CN113109951B - 基于随机信号的并联电光调制器偏置点控制方法及装置 - Google Patents

基于随机信号的并联电光调制器偏置点控制方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于随机信号的并联电光调制器偏置点控制方法。按照预设时间宽度将随机信号在时域中等间隔分割为N+1路输入信号，并按照时间顺序编号，将其中的N路输入信号一一对应地注入N个电光调制器的偏置端，另一路作为参考信号；将调制器组的输出光信号光电转换而成的电信号按照所述时间宽度在时域中等间隔分割为N+1路输出信号，并按照时间顺序编号；对于任一光电调制器，将输出信号Cj分别与输入信号Bj、参考信号做互相关，j为该电光调制器所注入输入信号的编号，并用这两个互相关的比值与标准偏置电压之间的对应关系，对该电光调制器的偏置电压进行控制。本发明还公开了一种基于随机信号的并联电光调制器偏置点控制装置。

Description

基于随机信号的并联电光调制器偏置点控制方法及装置
技术领域
本发明涉及一种电光调制器偏置点控制方法，尤其涉及一种并联电光调制器偏置点控制方法及装置。
背景技术
电光调制器具有大带宽、低驱动电压和低啁啾等优势，在光速光通信领域得到广泛应用。电光调制器本身的工作函数为非线性函数，需要外加偏置电压工作在最优工作点上。但是，它的工作点容易受到光功率抖动和温度变化等因素影响而漂移，极大影响自身的工作性能，需要通过外加的控制系统进行偏置点的控制。常见的控制方法有两种，分别为光功率法和导频法。前者实时采集输入和输出光功率，比较两者大小调整偏压【K.Sekine,C.Hasegawa,N.Kikuchi,and S.Sasaki,“A novel bias control technique for MZmodulator with monitoring power of bachward light for advanced modulationformats,”in Proc.OFC/NFOEC,Mar.2007,pp.1–3】。该方法极易受到光功率波动的影响，实用性不高。导频法在偏压端注入单频信号，根据输出信号中单频信号的基频和二倍频信号幅度比值调整偏压【T.Yoshida,et al.,“A study on automatic bias control forarbitrary optical signal generation by dual-parallel Mach-Zehnder modulator,”in Proc.36th ECOC,Sep.2010,pp.1–3】。该方法不易受光功率波动影响，应用较为广泛。但是，在复杂的并联电光调制器系统中，多个电光调制器同时进行工作，需要对每个电光调制器的偏置点进行单独控制，单靠上面两种方法很难做到。现有技术结合两种方法分别对两路电光调制器进行控制【潘豪,文爱军,高永胜,“并联MZM任意点自动偏压控制装置和方法,”2016】。该方法能实现单独偏置点控制，但是结构复杂，且对于三个以上数量的电光调制器无法实现控制。采用三导频信号进行偏置点控制【于振声,文爱军,魏孔坤,“基于三导频的双平行马赫-曾德尔调制器(DPMZM)的任意点自动偏压控制方法,”2018.】。该方法随着电光调制器数量增多，需加入更多导频，结构复杂且对射频信号影响大。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术不足，提供一种基于随机信号的并联电光调制器偏置点控制方法及装置，能对系统中任意调制器进行任意偏置点的控制，且系统结构简单，对射频信号影响较小。
本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：
基于随机信号的并联电光调制器偏置点控制方法，对于由并联的N个电光调制器所组成的调制器组中的任一电光调制器，N为大于等于2的整数，通过以下方法对其偏置点进行控制：按照预设时间宽度将随机信号在时域中等间隔分割为N+1路输入信号，并按照时间顺序依次记为Bi，i＝1,2,…,N+1，将其中的N路输入信号一一对应地注入所述N个电光调制器的偏置电压输入端，另一路作为参考信号；将调制器组的输出光信号光电转换而成的电信号按照所述预设时间宽度在时域中等间隔分割为N+1路输出信号，并按照时间顺序依次记为Ci，i＝1,2,…,N+1；对于该光电调制器，将输出信号Cj分别与输入信号Bj、参考信号做互相关，j为该电光调制器所注入输入信号的编号，并用这两个互相关的比值作为表征该电光调制器偏置情况的特征值；按照实测的特征值，并根据预先确定的该电光调制器的特征值与标准偏置电压之间的对应关系，对该电光调制器的偏置电压进行控制。
