CN111711487A - 一种基于温漂补偿的偏置工作点自动控制系统 - Google Patents

一种基于温漂补偿的偏置工作点自动控制系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于温漂补偿的偏置工作点自动控制系统，通过反馈环路模块监测记录调制器输出光功率的大小，计算输出光功率和最大输出光功率的比值作为初始温度下的偏置工作点的衡量值以及监测导频信号的基波和二次谐波分量大小，计算求得调制器偏置相位系数，每一个功率比值对应的一个相位系数，并将此时的相位系数作为直流偏置相位系数标准值，完成调制器偏置工作点的初始化工作，并关闭导频信号；温度监测模块检测调制器的实时温度，当温度变化时，发送控制信号至反馈环路模块；反馈环路模块接收控制信号，启用导频法修正工作点，不断调整偏置电压，直至标准值漂移趋近于零，实现了任意偏置工作点的稳定，并且基本不受温度变化的影响。

Description

一种基于温漂补偿的偏置工作点自动控制系统
技术领域
本发明涉及调制器控制技术领域，尤其涉及一种基于温漂补偿的偏置工作点自动控制系统。
背景技术
微波光子链路在雷达系统、射频光纤传输、微波信号产生、光纤传感等领域都有重要的应用，其中射频光纤传输(ROF)是一种将射频信号调制到光载波，利用光纤进行传输的技术，相比于同轴电缆传输，ROF具有重量轻、损耗低、速率高、容量大的优势。一种基本的基于外调制器的ROF链路由激光器、外调制器、光电探测器构成，其中外调制器是一种实现电光变换的重要器件，相比于将射频信号直接加载到激光器来实现电光变换的直接调制方式，外调制方式具有低啁啾噪声和高动态范围等优点。在已有的大量研究中，基于LiNbO3的马赫曾德尔强度调制器(MZM)被广泛应用，以实现抑制链路非线性分量、降低链路噪声系数、提高信号的布里渊散射功率阈值等效果。但在实际工程应用中，马赫曾德尔调制器的工作点容易受环境变化的影响，如温度、压力、机械振动会导致调制器工作点的偏移，导致链路性能恶化。现有稳定MZM工作点的方法主要有导频法和光功率控制法，而导频法无法实现任意工作点的稳定且导频会在载波附近带来交调，影响信号的相位纯度。光功率控制法受温度变化影响控制精度不高，因此现存的两种方法难以满足高精度的任意偏置工作点的稳定需求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于温漂补偿的偏置工作点自动控制系统，旨在实现任意偏置工作点的稳定，并且基本不受温度变化的影响。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于温漂补偿的偏置工作点自动控制系统，包括激光器、调制器、耦合光分路器、第一探测器、第二探测器、反馈环路模块和温度监测模块，所述激光器与所述调制器的光输入端连接，所述耦合光分路器与所述调制器的光输出端连接，所述第一探测器和所述第二探测器均与所述耦合光分路器连接，所述反馈环路模块与所述第二探测器连接，所述温度监测模块与所述调制器连接；
所述激光器，用于发射激光信号；
所述调制器，用于将射频信号加载到所述激光器上进行电光变换调制；
所述耦合光分路器，用于将所述调制器输出的光电信号分为第一路光信号和第二路光信号；
所述第一探测器，用于接收第一路光电信号，输出解调的射频信号；
所述第二探测器，用于接收第二路光电信号，输出至所述反馈环路模块调整偏置电压；
所述反馈环路模块，用于通过监测、记录所述调制器输出光功率的大小，计算输出光功率和目标输出光功率的比值作为初始温度下的偏置工作点的衡量值，其中，所述目标输出光功率为输出光功率降序排列在前的第一输出光功率；还用于通过监测导频信号的基波和二次谐波分量大小，计算求得所述调制器偏置相位系数，每一个比值对应的相位系数，并将此时的相位系数作为直流偏置相位系数标准值，完成所述调制器偏置工作点的初始化工作，并关闭导频信号；
