CN111130645A - 双平行马赫曾德尔调制器偏置电压自动控制系统及方法 - Google Patents

双平行马赫曾德尔调制器偏置电压自动控制系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种双平行马赫曾德尔调制器偏置电压自动控制系统及方法，该系统包括：光发射模块；射频驱动模块；接收带偏振的光信号和射频信号以及偏置电压自动控制装置输出偏置电压控制信号并调制的双平行马赫曾德尔调制器；接收调制光信号的偏置电压自动控制装置。本发明利用不同频率的正弦波微扰，实现低两路子强度调制器同时调控和锁定。主调制器直流调相电极偏置点采用搜寻微扰一次谐波极值点锁定在正交点，子强度调制器偏置点采用分析微扰一次谐波与平均光功率比值函数锁定在任意偏置点。通过数值计算偏置电压修正值快速锁定预设偏置点，通过锁定后提取特定信号值与参考值比较，验证锁定效果。通过切换不同直流调相电极偏置电压控制，实现偏置电压自动实时闭环控制。

Description

双平行马赫曾德尔调制器偏置电压自动控制系统及方法
技术领域
本发明涉及光通信技术领域，具体涉及一种双平行马赫曾德尔调制器偏置电压自动控制系统及方法。
背景技术
目前，四电平脉冲幅度调制(4Pulse Amplitude Modulation，PAM4)已成为中短距光通信的主流调制格式。电光调制分为激光器直调和外调制。马赫曾德尔调制器(Mach–Zehnder modulator，MZM)是一种典型的外调制器件。MZM包含Y分支光波导、高频电极、直流电极等。脉冲光进入马赫曾德尔调制器后经过Y分支分为两束，一般分光比为50:50，高速电信号通过高频电极调制到光载波上，直流电极调节两臂光信号相位差，最后两束光通过Y分支器相干，将电信号调制产生的相位变化转换为光信号强度和相位的变化。
目前，商用PAM4调制系统一般通过数模转换器(Digital to Analog Converter，DAC)将二电平信号转换为四电平信号。根据DAC工作原理，在高速PAM4系统中，要求DAC采样速率远高于通信速率，这就大大增加了PAM4调制系统的成本和设计难度。
为了解决上述问题，近年来，不少科研人员将目光转向了不使用DAC的PAM4系统，即直接在电光调制器上产生PAM4信号，比较典型的有两路幅度不同的不归零码(NotReturnto Zero,NRZ)通过双驱马赫曾德尔调制器(Dual-Drive Mach–Zehnder modulator，DD-MZM)生成PAM4信号；两路完全相同的NRZ通过分段式马赫曾德尔调制器(Multi-Electrode Mach–Zehnder modulator，ME-MZM)生成PAM4信号，两路幅度和偏置点不同的NRZ通过双平行马赫曾德尔调制器(Dual-Parallel Mach–Zehnder modulator，DP-MZM)生成PAM4信号等。
双平行马赫曾德尔调制器PAM4系统基于双平行马赫曾德尔调制器实现PAM4信号生成。由于双平行马赫曾德尔调制器有三个偏置电极，实现偏置电压的控制较复杂。目前还未有相关研究者提出过双平行马赫曾德尔调制器PAM4偏置电压自动控制方案，本发明意在解决这一难题。
发明内容
针对双平行马赫曾德尔调制器PAM4偏压控制难的问题，本发明提供了一种双平行马赫曾德尔调制器偏置电压自动控制系统及方法，偏置电压自动控制装置可利用闭环模拟和数字电路实现双平行马赫曾德尔调制器PAM4偏压自动控制。
偏压自动控制方案包括对双平行马赫曾德尔调制器PAM4初始化以及后续偏置点的实时锁定。
一种双平行马赫曾德尔调制器偏置电压自动控制系统，包括：
光发射模块；
射频驱动模块；接收所述光发射模块输出带偏振的光信号并接收所述射频驱动模块输出的射频信号并调制的双平行马赫曾德尔调制器模块；
接收所述双平行马赫曾德尔调制器模块输出的调制光信号并向所述双平行马赫曾德尔调制器模块输出偏置电压控制信号的偏置电压自动控制装置。
本发明偏置电压自动控制装置可利用实现双平行马赫曾德尔调制器PAM4偏压自动控制。
所述的光发射模块包括激光器和偏振控制器，所述的偏振控制器的输入端与所述激光器的输出端连接，所述的偏振控制器的输出端与所述双平行马赫曾德尔调制器模块的输入端连接。
所述的射频驱动模块为两组，每组射频驱动模块包括信号发生器和射频驱动电路，所述的射频驱动电路的输入端与所述信号发生器的输出端连接。
所述的双平行马赫曾德尔调制器模块包括双平行马赫曾德尔调制器和光耦合器，所述的双平行马赫曾德尔调制器包括I路子强度调制器(双臂马赫曾德尔调制器结构)和Q路子强度调制器以及主调制器直流调相电极，所述的I路子强度调制器和所述的Q路子强度调制器均包括一个直流调相电极。
