CN113452447B - 电光强度调制器长期直流偏置点漂移的修正装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电光强度调制器长期直流偏置点漂移的修正装置及方法，该方法包括：激光光源经单模光纤传输至电光强度调制器，调制光传输至光电探测器，完成光电转换和电信号放大，接入示波器作FFT实时观测频率功率谱信息，判断偏置点稳定效果。以往由于直流偏置点不稳定，会影响调制器效果，输出有畸变现象。因此本方法提出翻转偏置电压装置，给电光强度调制器施加反向电场，修正内部载流子漂移累积的电荷，从而防止偏置漂移现象。本发明为解决电光强度调制器偏置点长期漂移提出有效办法，避免加入抖动信号时引入噪声，同时不需要工艺革新改进器件制造技术，降低成本。

Description

电光强度调制器长期直流偏置点漂移的修正装置及方法

技术领域

本发明涉及光传输网络技术领域，具体涉及一种电光强度调制器长期直流偏置点漂移的修正装置及方法。

背景技术

强度调制是光纤通信系统中应用最多的调制信息、传递信息的方法。外调制的光强度调制器中铌酸锂马赫曾德尔调制器是普遍认为性能最好的器件。光损耗低，光处理能力强，光带宽较宽，可调谐啁啾。但是最大的缺点是偏置漂移问题，它会导致模拟光路中斜率最高的最优偏置点缓慢漂移，难以实现数字光路中的高消光比。

铌酸锂装置中的偏移可能有很多原因，主要分为外部漂移源和内部漂移源。外部漂移源是由于环境条件的变化，包括比如温度、湿度、压力等。某些条件下光诱导过程也可能导致偏置点漂移。重要的外在漂移原因是热光效应、热点效应、光折变效应和应变光学效应。现在有很多研究外部漂移控制的办法。内部漂移，与电流和电荷在电压作用下在器件结构中的重新分配有关。

马赫-曾德尔强度调制器基于电光效应。在其光输入端口，有一个分光器，将输入光束分成两个相等的光束。分开的光束在两个分开的臂中传播。这些臂中至少一个为电光波导，沿其光学相位可以被施加的电压调制。如果光波在两臂中传播后同相位，则在输出光合路器中作为单模合并，从而产生最大强度输出；然而当光波在两臂传播后产生相位差时，在光合路器附近以高阶空间模式合并，因此大部分光功率在合路器之外变成非导波，输出强度最小。MZ强度调制器输出的光场振幅通常可以用

表示，A1和A2与两臂的光振幅相对应，Φ1和Φ2表示光相位延迟。相位差由两部分组成：一部分是零外加电压下的相位差；另一部分是外加电压引起的相位差。当只调制一个臂时，相位差变为

其中γ是光学限制因子，定义为限制在有源层中的光学模式部分；λ是光波长；L是调制长度；△n是波导有源层的光学指数变化。光学指数变化，对应的就是相移(漂移)。因此，不同的物理效应都会导致MZ强度调制器工作点漂移，要严格意义上避免漂移，该设备应为对称结构，并且在MZ强度调制器的两臂上激励相同。

比较不同漂移源引起的漂移数量级，根据铌酸锂不同物理常数值，计算不平衡臂和对称激励下的偏移量级。偏移量级由相移量级S来表征，定义为

在对称激励和非对称臂下，热漂移带入

(其中ΔT＝0.01K，δ＝1.3μm)估计漂移量级约为6％，光折变引起漂移带入

(其中λ＝1.55μm，

δ＝1.3μm)大致漂移量级为10^-5％。由此可以得知，光折变表现出较低的漂移量级，但是在MZ强度调制器两臂之间一个小的温度梯度(温差)都会导致较大的S，热漂移是主要的外部来源漂移。然而，当MZ强度调制器两臂处于温度控制时，热漂移的影响大大降低，外部漂移可忽略。因此，为保持设备长时间的最佳运行，必须克服内部源长期直流漂移的问题。

现有的测量电光强度调制器偏置点漂移的方案中，RC网络模型法最为普遍，线性RC电路模型测量时间间隔内直流偏置漂移现象，用相移大小表征偏置漂移量，在长时间测试中也很稳定。内部偏置漂移的测量过程，用RC表征偏置时间特性，时间常数受结构内部界面、边界层、材料层电光系数影响，偏置电压作用下，器件内的电荷重新分配，造成了偏置漂移。这就是电光强度调制器在光照下，光生载流子的漂移运动，引起电荷积累，导致了偏置漂移。