所述温度监测模块，用于检测所述调制器的实时温度，当温度变化时，发送控制信号至所述反馈环路模块；
所述反馈环路模块，还用于接收控制信号，启用导频法修正工作点，不断调整偏置电压，直至标准值漂移趋近于零。
其中，所述反馈环路模块包括分路器，所述分路器与所述第二探测器连接，用于输出监控信号和滤波信号。
其中，所述反馈环路模块还包括功率监测模块，所述功率监测模块与所述分路器连接，用于接收监控信号，记录不同偏置电压下的输出光功率值，标记一个偏置电压下的输出光功率与目标光功率的比值作为所述调制器偏置工作点的量化值。
其中，所述反馈环路模块还包括滤波放大模块，所述滤波放大模块与所述分路器连接，用于接收滤波信号，对第二路光电信号进行放大滤波处理。
其中，所述反馈环路模块还包括模数转换模块、信号处理模块和数模转换模块，所述模数转换模块与所述功率监测模块和所述滤波放大模块连接，所述信号处理模块和所述数模转换模块依次与所述模数转换模块连接；
所述模数转换模块，用于将模拟光信号和模拟导频信号转换为数字信号；
所述信号处理模块，用于通过PID算法实现标准偏置工作点初始化以及偏置工作点温度漂移补偿；
所述数模转换模块，用于对所述信号处理模块输出的数字信号进行数模转换，输出直流电压信号。
其中，所述反馈环路模块还包括导频信号发射模块，所述导频信号发射模块与所述温度监测模块连接，用于接收所述温度监测模块发送的控制信号，发射导频信号。
其中，所述反馈环路模块还包括合路器，所述合路器与所述导频信号发射模块和所述数模转换模块连接，用于接收直流电压信号和导频信号，输出复合信号至所述调制器的偏置电压输入端。
本发明的一种基于温漂补偿的偏置工作点自动控制系统，通过反馈环路模块监测记录调制器输出光功率的大小，计算输出光功率和最大输出光功率的比值作为初始温度下的偏置工作点的衡量值以及监测导频信号的基波和二次谐波分量大小，计算求得调制器偏置相位系数，每一个功率比值对应的一个相位系数，并将此时的相位系数作为直流偏置相位系数标准值，完成调制器偏置工作点的初始化工作，并关闭导频信号；温度监测模块检测调制器的实时温度，当温度变化时，发送控制信号至反馈环路模块；反馈环路模块接收控制信号，启用导频法修正工作点，不断调整偏置电压，直至标准值漂移趋近于零，实现了任意偏置工作点的稳定，并且基本不受温度变化的影响。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明基于温漂补偿的偏置工作点自动控制系统的结构示意图；
图2是本发明反馈环路模块的结构示意图；
图中：100-基于温漂补偿的偏置工作点自动控制系统、10-激光器、20-调制器、30-耦合光分路器、40-第一探测器、50-第二探测器、60-反馈环路模块、70-温度监测模块、601-分路器、602-功率监测模块、603-滤波放大模块、604-模数转换模块、605-信号处理模块、606-数模转换模块、607-导频信号发射模块、608-合路器。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
请参阅图1，图1是本发明基于温漂补偿的偏置工作点自动控制系统100的结构示意图。本发明提供一种基于温漂补偿的偏置工作点自动控制系统100，包括激光器10、调制器20、耦合光分路器30、第一探测器40、第二探测器50、反馈环路模块60和温度监测模块70，所述激光器10与所述调制器20的光输入端连接，所述耦合光分路器30与所述调制器20的光输出端连接，所述第一探测器40和所述第二探测器50均与所述耦合光分路器30连接，所述反馈环路模块60与所述第二探测器50连接，所述温度监测模块70与所述调制器20连接；
所述基于温漂补偿的偏置工作点自动控制系统100的原理如下：
