CN106483685B - 一种光调制器偏置控制装置及方法 - Google Patents

一种光调制器偏置控制装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种光调制器(MZM)偏置控制装置及方法，所述装置包括光源、光调制器、输入监测模块、输出监测模块和反馈控制模块；所述装置采用监测MZM输入、输出光功率变化的无调制控制方法，利用不同波长的激光在调制器中半波电压不同的特性，在承载射频信号的激光传递函数曲线不能作为锁定参考时，切换参考至另一波长的激光的传递函数曲线，从而实现MZM任意偏置点的无调制锁定。

Description

一种光调制器偏置控制装置及方法
技术领域
本发明应用于激光通信领域，涉及一种基于波分复用多波长检测的电光调制器控制装置及方法。
背景技术
电光调制器往往是微波光子系统中的核心部件，马赫增德尔调制器(Mach-Zehnder Modulator：MZM)在高速光通信系统中的应用尤其普遍。光调制器的工作状态和性能会受到多种因素影响，例如环境温度变化、应力变化和振动等。而且由于MZM双臂存在不平衡，初始偏置点不确定。因此需要偏置点控制电路辅助控制，确保MZM能够稳定工作。
此外，在不同的应用场景下，MZM需要偏置到不同的状态；例如数字光通信中，MZM工作在正交偏置点时性能最优；而在某些需要采用抑制载波调制的系统中，MZM需要偏置到零点；在另一些需要提高动态范围的应用中，则通常使用低偏置技术。因此，需要开发能够用于任意偏置点的MZM偏置控制装置。
MZM偏置控制装置通常通过监测MZM的输出光功率变化来获取。现有的偏置控制方式分为两类，一种是通过对调制器施加微扰信号，通过调制解调的方法获取斜率信息，从而实现负反馈锁定，称为调制锁定(dither-lock)方式；另一种通过比较通过MZM前后的光功率变化，获取偏置点信息，实现负反馈锁定，称为无调制(dither-free)锁定方式。Dither-lock方式不可避免地引入微扰信号，从而使信号频谱出现杂散，在某些高动态范围应用中劣势明显；dither-free方式虽然不引入微扰，但由于输出光功率与输入光功率的比值，在极值点处，例如最高点(peak)和最低点(null)，斜率趋近于0，特别地，在null点处，不仅斜率为零，光功率也近似为零，基本无法获取有效的误差信号，负反馈锁定效果不佳甚至完全无法锁定。
基于上述情况，需要开发一种既不引入扰动，又可以在任意偏置点实现锁定的光调制器偏置控制装置。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于WDM双波长检测的非调制MZM控制装置和控制方法。
为解决上述问题，本发明采用的技术方案为：
一种光调制器偏置控制装置，包括:光源1和光调制器3；其特征在于，还包括输入监测模块2、输出监测模块4和反馈控制模块5；
光源1用于产生第一激光信号和第二激光信号并输出至输入监测模块2；
输入监测模块2用于分别将第一激光信号和第二激光信号的功率分离成两部分，分别将第一激光信号和第二激光信号的一部分进行光电转换，产生第一电压信号和第二电压信号输出至反馈控制模块5；同时，将第一激光信号和第二激光信号的另一部分合为一路输入光信号输出至光调制器3；
输出监测模块4用于将输出光信号分离成第三激光信号和第四激光信号，将第三激光信号的功率分离成两部分，一部分进行光电转换，产生第三电压信号输出至反馈控制模块5，另一部分输出至外部；将第四激光信号进行光电转换产生第四电压信号输出至反馈控制模块5；反馈控制模块5用于将第三电压信号与第一电压信号做除法，获得第一相对强度信号，将第四电压信号与第二电压信号做除法，获得第二相对强度信号，分别根据第一相对强度信号和第二相对强度信号的变化获得第一传递函数曲线和第二传递函数曲线，根据第一传递函数曲线和第二传递函数曲线计算出锁定的偏置电压输出至光调制器3；