目前，解决器件内部电荷漂移的办法，第一种找到理想的制造技术，制备低漂移所需的材料，获得具有减少漂移的器件。第二种在仔细分析构成器件结构的基础上，通过模型评估将漂移率降到所需水平需要的变化。

第一种方法是直接制备减少漂移的器件，从制造工艺上改进。例如提高材料表面电阻值，抑制载流子产生。缺点是工艺的进步需要长时间积累，制备的材料需要生产线技术实现，不能停留在实验室阶段，能大量重复制备，才能投入生产，不至于成本太高。第二种方法是在现有设备上，测试降低漂移率的方案，改进器件结构等。然而改进方法并不完善，大多数铌酸锂器件在数千小时的连续偏置操作中虽然有一定的稳定性，但系统要求最佳偏置且保持较持久的稳定性。为保持稳定的最佳电压，也会使用一些外加电压控制电路，但外加控制电路对处理器和偏差识别精度要求较高，同时外加控制电路也会带来噪声及精度影响，这种技术不仅导致了光学损耗还增加了系统的复杂性。

发明内容

有鉴于此，为了解决现有技术中的上述问题，本发明提出一种电光强度调制器长期直流偏置点漂移的修正装置及方法，利用电荷在电场作用下的定向运动原理，调制器在外加电压作用下，内部自由电荷定向漂移，电荷漂移会形成内部反向电压，由于载流子积累速度慢，可以利用反转电场(施加反向电压)修正载流子漂移，防止载流子漂移引起的电荷积累导致直流偏置点漂移，由于不添加微扰，非常适用于量子保密通信系统。

本发明通过以下技术手段解决上述问题：

一方面，本发明提供一种电光强度调制器长期直流偏置点漂移的修正装置，包括激光器、电光强度调制器、光电探测器、电流-电压放大的跨阻放大器、示波器、温控装置和电压翻转装置；

激光器、电光强度调制器、光电探测器、跨阻放大器和示波器通过传输光纤依次连接；

温控装置控制电光强度调制器温度恒定；电压翻转装置控制电光强度调制器调制电压中断和直流偏置翻转；

激光器作为激发源发射激光，激光传输至电光强度调制器两臂，外加调制电压作用下，两臂传输的光信号有相位差，相位差决定输出光信号的干涉相长相消，实现强度调制，传输的光信号出现频谱搬移；经电光强度调制器光输出端口输出的激光，传输至光电探测器光探测端口，将光信号检测为光电流信号；后进入跨阻放大器，光电流信号变为电压信号，同时放大输出，将微弱光电流信号放大为电压信号，跨阻放大器同时需要满足信号频率的带宽，以保证信号完整性；放大的电压信号接入示波器，实时观察输出波形的变化，同时做FFT傅里叶变换，分析频率谱特性，观察偏置点稳定状况。

进一步地，所述电压翻转装置包括两个积分器、加法器、比较器和控制器；将电光强度调制器的RF和DC电压分别连接积分器，两个积分器输出同时接入加法器，加法器的输出连接比较器，比较器设置阈值电压，比较加法器输出的电压值和阈值电压大小，比较结果反馈到控制器，控制直流偏置开关和调制电压开关；直流偏置开关实现正负电压切换(一正一负两个电压实现等效调制效果)；直流电压切换的同时，比较器的阈值电压也进行修改，满足直流端输入正时，比较器的阈值电压也为正，当直流端输入为负，比较器阈值电压也设为负。

进一步地，所述跨阻放大器根据输入电阻和反馈电阻的阻值来确定放大器的放大倍数，调整反馈电阻的阻值可改变放大器的带宽，带宽为100M，放大倍数为1000倍。

进一步地，所述传输光纤的接口为FC接头，有2.5mm卡套，陶瓷内置于不锈钢卡套内，外部加强器件是金属套，使用螺丝扣紧固；光电探测器的光输入端口采用FC接头，使用时需满足接头同轴。

