CN106209252B - 级联mzm任意点自动偏压控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了级联马赫‑增德尔调制器(MZM)的自动偏置控制装置及其自动偏置控制方法，该发明主要涉及光通信技术以及自动控制领域。级联MZM自动控制装置包括激光器、级联MZM、分光器、光电探测器以及偏压控制模块。偏压控制模块中输出导频信号进入第一个MZM中，受级联MZM调制后，经分光器、光电探测器转化为电信号进入偏压控制模块，在模块中对其进行放大、低通滤波处理后转换为数字信号进入MCU中进行快速傅里叶变换(FFT)，得到导频信号二阶、一阶分量比，利用导频法稳定第一个MZM工作点，利用直流分量检测法稳定第二个MZM。本发明通过分析级联MZM传输函数的特性，综合利用了导频法和直流分量检测法，在一个处理周期内先后实现对级联的两个MZM的任意点偏压控制。

Description

级联MZM任意点自动偏压控制方法

技术领域

本发明涉及光通信技术以及自动控制领域，特别涉及一种利用单个导频信号实现对两个级联马赫-曾德尔调制器(MZM)进行任意点偏压控制的方法。

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MZM作为RoF系统的核心器件，因其具有调制带宽大、损耗小、零啁啾等优点，而被广泛应用于光通信领域，其性能对整个系统信号传输质量起决定性作用。

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MZM的直流工作点发生漂移。理想情况下MZM的传输函数是非线性函数，当调制器的传输曲线发生缓慢的漂移后，输出信号的波形会发生显著变化，如信号产生非线性失真，严重影响到整个通信系统信号质量。

为解决上述问题，可以采用偏压控制系统，实时监控MZM工作点的变化，自动调节直流偏置电压，对直流工作点的漂移予以补偿，从而锁定直流工作点。目前主要的方法有导频信号法和直流功率检测法两种。

导频信号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MZM的直流电压端口上。经过MZM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将其和理论计算的结果进行比较，通过理论和实际的差别来对直流电压漂移量进行判别，然后进行相应的直流电压补偿，最终使得直流工作点稳定，达到偏压控制的目的。

直流功率检测法的主要原理是通过检测经过MZM之后的输出光电流的直流分量，然后通过计算理论值和实际值的差别，进而对直流漂移进行判断以及补偿。

在RoF系统中，经常面临两个MZM级联的应用。如两个级联的MZM分别调制时钟和NRZ/RZ数据，实现NRZ/RZ的高速光调制；利用两个级联的MZM分别对低频信号进行调制，光电检测后得到更高频率的毫米波；采用两个级联的MZM分别调制射频与本振信号，实现微波光子变频；采用两个级联的MZM分别对两种频率相差整数倍的本振信号进行调制，进而产生多线平坦光梳等。随着RoF技术研究的深入、应用的推广，两个MZM级联的系统会越来越多。

目前对于级联MZM主要偏压控制方式研究并不多。主流的做法采用两个独立的单MZM的偏压控制系统分别控制两个MZM，分别稳定每个MZM直流工作点。但这样做会增加整个通信系统的复杂度、提高系统的功耗和增大系统封装的体积，以及导频信号交调分量的存在会增加系统维护、调试的难度等。另一种方案是利用时分复用的方法，用单一的偏压控制算法，比如导频法，在每个周期的两个时隙内分别对两个MZM进行分别的判定以及补偿，这样做的问题在于需要利用时分复用技术对导频信号进行处理，导致偏压控制算法的复杂度增加。因此研究简单、高效的级联MZM偏压控制系统来稳定每个MZM的直流工作点是十分有必要的，也是在将RoF相关技术转化成系统产品的过程中迫切需要解决的问题。

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利用单个导频信号实现级联MZM偏压控制方法。该方案通过分析级联MZM的联合传输函数特性，用不同算法的先后实现了对两个MZM进行分析以及补偿，实现了一个处理周期内对级联MZM的任意点偏压控制。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：所述装置包括光源、射频信号源、直流电压源、MZM、光电探测器、偏压控制模块。光源的输出端口经过光纤和第一个MZM相连，该MZM的输出端级联第二个MZM；两路射频信号源分别接入级联的两个MZM的射频输入端口；第二个MZM的输出端口10∶90分光器相连，分光器90％的输出端口可以后续进行进一步的信号处理，也可以通过光电探测器和频谱分析仪相连进行分析，10％的输出端口和光电探测器相连；光电探测器的输出进入偏压控制模块中，偏压控制模块输两个输出端口分别和级联MZM的直流电压输入端口连接。