一组射频驱动模块中的射频驱动电路的输出端与所述I路子强度调制器连接，另一组射频驱动模块中的射频驱动电路的输出端与所述Q路子强度调制器连接，所述的I路子强度调制器的直流调相电极、Q路子强度调制器的直流调相电极和所述的主调制器直流调相电极均与所述偏置电压自动控制装置的输出端连接，所述的光耦合器的输出端与所述偏置电压自动控制装置的输入端连接。所述的偏置电压自动控制装置，包括：
输出三路反馈信号的光电转换电路；
输出正弦波信号的正弦波发射模块；
接收所述三路反馈信号和正弦波信号并进行解调滤波的解调滤波模块；
接收所述解调滤波模块输出三路直流信号并进行模数转换的模数转换器；
接收所述模数转换器模数转换输出的三路数字信号并数据处理并向所述正弦波发射模块输出控制信号的控制电路；
接收所述控制电路输出控制信号和所述正弦波发射模块输出正弦波信号的驱动模块。
所述的正弦波发射模块包括第一正弦波发生器、第二正弦波发生器、第一模拟开关、第二模拟开关，所述的第一正弦波发生器的输出端与所述的第一模拟开关输入端和所述的第二模拟开关输入端连接，所述的第二正弦波发生器的输出端与所述的第二模拟开关输入端连接。
所述的解调滤波模块包括高通滤波器、第一低通滤波器、第二低通滤波器、第三低通滤波器、第一乘法器、第二乘法器，所述的第一乘法器输出端与所述的第一低通滤波器输入端连接，所述的高通滤波器输出端与所述的第二乘法器输入端连接，所述的第二乘法器输出端与所述的第二低通滤波器输入端连接。
所述的驱动模块包括驱动电路、第一加法器、第二加法器、第三加法器，所述的驱动电路输出的第一路与所述第一加法器输入端连接，所述的驱动电路输出的第二路与所述的第二加法器输入端连接，所述的驱动电路输出的第三路与所述第三加法器输入端连接。
本发明对双平行马赫曾德尔调制器三个直流电极进行初始化设置，实现PAM4传输，同时实时调控三个直流电极偏置电压使其锁定在期望工作点上。
所述的偏置电压自动控制装置，包括：
接收所述光耦合器输出光信号并输出三路反馈信号的光电转换电路，所述的三路反馈信号包括第一路反馈信号、第二路反馈信号和第三路反馈信号；
第一正弦波发生器；
接收所述第一正弦波发生器输出的低频(0.5kHz～2kHz，最优选为1kHz)正弦波(微扰)信号并控制输出的第一模拟开关；
接收所述第一路反馈信号和所述第一模拟开关控制输出低频正弦波(微扰)信号并作相乘处理的第一乘法器；
接收所述第一乘法器相乘处理后的电信号的第一低通滤波器；
接收所述第二路反馈信号的高通滤波器；
第二正弦波发生器；
接收所述第一正弦波发生器输出的低频(0.5kHz～2kHz，最优选为1kHz)正弦波(微扰)信号和接收所述第二正弦波发生器输出的高频(8kHz～12kHz，最优选为10kHz)正弦波(微扰)信号并控制输出的第二模拟开关；
接收所述高通滤波器输出的调制信号和所述第二模拟开关控制输出高频正弦波(微扰)信号并作相乘处理的第二乘法器；
接收所述第二乘法器相乘处理后的电信号的第二低通滤波器；
接收所述第三路反馈信号的第三低通滤波器；
接收所述第一低通滤波器输出的一次谐波直流信号、第二低通滤波器输出的一次谐波直流信号和第三低通滤波器输出的直流信号的模数转换器；
接收所述模数转换器模数转换输出的三路数字信号并数据处理的控制电路，所述的控制电路输出控制信号给所述第一模拟开关和第二模拟开关；
接收所述控制电路输出控制信号的驱动电路；
接收所述驱动电路输出的第一路偏压信号以及所述第一模拟开关控制输出低频正弦波(微扰)信号并作相加处理的第一加法器，所述第一加法器输出信号给主调制器直流电极；
接收所述驱动电路输出的第二路偏压信号以及所述第二模拟开关控制输出低频正弦波(微扰)信号并作相加处理的第二加法器，所述第二加法器输出信号给主调制器直流调相电极；
接收所述驱动电路输出的第三路偏压信号以及所述第二模拟开关控制输出高频正弦波(微扰)信号并作相加处理的第三加法器，所述第三加法器输出信号给I路子强度调制器直流电极。
本发明通过微扰法扫描一次谐波寻找峰值点，确定直流调相臂偏置电压值，使主调制器直流调相电极锁定在正交点。两路子强度调制器分别加入不同频率微扰信号，偏压控制系统分别采集两路微扰信号一次谐波与平均光功率数据，，确定子强度调制器偏置电压初始值。同时设定三个直流调相电极偏置电压，完成初始化。
微扰法确认峰值点后，实时监测一次谐波变化确定偏置电压偏移量，通过少量改变偏置电压确认漂移方向，根据偏移量和漂移方向设点偏置电压修正值。
两个频率不同正弦波发生器提供高、低频正弦波微扰信号，当第一模拟开关打开，第二模拟开关关闭时，设定主调制器直流调相电极的偏置偏置电压并锁定，当第二模拟开关打开，第一模拟开关关闭时，设定子强度调制器的偏置电压并锁定。
光电转换电路输出分为三路，一路接入第一乘法器、第一低通滤波器用以分离低频微扰一次谐波，二路接入高通滤波器、第二乘法器以及第二低通滤波器用以分离高频微扰一次谐波，三路接入第三低通滤波器用以提取平均光功率。
必须优先保证直流调相臂的偏置点锁定，才能进行子强度调制器偏置点初始化设置和锁定。
