CN108055085A - 一种单载波的iq调制器偏压控制方法及系统 - Google Patents

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Abstract

一种单载波的IQ调制器偏压控制方法，涉及光信号调制领域，将入射光分别送入IQ调制器的X和Y两个偏振臂；在每个偏振臂，通过两个MZM将电信号的实部VI和虚部VQ加载进光域，再通过一个光移相器控制相位差；获取两个偏振臂输出的光信号，先根据光功率获取偏置电压的初值，然后以一个步进值先增大后减小偏置电压，得到大小不同两个光功率的直流分量PDC和交流分量PAC，取较小PDC对应的偏置电压作为新的偏置电压，并反复迭代，最终得到最佳IQ偏置电压；取较小的PAC对应的偏置电压作为新的偏置电压，并反复迭代，最终得到最佳相差偏置电压。本发明适用于高阶调制格式，实现精准的偏压控制，保证信号质量稳定。

Description

一种单载波的IQ调制器偏压控制方法及系统
技术领域
本发明涉及光信号调制领域，具体来讲涉及一种单载波的IQ调制器偏压控制方法及系统。
背景技术
目前，光通信正朝着更高速率，更大容量的方向不断发展。在高速光发射机中，光信号的调制通常需要采用基于MZM(Mach-ZehnderModulator，马赫-曾德尔调制器)的双偏振光IQ(同向正交)调制器。
然而，IQ调制器本身容易受一些环境因素例如温度等影响，从而导致其静态工作点发生偏移，使得系统性能劣化。为了保证信号质量的稳定，不影响系统性能，需要对IQ调制器两个偏振臂的偏压同时进行监测和控制，使两个偏振臂都工作在最佳静态工作点上。目前在这方面已有不少研究，例如，在调制器的两臂外加不同频率微扰信号、在接收端滤出差频信号、或者调节偏置电压最小化差频信号。对于单载波系统，还可以采取微分相位信息进行偏压控制。但这些技术只适用于低阶调制格式，对于高阶调制格式还没有很好的方案。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种单载波的IQ调制器偏压控制方法及系统，适用于高阶调制格式，实现精准的偏压控制，保证信号质量稳定。
为达到以上目的，本发明采取一种单载波的IQ调制器偏压控制方法，包括：
将入射光分别送入IQ调制器的X和Y两个偏振臂；在每个偏振臂中，通过两个马赫-曾德调制器将电信号的实部VI和虚部VQ加载进光域，再通过一个光移相器控制两路光载波之间的相位差，经耦合得到每个偏振臂输出的光信号；
获取两个偏振臂输出的光信号，先根据初始光功率获取偏置电压的初值，然后以一个步进值先增大后减小偏置电压，得到大小不同两个光功率的直流分量PDC，以及大小不同两个光功率的交流分量PAC，取较小PDC对应的偏置电压作为新的偏置电压，并反复迭代，最终得到最佳IQ偏置电压；取较小的PAC对应的偏置电压作为新的偏置电压，并反复迭代，最终得到最佳相差偏置电压。
在上述技术方案的基础上，所述每个偏振臂中，均有两个马赫-曾德调制器进行I路和Q路调制，将X偏振的Q路马赫-曾德调制器和Y偏振的Q路马赫-曾德调制器输出的信号光，分别经过移相，得到每个偏振臂中两路光载波的相位差。
在上述技术方案的基础上，分别获取两个偏振臂输出的光信号，并转换成电信号输出，通过低通放大电路得到所述PDC，通过高通滤波放大电路得到所述PAC，将所述PDC和PAC分别经过模数转换器采样输出，开始调制时，模数转换器输出的PDC和PAC的大小作为初始光功率。