所述调制器20(MZM)的传输函数为：P＝Pi{1+sin[π(VDC+VHF)/Vπ+θ]}/2α；其中Pi为调制器20输入直流光功率，Vπ是外调制器20半波电压。VDC是直流偏置电压，θ是调制器20的本征相位，VHF为射频调制信号RHF的瞬时幅度，α为器件损耗常数。传输函数随偏置电压呈余弦信号变化，当MZM工作于以下四个典型的偏置工作点(Min，Max，Quad+，Quad-)时，MZM具有不同的特性：Quad点基波分量最大，二次谐波分量最小，Min和Max点二次谐波分量最大，基波分量最小。因此可以通过光载波、射频基波功率和二次谐波功率的大小来确定MZM偏置工作点的位置。
其中，所述激光器10，用于发射激光信号；
所述调制器20，用于将射频信号加载到所述激光器10上进行电光变换调制；
所述耦合光分路器30，用于将所述调制器20输出的光电信号分为第一路光信号和第二路光信号；
所述第一探测器40，用于接收第一路光电信号，输出解调的射频信号；
所述第二探测器50，用于接收第二路光电信号，输出至所述反馈环路模块60调整偏置电压；
请参阅图2，图2是本发明反馈环路模块60的结构示意图。所述反馈环路模块60，用于通过监测、记录所述调制器20输出光功率的大小，计算输出光功率和目标输出光功率的比值作为初始温度下的偏置工作点的衡量值，其中，所述目标输出光功率为输出光功率降序排列在前的第一输出光功率；还用于通过监测导频信号的基波和二次谐波分量大小，计算求得所述调制器20偏置相位系数，每一个功率比值对应的一个相位系数，并将此时的相位系数作为直流偏置相位系数标准值，完成所述调制器20偏置工作点的初始化工作，并关闭导频信号；具体地，所述反馈环路模块60包括分路器601、功率监测模块602、滤波放大模块603、模数转换模块604、信号处理模块605、数模转换模块606、导频信号发射模块607和合路器608，所述分路器601与所述第二探测器50连接，用于输出监控信号和滤波信号；所述功率监测模块602与所述分路器601连接，用于接收监控信号，记录不同偏置电压下的输出光功率值，标记一个偏置电压下的输出光功率与目标光功率的比值作为所述调制器20偏置工作点的量化值；所述滤波放大模块603与所述分路器601连接，用于接收滤波信号，对第二路光电信号进行放大滤波处理；所述模数转换模块604与所述功率监测模块602和所述滤波放大模块603连接，所述信号处理模块605和所述数模转换模块606依次与所述模数转换模块604连接；所述模数转换模块604，用于将模拟光信号和模拟导频信号转换为数字信号；所述信号处理模块605，用于通过PID算法实现标准偏置工作点初始化以及偏置工作点温度漂移补偿；所述数模转换模块606，用于对所述信号处理模块605输出的数字信号进行数模转换，输出直流电压信号；所述导频信号发射模块607与所述温度监测模块70连接，用于接收所述温度监测模块70发送的控制信号，发射导频信号；所述合路器608与所述导频信号发射模块607和所述数模转换模块606连接，用于接收直流电压信号和导频信号，输出复合信号至所述调制器20的偏置电压输入端。
所述温度监测模块70，用于检测所述调制器20的实时温度，当温度变化时，发送控制信号至所述反馈环路模块60；
所述反馈环路模块60，还用于接收控制信号，启用导频法修正工作点，不断调整偏置电压，直至标准值漂移趋近于零。
具体的，为所述调制器20(MZM)设置所述温度监测模块70，获得并记录初始工作环境温度。此温度下，MZM输出端连接所述耦合光分路器30将MZM输出光功率耦合一部分出来用于光功率监测。首先所述温度监测模块70锁定环境初始温度T0，在此温度下，进行大范围直流偏置电压扫描，通过所述功率监测模块602记录下不同偏置电压下的输出光功率值(包括最大值、最小值、中间值)，将某一偏置电压下的输出光功率和最大输出光功率的比值n作为MZM偏置工作点的量化值(如当k为-3dB时，此时MZM工作在正交点)，由此可以通过比值n确定初始化温度下的MZM偏置工作点。