为了保持第三直流调相臂的偏置点始终锁定在正交点，需要快速切换两种控制状态。设置偏置电压修正值采用一步到位方法，直接通过相应函数计算偏置电压偏移量，补偿漂移重新锁定偏置点。
为了确认补偿效果，预设参考值，当偏置电压修正量小于参考值，默认锁定成功，若否，则循环上一步控制，直到满足要求。
设定子强度调制器偏压锁定上限时间，当锁定耗费时间到达上限时间，不论锁定是否完成，都强行跳回主调制器直流调相电极的偏压调控状态。
所述的正弦波(微扰)信号是指与射频驱动模块输出的调制信号相比，调制信号的峰峰值与正弦波信号的峰峰值的比值推荐大于等于20:1，具体依据硬件模块性能而定。
更进一步地，所述低通滤波器截止频率小于低频微扰信号一次谐波频率，所述高通滤波器截止频率远大于低频微扰信号三次谐波频率。
更进一步地，光电探测器带宽远大于微扰信号三次谐波频率，远小于调制信号频率。
更进一步地，模拟开关、加法器、乘法器的工作频带大于高频微扰信号的频率。更进一步地，参考值设定越小，控制精度越高，对器件性能要求更高，推荐设定为0.01V-0.001V。
更进一步地，高频微扰信号频率推荐大于低频微扰信号频率一个数量级以上。
一种双平行马赫曾德尔调制器偏置电压自动控制方法，采用双平行马赫曾德尔调制器偏置电压自动控制系统，包括以下步骤：
1)光发射模块向双平行马赫曾德尔调制器输入脉冲光，保持射频驱动模块输入关闭，打开第一模拟开关，驱动电路向第一乘法器输出阶梯波，光耦合器输出光信号经过光电转换电路、第一乘法器和第一低通滤波器后，送入数模转换器和控制电路，得到一次谐波直流信号(随偏置电压变化情况)，控制电路通过寻找一次谐波峰峰值确认需要锁定的正交点，关闭第一模拟开关和阶梯波输出；
双平行马赫曾德尔调制器包括主调制器和两个子强度调制器(I路子强度调制器和Q路子强度调制器)。
2)根据射频驱动模块输出的射频信号功率比，确定两个子强度调制器各自的偏置电压；
3)驱动电路输出偏置电压使双平行马赫曾德尔调制器的主调制器的直流调相电极工作在正交点，打开第二模拟开关，驱动电路向第二乘法器和第三乘法器分别输出阶梯波给双平行马赫曾德尔调制器的两个子强度调制器，光耦合器输出光信号经过光电转换电路分为三路：一路送入第一乘法器和第一低通滤波器，提取一次谐波直流信号随偏置电压变化数据；第二路送入高通滤波器、第二乘法器和第二低通滤波器，提取的一次谐波直流信号随偏置电压变化数据；第三路送入第三低通滤波器，根据第三低通滤波器输出的直流信号提取平均光功率随偏置电压变化数据，确认需要锁定的平均光功率点，找到对应的偏置电压；将一次谐波直流信号比上平均光功率得到比值函数，通过该偏置电压确定比值函数的参考值；
驱动电路输出偏置电压使子强度调制器工作在相应的偏置点，完成初始化设置；
4)射频驱动模块发射射频调制信号，打开第一模拟开关，光耦合器输出光信号通过偏压反馈回路得到一次谐波直流信号，该一次谐波直流信号与步骤1)中的一次谐波峰峰值计算差值的绝对值，判断差值的绝对值是否小于预设参考值，若差值的绝对值小于等于预设主调制器的参考值，则表明偏置点已成功锁定，进入步骤5)；
若差值的绝对值大于主调制器的参考值，则修正驱动电路输出偏压值，通过改变偏置电压判断漂移的方向，通过数值分析确定偏置电压漂移量，修改偏压值后，重新采集输出光信号，进行数值分析，直到差值的绝对值小于等于参考值，进入步骤5)；
5)打开第二模拟开关，光耦合器输出光信号通过偏压反馈回路得到两个子强度调制器的实时一次谐波直流信号和平均光功率，通过数值计算求出一次谐波直流信号与平均光功率的比值函数，并与步骤3)中比值函数的参考值求差并取绝对值。若两个子强度调制器对应差值的绝对值均小于等于预设子强度调制器的参考值，则表明此时偏置点已成功锁定，跳转至步骤4)，实现偏置电压自动控制；
若否，则重新分析偏置电压漂移量，修正驱动电路输出偏压值，直到满足条件，步骤5)设定强制跳转时间，当步骤5)的锁定时间大于强制跳转时间，则强制跳转回步骤4)。
进一步地，强制跳转时间依据子强度调制器直流调相电极偏置电压一次修正时间确定，推荐强制跳转时间内能进行十次以上偏置电压值修正。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
相比于其他DP-MZM偏压控制方案，本发明综合分时控制和分频控制各自优点，提出一种分时控制与分频控制相结合的控制方法。相比分频控制微扰法，本发明三路检测互相完全独立，避免了使用多路微扰信号造成的相互干扰，简化了多路微扰信号偏压控制系统复杂度，降低设计难度和成本。相比方波检测和平均光功率法，避免频繁地扫描偏置电压，缩短了一次偏置电压锁定的时间，并且可以在不中断高频调制信号前提下实现偏置电压的实时锁定控制。
本发明利用不同频率的正弦波微扰，实现低两路子强度调制器同时调控和锁定。直流调相臂偏置点锁定采用搜寻微扰一次谐波极值点锁定正交点，通过分析微扰一次谐波与平均光功率比值函数使子强度调制器锁定任意偏置点。通过数值计算偏置电压修正值快速锁定任意直流调相电极的偏置点。通过预设判决条件，验证锁定是否达到预期效果，实现直流调相电极偏置点锁定的快速切换。