在上述技术方案的基础上，在大于一个Vπ的范围内，固定两偏振臂上马赫-曾德调制器的偏置电压值，分别由小到大改变其中一路马赫-曾德调制器的偏置电压值，监测该路偏振臂输出的光信号功率的PDC，取PDC最小值时对应的偏置电压作为发生改变的马赫-曾德调制器的新的偏置电压值；迭代上述过程，直至X偏振臂输出的光信号功率POX和Y偏振臂输出的光信号功率POY分别达到最小值，固定此时各路输出的偏置电压值，作为输入高阶格式射频信号时，偏置电压的初值。
在上述技术方案的基础上，根据X偏振臂上偏置电压的初值，在第一时隙调整X偏振臂上的偏置电压，固定X偏振的Q路偏置电压，在X偏振的I路马赫-曾德调制器的当前偏置电压上分别加上和减去一个相同的值，取二者PDC中较小值对应的偏置电压更新X偏振的I路马赫-曾德调制器偏置电压；固定X偏振的I路马赫-曾德调制器的偏置电压和X偏振的Q路的光移相器偏置电压，在X偏振的Q路马赫-曾德调制器的当前偏置电压上分别加上和减去一个相同的值，取二者PDC中较小值对应的偏置电压更新X偏振的Q路马赫-曾德调制器偏置电压；固定X偏振的两路马赫-曾德调制器的偏置电压，在X偏振的光移相器的当前偏置电压上分别加上和减去一个相同的值，取二者PAC中较小值对应的偏置电压更新X偏振的光移相器偏置电压。
在上述技术方案的基础上，根据Y偏振臂上偏置电压的初值，在第二时隙调整Y偏振臂上的偏压，固定Y偏振的Q路偏置电压，在Y偏振的I路马赫-曾德调制器的当前偏置电压上分别加上和减去一个相同的值，取二者PDC中较小值对应的偏置电压更新Y偏振的I路马赫-曾德调制器偏置电压；固定Y偏振的I路马赫-曾德调制器的偏置电压和Y偏振的Q路的光移相器偏置电压，在Y偏振的Q路马赫-曾德调制器的当前偏置电压上分别加上和减去一个相同的值，取二者PDC中较小值对应的偏置电压更新Y偏振的Q路马赫-曾德调制器偏置电压；固定Y偏振的两路马赫-曾德调制器的偏置电压，在Y偏振的光移相器的当前偏置电压上分别加上和减去一个相同的值，取二者PAC中较小值对应的偏置电压更新Y偏振的光移相器偏置电压。
在上述技术方案的基础上，得到最佳IQ偏置电压的迭代过程中，每次偏置电压调整的大小根据当前PDC和PAC大小变化，调整的步进值随着PDC和PAC的变大而增加，随着PDC和PAC的变小而减小。
在上述技术方案的基础上，所述方法适用于16QAM调制格式或8PSK调制格式。
本发明还提供一种用于上述方法的单载波的IQ调制器偏压控制系统，包括：
IQ调制器，其用于对入射光进行IQ调制，产生X和Y两路偏振光信号，所述IQ调制器包括两个光电探测器，分别用于探测X和Y两路偏振光信号，输出电信号；
模数转换器，其用于将光电探测器输出的电信号进行采样输出；
单片机，其采用时分复用的方式追踪两个偏振臂上的偏置电压，通过反复迭代，得到最佳IQ偏置电压和最佳相差偏置电压；
数模转换器，其用于将单片机产生的偏置电压输送到IQ调制器中。
在上述技术方案的基础上，所述IQ调制器包括X和Y两个偏振臂，每个偏振臂包括I、Q两路马赫-曾德调制器，且X偏振的Q路马赫-曾德调制器连接第一光移相器，Y偏振的Q路马赫-曾德调制器连接第二光移相器；所述数模转换器的输出分别连接四个马赫-曾德调制器和两个光移相器。
