CN111726163B - 一种四工作点可调的外调制电光转换系统及方法 - Google Patents

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Abstract

一种四工作点可调的外调制电光转换系统及方法，包括宽带集成铌酸锂电光调制器‑保偏光源器件、保偏光源驱动控制电路、调制器偏压控制电路、RS485通信接口电路，所述宽带集成铌酸锂电光调制器‑保偏光源器件包括铌酸锂电光调制器和保偏光源，其中：保偏光源驱动控制电路控制所述保偏光源的电流和温度，调制器偏压控制电路给所述铌酸锂电光调制器提供稳定的工作电压。该组件具有体积小、重量轻、损耗低、易于布线、幅度和相位稳定性高、抗电磁干扰等优点。

Description

一种四工作点可调的外调制电光转换系统及方法
技术领域
本发明涉及一种四工作点可调的外调制电光转换系统及方法，属于光纤通信技术领域。
背景技术
外调制电光转换系统是光纤通信中的一个重要组件，特别是近年来高速光纤传输系统的迅猛发展，人们对带宽的要求也越来越高。外调制电光转换系统是目前高速、长距离的光纤通信系统中必不可少的组件。
在模拟光纤传输系统中，外调制电光转换系统可以用于相控阵列天线系统，微波光子系统，雷达和毫米波上路、下路转换等。以相控阵雷达为例，相控阵天线多达数千甚至上万个天线辐射单元，每一个辐射单元都需要发射和接收信号。发射信号、接收信号和波束控制信号等均需要相应的信号传输和分配网络。常规相控阵天线的信号分配网络由同轴电缆或波导完成，波束控制移相由微波PIN二极管等移相器实现。这些器件体积庞大，重达数吨，温度稳定性差，易受电磁干扰，且带宽有限。其信号分配和传输网络变得十分复杂和庞大，成本很高。若要满足机载预警飞机等相控阵的特殊要求，其难度更大，采用光纤传输和分配网络代替相应的同轴电缆或波导网络，不仅体积和重量大大减小，并且损耗低，易于布线，幅度和相位稳定性高，抗电磁干扰，整个系统成本也会随之降低，有着明显的优势。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种四工作点可调的外调制电光转换系统，该组件集成度高，调制带宽大，传输损耗小，可实现电光调制器在最大点、最小点、Q+点、Q-点四个工作点的稳定偏压控制，满足各种光纤通信的使用要求。
本发明采用的技术方案为：
一种四工作点可调的外调制电光转换系统，包括：宽带集成铌酸锂调制器-保偏光源器件(1)、保偏光源驱动控制电路(2)、调制器偏压控制电路(3)、RS485通信接口电路(4)；
上位机通过RS485通信接口电路(4)发送指令给调制器偏压控制电路(3)，调制器偏压控制电路(3)选择工作点并提供给宽带集成铌酸锂调制器-保偏光源器件(1)，宽带集成铌酸锂调制器-保偏光源器件(1)在保偏光源驱动控制电路(2)和调制器偏压控制电路(3)的控制下，将外部输入的射频信号转化成光信号，并对外输出，并将工作状态信息通过RS485通信接口电路(4)传递给上位机。
进一步的，宽带集成铌酸锂调制器-保偏光源器件(1)包括铌酸锂电光调制器(5)和保偏光源(6)；
保偏光源(6)在保偏光源驱动控制电路(2)的驱动下，产生光信号送入铌酸锂电光调制器(5)中，铌酸锂电光调制器(5)在调制器偏压控制电路(3)的控制下，稳定工作在给定工作点，并将外部输入的射频信号调制到光信号中对外输出。
进一步的，铌酸锂电光调制器输出光功率的强度P与其两端所加的电压Vb的转换关系呈三角函数关系，所述工作点包括：最大点、最小点、+Q点和-Q点；
最大点是指：转换关系曲线中，铌酸锂电光调制器光功率输出最大的点max；
最小点是指：转换关系曲线中，铌酸锂电光调制器光功率输出最小的点min；
Q+点是指：转换关系曲线中，正斜率值最大的点Q+；