具体的，为MZM直流偏置电压附加一个频率很低的导频信号RLF，幅度为VLF，导频信号会随幅度为VDC的偏置电压一起加载到光载波上，对MZM耦合出来少部分光信号进行探测分析，可分别得出导频信号的基波分量(PLF1)和二次谐波分量(PLF2)。在导频信号幅度一定的情况下，导频信号基波功率和二次谐波功率的比值(A＝PLF1/PLF2)与导频信号调制深度的一阶贝塞尔函数与二阶贝塞尔函数的比值(B＝J1(mLF)/J2(mLF))成比例变化(A＝k'·B)，比例系数为k'＝tan(m+θ)，k'为MZM的直流偏置相位系数，决定了MZM的偏置工作点，其中θ是环境温度变化导致的MZM相位变化，m为直流偏置电压导致的MZM偏置相位变化，m＝π(VDC/Vπ)，VDC是直流偏置电压幅度，导频信号调制深度mLF＝π(VLF/Vπ)，Vπ是调制器20半波电压。在初始温度下，由所述温度监测模块70可得初始温度下的偏置工作点对应的光功率比值n，每一个n值会对应一个k'，将初始温度下的k'′作为标准值，定义为k，作为标准偏置工作点的衡量值，至此MZM标准偏置工作点的初始化完成。
当所述温度监测模块70监测到环境温度变化量超过ΔT时，启用导频法修正工作点。即当温度变时，比例系数k'会发生变化，相较于标准值k变化量Δk'。通过一个反馈补偿环路去不断调整偏置电压，使得Δk趋近于0，得到修正后的偏置点，修正后关闭所述导频信号发射模块607，最终实现温度变化下的偏置工作点稳定控制。
具体过程为，所述激光器10连接MZM的光输入端，射频信号RHF连接MZM的射频输入端，MZM光输出端连接耦合光分路器30将MZM输出光信号分为两路：第一路光信号进入所述第一探测器40，所述第一探测器40输出解调的射频信号；第二路光信号进入所述第二探测器50，输出连接所述分路器601，其中一路分路器601输出连接所述功率监测模块602，所述功率监测模块602输出端连接所述模数转换模块604，实现数字采样，转换后的信号进入所述信号处理模块605，数字处理后的信号进入所述数模转换模块606，所述数模转换模块606输出直流电压信号；分路器601输出的另一路信号进入所述滤波放大模块603，经滤波放大后的信号进入所述模数转换模块604，所述模数转换模块604输出的数字信号进入所述信号处理模块605，数字处理后的信号进入所述数模转换模块606，所述数模转换模块606输出直流电压信号，直流电压和导频信号进入所述合路器608输出复合信号，所述合路器608输出端连接MZM偏置电压输入端。所述温度监测模块70紧挨MZM，实时监控MZM环境温度，当温度变化ΔT时，发送控制信号，控制所述导频信号发射模块607发射导频信号。
反馈环路1(第二探测器50—分路器601—功率监测模块602—模数转换模块604—信号处理模块605—数模转换模块606—MZM偏置电压输出端—MZM光输出端—第二探测器50)监测MZM输出光功率，计算得出输出光功率和最大输出光功率的比值n，将n作为偏置工作点的衡量值；
反馈环路2(第二探测器50—分路器601—滤波放大模块603—模数转换模块604—信号处理模块605—数模转换模块606和导频信号发射模块607—MZM偏置电压输入端—MZM光输出端—第二探测器50)监测导频信号基波功率和二次谐波功率，计算得到MZM的直流偏置相位系数k'，每一个n值对应一个k'值，所述信号处理模块605将此时的k'值储存作为MZM直流偏置相位系数的标准值，至此完成MZM偏置工作点的初始化工作，并关闭导频信号。
所述温度监测模块70监控MZM环境温度变化，当温度变化量超过ΔT>1℃时，发送控制信号，使导频信号介入，启用导频法修正工作点。即当温度变时，系数k'会发生变化，相较于标准偏置工作点对应的直流偏置相位系数标准值的变化量为Δk'′，通过反馈环路2中所述信号处理模块605不断调整偏置电压，使得Δk趋近于0，得到修正后的偏置工作点，修正后关闭导频信号，最终实现温度变化下的偏置工作点稳定控制。