本发明的有益效果在于：通过光电探测器监测信号光的光功率，并以此来控制I路和Q路偏置电压，以及控制IQ相位延迟的偏置电压。对IQ调制器的两个偏振臂，采用时分复用的方式，在两个时隙分别控制，得到最佳的IQ偏置电压和最佳的相差偏置电压，实现精准的偏压控制，保证信号质量稳定。本发明可以适用于16QAM(Quadrature AmplitudeModulation，正交振幅调制)调制格式和8PSK(8 Phase Shift Keying，8移相键控)调制格式等高阶调制格式，结构简单，算法容易实现，可以基于低速电器件实现精确的偏压控制。
附图说明
图1为本发明实施例单载波的IQ调制器偏压控制系统示意图。
附图标记：
11-X偏振I路马赫-曾德调制器，12-X偏振Q路马赫-曾德调制器，13-第一光移相器，14-Y偏振I路马赫-曾德调制器，15-Y偏振Q路马赫-曾德调制器，16-第二光移相器；
21-第一光探测器，22-第二光探测器；
3-ADC，4-MCU，5-DAC。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。
本发明单载波的IQ调制器偏压控制方法，适用于高阶调制格式，本实施例中采用16QAM调制格式，本发明包括步骤：
将入射光分别送入IQ调制器的X和Y两个偏振臂，在每个偏振臂中，通过两个1将电信号的实部VI和虚部VQ加载进光域，再通过一个光移相器控制两路光载波之间的相位差Phase，经耦合得到每个偏振臂输出的光信号。
获取两个偏振臂输出的光信号，然后以梯度下降法追踪最佳偏置电压。其中，根据光功率获取偏置电压的初值，以一个步进值先增大后减小偏置电压，得到大小不同两个光功率的直流分量PDC，以及大小不同两个光功率的交流分量PAC，取较小PDC对应的偏置电压作为新的偏置电压，并反复迭代这一过程，最终得到PDC最小值对应的最佳IQ偏置电压；取较小的PAC对应的偏置电压作为新的偏置电压，并反复迭代，最终得到PAC最小值对应的最佳相差偏置电压。
对于单载波低阶调制信号如QPSK，IQ调制器可以工作在饱和区而不用担心信号畸变，因此理论上，可以通过最大化输出光功率的直流分量将偏置电压调节到最佳值。但是对于高阶调制格式则不行，适用于低阶调制格式的算法行不通。而且由于MZM调制器自身的正弦畸变也不允许高阶调制信号工作在饱和区。但是过于压缩调制信号会使光功率与偏置电压的相关度下降，因此为了保证高阶信号的调制质量，应当控制调制信号的峰峰值VPP在一个适当的范围内。可以通过在该范围内寻找一个最佳点，保证在偏离最佳偏置电压的两侧，光功率的直流分量PDC和交流分量PAC都呈增大的趋势，并且在接收端星座图也没有畸变。例如，在对IQ调制器工作在不同射频电压下的16QAM信号进行仿真后发现，最佳点在0.7～0.8Vπ之间。
如图1所示，本发明单载波的IQ调制器偏压控制系统，包括：IQ调制器、ADC3(模数转换器)、MCU4(Microcontroller Unit，单片机)和DAC5(数模转换器)。IQ调制器用于对入射光进行IQ调制，产生X和Y两路偏振光信号。IQ调制器内部有两个光电探测器，分别为第一光探测器21和第二光探测器22，用于分别探测X偏振和Y偏振的光信号，输出电信号。ADC3用于将光电探测器2输出的电信号进行采样输出。MCU4采用时分复用的方式追踪两个偏振臂上的偏置电压，通过反复迭代，得到最佳IQ偏置电压和最佳相差偏置电压。DAC5用于将单片机产生的偏置电压输送到IQ调制器中。