Q-点是指：转换关系曲线中，负斜率值的绝对值最大的点Q-。
进一步的，所述保偏光源驱动控制电路(2)包括恒温控制电路(7)和恒功率驱动电路(8)；所述恒温控制电路(7)和恒功率驱动电路(8)控制保偏光源工作在恒温恒流的状态下。
进一步的，所述恒温控制电路(7)包括：热电制冷控制器芯片和PID补偿电路；保偏光源(6)中包括热敏电阻和热电制冷器；
热电制冷控制器芯片根据保偏光源(6)中热敏电阻的阻值判断保偏光源(6)的实时温度与设定温度的大小关系；热电制冷控制器芯片对保偏光源(6)中的热电制冷器输出电流，对保偏光源(6)进行制冷或加热，以确保保偏光源(6)的工作温度稳定在设定值；PID补偿电路调节温度控制精度和稳定度。
进一步的，所述恒功率驱动电路(8)包括：电压基准源、电压跟随器、负反馈电路和驱动电流开关控制电路；
电压基准源提供的基准电压，输入到负反馈电路的正输入端，作为恒功率驱动的设定电压，铌酸锂电光调制器(5)的光功率反馈信号转换成电压信号经过电压跟随器输入到负反馈电路的负输入端，负反馈电路的输出信号给到驱动电流开关控制电路，从而调节驱动电流的大小，从而实现恒功率驱动。
进一步的，调制器偏压控制电路(3)包括：单片机(9)、跨阻放大器(10)、第一信号调理电路(11)、模拟开关(12)、反相器(13)、晶振(14)、方波发生器(15)、分频器(16)、第二信号调理电路(17)以及加法器(18)；
单片机(9)输出直流偏置电压通过加法器(18)给到铌酸锂电光调制器(5)，铌酸锂电光调制器(5)的功率检测电流输入到跨阻放大器(10)，跨阻放大器(10)把电流信号转换成电压信号反馈给单片机，同时输入到第一信号调理电路(11)，第一信号调理电路(11)输出正电压信号到模拟开关(12)，同时反相器(13)将该正电压信号转换为负电压信号输入到模拟开关(12)；
晶振(14)产生2MHz时钟信号输入到方波发生器(15)产生2MHz方波，2MHz方波经分频器(16)分频，分频器(16)输出1KHz扰波信号经过第二信号调理电路(17)产生1KHz扰波电压并输入到加法器(18)；分频器(16)输出2KHz选通信号到模拟开关(12)，模拟开关(12)在单片机(9)的开关控制下，输出2KHz检波电压到加法器(18)，加法器(18)将直流偏置电压、2KHz检波电压、1KHz扰波电压经过加法运算后，输出调制器偏置电压给到铌酸锂电光调制器(5)。
进一步的，铌酸锂电光调制器允许调制的频率范围为：800MHz～20GHz。保偏光源(6)的光功率输出范围为：40mW～100mW。
进一步的，本发明还提出一种电光转换方法，包括步骤如下：
(1)保偏光源驱动控制电路(2)上电工作，保偏光源(6)工作在恒温(25℃)和恒功率(40mW)的稳定状态下并输出光信号到铌酸锂电光调制器(5)；
(2)上位机通过RS485通信接口电路(4)发送指令给调制器偏压控制电路(3)，令调制器偏压控制电路(3)上电工作，输出调制器偏置电压，使铌酸锂电光调制器稳定工作在Q+点、最大点、最小点或Q-点，工作点的选择通过单片机(9)程序输出的直流偏置电压来确定；
(3)含有数据信息的射频信号输入到铌酸锂电光调制器(5)，铌酸锂电光调制器(5)输出经过调制的光信号；射频信号频率范围为800MHz～18GHz；
(4)单片机(9)将铌酸锂电光调制器(5)的状态信息经过RS485通信接口电路(4)上报给主机。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明四工作点可调的外调制电光转换系统大大减小了外调制电光转换系统的体积：将保偏光源和铌酸锂电光调制器两种光学器件集成封装在小型化的金属管壳内，两种分立器件合二为一，集成度高，体积减小。