附图说明
图1是双平行马赫曾德尔调制器PAM4偏压自动控制系统的结构示意图；
图2是双平行马赫曾德尔调制器偏置电压自动控制方法的流程示意图；
图3是一种典型的双平行马赫曾德尔调制器的结构示意图以及其四电平脉冲幅度调制的星图；
图4是双平行马赫曾德尔调制器实现四电平脉冲幅度调制星图与眼图对应关系。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。
如图1所示，本发明双平行马赫曾德尔调制器偏置电压自动控制系统，包括：光发射模块(包括激光器以及偏振控制器)；两组射频驱动模块(包括信号发生器和射频驱动电路)；接收光发射模块输出带偏振的光信号并接收所述射频驱动模块输出的射频信号并调制的双平行马赫曾德尔调制器；接收双平行马赫曾德尔调制器输出的调制光信号的偏置电压自动控制装置。双平行马赫曾德尔调制器通过耦合器(95％和5％)与偏置电压自动控制装置连接。
如图1所示，实线表示电通路，传输电信号，虚线表示光通路，传输光信号。具体地，本发明双平行马赫曾德尔调制器偏置电压自动控制系统的光路系统包括光发射模块、双平行马赫曾德尔调制器模块。光发射模块包括脉冲激光器、偏振控制器；双平行马赫曾德尔调制器模块包括双平行马赫曾德尔调制器模和光耦合器；电路系统包括射频驱动模块和偏置电压自动控制装置；射频驱动模块包括信号发生器和射频驱动电路；偏置电压自动控制装置包括光电转换电路、低通滤波器A(即第一低通滤波器)、低通滤波器B(即第二低通滤波器)和低通滤波器C(即第三低通滤波器)、高通滤波器、乘法器A(即第一乘法器)、乘法器B(即第二乘法器)、模数转换器、控制电路、驱动电路、加法器A(即第一加法器)、加法器B(即第二加法器)和加法器C(即第三加法器)、正弦波发生器A(即第一正弦波发生器)和正弦波发生器B(即第二正弦波发生器)、模拟开关A(即第一模拟开关)和模拟开关B(即第二模拟开关)；双平行马赫曾德尔调制器由I路子强度调制器A(双臂马赫曾德尔调制器结构)和Q路子强度调制器B(与A对称)以及主调制器直流调相电极组成。激光器(脉冲激光器)输出端连接偏振控制器输入端；偏振控制器输出端连接双平行马赫曾德尔调制器光输入端；双平行马赫曾德尔调制器光输出端连接耦合器输入端。高频调制系统：两路信号发生器输出端连接两路射频驱动电路输入端；两路射频驱动电路输出端连接双臂马赫曾德尔调制器两路射频电极。耦合器5％输出端连接光电转换电路输入端。光电转换电路包含三路并行光电探测电路，一路输出连接乘法器A输入端，乘法器A输出端连接低通滤波器A输入端；二路输出连接高通滤波器输入端，高通滤波器输入端连接乘法器B，乘法器B输出端连接低通滤波器B输入端；三路连接低通滤波器C输入端。低通滤波器A输出端、低通滤波器B输出端和低通滤波器C输出端连接模数转换电路输入端；模数转换器输出端连接控制电路输入端；控制电路的输出端连接驱动电路输入端及模拟开关A、模拟开关B的开关控制端；驱动电路输出端连接加法器A、加法器B、加法器C输入端；加法器A、加法器B、加法器C输出端依次连接主调制器直流调相电极、子强度调制器A偏置电极、子强度调制器B偏置电极；正弦波发生器A输出端连接至模拟开关A输入端、模拟开关B输入端；正弦波发生器B输出端连接模拟开关B输入端；模拟开关A输出端连接加法器A输入端和乘法器A输入端；模拟开关B输出端连接加法器B输入端、加法器C输入端和乘法器B输入端。其中模拟开关B向加法器B输出低频正弦波，向加法器C输出高频正弦波。一组射频驱动模块发出射频信号RF1以及加法器B发出直流信号DC2给子强度调制器A，另一组射频驱动模块发出射频信号RF2以及加法器C发出直流信号DC3给子强度调制器B，加法器A发出直流信号DC1给主调制器直流调相电极。
初始化设置时，关闭模拟开关和射频信号，打开模拟开关A，驱动电路向加法器A发送阶梯波信号，通过偏压控制系统接收反馈光信号，与低频正弦波微扰信号相乘，经过低通滤波器A滤波，由模数转换器和控制电路提取低频微扰信号一次谐波直流量；提取微扰一次谐波数据，通过寻找峰值点确认正交点对应偏置电压；关闭所述模拟开关A，主调制器直流调相电极仍然工作在正交点，打开模拟开关B，通过加法器B和C分别向子强度调制器A和B发送阶梯波，由偏压控制系统接收反馈光信号。其中高频微扰信号通过所述高通滤波器提取，通过乘法器与高频正弦波微扰信号相乘，低通滤波器B提取高频微扰信号一次谐波直流量，由模数转换器和控制电路采集高频微扰信号一次谐波直流量数据。低频微扰信号如上步骤所描述，由光电转换电路输出经过乘法器A和低通滤波器A后，由模数转换器和控制电路采集低频微扰信号一次谐波直流量数据。分别记录低、高频微扰信号一次谐波直流量随阶梯波变化情况；通过一次谐波直流量与平均功率数据后续处理可实现任意偏置点锁定；根据射频驱动电路输出信号幅值确定子强度调制器A、B偏置电压工作点；设定三个偏置电极的偏置电压，完成初始化设置。