具体的，IQ调制器的X偏振臂中，包括X偏振I路马赫-曾德调制器11和X偏振Q路马赫-曾德调制器12，X偏振Q路马赫-曾德调制器12连接第一光移相器13。IQ调制器的Y偏振臂中，包括Y偏振I路马赫-曾德调制器14和Y偏振Q路马赫-曾德调制器15，Y偏振Q路马赫-曾德调制器15连接第二光移相器16。两个光探测器分别探测X偏振和Y偏振的偏振光，并传送到ADC3中。MCU4分别连接ADC3和DAC5，DAC5具有六路输出，分别连接X偏振I路马赫-曾德调制器11、X偏振Q路马赫-曾德调制器12、第一光移相器13、Y偏振I路马赫-曾德调制器14、Y偏振Q路马赫-曾德调制器15、以及第二光移相器16。
如图1所示，第一光探测器21输出电信号的功率与X偏振臂输出光信号的功率POX成正比，第二光探测器22输出电信号的功率与Y偏振臂输出光信号的功率POY成正比，经过低通放大电路得到PDC，和高通滤波放大电路得到PAC，PDC和PAC分别经过ADC3采样输出给MCU4进行处理。处理步骤如下：
S101.初始化DAC5的六路输出，记录此时ADC3的输出电压，即PDC和PAC的大小作为初始光功率，具体包括：
S101a.固定DAC5到X偏振Q路马赫-曾德调制器12、第一光移相器13、Y偏振I路马赫-曾德调制器14、Y偏振Q路马赫-曾德调制器15、以及第二光移相器16的输出。即，X偏振Q路马赫-曾德调制器的偏置电压BiasXQ、第一光移相器13的偏置电压BiasXP、Y偏振I路马赫-曾德调制器14的偏置电压BiasYI、Y偏振Q路马赫-曾德调制器15的偏置电压BiasYQ、以及第二光移相器16的偏置电压BiasYP保持不变。由小到大改变X偏振I路马赫-曾德调制器11的偏置电压BiasXI值，监测POX的直流部分的功率PDC，取PDC最小值时对应的偏置电压，作为X偏振I路马赫-曾德调制器11新偏置电压值。
S101b.同理，固定DAC5到X偏振I路马赫-曾德调制器11、第一光移相器13、Y偏振I路马赫-曾德调制器14、Y偏振Q路马赫-曾德调制器15、以及第二光移相器16的输出。即BiasXI、BiasXP、BiasYI、BiasYQ以及BiasYP保持不变。由小到大改变BiasXQ值，监测POX的直流部分的功率PDC，取PDC最小值时对应的偏置电压，作为X偏振Q路马赫-曾德调制器11新偏置电压值。
S101c.固定DAC5到X偏振I路马赫-曾德调制器11、X偏振Q路马赫-曾德调制器12、第一光移相器13、Y偏振Q路马赫-曾德调制器15、以及第二光移相器16的输出。即BiasXI、BiasXQ、BiasXP、BiasYQ以及BiasYP保持不变。由小到大改变BiasYI值，监测POY的直流部分的功率PDC，取PDC最小值时对应的偏置电压，作为Y偏振I路马赫-曾德调制器14新偏置电压值。
S101d.固定DAC5到X偏振I路马赫-曾德调制器11、X偏振Q路马赫-曾德调制器12、第一光移相器13、Y偏振I路马赫-曾德调制器14、以及第二光移相器16的输出。即BiasXI、BiasXQ、BiasXP、BiasYI以及BiasYP保持不变。由小到大改变BiasYQ值，监测POY的直流部分的功率PDC，取PDC最小值时对应的偏置电压，作为Y偏振Q路马赫-曾德调制器15新偏置电压值。
并且，上述步骤S101a到S101d的顺序先后可调。分别迭代进行S101a、S101b、S101c、S101d的步骤，直至PDC达到最小值，固定DAC5各路输出分别作为当前输出的电压。
S102.输入16QAM格式的射频信号，并以S101获取的当前输出电压作为初始值，采用时分复用的方式追踪两个偏振臂上的偏置电压。
S102a.在第一时隙调整X偏振臂上的偏置电压。
