块基于直流功率检测算法，同时利用Sagnac环的特性配合偏振分束器使得进入偏压控制模块的光信号和射频信号无关，从而使得直流功率检测法对偏压自动控制不受射频信号大小变化的影响。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：基于Sagnac环的电光调制器偏压控制装置，包括可调激光器、偏振控制器、电光调制器、射频信号源、三光口环形器、Sagnac环、偏振分束器、光电探测器、偏压控制模块。光源的输出端口与偏振控制器相连，该偏振控制器的另一端通过环形器进入Sagnac环；射频信号的输出端与Sagnac环中电光调制器的射频输入端口相连；Sagnac环的输出端通过环形器后接另一个偏振控制器；该偏振控制器输出端口和另一个偏振分束器的输入端口连接，该偏振分束器输出端口的一路连接光电探测器，光电探测器的输出进入偏压控制模块，偏压控制模块的输出和Sagnac环中调制器的直流输入端口相连；而上述偏振分束器的另一路则另一光电探测器相连，输出端可以接频谱仪进行测试或者进行后续信号处理。

所述Sagnac环由偏振分束器、电光调制器、光纤构成。

所述偏压控制模块由前置放大电路、低通滤波器、模数转换电路、MCU处理单元、数模转换电路、驱动电路构成。

本发明在工作时包括以下步骤：

1)从激光器发出波长为λ的光波注入到偏振控制器中；

2)调节偏振控制器，将入射光信号调整为与偏振分束器的X、Y轴夹角分别为π/4的线偏振光。进入Sagnac环的入射光通过偏振分束器将偏振态分开，形成两路功率相等、偏振态正交的光信号，一路沿顺时针方向通过保偏光纤传输到电光调制器，另一路沿逆时针方向通过保偏光纤传输到电光调制器；

3)将频率为f的射频本振信号输入电光调制器中。此时沿着顺时针方向传输的光信号将得到调制，同时也会发生偏压漂移，而由于调制器的固有特性，反向传输不受高频信号调制，因此沿着逆时针方向传输的光信号没有得到调制，光信号的变化完全由直流工作点的漂移引起，和射频信号无关，因此该偏振态光信号的变化就可以反映直流工作点漂移情况；

4)从Sagnac环输出一对偏振态正交的光信号，经过光纤依次进入到偏振控制器和偏振分束器中，通过调整偏振控制器将这一对光信号分开，其中经过高频调制的光信号(即Sagnac环中顺时针传输信号)通过光电探测器转换后进行后续的信号处理；而没有调制的光信号(即Sagnac环中逆时针传输信号)通过电探测器转换成光电流之后，进入到偏压控制模块；

5)在偏压控制模块中，对信号做放大、滤波等预处理之后，利用直流功率检测法对实际信号的直流分量进行计算并和理论设定的值进行比较，通过增大或者减小直流电压来保持直流分量不变，以此来对调制器的直流工作点进行锁定；

6)偏压控制模块输出的直流电压进入到Sagnac环中调制器的直流输入端口，实现稳定直流工作点的目的。

本发明提出了一种新型的对电光调制器进行偏压控制的方法，该方案利用光信号的偏振特性以及调制器的反向调制特性，通过Sagnac环结构、直流功率检测算法实现了射频信号无关的高精度偏压控制。

与现有技术相比较，本发明的优点如下：

1)利用了直流功率检测算法，和导频信号法比较，检测的直流分量较大，可以实现较高精度的偏压控制，同时不需要导频信号，算法简单，成本较低、不会对有用信号添加干扰；

2)与常规直流功率检测方法相比，本方法不受射频信号变化影响。

附图说明

图1为本发明利用Sagnac环和偏压控制模块进行偏压控制的原理图，图2为偏压控制模块的内部结构组成，图3为电光调制器输出特性曲线漂移示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例：

图1为本发明利用Sagnac环和偏压控制模块进行偏压控制的系统链路原理图。其中电光调制器用于对光载波信号进行强度调制；Sagnac环将光载波分为两路，将正向调制的光信号和反向未调制的光载波进行偏振复用后输出；随后的偏振控制器和偏振分束器用来分离正向经过调制器调制的光信号和反向未调制的光载波。

如图1所示，本实施例中，装置包括：光源、射频信号源、偏振控制器1、环形器、Sagnac环、偏振控制器2、偏振分束器2、光电探测器1、光电探测器2、偏压控制模块。其中Sagnac环由电光调制器以及偏振分束器1构成。偏压控制模块如图2所示，由前置放大电路、低通滤波器、模数转换电路、MCU处理单元、数模转换电路、驱动电路等电路模块构成。光源的输出端口与偏振控制器1相连，偏振控制器1的输出端口通过环形器接入Sagnac环，射频信号源的输出端与Sagnac环中调制器的射频输入端相连，从Sagnac环输出的光信号通过环形器后通过偏振控制器2输入到偏振分束器2中，偏振分束器2的其中一个端口输出未经过调制的光载波，连接光电探测器1；偏振分束器2的另一个端口输出经过调制的光信号，和光电探测器2连接，进行后续处理；光电探测器1的输出端口和偏压控制模块相连，信号进入偏压控制模块，通过前置放大、低通滤波、模数转换后进入MCU处理单元，利用直流功率检测法进行偏压判断，再通过数模转换、驱动电路后通过输出端口输出补偿电压以及直流偏置电压到Sagnac环中调制器的直流电压输入端口，实现自动偏压控制。