偏压实时锁定包括两种工作状态。工作状态一：控制电路发送控制信号打开模拟开关A，关闭模拟开关B，通过偏压控制系统接收反馈光信号，通过控制电路采集一次谐波直流量的变化情况，通过数值分析得到主调制器直流电极偏置电压漂移量，通过修正所述驱动电路偏置电压重新锁定偏置点。确保工作状态一成功锁定偏置点跳转工作状态二。工作状态二：所述控制电路发送控制信号打开模拟开关B，关闭模拟开关A，通过偏压控制系统接收反馈光信号，通过所述控制电路分别采集低频、高频谐波直流量与平均功率变化情况，通过数值分析得到所述子强度调制器A、B偏置电压漂移量，通过修正驱动电路偏置电压重新锁定偏置点，跳回至工作状态一。
为了确保所述工作状态一、二成功锁定，预设一个比较参数，当修正偏置电压输回调制器，再此分析偏置电压漂移量，如果漂移量小于设定参数，即可看成偏置成功锁定，可跳转下一工作状态。
为确保工作在所述工作状态二时，直流调相臂C偏置电压未发生较大偏移，设定工作状态二运行时间上限，当锁定时间超过上限，强制跳回工作状态一。
所述的正弦波(微扰)信号是指与射频驱动模块输出的调制信号相比，调制信号的峰峰值与正弦波信号的峰峰值的比值推荐大于等于20:1，具体依据硬件模块性能而定。
低通滤波器截止频率小于低频微扰信号一次谐波频率，所述高通滤波器截止频率远大于低频微扰信号三次谐波频率。
光电探测器带宽远大于微扰信号三次谐波频率，远小于调制信号频率。
模拟开关、加法器、乘法器的工作频带大于高频微扰信号的频率。参考值设定越小，控制精度越高，对器件性能要求更高，一般设定为0.01V-0.001V。
高频微扰信号频率推荐大于低频微扰信号频率一个数量级以上。
如图2所示，一种双平行马赫曾德尔调制器PAM4偏压控制方法，包括以下步骤：
1)向调制器输入脉冲光，保持射频输入关闭，打开模拟开关A，驱动电路向乘法器A输出阶梯波，光耦合器输出光信号经过光电转换电路、乘法器A和低通滤波器后，送入数模转换器和控制电路，得到一次谐波直流量随偏置电压变化情况。通过寻找一次谐波峰值ZREF确认需要锁定的正交点。驱动电路输出合适偏置电压使主调制器直流电极工作在正交点。关闭模拟开关和阶梯波输出；
2)根据输入射频信号功率比，确定子强度调制器A、B偏置电压；
3)设置主调制器直流电极工作在正交点，打开模拟开关B，驱动电路向乘法器B和C分别输出阶梯波，输出光信号经过光电转换电路分为两路：一路送入乘法器A和低通滤波器A，提取子强度调制器A的低频微扰一次谐波直流量随偏置电压变化情况；第二路送入高通滤波器、乘法器B和低通滤波器B，提取子强度调制器B的高频微扰一次谐波直流量随偏置电压变化情况；第三路送入第三低通滤波器，根据第三低通滤波器输出的直流信号提取平均光功率随偏置电压变化情况；计算一次谐波直流量与平均光功率比值函数，分别得到函数D1和D2，确认需要锁定的平均光功率点，找到对应偏置电压以及D1和D2的值D1REF和D2REF。驱动电路输出合适偏置电压使子强度调制器A、B工作在合适偏置点，完成初始化设置；
4)加载射频调制信号，打开模拟开关A，输出光信号通过偏压反馈回路得到一次谐波直流量ZN，计算ZN-ZREF，判断是否小于预设参考值，若大于参考值，则修正驱动电路输出偏压值，通过少量改变偏置电压判断漂移的方向，通过数值分析确定偏置电压漂移量。修改偏压值后，重新采集输出光信号，进行上述数值分析，若ZN小于预设参考值，则表明偏置点已成功锁定，跳转至工作状态二；若否，继续上述循环，直到满足条件；
5)打开模拟开关B，输出光信号通过偏压反馈回路得到实时D1的值D1N和D2的值D2N，通过数值分析确定子强度调制器A、B的偏置电压漂移量，修正驱动电路输出偏压置，重新采集输出光信号，计算D1N-D1REF和D2N-D2REF的值。若两路均小于预设参考值，则表明此时偏置点已成功锁定，跳转至工作状态一；若否，则重新分析偏置电压漂移量，修正驱动电路输出偏压置，得到D1N或D2N后再次送入判断，直到满足条件。工作状态二设定强制跳转时间，当锁定时间大于该值，则强制跳转回工作状态一。
基于双平行马赫曾德尔调制器实现PAM4的过程可由图3描述，图中IQ星图表示光场强度和相位的变化。脉冲光信号输入DP-MZM，此时光场强度和相位恒定。经过Y分支光场强度减小为初始的
Figure BDA0002331018540000111
进入两个子强度调制器后，实现信号调制，由于子强度调制器一般采用差分驱动或推挽式，因此调制后输出信号幅度发生跳变而相位无变化。两路子强度调制器完全对称，输出信号完全相同。其中一路信号经过相位调制器移相π/2，两路信号作矢量相加。输出信号对应星图上的四个点，每个点与原点距离的平方对应光强的大小，输出信号在四种不同光强之间跳变。通过调节输入射频信号的幅度差，可以调整输出信号光强。如图4，DP-MZM输出射频信号RF1和RF2，主调制器直流调相电极偏置电压设置为DC1，I路子强度调制器直流调相电极偏置电压设置为DC2，Q路子强度调制器直流调相电极偏置电压设置为DC3，当满足