所述偏压控制模块由模拟前置放大电路、低通滤波器、模数转换电路、FPGA、数模转换电路、正弦波发生器、输出驱动电路等模块构成。

本发明的实施包括以下步骤：

1)从激光器发出波长为λ的光波通过保偏光纤注入到链路中。

2)偏压控制模块上电，首先进入调整模式，通过电压驱动输出步进电压分别对两个MZM进行扫描，得到半波电压V_π1，V_π2以及两个MZM直流电压和工作点对应关系；随后将级联的两个MZM控制在正交点，得到级联MZM衰减系数。然后分别设置射频信号、偏置电压的大小。

3)随后偏压控制模块进入偏压控制模式。将频率为f₁的高频信号、偏压控制模块输出的导频信号以及直流偏置电压输入到第一个MZM中，此时射频信号以及偏压控制模块的导频信号会对光信号进行调制，输出的光信号通过光纤进入到第二个MZM中，将频率为f₂的高频信号以及直流偏置电压输入其中对光信号进行第二次调制，此时导频信号调制后的谐波分量已经能够反映直流工作点漂移量，后续的处理就是将其提取分析；

4)第二个MZM输出的调制光信号通过一个10∶90的分光器，分光器90％的输出端口可以和后续处理链路连接，进行进一步的信号处理，也可以通过光电探测器连接到频谱仪上进行分析，分光器10％的输出端口输出的光信号经过光电探测器，将光信号转换为光电流，进入到偏压控制模块，进行检测分析；

5)在偏压控制模块中，对微弱光电流信号进行前置放大、低通滤波、数模转换等预处理之后，得到的数字信号进入到微控制单元(MCU)进行分析。

6)加入射频后，通过分析级联MZM的联合函数，首先通过快速傅里叶变换(FFT)得到直流、导频信号一、二阶分量的大小以及相位信息，然后通过二阶和一阶分量的比值，利用导频法计算出第一个MZM当前的偏置电压以及偏置电压产生的相移，随后利用相移这个中间变量以及直流分量，结合直流分量检测算法得出第二个MZM的偏压值。接下来偏置电压通过模数转换转换成模拟信号，第一个MZM的偏置电压通过驱动电路和导频信号一起输出到第一个MZM的直流电压输入端口，第二个MZM的偏置电压和直流电压直接输入到第二个MZM的直流电压输入端口，完成级联MZM的偏压控制，达到稳定级联MZM直流工作点的目的。

本发明提出了一种新型的对级联MZM进行偏压控制的方法，该方案分析级联MZM的联合传输函数特性，综合利用了导频法和直流分量检测法两种偏压控制算法来分别对两个MZM进行分析以及补偿，实现了利用单个导频信号实现对级联MZM的偏压控制功能。

与现有技术相比较，本发明的优点如下：

1)用单个偏压控制系统完成了对两个级联MZM的偏压控制，与分别利用单MZM偏压控制系统的方案相比，成本、复杂度大幅度降低；

2)通过分析级联MZM的联合函数特性，在一个处理周期内先后实现了对两个MZM的偏压控制，与传统时分复用的方案相比，控制算法复杂度相对简单，控制的实时性更好。

附图说明

图1为本发明单个导频信号实现级联MZM偏压控制的原理图，图2为偏压控制模块的内部功能模块组成图，图3为MCU中的偏压控制算法流程框图。

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为本发明在级联MZM中偏压控制的结构图。其中级联的MZM用于对光载波进行强度调制；分光器用于将输出调制光信号的小部分用作偏压控制，从而不影响光信号的正常后续处理分析；光电探测器用于将分光器的光信号转化为光电流；偏压控制模块用于检测、锁定级联MZM直流工作点，达到偏压控制的目的。

如图1所示，本实施例中，装置包括：光源、MZM1、射频信号源1、MZM2、射频信号源2、分光器、光电探测器、偏压控制模块。其中，偏压控制模块如图2所示，由前置放大器、低通滤波器、模数转换模块、MCU、数模转换模块、正弦波生成模块以驱动电路构成。光源的输出端口和MZM1相连，MZM1的输出端口级联MZM2，射频信号源1接入MZM1的射频输入端，射频信号源2接入MZM2的射频输入端，MZM2输出的调制光信号经过10∶90分光器，90％的光信号可以进行后续处理，而10％的光信号经过光电探测器将光信号转换成光电流，进入到偏压控制模块，通过如图3所示的偏压控制算法流程对两个MZM的直流工作点漂移进行检测，输出的偏置电压、导频信号相加后分别进入级联MZM的直流输入端口，进行直流电压补偿实现工作点锁定。

本实例中，具体偏压控制实施方法和原理包括以下步骤：

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MZM1。

步骤二：偏压控制模块上电，不加射频信号，首先进入调整模式。输出驱动电路分别对MZM1、MZM2用步进的直流电压进行扫描，在整个电压取值范围内，存储下各个步进电压值以及对应的直流分量，从而进一步分析得出当前两个MZM的的直流偏压V_DC1，V_DC2、半波电压V_π1，V_π2，以及检测的直流分量I。