优选地，所述N+1路输入信号按照以下方法得到：将所述随机信号分为N+1路，并对第k路信号延时
Figure BDA0002985719840000021
T为预设的时间周期。
优选地，所述偏置电压为经过归一化的偏置电压。
基于相同发明构思还可以得到以下技术方案：
基于随机信号的并联电光调制器偏置点控制装置，用于对由并联的N个电光调制器所组成的调制器组中的任一电光调制器的偏置点进行控制，N为大于等于2的整数；该装置包括：
随机信号生成单元，用于生成随机信号；
第一时域分割单元，用于按照预设时间宽度将随机信号在时域中等间隔分割为N+1路输入信号，并按照时间顺序依次记为Bi，i＝1,2,…,N+1，将其中的N路输入信号一一对应地注入所述N个电光调制器的偏置电压输入端，另一路作为参考信号；
第二时域分割单元，将调制器组的输出光信号光电转换而成的电信号按照所述预设时间宽度在时域中等间隔分割为N+1路输出信号，并按照时间顺序依次记为Ci，i＝1,2,…,N+1；
主控单元，用于将输出信号Cj分别与输入信号Bj、参考信号做互相关，j为该电光调制器所注入输入信号的编号，并用这两个互相关的比值作为表征该电光调制器偏置情况的特征值；按照实测的特征值，并根据预先确定的该电光调制器的特征值与标准偏置电压之间的对应关系，对该电光调制器的偏置电压进行控制。
优选地，所述第一时域分割单元包括一组延时器，用于对所述随机信号所分为的N+1路中的第k路信号延时
Figure BDA0002985719840000031
T为预设的时间周期。
优选地，所述偏置电压为经过归一化的偏置电压。
相比现有技术，本发明技术方案具有以下有益效果：
本发明结构简单，只需要加入一路导频信号，即可实现对任意多个并联光电调制器组中任意电光调制器的准确控制；
本发明所注入的导频信号幅度小，对射频信号影响小；
本发明可适用于多种调制格式，且反馈时间短，控制精度高。
附图说明
图1为本发明基于随机信号的并联电光调制器偏置点控制装置一个具体实施例的结构示意图；
图2为图1所示装置的控制流程示意图；
图3为仅改变电光调制器1偏置电压时的互相关比值-偏置电压曲线；
图4为仅改变电光调制器2偏置电压时的互相关比值-偏置电压曲线；
图5为同时改变电光调制器1、电光调制器2偏置电压时的互相关比值-偏置电压曲线。
具体实施方式
针对现有技术不足，本发明的解决思路是利用随机信号互不相关的特点，来对并联电光调制器进行任意偏置点的精准控制。
具体而言，本发明所提出的基于随机信号的并联电光调制器偏置点控制方法，对于由并联的N个电光调制器所组成的调制器组中的任一电光调制器，N为大于等于2的整数，通过以下方法对其偏置点进行控制：按照预设时间宽度将随机信号在时域中等间隔分割为N+1路输入信号，并按照时间顺序依次记为Bi，i＝1,2,…,N+1，将其中的N路输入信号一一对应地注入所述N个电光调制器的偏置电压输入端，另一路作为参考信号；将调制器组的输出光信号光电转换而成的电信号按照所述预设时间宽度在时域中等间隔分割为N+1路输出信号，并按照时间顺序依次记为Ci，i＝1,2,…,N+1；对于该光电调制器，将输出信号Cj分别与输入信号Bj、参考信号做互相关，j为该电光调制器所注入输入信号的编号，并用这两个互相关的比值作为表征该电光调制器偏置情况的特征值；按照实测的特征值，并根据预先确定的该电光调制器的特征值与标准偏置电压之间的对应关系，对该电光调制器的偏置电压进行控制。
本发明所提出的基于随机信号的并联电光调制器偏置点控制装置，用于对由并联的N个电光调制器所组成的调制器组中的任一电光调制器的偏置点进行控制，N为大于等于2的整数；该装置包括：
随机信号生成单元，用于生成随机信号；
第一时域分割单元，用于按照预设时间宽度将随机信号在时域中等间隔分割为N+1路输入信号，并按照时间顺序依次记为Bi，i＝1,2,…,N+1，将其中的N路输入信号一一对应地注入所述N个电光调制器的偏置电压输入端，另一路作为参考信号；
第二时域分割单元，将调制器组的输出光信号光电转换而成的电信号按照所述预设时间宽度在时域中等间隔分割为N+1路输出信号，并按照时间顺序依次记为Ci，i＝1,2,…,N+1；