|Iout1-Iout2|＝|Iout2-Iout3|＝|Iout3-Iout4| (1)
达到输出信号无畸变的要求。Iout1、Iout2、Iout3、Iout4对应①②③④四种光强，
Figure BDA0002331018540000126
为主调制器直流调相电极引入相移。也可小范围调节子强度调制器直流电极对应偏置电压值，改变静态工作点，调整输出信号光强。
为了更加详细描述PAM4信号生成的过程，下面给出生成PAM4信号的公式推导：
双平行马赫曾德尔调制器输出光场可由下式表示
Figure BDA0002331018540000121
Figure BDA0002331018540000122
Figure BDA0002331018540000123
其中，Eout为DP-MZM输出光场，E0为DP-MZM输入光场，E1、E2分别为I路、Q路两个路子强度调制器的输出光场，α1、α2分别为I路、Q路两个子强度调制器的插入损耗，α3为主调制器直流调相电极插入损耗，V1、V2分别为I路、Q路两个子强度调制器的偏置电压，VRF1、VRF2分别为I路、Q路两个子强度调制器的调制信号，Vπ1、Vπ2分别为I路、Q路两个子强度调制器半波电压，
Figure BDA0002331018540000125
为主调制器直流调相电极相移，子强度调制器默认为推挽式结构或差分驱动，因此子强度调制器输出无相位相关项。输出光强可表示为
Figure BDA0002331018540000124
Figure BDA0002331018540000131
根据(5)式，不妨假设
Figure BDA0002331018540000132
可以消去交叉项，假设VRF1∈(-V1,V1)，VRF2∈(-V2,V2)，进一步化简
Figure BDA0002331018540000133
Figure BDA0002331018540000134
Figure BDA0002331018540000135
Figure BDA0002331018540000136
(6)(7)(8)(9)式对应前文所述四种不同光强。将(6)(7)(8)(9)带入(1)式可得DP-MZM理想工作条件
Figure BDA0002331018540000141
Figure BDA0002331018540000142
Figure BDA0002331018540000143
D1＝D2＝D3
Figure BDA0002331018540000144
DP-MZM两臂插入损耗可近似看成相等，即α2α3＝α1，其中α3＝1。可进一步化简(13)式
Figure BDA0002331018540000145
上述推导基于
Figure BDA0002331018540000146
的前提下进行，若
Figure BDA0002331018540000147
可以在星图上利用矢量关系证明，(1)式无法成立，此处不在展开分析。
根据上述推导，子强度调制器偏置电压设置需要根据射频调制信号幅度而定，主调制器直流调相电极必须实时锁定在正交点。确认DP-MZM的初始条件，进一步分析当直流电极出现相位漂移的情况。
双平行马赫曾德尔调制器有三个直流电极，工作一段时间，假设I路子强度调制器相位漂移量为
Figure BDA0002331018540000148
Q路子强度调制器相位漂移量为
Figure BDA0002331018540000149
主调制器直流调相电极相位漂移量为
Figure BDA00023310185400001410
由于光电探测器带宽远小于射频调制信号，输出光场中射频调制项对于偏压控制系统可以忽略。将相位漂移量带入(2)、(3)、(4)式，输出光强可由下式表达
Figure BDA00023310185400001411
由(15)式可知，输出光强与
Figure BDA0002331018540000151
和
Figure BDA0002331018540000152
三个未知量有关，进一步观察可发现，有且仅有一项与主调制器相移量
Figure BDA0002331018540000153
相关，因此当子强度调制器偏压固定时，输出可化简为
Figure BDA0002331018540000154
其中
Figure BDA0002331018540000155
K1、K2为常数，由(16)式可知，当子强度调制器偏置电压固定时，DP-MZM输出光强由常数项和余弦函数项构成，这与MZM的输出光强表达式是类似的。在主调制器直流调相电极中引入正弦微扰信号Vdither＝V0sin(ωt)，V0为微扰信号峰峰值，ω为微扰信号角频率。
将Pdither归一化
Figure BDA0002331018540000156