(2)本发明四工作点可调的外调制电光转换系统将保偏光源和铌酸锂电光调制器两种光学器件集成封装在小型化的金属管壳内，减少了光路损耗，从而降低了功耗。
(3)本发明四工作点可调的外调制电光转换系统调制带宽达到800MHz～18GHz。
(4)本发明四工作点可调的外调制电光转换系统所设计的电光调制器偏压控制电路可实现铌酸锂电光调制器稳定工作在最大点、最小点、Q+点、Q-点，并且可在四个工作点之间切换。
附图说明
图1为铌酸锂电光调制器输出光功率与所加偏压的转换关系曲线。
图2为本发明四工作点可调的外调制电光转换系统结构示意图。
图3为宽带集成铌酸锂电光调制器-保偏光源器件示意图。
图4为调制器偏压控制电路示意图。
具体实施方式
如图2所示，本发明提出一种四工作点可调的外调制电光转换系统，包括：宽带集成铌酸锂调制器-保偏光源器件1、保偏光源驱动控制电路2、调制器偏压控制电路3、RS485通信接口电路4；
上位机通过RS485通信接口电路4发送指令给调制器偏压控制电路3，调制器偏压控制电路3选择工作点并提供给宽带集成铌酸锂调制器-保偏光源器件1，宽带集成铌酸锂调制器-保偏光源器件1在保偏光源驱动控制电路2和调制器偏压控制电路3的控制下，将外部输入的射频信号转化成光信号，并对外输出，并将工作状态信息通过RS485通信接口电路4传递给上位机。
如图2、3所示，宽带集成铌酸锂调制器-保偏光源器件1包括铌酸锂电光调制器5和保偏光源6；
保偏光源6在保偏光源驱动控制电路2的驱动下，产生光信号送入铌酸锂电光调制器5中，铌酸锂电光调制器5在调制器偏压控制电路3的控制下，稳定工作在给定工作点，并将外部输入的射频信号调制到光信号中对外输出。
如图1所示，铌酸锂电光调制器输出光功率的强度P与其两端所加的电压Vb的转换关系呈三角函数关系，所述工作点包括：最大点、最小点、+Q点和-Q点；
最大点是指：转换关系曲线中，铌酸锂电光调制器光功率输出最大的点max；
最小点是指：转换关系曲线中，铌酸锂电光调制器光功率输出最小的点min；
Q+点是指：转换关系曲线中，正斜率值最大的点Q+；
Q-点是指：转换关系曲线中，负斜率值的绝对值最大的点Q-。
如图2所示，保偏光源驱动控制电路2包括恒温控制电路7和恒功率驱动电路8；所述恒温控制电路7和恒功率驱动电路8控制保偏光源工作在恒温恒流的状态下。
进一步的，恒温控制电路7包括：热电制冷控制器芯片和PID补偿电路；保偏光源6中包括热敏电阻和热电制冷器；
热电制冷控制器芯片根据保偏光源6中热敏电阻的阻值判断保偏光源6的实时温度与设定温度的大小关系；热电制冷控制器芯片对保偏光源6中的热电制冷器输出电流，对保偏光源6进行制冷或加热，以确保保偏光源6的工作温度稳定在设定值；PID补偿电路调节温度控制精度和稳定度。
进一步的，恒功率驱动电路8包括：电压基准源、电压跟随器、负反馈电路和驱动电流开关控制电路；
电压基准源提供的基准电压，输入到负反馈电路的正输入端，作为恒功率驱动的设定电压，铌酸锂电光调制器5的光功率反馈信号转换成电压信号经过电压跟随器输入到负反馈电路的负输入端，负反馈电路的输出信号给到驱动电流开关控制电路，从而调节驱动电流的大小，从而实现恒功率驱动。
如图4所示，调制器偏压控制电路3包括：单片机9、跨阻放大器10、第一信号调理电路11、模拟开关12、反相器13、晶振14、方波发生器15、分频器16、第二信号调理电路17以及加法器18；
单片机9输出直流偏置电压通过加法器18给到铌酸锂电光调制器5，铌酸锂电光调制器5的功率检测电流输入到跨阻放大器10，跨阻放大器10把电流信号转换成电压信号反馈给单片机，同时输入到第一信号调理电路11，第一信号调理电路11输出正电压信号到模拟开关12，同时反相器13将该正电压信号转换为负电压信号输入到模拟开关12；