固定BiasXQ和BiasXP，在BiasXI的当前值上分别加上和减去一个相同的值，比较这两种情况下PDC的大小，取二者PDC中较小值对应的电压更新X偏振的I路马赫-曾德调制器偏置电压BiasXI。
固定BiasXP和BiasXI，在BiasXQ的当前值上分别加上和减去一个相同的值，比较这两种情况下PDC的大小，取二者PDC中较小值对应的电压更新X偏振的Q路马赫-曾德调制器偏置电压BiasXQ。
固定BiasXI和BiasXQ，在BiasXP的当前值上分别加上和减去一个相同的值，比较这两种情况下PAC的大小，取二者PAC中较小值对应的电压更新第一光移相器13偏置电压BiasXP。
S102b.在第二时隙调整Y偏振臂上的偏置电压。
固定BiasYQ和BiasYP，在BiasYI的当前值上分别加上和减去一个相同的值，比较这两种情况下PDC的大小，取二者PDC中较小值对应的电压更新Y偏振I路马赫-曾德调制器14偏置电压BiasYI。
固定BiasYI和BiasYP，在BiasYQ的当前值上分别加上和减去一个相同的值，比较这两种情况下PDC的大小，取二者PDC中较小值对应的电压更新Y偏振Q路马赫-曾德调制器15偏置电压BiasYQ。
固定BiasYI和BiasYQ，在BiasYP的当前值上分别加上和减去一个相同的值，比较这两种情况下PAC的大小，取二者PAC中较小值对应的电压更新第二光移相器16偏置电压BiasYP。
反复迭代进行S102a和S102b，使PDC和PAC不断减小，直至IQ调制器停止工作。在迭代过程中，每次电压调整的大小可以根据当前PDC和PAC大小变化，调整的步进值随着PDC和PAC的变大而增加，随着PDC和PAC的变小而减小。
本发明通过控制调制信号的幅度，反复迭代追踪实现了IQ调制器偏置电压的控制。同时由于结构简单，算法容易实现，可以基于低速电器件实现精确的偏压控制。
本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (10)

1.一种单载波的IQ调制器偏压控制方法，其特征在于，包括：
将入射光分别送入IQ调制器的X和Y两个偏振臂；在每个偏振臂中，通过两个马赫-曾德调制器将电信号的实部VI和虚部VQ加载进光域，再通过一个光移相器控制两路光载波之间的相位差，经耦合得到每个偏振臂输出的光信号；
获取两个偏振臂输出的光信号，先根据初始光功率获取偏置电压的初值，然后以一个步进值先增大后减小偏置电压，得到大小不同两个光功率的直流分量PDC，以及大小不同两个光功率的交流分量PAC，取较小PDC对应的偏置电压作为新的偏置电压，并反复迭代，最终得到最佳IQ偏置电压；取较小的PAC对应的偏置电压作为新的偏置电压，并反复迭代，最终得到最佳相差偏置电压。
2.如权利要求1所述的单载波的IQ调制器偏压控制方法，其特征在于：所述每个偏振臂中，均有两个马赫-曾德调制器进行I路和Q路调制，将X偏振的Q路马赫-曾德调制器和Y偏振的Q路马赫-曾德调制器输出的信号光，分别经过移相，得到每个偏振臂中两路光载波的相位差。
3.如权利要求1所述的单载波的IQ调制器偏压控制方法，其特征在于：分别获取两个偏振臂输出的光信号，并转换成电信号输出，通过低通放大电路得到所述PDC，通过高通滤波放大电路得到所述PAC，将所述PDC和PAC分别经过模数转换器采样输出，开始调制时，模数转换器输出的PDC和PAC的大小作为初始光功率。
4.如权利要求1所述的单载波的IQ调制器偏压控制方法，其特征在于：