光调制器3用于根据反馈控制单元5输入的锁定的偏置电压或初始偏置电压设定静态工作点，在设定的静态工作点的基础上，将外部输入的射频信号调制到输入光信号上，产生输出光信号并输出至输出监测模块4。
其中，输入监测模块2包括第一光耦合器6、第一光电探测器7、第二光耦合器8、第二光电探测器9和波分复用合路器10；第一光耦合器6用于将第一激光信号的功率分离成两部分，将分离出的一部分激光信号输出至第一光电探测器7，将分离出的另一部分激光信号输出至波分复用合路器10；第一光电探测器7用于将第一光耦合器6分离出的一部分激光信号转化为第一电压信号，并输出至反馈控制模块5；第二光耦合器8用于将第二激光信号的功率分离出成两部分，将分离出的一部分激光信号输出至第二光电探测器9，将分离出的另一部分激光信号输出至波分复用合路器10；第二光电探测器9用于将第二光耦合器8分离出的一部分激光信号转化为第二电压信号，并输出至反馈控制模块5；波分复用合路器10用于将输入的两路激光信号合为一路输入光信号输出至光调制器3。
其中，输出监测模块4包括波分复用分路器11、第三光耦合器12、第三光电探测器13和第四光电探测器14；波分复用分路器11用于将光调制器3输出的输出光信号分为第三激光信号和第四激光信号，将第三激光信号输出至第三光耦合器12，将第四激光信号输出至第四光电探测器14；第三光耦合器12用于第三激光信号分离成两部分激光信号，并将一部分激光信号输出至第三光电探测器13，将另一部分激光信号输出至外部；第三光电探测器13用于将第三光耦合器12分离出的一部分激光信号转化为第三电压信号，并输出至反馈控制模块5；第四光电探测器14用于将第四激光信号转化为第四电压信号，并输出至反馈控制模块5。
其中，反馈控制模块5根据第一传递函数曲线和第二传递函数曲线计算出锁定的偏置电压的方式为，反馈控制模块5根据设定的工作点判断第一函数曲线是否可进行锁定，若是，则根据第一函数曲线计算出偏置电压输出至光调制器，否则，根据设定的工作点判断第二函数曲线是否可进行锁定，若是，则根据第二函数曲线计算出偏置电压输出至光调制器，否则，判断是否可在相邻周期相同的工作点上进行锁定，若是，则输出相邻周期相同的工作点上锁定的偏置电压至光调制器。
一种光调制器偏置控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)光源产生第一激光信号和第二激光信号并输出至输入监测模块；
(2)输入监测模块分别将第一激光信号和第二激光信号的功率分离出一部分进行光电转换，产生第一电压信号和第二电压信号输出至反馈控制模块；同时，将第一激光信号和第二激光信号合成为一路输出至光调制器；
(3)光调制器根据初始偏置电压设定静态工作点，在设定的静态工作点的基础上，将外部输入的射频信号调制到输入的输入光信号上，产生输出的光信号并输出至输出监测模块；
(4)输出监测模块将输出光信号分离成第三激光信号和第四激光信号，并将第三激光信号分离成两部分激光信号，将一部分激光信号进行光电转换产生第三电压信号输出至反馈控制模块，将另一部分激光信号输出至外部；将第四电压信号进行光电转换产生第四电压信号输出至反馈控制模块；
(5)反馈控制模块将第三电压信号与第一电压信号做除法，获得第一相对强度信号，将第四电压信号与第二电压信号做除法，获得第二相对强度信号，根据第一相对强度信号和第二相对强度信号的变化分别对应获取第一传递函数曲线和第二传递函数曲线；
(6)反馈控制模块分别判断第一传递函数曲线和第二传递函数曲线是否可进行锁定，若是，则计算出锁定的偏置电压，将锁定的偏置电压将输出至光调制器，执行步骤(7)；否则转入步骤(3)；