步骤三：进入偏压控制模式，加入射频信号。其中射频信号源1输出的射频信号在调制器中产生的相移为直流偏压产生的相移为φ₁，偏压控制模块输出的导频信号为大小V_dither，频率为ω，则经过MZM1调制的光信号输出功率P_OUT1可表示为其中K₁是和MZM1插入损耗有关的系数。

步骤四：光信号进入到MZM2中进行二次调制，其中射频信号源2输出的射频信号在调制器中产生的相移为直流偏压产生的相移为φ₂，则输出功率P_OUT2可以表示为K₂是和MZM2插入损耗有关的系数。

步骤五：MZM2输出的调制光信号，通过分光器将10％的光信号输入到响应度为η的光电探测器中进行光电转换，则转换后得到的光电流信号进入偏压控制模块。

步骤六：光电流信号进入如图2所示的偏压控制模块之后先通过前置放大模块对经过光电转化后微小的谐波信号进行放大，随后进入模拟低通滤波器中对导频信号二阶谐波以上的分量进行滤除，各个谐波分量表达式如下所示，其中是I直流分量：

直流分量：T₀＝K[1+J₀(α)J₀(β)cos φ₁][1+J₀(γ)cos φ₂]

一阶谐波：I_1st＝K[-2J₀(β)·J₁(α)sin(φ₁)(1+J₀(γ)cos φ₂)]sin(ωt)

二阶谐波：T_2nd＝K[2J₀(β)J₂(α)cos(φ₁)(1+J₀(γ)cos φ₂)]cos(2ωt)

经过模数转换后进入FPGA中进行分析。

步骤七：FPGA中的偏压控制算法流程如图3所示，可以细分为以下步骤。

1)加入射频后对调制信号进行FFT，得到直流以及一、二阶谐波分量的大小和相位；计算出二阶谐波和一阶谐波大小的比值为可以看出，谐波的比值是MZM1直流偏置相移φ₁的余切函数，单调递减，对相位变化敏感，通过检测φ₁，给予相应的偏置电压输出V₁；

2)中间变量φ₁代入到直流分量I₀＝K[1+J₀(α)J₀(β)cos φ₁][1+J₀(γ)cos φ₂]中，在射频信号不变的情况下直流分量有关于φ₂，确定的大小，给予相应的补偿电压输出V₂。

步骤八：经过数模转换之后，V₁和正弦信号生成模块产生的正弦信号通过输出电压驱动电路输入到MZM1中，一方面实现直流工作点的补偿，另一方面利用导频信号再一次通过以上步骤，实现实时的偏压控制；V₂直接输出到MZM2中，实现对其直流工作点的补偿。

综上，本发明分析级联MZM的联合传输函数特性，综合利用了导频信号法和直流分量检测法两种偏压控制算法思想来分别对两个MZM进行分析以及补偿，实现了利用单个导频信号实现对级联MZM任意点的偏压控制功能，结构简单易于实现，价格低廉。

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.级联马赫-增德尔调制器MZM自动偏压控制方法，其特征在于：在第一个MZM的直流偏置口中加入导频信号，第二个MZM输出的一部分光信号经光电转换后，由偏压控制模块分析并进行偏压控制，该模块利用FFT分析直流分量和导频信号一、二阶分量的大小并调整调整直流偏压的大小，首先根据二阶和一阶分量的比值变化动态调整第一个MZM的直流偏压使其稳定在所需要的工作点，然后在第一个MZM工作点稳定的情况下，根据直流分量的变化动态调整第二个MZM的直流偏压使其稳定在所需要的工作点，最终使级联MZM克服工作点漂移正常稳定的工作。

2.根据权利要求1所述的级联马赫-增德尔MZM自动偏压控制方法，其特征在于：所述偏压控制模块实现的偏压控制方法分为调整模式和偏压控制模式：

第一阶段，首先进入调整模式，偏压控制模块开始工作后，微控制单元控制驱动电路输出步进电压分别对两个MZM进行扫描，记录步进电压值以及对应的直流功率、导频信号二阶和一阶谐波分量比，进一步得出衰减系数大小、直流偏置电压；

第二阶段，进入偏压控制模式，级联MZM加入射频信号后，MCU首先做快速傅里叶变换FFT得到直流分量以及导频信号的一、二阶谐波分量，计算二阶、一阶谐波比，进而通过导频法得出当前第一个MZM的直流工作点，和之前记录的直流工作点比较，进而通过增大或减小步进电压值输出新的直流偏置电压以稳定直流工作点；稳定第一个MZM之后，直流分量的大小只和第二个MZM的直流工作点有关，进而通过稳定直流分量的大小以锁定第二个MZM的直流工作点，实现单个导频信号对级联MZM任意点偏压控制功能。