主控单元，用于将输出信号Cj分别与输入信号Bj、参考信号做互相关，j为该电光调制器所注入输入信号的编号，并用这两个互相关的比值作为表征该电光调制器偏置情况的特征值；按照实测的特征值，并根据预先确定的该电光调制器的特征值与标准偏置电压之间的对应关系，对该电光调制器的偏置电压进行控制。
为了便于公众理解，下面通过一个具体实施例并结合附图来对本发明的技术方案进行详细说明：
如图1所示，本实施例中的控制装置包括处理系统、光电探测器以及N个延时器，用于对由并联的N个电光调制器所组成的调制器组进行任意偏置点控制；其中处理系统包含数模转换器、模数转换器和可编程逻辑阵列。
上述装置的工作流程如图2所示，处理系统生成随机信号后将其分为N+1路，并通过N个延时器对其中的N路信号分别进行延时，其中的第k路信号延时
Figure BDA0002985719840000051
T为预设的时间周期，这样就实现了将随机信号在时域中等间隔(间隔为
Figure BDA0002985719840000052
)分割为N+1路输入信号，将这N+1路输入信号按照时间顺序依次记为Bi，i＝1,2,…,N+1；将其中的N路输入信号一一对应地注入所述N个电光调制器的偏置电压输入端，另一路作为参考信号(本实施例中是以延时为0的一路输入信号，即原始的随机信号，作为参考信号，由于后续的互相关运算均在处理系统中实现，因此图1中未显示出这一路参考信号)；调制器组所输出的光信号经光电探测器(PD)拍频，从而转换为电信号，将其同样在时域中等间隔(间隔为
Figure BDA0002985719840000053
)分割为N+1路输出信号，按照时间顺序依次记为Ci，i＝1,2,…,N+1，本实施例是通过在数字域按照时间顺序采样实现了时域分割；
对于调制器组中的任一光电调制器，假设注入其偏置电压输入端的输入信号为Bj，则将输出信号Cj与输入信号Bj做互相关运算，所得结果记为Rj1；将输出信号Cj与参考信号做互相关运算，所得结果记为Rj2；本发明将这两个互相关的比值作为表征该电光调制器偏置情况的特征值；预先在0～2Vπ范围内调整该电光调制器的偏置电压并记录相应的互相关比值，即可得到该电光调制器的特征值与标准偏置电压之间的对应关系，本实施例中是将互相关比值与归一化的偏置电压绘制成互相关比值-偏置电压参考曲线；在对该电光调制器的实际偏置控制过程中，将实测得到的特征值(即互相关比值)与互相关比值-偏置电压参考曲线相比较，并根据比较结果对偏置电压进行控制。
设输入光载波为
Ein＝E0exp(jω0t) (1)
其中E0、ω0代表光载波的幅度、角频率。
设输入到电光调制器的射频信号为
VRF(t)＝VRFcos(ωRFt) (2)
其中VRF，ωRF为信号幅度和角频率。
设处理系统生成的随机信号为
Vs(t)＝Vss(t) (3)
其中VS为信号幅度。
将随机信号分成N+1路，并使用N个延时器对其进行延时，其中第k路信号延时
Figure BDA0002985719840000061
则第k路信号为
Figure BDA0002985719840000062
这样就实现了随机信号在时域中等间隔(间隔为
Figure BDA0002985719840000063
)分割成N+1路信号，其中第k路信号为
Figure BDA0002985719840000064
将延时后的随机信号一一注入电光调制器的偏置电压输入端，多出的一路作为参考信号，则电光调制系统的输出可表示为
Figure BDA0002985719840000065
其中，
Figure BDA0002985719840000066
其中VDC代表加载到直流偏置端的偏置电压,Vπ1和Vπ2分别为马赫曾德尔调制器直流偏置端和射频输入端的半波电压。
令
Figure BDA0002985719840000071
则
Figure BDA0002985719840000072
将输出信号经PD拍频后得
Figure BDA0002985719840000073
将输出信号按照预设时间宽度在时域中等间隔(间隔为
Figure BDA0002985719840000074
)分割成N+1路输出信号，则第i段时间的输出信号为(i＝1,2,…,N+1)
Figure BDA0002985719840000075
由于随机信号分割后各个编号信号互不相关，将第i段输出信号同第k段输入信号做互相关，仅有满足
Figure BDA0002985719840000076