进一步地，所述传输光纤为单模光纤。

进一步地，所述光电探测器采用PIN管连接传输光纤，光信号从阴极进入，阳极输出光电流信号至跨阻放大器输入端。

另一方面，本发明提供一种电光强度调制器长期直流偏置点漂移的修正方法，包括如下步骤：

(1)激光器输出的激光接入单模光纤，光纤传输通过两个FC接头，减小插入损耗，提高回波损耗，然后接入电光强度调制器的光信号输入端；

(2)信号经光纤进入电光强度调制器双臂，因电光晶体在调制电压作用下的电光效应，电光强度调制器两臂相长相消改变输出光强，同时实现频率的搬移；

(3)电光强度调制器输出光信号经保偏光纤输出端口输出，接单模光纤，至光电探测器的光输入端；

(4)电光强度调制器调制功能主要通过电信号输入端口实现；两个电压输入控制端，一个RF端输入的是交流信号，起主要的调制作用，调制电光晶体的电光效应，控制两臂相位差从而改变输出光信号的强度；另外一个电信号端口DC为直流偏压端口，为调制器提供直流工作点，此工作点决定着调制器的传输性能，如果位于传输曲线的线性区电光强度调制器的传输特性不会产生畸变，反之如果处于非线性区则会引起传输畸变，初始信号会失真；

(5)从电光强度调制器输出的光信号，经单模光纤进入光电探测器光输入端，光信号从PIN管的阴极输入，PIN管工作在反向偏压下，再从阳极输出光电流信号，接入跨阻放大器，经微弱输入偏置电流的跨阻放大器放大，输出电压信号，从光信号转化为电信号，同时实现信号放大再输出；

(6)放大器输出电压信号并接入示波器，用示波器直接观察输出电压的波形，也可用示波器做频谱分析FFT观测频谱变化，来判断偏置点的位置；

(7)电光强度调制器的电子在反向电场作用下会改变漂移运动方向，进而避免光生载流子漂移造成的电荷积累，维持偏置点稳定；采用翻转直流电压的办法，改变光生载流子漂移，防止光生载流子漂移引起的电荷积累；

(8)电光强度调制器需放入温控装置，电压翻转装置控制电光强度调制器调制电压中断和直流偏置翻转，直流偏置翻转的具体方法为：将RF和DC电压分别连接积分器，两个积分器输出同时接入加法器，加法器的输出连接比较器，比较器设置阈值电压，比较加法器输出的电压值和阈值电压大小，比较结果反馈到控制器，控制直流偏置开关和调制电压开关；直流偏置开关实现正负电压切换；直流电压切换的同时，比较器的阈值电压也进行修改，满足直流端输入正时，比较器的阈值电压也为正，当直流端输入为负，比较器阈值电压也设为负。

进一步地，所述光生载流子计算采用下式：

Δσ＝eμ_dΔd+eμ_cΔc

ΔJ＝ΔσE＝eg(τ_dΔd+τ_cΔc)E

其中，Δσ为光电导率，μ_d、μ_c是电子、空穴迁移率，Δ_d、Δ_c是光生电子、空穴浓度，J是电流密度，I表示光电流，E表示电场强度，U表示外加电压，τ_d、τ_c是电子和空穴平均寿命；可知，载流子的漂移与所加电压的有效值有直接关系。

进一步地，表征光生载流子在电压作用下的电荷积累量：

式中w为器件宽度，L为外加电压方向上的长度；根据公式可计算出理论中，光生载流子在电压作用下的电荷积累量；电荷积累速度慢，因此翻转电场方向，改变载流子漂移的方向，打破电荷积累的趋势，防止电致漂移的形成。

进一步地，所述电光强度调制器的输出如下：

式中T_mod为强度调制器传输参数，I_in为输入光强，根据电光强度调制器传输曲线，当选取相同调制输出效果的对应正负电压时，翻转正负偏置电压，输出还是保持不变。

与现有技术相比，本发明的有益效果至少包括：

(1)量子保密通信信号光为单光子脉冲或单光子源，功率达到pW量级，如果采用微扰方案，即使引入极小的mW微扰，微扰信号仍比系统信号大10^9数量级，系统的通信质量仍会受到很大干扰，影响系统性能；同时，量子密钥分发系统对光子的相位和偏振进行编码，但在长距离光纤通信中光子偏振方向不够稳定，在光线中相位和偏振都会变化，因此需要对其相位或偏振进行补偿。系统补偿时存在系统兼容的时间间隙约100ns，只要控制时钟达10M及以上，本发明翻转电压和修改阈值电压的方法能在补偿时间内完成，不会引入新的误差。