以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。

Claims (7)

1.一种基于温漂补偿的偏置工作点自动控制系统，其特征在于，
包括激光器、调制器、耦合光分路器、第一探测器、第二探测器、反馈环路模块和温度监测模块，所述激光器与所述调制器的光输入端连接，所述耦合光分路器与所述调制器的光输出端连接，所述第一探测器和所述第二探测器均与所述耦合光分路器连接，所述反馈环路模块与所述第二探测器连接，所述温度监测模块与所述调制器连接；
所述激光器，用于发射激光信号；
所述调制器，用于将射频信号加载到所述激光器上进行电光变换调制；
所述耦合光分路器，用于将所述调制器输出的光电信号分为第一路光信号和第二路光信号；
所述第一探测器，用于接收第一路光电信号，输出解调的射频信号；
所述第二探测器，用于接收第二路光电信号，输出至所述反馈环路模块调整偏置电压；
所述反馈环路模块，用于通过监测、记录所述调制器输出光功率的大小，计算输出光功率和目标输出光功率的比值作为初始温度下的偏置工作点的衡量值，其中，所述目标输出光功率为输出光功率降序排列在前的第一输出光功率；还用于通过监测导频信号的基波和二次谐波分量大小，计算求得所述调制器偏置相位系数，每一个功率比值对应的一个相位系数，并将此时的相位系数作为直流偏置相位系数标准值，完成所述调制器偏置工作点的初始化工作，并关闭导频信号；
所述温度监测模块，用于检测所述调制器的实时温度，当温度变化时，发送控制信号至所述反馈环路模块；
所述反馈环路模块，还用于接收控制信号，启用导频法修正工作点，不断调整偏置电压，直至标准值漂移趋近于零。
2.如权利要求1所述的基于温漂补偿的偏置工作点自动控制系统，其特征在于，
所述反馈环路模块包括分路器，所述分路器与所述第二探测器连接，用于输出监控信号和滤波信号。
3.如权利要求1所述的基于温漂补偿的偏置工作点自动控制系统，其特征在于，
所述反馈环路模块还包括功率监测模块，所述功率监测模块与所述分路器连接，用于接收监控信号，记录不同偏置电压下的输出光功率值，标记一个偏置电压下的输出光功率与目标光功率的比值作为所述调制器偏置工作点的量化值。
4.如权利要求3所述的基于温漂补偿的偏置工作点自动控制系统，其特征在于，
所述反馈环路模块还包括滤波放大模块，所述滤波放大模块与所述分路器连接，用于接收滤波信号，对第二路光电信号进行放大滤波处理。
5.如权利要求4所述的基于温漂补偿的偏置工作点自动控制系统，其特征在于，
所述反馈环路模块还包括模数转换模块、信号处理模块和数模转换模块，所述模数转换模块与所述功率监测模块和所述滤波放大模块连接，所述信号处理模块和所述数模转换模块依次与所述模数转换模块连接；
所述模数转换模块，用于将模拟光信号和模拟导频信号转换为数字信号；
所述信号处理模块，用于通过PID算法实现标准偏置工作点初始化以及偏置工作点温度漂移补偿；
所述数模转换模块，用于对所述信号处理模块输出的数字信号进行数模转换，输出直流电压信号。
6.如权利要求5所述的基于温漂补偿的偏置工作点自动控制系统，其特征在于，
所述反馈环路模块还包括导频信号发射模块，所述导频信号发射模块与所述温度监测模块连接，用于接收所述温度监测模块发送的控制信号，发射导频信号。
7.如权利要求6所述的基于温漂补偿的偏置工作点自动控制系统，其特征在于，
所述反馈环路模块还包括合路器，所述合路器与所述导频信号发射模块和所述数模转换模块连接，用于接收直流电压信号和导频信号，输出复合信号至所述调制器的偏置电压输入端。
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