(17)式对Vdither进行泰勒展开，保留到三阶
Figure BDA0002331018540000157
将Vdither＝V0sin(ωt)带入(18)式化简可得
Figure BDA0002331018540000158
在接收端用相同正弦微扰信号乘输出反馈信号，经过低通滤波后得到一次谐波直流量，直流量可表达为主调制器直流调相电极漂移量的函数
Figure BDA0002331018540000161
Figure BDA0002331018540000162
是一个常量。可以发现Z与Pout|V1andV2fixed角频率相同，相差
Figure BDA0002331018540000163
相位。通过寻找Z极值点可以等效寻找调制曲线正交点。由此确定主调制器直流调相电极初始化条件。实时锁定偏置点原理：从反馈信号提取实时Z值ZN，计算ZN-ZREF是否小于参考值。如否，则证明偏置点发生偏移，引入微小偏置电压ΔV变化确定偏移方向，假设锁定在Z的极大值值点，偏置电压为V，若Z(V-ΔV)<ZN<Z(V+ΔV)证明偏置点向左漂移，反之，右漂。确定漂移量极性和漂移量大小，并依据公式(20)给出偏置电压修正值。
当直流调相臂锁定为正交点时，(15)式可进一步化简
Figure BDA0002331018540000164
其中α′2＝α2α3，由于不存在交叉项，DP-MZM输出可以看成两路独立MZM输出光强之和。此时如果分别向第二加法器和第三加法器引入低、高频微扰信号，偏压控制反馈电路再通过合适的滤波器分离，可以消除微扰信号之间的高次谐波相互干扰。
对于子强度调制器微扰分析类似于主调制器直流调相电极，不同的是，此时一次谐波公式中余弦项系数为1，因此对于子强度调制器A
Figure BDA0002331018540000165
X为一常数，D1在一个半波电压周期内，呈单调变化。因此D1与光功率点可形成一一对应关系，根据平均光功率设定偏置电压初始值后，通过对比平均光功率与D1，确定对应参考值D1REF，通过实时检测D1的值D1N，计算D1-1REF，根据公式(22)确定偏置电压修正值，X可根据实测求平均确定，可将I路子强度调制器偏置点锁定在任意点。对于Q路子强度调制器，由于两个子强度调制器是镜像的，分析是完全一致的。
为了避免两路信号干扰，以及微扰对后续数据处理的干扰，三个低通滤波器用于提取反馈信号中直流分量，因此截至频率小于微扰信号一次谐波中较小者。为了防止低频微扰对高频微扰的干扰，在光电转换电路与第二乘法器之间设置高通滤波器，滤除所有低频微扰信号。因此高通滤波器截止频率远大于低频微扰频率，小于高频微扰频率。

Claims (8)

1.一种双平行马赫曾德尔调制器偏置电压自动控制系统，其特征在于，包括：
光发射模块；
射频驱动模块；接收所述光发射模块输出带偏振的光信号并接收所述射频驱动模块输出的射频信号并调制的双平行马赫曾德尔调制器模块；
接收所述双平行马赫曾德尔调制器模块输出的调制光信号并向所述双平行马赫曾德尔调制器模块输出偏置电压控制信号的偏置电压自动控制装置。
2.根据权利要求1所述的双平行马赫曾德尔调制器偏置电压自动控制系统，其特征在于，所述的光发射模块包括激光器和偏振控制器，所述的偏振控制器的输入端与所述激光器的输出端连接，所述的偏振控制器的输出端与所述双平行马赫曾德尔调制器模块的输入端连接。
3.根据权利要求1所述的双平行马赫曾德尔调制器偏置电压自动控制系统，其特征在于，所述的射频驱动模块为两组，每组射频驱动模块包括信号发生器和射频驱动电路，所述的射频驱动电路的输入端与所述信号发生器的输出端连接。
4.根据权利要求3所述的双平行马赫曾德尔调制器偏置电压自动控制系统，其特征在于，所述的双平行马赫曾德尔调制器模块包括双平行马赫曾德尔调制器和光耦合器，所述的双平行马赫曾德尔调制器包括I路子强度调制器和Q路子强度调制器以及主调制器直流调相电极，所述的I路子强度调制器和所述的Q路子强度调制器均包括一个直流调相电极。
5.根据权利要求4所述的双平行马赫曾德尔调制器偏置电压自动控制系统，其特征在于，一组射频驱动模块中的射频驱动电路的输出端与所述I路子强度调制器连接，另一组射频驱动模块中的射频驱动电路的输出端与所述Q路子强度调制器连接，所述的I路子强度调制器的直流调相电极、Q路子强度调制器的直流调相电极和所述的主调制器直流调相电极均与所述偏置电压自动控制装置的输出端连接，所述的光耦合器的输出端与所述偏置电压自动控制装置的输入端连接。
6.根据权利要求1所述的双平行马赫曾德尔调制器偏置电压自动控制系统，其特征在于，所述的偏置电压自动控制装置，包括：
输出三路反馈信号的光电转换电路；
输出正弦波信号的正弦波发射模块；
接收所述三路反馈信号和正弦波信号并进行解调滤波的解调滤波模块；
接收所述解调滤波模块输出三路直流信号并进行模数转换的模数转换器；
接收所述模数转换器模数转换输出的三路数字信号并数据处理并向所述正弦波发射模块输出控制信号的控制电路；