(2)本发明采用高带宽高精度的探测器检测光信号，提高信号精度，示波器实时分析信号频率信息，监控输出信号所在直流偏置点；从工程上解决器件材料和结构性能的缺陷，弥补电光强度调制器长期存在的直流漂移现象，提出的办法可行性高，无需等待材料和结构研究的进展，以及器件加工工艺的进步。为目前解决长期存在直流漂移的现象，提供新的解决思路。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例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为本发明电光强度调制器长期直流偏置点漂移的修正装置示意图；

图2为本发明电压翻转装置示意图；

图3为温控装置示意图；

图4为载流子在电压作用下漂移的示意图；

图5为电光强度调制器结构的侧视图；

图6为本发明电光强度调制器结构的参数示意图。

图中：

LD、激光器；EOIM、电光强度调制器；PD、光电探测器；AP、电流-电压放大的跨阻放大器。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面将结合附图和具体的实施例对本发明的技术方案进行详细说明。需要指出的是，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

如图1所示，本发明提供一种电光强度调制器长期直流偏置点漂移的修正装置，包括激光器、电光强度调制器、光电探测器、电流-电压放大的跨阻放大器、示波器、温控装置和电压翻转装置。

激光器、电光强度调制器、光电探测器、跨阻放大器和示波器通过传输光纤依次连接。

温控装置控制电光强度调制器温度恒定；电压翻转装置控制电光强度调制器调制电压中断和直流偏置翻转。

激光器作为激发源发射激光(连续光和脉冲光)，激光传输至电光强度调制器两臂，外加调制电压作用下，两臂传输的光信号有相位差，相位差决定输出光信号的干涉相长相消，实现强度调制，传输的光信号出现频谱搬移；经电光强度调制器光输出端口输出的激光，传输至光电探测器光探测端口，光信号接入端是PIN管，将光信号检测为光电流信号；后进入跨阻放大器，光电流信号变为电压信号，同时放大输出，将微弱光电流信号放大为电压信号，放大倍数约1000倍，跨阻放大器同时需要满足信号频率的带宽，以保证信号完整性；放大的电压信号接入示波器，实时观察输出波形的变化，同时做FFT傅里叶变换，分析频率谱特性，观察偏置点稳定状况。

装置中使用的传输光纤，均为单模光纤，只有电光强度调制器两端为器件自带的一段保偏光纤，本发明不要求光的偏振态保持不变，仅考虑相位和频率变化即可。

传输光纤的接口为FC接头，有2.5mm卡套，陶瓷内置于不锈钢卡套内，外部加强器件是金属套，使用螺丝扣紧固，光纤接头对准可以减少插入损耗，这对光信号传输十分重要。光电探测器的光输入端口也是采用FC接头，光纤接口还有SC接头和ST接头，使用时均需满足上述接头同轴，才能减小插入损耗，传输效率达到最高。

激光输出接入单模光纤时，需将光纤接口对准旋紧，减小插入损耗；电光强度调制器需将接口处光纤尽可能自然弯折，减小传输损耗。

所述激光器为半导体激光器，发出的激光波长为1550nm，脉冲光的宽度为5ns。

所述电光强度调制器有两个电压输入端口，RF端施加调制信号，调制信号可以为交流的任意信号，实现调制光满足信号需求即可，DC直流偏置电压端口输入直流信号，给电光强度调制器提供直流工作点，使其在传输曲线上不畸变的位置调制光信号，输出完整信号。电光强度调制器半波电压约为3V。

所述光电探测器为高带宽、高灵敏度器件，光电探测器采用PIN管连接光纤，输出光电流信号；PIN管作为光电探测器，没有内部增益，噪声较小，响应速度很高，设计时光信号从阴极进入，阳极输出光电流信号至跨阻放大器输入端，采用2.5GHz带宽大精度高的PIN管探测到微弱光信号的精度、灵敏度更高。

所述跨阻放大器输入偏置电流约为pA量级，放大倍数约30dB，带宽约0-100M。跨阻放大器将微弱光电流信号转变为电压信号同时输出放大的电压信号，完成光信号到光电流信号到电压信号的转换。

跨阻放大器是吸收电流，放大输出电压信号的放大器，实验使用的放大芯片满足极小的偏置电流，放大信号时不会引入很大噪声，输出更好的放大电压信号。

设计跨阻放大器时，根据输入电阻和反馈电阻的阻值来确定放大器的放大倍数，调整反馈电阻的阻值还可以改变放大器的带宽，实验要求带宽达到100M即可，需要的是更高的放大倍数。