晶振14产生2MHz时钟信号输入到方波发生器15产生2MHz方波，2MHz方波经分频器16分频，分频器16输出1KHz扰波信号经过第二信号调理电路17产生1KHz扰波电压并输入到加法器18；分频器16输出2KHz选通信号到模拟开关12，模拟开关12在单片机9的开关控制下，输出2KHz检波电压到加法器18，加法器18将直流偏置电压、2KHz检波电压、1KHz扰波电压经过加法运算后，输出调制器偏置电压给到铌酸锂电光调制器5。
优选的，本发明中铌酸锂电光调制器允许调制的频率范围为：800MHz～20GHz。
优选的，本发明中保偏光源6的光功率输出范围为：40mW～100mW。
工作原理：
1、保偏光源驱动控制电路2上电工作，保偏光源6工作在恒温25℃和恒功率40mW的稳定状态下并输出光信号到铌酸锂电光调制器5；
2、上位机通过RS485通信接口电路4发送指令给调制器偏压控制电路3，令调制器偏压控制电路3上电工作，输出调制器偏置电压，使铌酸锂电光调制器稳定工作在Q+点、最大点、最小点或Q-点，工作点的选择通过单片机9程序输出的直流偏置电压来确定；
3、含有数据信息的射频信号输入到铌酸锂电光调制器5，铌酸锂电光调制器5输出经过调制的光信号；射频信号频率范围为800MHz～18GHz；
4、单片机9将铌酸锂电光调制器5的状态信息经过RS485通信接口电路4上报给主机。
本发明铌酸锂电光调制器5在调制器偏压控制电路3的驱动下，可工作在最大点、最小点、Q+点、Q-点其中的一个工作点，并在输出端输出光信号，当在铌酸锂电光调制器5的射频输入端输入给定射频信号时，铌酸锂电光调制器5的光学输出端便输出相应的光信号。
本发明采用集成化的铌酸锂调制器和保偏光源，有效降低了光信号在传输过程中的损耗和功耗。并且大幅减小了光学器件的体积。本发明四工作点可调的外调制电光转换系统允许调制的频率范围为：800MHz～20GHz。本发明四工作点可调的外调制电光转换系统用RS485接口与上位机通信，可实时上报其工作状态信息。本发明四工作点可调的外调制电光转换系统的标准光学接口为FC接口，标准射频接口为SMA接口。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (1)

1.一种四工作点可调的外调制电光转换系统，其特征在于包括：宽带集成铌酸锂调制器-保偏光源器件(1)、保偏光源驱动控制电路(2)、调制器偏压控制电路(3)、RS485通信接口电路(4)；
上位机通过RS485通信接口电路(4)发送指令给调制器偏压控制电路(3)，调制器偏压控制电路(3)选择工作点并提供给宽带集成铌酸锂调制器-保偏光源器件(1)，宽带集成铌酸锂调制器-保偏光源器件(1)在保偏光源驱动控制电路(2)和调制器偏压控制电路(3)的控制下，将外部输入的射频信号转化成光信号，并对外输出，并将工作状态信息通过RS485通信接口电路(4)传递给上位机；
所述四工作点可调的外调制电光转换系统的标准光学接口为FC接口，标准射频接口为SMA接口；
宽带集成铌酸锂调制器-保偏光源器件(1)包括铌酸锂电光调制器(5)和保偏光源(6)；
保偏光源(6)在保偏光源驱动控制电路(2)的驱动下，产生光信号送入铌酸锂电光调制器(5)中，铌酸锂电光调制器(5)在调制器偏压控制电路(3)的控制下，稳定工作在给定工作点，并将外部输入的射频信号调制到光信号中对外输出；将保偏光源(6)和铌酸锂电光调制器(5)两种光学器件集成封装在小型化的金属管壳内，两种分立器件合二为一，形成高集成度的宽带集成铌酸锂调制器-保偏光源器件(1)；
铌酸锂电光调制器输出光功率的强度P与其两端所加的电压Vb的转换关系呈三角函数关系，所述工作点包括：最大点、最小点、Q+ 点和Q- 点；铌酸锂电光调制器(5)在调制器偏压控制电路(3)的驱动下，可工作在最大点、最小点、Q+点、Q-点其中的一个工作点，并在输出端输出光信号，当在铌酸锂电光调制器(5)的射频输入端输入给定射频信号时，铌酸锂电光调制器(5)的光学输出端便输出相应的光信号；