(7)光调制器根据反馈控制模块输入的锁定的偏置电压设定静态工作点，在设定的静态工作点的基础上，将外部输入的射频信号调制到输入的输入光信号上，产生输出的光信号并输出至输出监测模块，转入步骤(4)。
其中，步骤(6)具体为：反馈控制模块根据设定的工作点判断第一函数曲线是否可进行锁定，若是，则根据第一函数曲线计算出偏置电压输出至光调制器，否则，根据设定的工作点判断第二函数曲线是否可进行锁定，若是，则根据第二函数曲线计算出偏置电压输出至光调制器，否则，判断是否可在相邻周期相同的工作点上进行锁定，若是，则输出相邻周期相同的工作点上锁定的偏置电压至光调制器，执行步骤(7)，否则转入步骤(3)。
本发明与现有技术相比优点为：
本发明相对于有调制锁定(dither-lock)的方法，不会引入调制频率干扰；相对于一般的单波长检测无调制锁定(dither-free)方法，可以实现锁定在输入输出传递函数的峰值点(peak)或谷值点(null)及其邻近的低斜率区域，实现任意偏置点无调制锁定。
附图说明
图1为本发明的装置结构图。
图2为本发明输入监测模块结构图。
图3为本发明输出监测模块结构图。
图4为本发明中不同波长的光经过MZM的传递函数曲线。
具体实施方式
现结合附图1-4对本发明进行详细描述。
如图1所示为本发明的装置结构图，一种光调制器偏置控制装置，包括:光源1、光调制器3、输入监测模块2、输出监测模块4和反馈控制模块5；
光源1用于产生第一激光信号和第二激光信号,波长分别对应为λ1和λ2，并输出至输入监测模块2；
输入监测模块2用于分别将第一激光信号和第二激光信号的功率分离成两部分，分别将第一激光信号和第二激光信号的一部分进行光电转换，产生第一电压信号和第二电压信号输出至反馈控制模块5；同时，将第一激光信号和第二激光信号的另一部分合为一路输入光信号输出至光调制器3；
输出监测模块4用于将输出光信号分离成第三激光信号和第四激光信号，波长分别对应为λ1和λ2，将第三激光信号的功率分离成两部分，一部分进行光电转换，产生第三电压信号输出至反馈控制模块5，另一部分输出至外部；将第四激光信号进行光电转换产生第四电压信号输出至反馈控制模块5；反馈控制模块5用于将第三电压信号与第一电压信号做除法，获得第一相对强度信号，将第四电压信号与第二电压信号做除法，获得第二相对强度信号，分别根据第一相对强度信号和第二相对强度信号的变化获得第一传递函数曲线和第二传递函数曲线，根据第一传递函数曲线和第二传递函数曲线计算出锁定的偏置电压输出至光调制器3；具体为：反馈控制模块5根据第一传递函数曲线和第二传递函数曲线计算出锁定的偏置电压的方式为，反馈控制模块5根据设定的工作点判断第一函数曲线是否可进行锁定，若是，则根据第一函数曲线计算出偏置电压输出至光调制器，否则，根据设定的工作点判断第二函数曲线是否可进行锁定，若是，则根据第二函数曲线计算出偏置电压输出至光调制器，否则，判断是否可在相邻周期相同的工作点上进行锁定，若是，则输出相邻周期相同的工作点上锁定的偏置电压至光调制器。
光调制器3用于根据反馈控制单元5输入的锁定的偏置电压或初始偏置电压设定静态工作点，在设定的静态工作点的基础上，将外部输入的射频信号调制到输入光信号上，产生输出光信号并输出至输出监测模块4。
其中，如图2所示，输入监测模块2包括第一光耦合器6、第一光电探测器7、第二光耦合器8、第二光电探测器9和波分复用合路器10；第一光耦合器6用于将波长为λ1的第一激光信号功率分离成两部分，将分离出的一部分激光信号输出至第一光电探测器7，将分离出的另一部分激光信号输出至波分复用合路器10；第一光电探测器7用于将第一光耦合器6分离出的一部分激光信号转化为第一电压信号，并输出至反馈控制模块5；第二光耦合器8用于将波长为λ2的第二激光信号的功率分离出成两部分，将分离出的一部分激光信号输出至第二光电探测器9，将分离出的另一部分激光信号输出至波分复用合路器10；第二光电探测器9用于将第二光耦合器8分离出的一部分激光信号转化为第二电压信号，并输出至反馈控制模块5；波分复用合路器10用于将输入的两路激光信号合为一路输入光信号输出至光调制器3。