即i＝k时互相关值不为0，此时结果为
Figure BDA0002985719840000077
同理，将第i段输出信号同第k+1段输入信号做互相关，仅有满足
Figure BDA0002985719840000078
即k＝0,显然不成立，所以互相关的值为0。但在实际应用中，其为固定常数，且此时Ri数值较小，可通过两者比值的方法放大Ri，便于计算。
结合理论推导部分，使用仿真软件对控制系统进行了仿真。控制系统中电光调制器的数量为2，图3～图5代表各个电光调制器互相关结果同偏置电压的函数关系曲线。其中虚线代表电光调制器1的的结果，实线代表电光调制器2的结果。保持电光调制器1的偏置电压不变，从0V-12V线性增大电光调制器2的偏置电压，结果如图3所示，电光调制器1的关系曲线几乎不变，电光调制器2的关系曲线发生变化；保持电光调制器2的偏置电压不变，从0V-12V线性增大电光调制器1的偏置电压，结果如图4所示，电光调制器2的关系曲线几乎不变，电光调制器1的关系曲线发生变化；从0V-12V同时线性增大电光调制器1和2的偏置电压，结果如图5所示，电光调制器1和2的关系曲线都发生变化。仿真结果证明本专利的仿真系统能够对各个电光调制器进行独立的偏置点控制。
综上可知，本发明实现了对任意多个并联光电调制器组中任意电光调制器偏置点的准确控制，与传统方法相比，其结构精简，方法简单，相比于单频信号对射频影响小，能实现自动、高精度的控制。

Claims (6)

1.基于随机信号的并联电光调制器偏置点控制方法，其特征在于，对于由并联的N个电光调制器所组成的调制器组中的任一电光调制器，N为大于等于2的整数，通过以下方法对其偏置点进行控制：按照预设时间宽度将随机信号在时域中等间隔分割为N+1路输入信号，并按照时间顺序依次记为Bi，i＝1,2,…,N+1，将其中的N路输入信号一一对应地注入所述N个电光调制器的偏置电压输入端，另一路作为参考信号；将调制器组的输出光信号光电转换而成的电信号按照所述预设时间宽度在时域中等间隔分割为N+1路输出信号，并按照时间顺序依次记为Ci，i＝1,2,…,N+1；对于该光电调制器，将输出信号Cj分别与输入信号Bj、参考信号做互相关，j为该电光调制器所注入输入信号的编号，并用这两个互相关的比值作为表征该电光调制器偏置情况的特征值；按照实测的特征值，并根据预先确定的该电光调制器的特征值与标准偏置电压之间的对应关系，对该电光调制器的偏置电压进行控制。
2.如权利要求1所述基于随机信号的并联电光调制器偏置点控制方法，其特征在于，所述N+1路输入信号按照以下方法得到：将所述随机信号分为N+1路，并对第k路信号延时
Figure FDA0002985719830000011
T为预设的时间周期。
3.如权利要求1所述基于随机信号的并联电光调制器偏置点控制方法，其特征在于，所述偏置电压为经过归一化的偏置电压。
4.基于随机信号的并联电光调制器偏置点控制装置，用于对由并联的N个电光调制器所组成的调制器组中的任一电光调制器的偏置点进行控制，N为大于等于2的整数；其特征在于，该装置包括：
随机信号生成单元，用于生成随机信号；
第一时域分割单元，用于按照预设时间宽度将随机信号在时域中等间隔分割为N+1路输入信号，并按照时间顺序依次记为Bi，i＝1,2,…,N+1，将其中的N路输入信号一一对应地注入所述N个电光调制器的偏置电压输入端，另一路作为参考信号；
第二时域分割单元，将调制器组的输出光信号光电转换而成的电信号按照所述预设时间宽度在时域中等间隔分割为N+1路输出信号，并按照时间顺序依次记为Ci，i＝1,2,…,N+1；
主控单元，用于将输出信号Cj分别与输入信号Bj、参考信号做互相关，j为该电光调制器所注入输入信号的编号，并用这两个互相关的比值作为表征该电光调制器偏置情况的特征值；按照实测的特征值，并根据预先确定的该电光调制器的特征值与标准偏置电压之间的对应关系，对该电光调制器的偏置电压进行控制。
5.如权利要求4所述基于随机信号的并联电光调制器偏置点控制装置，其特征在于，所述第一时域分割单元包括一组延时器，用于对所述随机信号所分为的N+1路中的第k路信号延时
Figure FDA0002985719830000021
T为预设的时间周期。
6.如权利要求4所述基于随机信号的并联电光调制器偏置点控制装置，其特征在于，所述偏置电压为经过归一化的偏置电压。
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