本实例中，方法的具体实施步骤是：

步骤一：光源产生工作波长为1550nm、功率为P_IN的连续光波，连续光波输入到偏振控制器1中，经过偏振控制器1后输入环形器。调节偏振控制器1，使光载波以与偏振分束器两轴分别成45度角入射，从而使得偏振分束器的两路输出光功率相等。

步骤二：偏振分束器输出的顺时针的光信号通过保偏光纤正向进入到电光调制器中，该路光载波得到强度调制，同时也会发生直流工作点漂移。偏振分束器输出的逆时针的光信号通过保偏光纤反向进入到电光调制器中，根据电光调制器的特性，该路光载波不会被射频信号调制，因此反向偏振态的光信号经过MZM后，和射频信号大小无关，能够真实反映调制器直流工作点。正反向的两路光信号再次到达偏振分束器1后合成一路光信号，经过环形器之后通过端口3输出到传输链路上。

步骤三：从环形器端口3输出的光信号通过偏振控制器2以及偏振分束器2，使光信号以与偏振分束器两轴分别成45度角入射，从而得到Sagnac环中正向和反向经过调制器的光信号。

步骤四：从偏振分束器2输出的正向经过调制器、得到有效调制的光信号，经过光电探测器1之后可以进行后续的处理。

步骤五：从偏振分束器2输出的反向经过调制器、未得到调制的光载波，经过光电探测器2之后，进入到偏压控制模块中进行工作点判断以及偏压输出。具体步骤如下：

1)光电转化之后的微弱光信号首先经过前置放大器；

2)放大后信号进入低通滤波器，滤除高频噪声；

3)滤波后的信号通过模数转换模块，转化为数字信号；

4)数字信号进入MCU处理单元中，采用直流功率检测算法，通过增大或者减小直流电压保持直流分量不变，以此锁定直流工作点；

5)模数转换之后，利用驱动电路向调制器的直流端口输出经过偏压控制后的直流电压，实现调制器自动偏压控制。

综上，本发明针对直流功率检测法和直流功率检测法这两种偏压控制方法的局限，提出了一种基于Sagnac环中电光调制器双向调制的偏压控制链路系统，使得进入偏压控制模块的光功率不受射频信号影响，只和直流偏压有关，从而利用直流功率检测法可以进行自动偏压控制。

总之，以上所述实施方案仅为本发明的实施例而已，并非仅用于限定本发明的保护范围，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在本发明公开的内容上，还可以做出若干等同变形和替换，这些等同变形和替换以及频率范围的调整也应视为本发明保护的范围。

Claims (2)

1.一种基于直流功率检测法，利用萨格奈克(Sagnac)环实现电光调制器自动偏压控制装置，包括光源、射频信号源、环形器、Sagnac环、偏振控制器、偏振分束器、光电探测器、偏压控制模块。其特征在于：Sagnac环设置在光源的出射光路上，且与光路之间连接有一个偏振控制器以及环形器，Sagnac环输出端依次连接一个偏振控制器和偏振分束器，偏振分束器的一路输出可以进行后续的信号处理，偏振分束器的另一路输出进入偏压控制模块，利用直流功率检测法进行直流工作点的锁定，偏压控制模块的输出端和Sagnac环中的调制器直流输入端相连。

所述Sagnac环由偏振分束器，电光调制器构成。Sagnac环中的偏振分束器将从环形器输出的光载波分为两路，其中一路在Sagnac环内通过保偏光纤沿顺时针方向传输，另一路在环内通过保偏光纤沿逆时针方向传输，由于电光调制器的固有的调制特性，沿顺时针方向进入调制器的光载波得到调制，而逆时针方向进入的光载波没有得到调制，只受到直流漂移的影响，两路信号在偏振分束器处合成一路光信号从Sagnac环输出。

所述Sagnac环后连接有偏振控制器和偏振分束器，通过调节偏振控制器，使得偏振分束器其中一个端口输出的是经过调制光信号，而另一个输出端口输出未经过调制光信号。调制光信号进行后续处理分析，而只受到直流漂移影响的未经调制的光信号通过光电探测器进行光电转化后进入偏压控制模块。

所述偏压控制模块由前置放大器、低通滤波器、模数转换模块、MCU处理单元、数模转换器、驱动电路构成。微弱电信号进入偏压控制模块中先通过前置放大电路进行放大处理，随后通过低通滤波电路除去高频噪声，通过模数转换模块将模拟信号转化为数字信后后进入到MCU进行处理，利用直流功率检测法，通过调整直流电压来稳定直流分量的大小，以此锁定调制器的直流工作点，并经过驱动电路输出当前直流偏置电压。

2.根据权利要求1所述的自动偏压控制装置，其特征在于：Sagnac环中连接偏振分束器与电光调制器的光纤为保偏光纤。