其中，如图3所示，输出监测模块4包括波分复用分路器11、第三光耦合器12、第三光电探测器13和第四光电探测器14；波分复用分路器11用于将光调制器3输出的输出光信号分为波长为λ1的第三激光信号和波长为λ2的第四激光信号，将第三激光信号输出至第三光耦合器12，将第四激光信号输出至第四光电探测器14；第三光耦合器12用于第三激光信号分离成两部分激光信号，并将一部分激光信号输出至第三光电探测器13，将另一部分激光信号输出至外部；第三光电探测器13用于将第三光耦合器12分离出的一部分激光信号转化为第三电压信号，并输出至反馈控制模块5；第四光电探测器14用于将第四激光信号转化为第四电压信号，并输出至反馈控制模块5。
一种光调制器偏置控制方法，包括以下步骤：
(1)光源产生第一激光信号和第二激光信号并输出至输入监测模块；
(2)输入监测模块分别将第一激光信号和第二激光信号的功率分离出一部分进行光电转换，产生第一电压信号和第二电压信号输出至反馈控制模块；同时，将第一激光信号和第二激光信号合成为一路输出至光调制器；
(3)光调制器根据初始偏置电压设定静态工作点，在设定的静态工作点的基础上，将外部输入的射频信号调制到输入的输入光信号上，产生输出的光信号并输出至输出监测模块；
(4)输出监测模块将输出光信号分离成第三激光信号和第四激光信号，并将第三激光信号分离成两部分激光信号，将一部分激光信号进行光电转换产生第三电压信号输出至反馈控制模块，将另一部分激光信号输出至外部；将第四电压信号进行光电转换产生第四电压信号输出至反馈控制模块；
(5)反馈控制模块将第三电压信号与第一电压信号做除法，获得第一相对强度信号，将第四电压信号与第二电压信号做除法，获得第二相对强度信号，根据第一相对强度信号和第二相对强度信号的变化分别对应获取第一传递函数曲线和第二传递函数曲线；
(6)反馈控制模块分别判断第一传递函数曲线和第二传递函数曲线是否可进行锁定，若是，则计算出偏置电压，将偏置电压将输出至光调制器，执行步骤(7)；否则转入步骤(3)；具体为：反馈控制模块根据设定的工作点判断第一函数曲线是否可进行锁定，若是，则根据第一函数曲线计算出偏置电压输出至光调制器，否则，根据设定的工作点判断第二函数曲线是否可进行锁定，若是，则根据第二函数曲线计算出偏置电压输出至光调制器，否则，判断是否可在相邻周期相同的工作点上进行锁定，若是，则输出相邻周期相同的工作点上锁定的偏置电压至光调制器，执行步骤(7)，否则转入步骤(3)。
(7)光调制器根据反馈控制模块输入的锁定的偏置电压设定静态工作点，在设定的静态工作点的基础上，将外部输入的射频信号调制到输入的输入光信号上，产生输出的光信号并输出至输出监测模块，转入步骤(4)。
如图4，对于闭环负反馈系统，其锁定精度取决于传递函数的斜率，一般来说，斜率越大，锁定精度越高；在曲线斜率较小甚至为零，或是非单调区域，如图2中204、205所示的偏置点，负反馈系统无法正常工作。因此，对于dither-free方式，在极大值peak和极小值null点，以及其临近区域，系统无法实现锁定。
选择与通信波长λ1不同的λ2作为辅助信号，因MZM半波电压特性与激光波长成反比，不同波长的激光在MZM中的传递函数曲线不同。扫描偏置电压，并分别采集四个光电探测器的输出电压信号，使用第三光电探测器输出电压信号除以第一光电探测器输出的电压信号，获得强度信号1，使用第四光电探测器输出电压信号，除以第二光电探测器输出的电压信号，获得相对强度信号2，使用相对强度信号1、相对强度信号2对偏置电压作图，会获取不同的传递函数曲线，两曲线周期不同，在λ1曲线201出现peak和null点的位置，λ2曲线202可能不在极值点。因此，可以将原本通过λ1获取误差信息实现锁定的过程，转移至λ2曲线上，将系统锁定在与λ1曲线peak和null点对应的位置。