接收所述控制电路输出控制信号和所述正弦波发射模块输出正弦波信号的驱动模块。
7.根据权利要求1所述的双平行马赫曾德尔调制器偏置电压自动控制系统，其特征在于，所述的偏置电压自动控制装置，包括：
接收所述光耦合器输出光信号并输出三路反馈信号的光电转换电路，所述的三路反馈信号包括第一路反馈信号、第二路反馈信号和第三路反馈信号；
第一正弦波发生器；
接收所述第一正弦波发生器输出的低频正弦波信号并控制输出的第一模拟开关；
接收所述第一路反馈信号和所述第一模拟开关控制输出低频正弦波信号并作相乘处理的第一乘法器；
接收所述第一乘法器相乘处理后的电信号的第一低通滤波器；
接收所述第二路反馈信号的高通滤波器；
第二正弦波发生器；
接收所述第一正弦波发生器输出的低频正弦波信号和接收所述第二正弦波发生器输出的高频正弦波信号并控制输出的第二模拟开关；
接收所述高通滤波器输出的调制信号和所述第二模拟开关控制输出高频正弦波信号并作相乘处理的第二乘法器；
接收所述第二乘法器相乘处理后的电信号的第二低通滤波器；
接收所述第三路反馈信号的第三低通滤波器；
接收所述第一低通滤波器输出的一次谐波直流信号、第二低通滤波器输出的一次谐波直流信号和第三低通滤波器输出的直流信号的模数转换器；
接收所述模数转换器模数转换输出的三路数字信号并数据处理的控制电路，所述的控制电路输出控制信号给所述第一模拟开关和第二模拟开关；
接收所述控制电路输出控制信号的驱动电路；
接收所述驱动电路输出的第一路偏压信号以及所述第一模拟开关控制输出低频正弦波信号并作相加处理的第一加法器，所述第一加法器输出信号给所述主调制器直流调相电极；
接收所述驱动电路输出的第二路偏压信号以及所述第二模拟开关控制输出低频正弦波信号并作相加处理的第二加法器，所述第二加法器输出信号给所述I路子强度调制器的直流调相电极；
接收所述驱动电路输出的第三路偏压信号以及所述第二模拟开关控制输出高频正弦波信号并作相加处理的第三加法器，所述第二加法器输出信号给所述I路子强度调制器的直流调相电极。
8.一种双平行马赫曾德尔调制器偏置电压自动控制方法，其特征在于，采用权利要求1～7任一项所述的双平行马赫曾德尔调制器偏置电压自动控制系统，包括以下步骤：
1)光发射模块向双平行马赫曾德尔调制器输入脉冲光，保持射频驱动模块输入关闭，打开第一模拟开关，驱动电路向第一乘法器输出阶梯波，光耦合器输出光信号经过光电转换电路、第一乘法器和第一低通滤波器后，送入数模转换器和控制电路，得到一次谐波直流信号(随偏置电压变化情况)，控制电路通过寻找一次谐波峰峰值确认需要锁定的正交点，关闭第一模拟开关和阶梯波输出；
2)根据射频驱动模块输出的射频信号功率比，确定两个子强度调制器各自的偏置电压；
3)驱动电路输出偏置电压使双平行马赫曾德尔调制器的主调制器的直流调相电极工作在正交点，打开第二模拟开关，驱动电路向第二乘法器和第三乘法器分别输出阶梯波给双平行马赫曾德尔调制器的两个子强度调制器，光耦合器输出光信号经过光电转换电路分为三路：，一路送入第一乘法器和第一低通滤波器，提取一次谐波直流信号随偏置电压变化数据；第二路送入高通滤波器、第二乘法器和第二低通滤波器，提取的一次谐波直流信号随偏置电压变化数据；第三路送入第三低通滤波器，根据第三低通滤波器输出的直流信号提取平均光功率随偏置电压变化数据；确认需要锁定的平均光功率点，找到对应的偏置电压，将一次谐波直流信号比上平均光功率得到比值函数，通过该偏置电压确定比值函数的参考值；
驱动电路输出偏置电压使子强度调制器工作在相应的偏置点，完成初始化设置；
4)射频驱动模块发射射频调制信号，打开第一模拟开关，光耦合器输出光信号通过偏压反馈回路得到一次谐波直流信号，该一次谐波直流信号与步骤1)中的一次谐波峰峰值计算差值的绝对值，判断差值的绝对值是否小于预设参考值，若差值的绝对值小于等于预设主调制器的参考值，则表明偏置点已成功锁定，进入步骤5)；
若差值的绝对值大于主调制器的参考值，则修正驱动电路输出偏压值，通过改变偏置电压判断漂移的方向，通过数值分析确定偏置电压漂移量，修改偏压值后，重新采集输出光信号，进行数值分析，直到差值的绝对值小于等于参考值，进入步骤5)；
5)打开第二模拟开关，光耦合器输出光信号通过偏压反馈回路得到两个子强度调制器的实时一次谐波直流信号，，通过数值计算求出一次谐波直流信号与平均光功率的比值函数，并与步骤3)中比值函数的参考值求差并取绝对值。若两个子强度调制器对应差值的绝对值均小于等于预设子强度调制器的参考值，则表明此时偏置点已成功锁定，跳转至步骤4)，实现偏置电压自动控制；
若否，则重新分析偏置电压漂移量，修正驱动电路输出偏压值，直到满足条件，步骤5)设定强制跳转时间，当步骤5)的锁定时间大于强制跳转时间，则强制跳转回步骤4)。
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