最大点是指：转换关系曲线中，铌酸锂电光调制器光功率输出最大的点max；
最小点是指：转换关系曲线中，铌酸锂电光调制器光功率输出最小的点min；
Q+点是指：转换关系曲线中，正斜率值最大的点Q+；
Q-点是指：转换关系曲线中，负斜率值的绝对值最大的点Q-；
所述保偏光源驱动控制电路(2)包括恒温控制电路(7)和恒功率驱动电路(8)；所述恒温控制电路(7)和恒功率驱动电路(8)控制保偏光源工作在恒温恒流的状态下；
所述恒温控制电路(7)包括：热电制冷控制器芯片和PID补偿电路；保偏光源(6)中包括热敏电阻和热电制冷器；
热电制冷控制器芯片根据保偏光源(6)中热敏电阻的阻值判断保偏光源(6)的实时温度与设定温度的大小关系；热电制冷控制器芯片对保偏光源(6)中的热电制冷器输出电流，对保偏光源(6)进行制冷或加热，以确保保偏光源(6)的工作温度稳定在设定值；PID补偿电路调节温度控制精度和稳定度；
所述恒功率驱动电路(8)包括：电压基准源、电压跟随器、负反馈电路和驱动电流开关控制电路；
电压基准源提供的基准电压，输入到负反馈电路的正输入端，作为恒功率驱动的设定电压，铌酸锂电光调制器(5)的光功率反馈信号转换成电压信号经过电压跟随器输入到负反馈电路的负输入端，负反馈电路的输出信号给到驱动电流开关控制电路，从而调节驱动电流的大小，从而实现恒功率驱动；
调制器偏压控制电路(3)包括：单片机(9)、跨阻放大器(10)、第一信号调理电路(11)、模拟开关(12)、反相器(13)、晶振(14)、方波发生器(15)、分频器(16)、第二信号调理电路(17)以及加法器(18)；
单片机(9)输出直流偏置电压通过加法器(18)给到铌酸锂电光调制器(5)，铌酸锂电光调制器(5)的功率检测电流输入到跨阻放大器(10)，跨阻放大器(10)把电流信号转换成电压信号反馈给单片机，同时输入到第一信号调理电路(11)，第一信号调理电路(11)输出正电压信号到模拟开关(12)，同时反相器(13)将该正电压信号转换为负电压信号输入到模拟开关(12)；
晶振(14)产生2MHz时钟信号输入到方波发生器(15)产生2MHz方波，2MHz方波经分频器(16)分频，分频器(16)输出1KHz扰波信号经过第二信号调理电路(17)产生1KHz扰波电压并输入到加法器(18)；分频器(16)输出2KHz选通信号到模拟开关(12)，模拟开关(12)在单片机(9)的开关控制下，输出2KHz检波电压到加法器(18)，加法器(18)将直流偏置电压、2KHz检波电压、1KHz扰波电压经过加法运算后，输出调制器偏置电压给到铌酸锂电光调制器(5)；
铌酸锂电光调制器允许调制的频率范围为：800MHz～20GHz；
保偏光源(6)的光功率输出范围为：40mW～100mW；
所述的四工作点可调的外调制电光转换系统的电光转换方法，包括步骤如下：
(1)保偏光源驱动控制电路(2)上电工作，保偏光源(6)工作在恒温25℃和恒功率40mW的稳定状态下并输出光信号到铌酸锂电光调制器(5)；
(2)上位机通过RS485通信接口电路(4)发送指令给调制器偏压控制电路(3)，令调制器偏压控制电路(3)上电工作，输出调制器偏置电压，使铌酸锂电光调制器稳定工作在Q+点、最大点、最小点或Q-点，工作点的选择通过单片机(9)程序输出的直流偏置电压来确定；
(3)含有数据信息的射频信号输入到铌酸锂电光调制器(5)，铌酸锂电光调制器(5)输出经过调制的光信号；射频信号频率范围为800MHz～18GHz；
(4)单片机(9)将铌酸锂电光调制器(5)的状态信息经过RS485通信接口电路(4)上报给主机。
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