由于需要λ1曲线和λ2曲线的对应关系，在初始化过程中，需要获取λ1和λ2曲线的相互关系。可通过扫描偏置电压，并同时记录第一、第二、第三、第四光电探测器采集到的功率变化来实现。在系统初始化时首先进行偏置电压扫描，并记录相关曲线。
需要注意的是，虽然λ1曲线和λ2曲线周期不同，但在满足公倍数关系的点，仍然会出现极值点重合或接近的情况。但只需选择合适的波长差，即可使得在极值点重合位置的临近周期处，λ1曲线的极值点对应λ2曲线斜率较大的区域。
为了获取更好地锁定性能，可按照以下原则设计控制程序流程：
若需要锁定在null点，则需要进行判断，如果锁定点处于λ2曲线斜率较小的区域，则需要向左或者向右搜索相邻的null点，进行锁定。扫描过程中需保证输出电压不超过负反馈模块的输出电压范围。若有多个可满足的点，选择λ2曲线斜率较大，且靠近偏置电压输出区间中点的一个，以获取足够的动态范围，防止突发干扰导致的系统失锁。
若需要锁定在正交点(207、208)，则直接参考λ1曲线进行处理。更一般地，对于任意点锁定的情况，可以在λ1和λ2中选取较优的一条进行锁定。

Claims (6)

1.一种光调制器偏置控制装置，包括:光源(1)和光调制器(3)；其特征在于，还包括输入监测模块(2)、输出监测模块(4)和反馈控制模块(5)；
光源(1)用于产生第一激光信号和第二激光信号并输出至输入监测模块(2)；
输入监测模块(2)用于分别将第一激光信号和第二激光信号的功率分离成两部分，分别将第一激光信号和第二激光信号的一部分进行光电转换，产生第一电压信号和第二电压信号输出至反馈控制模块(5)；同时，将第一激光信号和第二激光信号的另一部分合为一路输入光信号输出至光调制器(3)；
输出监测模块(4)用于将输出光信号分离成第三激光信号和第四激光信号，将第三激光信号的功率分离成两部分，一部分进行光电转换，产生第三电压信号输出至反馈控制模块(5)，另一部分输出至外部；将第四激光信号进行光电转换产生第四电压信号输出至反馈控制模块(5)；反馈控制模块(5)用于将第三电压信号与第一电压信号做除法，获得第一相对强度信号，将第四电压信号与第二电压信号做除法，获得第二相对强度信号，分别根据第一相对强度信号和第二相对强度信号的变化获得第一传递函数曲线和第二传递函数曲线，根据第一传递函数曲线和第二传递函数曲线计算出锁定的偏置电压输出至光调制器(3)；
光调制器(3)用于根据反馈控制模块(5)输入的锁定的偏置电压或初始偏置电压设定静态工作点，在设定的静态工作点的基础上，将外部输入的射频信号调制到输入光信号上，产生输出光信号并输出至输出监测模块(4)。
2.根据权利要求1所述的一种光调制器偏置控制装置，其特征在于，输入监测模块(2)包括第一光耦合器(6)、第一光电探测器(7)、第二光耦合器(8)、第二光电探测器(9)和波分复用合路器(10)；第一光耦合器(6)用于将第一激光信号的功率分离成两部分，将分离出的一部分激光信号输出至第一光电探测器(7)，将分离出的另一部分激光信号输出至波分复用合路器(10)；第一光电探测器(7)用于将第一光耦合器(6)分离出的一部分激光信号转化为第一电压信号，并输出至反馈控制模块(5)；第二光耦合器(8)用于将第二激光信号的功率分离出成两部分，将分离出的一部分激光信号输出至第二光电探测器(9)，将分离出的另一部分激光信号输出至波分复用合路器(10)；第二光电探测器(9)用于将第二光耦合器(8)分离出的一部分激光信号转化为第二电压信号，并输出至反馈控制模块(5)；波分复用合路器(10)用于将输入的两路激光信号合为一路输入光信号输出至光调制器(3)。