在大于一个Vπ的范围内，固定两偏振臂上马赫-曾德调制器的偏置电压值，分别由小到大改变其中一路马赫-曾德调制器的偏置电压值，监测该路偏振臂输出的光信号功率的PDC，取PDC最小值时对应的偏置电压作为发生改变的马赫-曾德调制器的新的偏置电压值；
迭代上述过程，直至X偏振臂输出的光信号功率POX和Y偏振臂输出的光信号功率POY分别达到最小值，固定此时各路输出的偏置电压值，作为输入高阶格式射频信号时，偏置电压的初值。
5.如权利要求4所述的单载波的IQ调制器偏压控制方法，其特征在于：根据X偏振臂上偏置电压的初值，在第一时隙调整X偏振臂上的偏置电压，
固定X偏振的Q路偏置电压，在X偏振的I路马赫-曾德调制器的当前偏置电压上分别加上和减去一个相同的值，取二者PDC中较小值对应的偏置电压更新X偏振的I路马赫-曾德调制器偏置电压；
固定X偏振的I路马赫-曾德调制器的偏置电压和X偏振的Q路的光移相器偏置电压，在X偏振的Q路马赫-曾德调制器的当前偏置电压上分别加上和减去一个相同的值，取二者PDC中较小值对应的偏置电压更新X偏振的Q路马赫-曾德调制器偏置电压；
固定X偏振的两路马赫-曾德调制器的偏置电压，在X偏振的光移相器的当前偏置电压上分别加上和减去一个相同的值，取二者PAC中较小值对应的偏置电压更新X偏振的光移相器偏置电压。
6.如权利要求4所述的单载波的IQ调制器偏压控制方法，其特征在于：根据Y偏振臂上偏置电压的初值，在第二时隙调整Y偏振臂上的偏压，
固定Y偏振的Q路偏置电压，在Y偏振的I路马赫-曾德调制器的当前偏置电压上分别加上和减去一个相同的值，取二者PDC中较小值对应的偏置电压更新Y偏振的I路马赫-曾德调制器偏置电压；
固定Y偏振的I路马赫-曾德调制器的偏置电压和Y偏振的Q路的光移相器偏置电压，在Y偏振的Q路马赫-曾德调制器的当前偏置电压上分别加上和减去一个相同的值，取二者PDC中较小值对应的偏置电压更新Y偏振的Q路马赫-曾德调制器偏置电压；
固定Y偏振的两路马赫-曾德调制器的偏置电压，在Y偏振的光移相器的当前偏置电压上分别加上和减去一个相同的值，取二者PAC中较小值对应的偏置电压更新Y偏振的光移相器偏置电压。
7.如权利要求1所述的单载波的IQ调制器偏压控制方法，其特征在于：得到最佳IQ偏置电压的迭代过程中，每次偏置电压调整的大小根据当前PDC和PAC大小变化，调整的步进值随着PDC和PAC的变大而增加，随着PDC和PAC的变小而减小。
8.如权利要求1-7任一项所述的单载波的IQ调制器偏压控制方法，其特征在于：所述方法适用于16QAM调制格式或8PSK调制格式。
9.一种基于权利要求1-7任一项所述的单载波的IQ调制器偏压控制系统，其特征在于，包括：
IQ调制器，其用于对入射光进行IQ调制，产生X和Y两路偏振光信号，所述IQ调制器包括两个光电探测器，分别用于探测X和Y两路偏振光信号，输出电信号；
模数转换器，其用于将光电探测器输出的电信号进行采样输出；
单片机，其采用时分复用的方式追踪两个偏振臂上的偏置电压，通过反复迭代，得到最佳IQ偏置电压和最佳相差偏置电压；
数模转换器，其用于将单片机产生的偏置电压输送到IQ调制器中。
10.如权利要求9所述的单载波的IQ调制器偏压控制系统，其特征在于：所述IQ调制器包括X和Y两个偏振臂，每个偏振臂包括I、Q两路马赫-曾德调制器，且X偏振的Q路马赫-曾德调制器连接第一光移相器，Y偏振的Q路马赫-曾德调制器连接第二光移相器；所述数模转换器的输出分别连接四个马赫-曾德调制器和两个光移相器。
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