3.根据权利要求1所述的一种光调制器偏置控制装置，其特征在于，输出监测模块(4)包括波分复用分路器(11)、第三光耦合器(12)、第三光电探测器(13)和第四光电探测器(14)；波分复用分路器(11)用于将光调制器(3)输出的输出光信号分为第三激光信号和第四激光信号，将第三激光信号输出至第三光耦合器(12)，将第四激光信号输出至第四光电探测器(14)；第三光耦合器(12)用于第三激光信号分离成两部分激光信号，并将一部分激光信号输出至第三光电探测器(13)，将另一部分激光信号输出至外部；第三光电探测器(13)用于将第三光耦合器(12)分离出的一部分激光信号转化为第三电压信号，并输出至反馈控制模块(5)；第四光电探测器(14)用于将第四激光信号转化为第四电压信号，并输出至反馈控制模块(5)。
4.根据权利要求1所述的一种光调制器偏置控制装置，其特征在于，反馈控制模块(5)根据第一传递函数曲线和第二传递函数曲线计算出锁定的偏置电压的方式为，反馈控制模块(5)根据设定的工作点判断第一函数曲线是否可进行锁定，若是，则根据第一函数曲线计算出偏置电压输出至光调制器，否则，根据设定的工作点判断第二函数曲线是否可进行锁定，若是，则根据第二函数曲线计算出偏置电压输出至光调制器，否则，判断是否可在相邻周期相同的工作点上进行锁定，若是，则输出相邻周期相同的工作点上锁定的偏置电压至光调制器。
5.一种光调制器偏置控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)光源产生第一激光信号和第二激光信号并输出至输入监测模块；
(2)输入监测模块分别将第一激光信号和第二激光信号的功率分离出一部分进行光电转换，产生第一电压信号和第二电压信号输出至反馈控制模块；同时，将第一激光信号和第二激光信号合成为一路输出至光调制器；
(3)光调制器根据初始偏置电压设定静态工作点，在设定的静态工作点的基础上，将外部输入的射频信号调制到输入的输入光信号上，产生输出的光信号并输出至输出监测模块；
(4)输出监测模块将输出光信号分离成第三激光信号和第四激光信号，并将第三激光信号分离成两部分激光信号，将一部分激光信号进行光电转换产生第三电压信号输出至反馈控制模块，将另一部分激光信号输出至外部；将第四激光信号进行光电转换产生第四电压信号输出至反馈控制模块；
(5)反馈控制模块将第三电压信号与第一电压信号做除法，获得第一相对强度信号，将第四电压信号与第二电压信号做除法，获得第二相对强度信号，根据第一相对强度信号和第二相对强度信号的变化分别对应获取第一传递函数曲线和第二传递函数曲线；
(6)反馈控制模块分别判断第一传递函数曲线和第二传递函数曲线是否可进行锁定，若是，则计算出锁定的偏置电压，将锁定的偏置电压将输出至光调制器，执行步骤(7)；否则转入步骤(3)；
(7)光调制器根据反馈控制模块输入的锁定的偏置电压设定静态工作点，在设定的静态工作点的基础上，将外部输入的射频信号调制到输入的输入光信号上，产生输出的光信号并输出至输出监测模块，转入步骤(4)。
6.根据权利要求5所述的一种光调制器偏置控制方法，其特征在于，步骤(6)具体为：反馈控制模块根据设定的工作点判断第一函数曲线是否可进行锁定，若是，则根据第一函数曲线计算出偏置电压输出至光调制器，否则，根据设定的工作点判断第二函数曲线是否可进行锁定，若是，则根据第二函数曲线计算出偏置电压输出至光调制器，否则，判断是否可在相邻周期相同的工作点上进行锁定，若是，则输出相邻周期相同的工作点上锁定的偏置电压至光调制器，执行步骤(7)，否则转入步骤(3)。
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