电压信号接入示波器进行观测，可实时观察输出调制光信号的变化，检测偏置点是否漂移，为方案实施提供参考。示波器具有FFT计算功能，可根据光信号分析频率信息，判断输出光信号所在的电光强度调制器直流偏置点。

如图2所示，电压翻转装置，控制直流偏压翻转，调制电压中断，阈值电压改变，控制时钟需大于10MHz，维持更长时间的偏置点稳定；以实现翻转偏置电压，抑制载流子定向漂移造成偏置漂移，输出畸变。在量子通信系统中，控制调制器直流偏置点更稳定。

电压翻转装置，包括两个积分器、加法器、比较器和控制器，将电光强度调制器的RF和DC电压分别连接积分器，两个积分器输出同时接入加法器，加法器计算结果接入比较器，比较其值与阈值电压大小，然后反馈给控制器，控制器控制直流端翻转电压，控制交流端接入或关断信号，翻转电压同时修改阈值电压。

实验仪器—电光强度调制器，极易受到外界环境变化的影响，造成性能不稳定，从而影响偏置点的稳定，实验需要严格的控制变量，保证电光强度调制器在不受外界环境影响的条件下，温度压力等保持不变，确保实验的准确性。因此进行光信号调制时，电光强度调制器需放入一个温控装置，控制电光强度调制器温度恒定，不受环境影响引起偏置漂移，对实验现象造成干扰。

如图3所示，本实施例中温度控制为根据电光强度调制器制作的泡沫板，包含制冷片和PID控制，维持电光强度调制器周围环境稳定，防止温度等因素变化影响实验。

实施例2

本发明提供一种电光强度调制器长期直流偏置点漂移的修正方法，包括如下步骤：

(1)激发源发出脉冲调制的激光或者连续光源的激光，发出的激光经过单模光纤传输，光纤接头FC，为减小插入损耗，提高回波损耗，需要对准插针的对接端口，再进入电光强度调制器双臂；

(2)激光进入电光强度调制器双臂，因电光晶体在调制电压作用下的非线性效应，两臂产生相位差，根据干涉条件的相长相消调制输出光强大小，同时实现频率的搬移；

(3)电光强度调制器输出的光信号经保偏光纤输出端口输出，经另一段单模光纤传输，传送至光电探测器光输入端；

(4)电光强度调制器的电信号部分，有两个电压输入控制端，RF端输入的是交流调制信号，调制电光晶体的非线性效应，控制两臂差从而影响输出光信号的强度变化；另外一个端口DC端为直流偏压端口，为电光强度调制器提供一个直流工作点，此工作点决定着调制器的传输性能，具体体现在传输曲线的某个位置影响传输曲线的线性工作区和非线性工作区，如果在线性区域电光强度调制器的传输特性不会产生畸变，反之如果处于非线性区则会引起传输畸变，初始信号或多或少会失真；

(5)电光强度调制器输出的光信号，经单模光纤传输进入光电探测器光输入端，光信号进入光电探测器的PIN管，由阴极输入，从阳极输出光电流信号，接入跨阻放大器，经微弱输入偏置电流的跨阻放大器放大，输出电压信号，完成光信号到电信号的转化，同时实现信号放大再输出；

(6)跨阻放大器输出的电压信号，接入到示波器，可用示波器直接观察输出信号的电压特性，也可以用示波器做频谱分析FFT观测频谱的变化，来判断偏置点是稳定；

(7)具体操作时，电荷积累很慢，给修正电荷漂移留了充足时间。电子在反向电场作用下会改变漂移运动方向，进而避免光生载流子漂移造成的电荷积累，维持偏置点稳定。采用翻转直流电压的办法，改变光生载流子漂移，防止光生载流子漂移引起的电荷积累；

(8)电光强度调制器需放入温控装置，电压翻转装置控制电光强度调制器调制电压中断和直流偏置翻转，直流偏置翻转的具体方法：将RF和DC电压分别连接积分器，两个积分器输出同时接入加法器、加法器的输出连接比较器，比较器设置阈值电压，比较加法器输出的电压值和阈值电压大小，比较结果反馈到控制器，控制直流偏置开关和调制电压开关。直流开关实现正负电压切换；直流电压切换的同时，比较器的阈值电压也进行修改，满足直流端输入正时，比较器的阈值电压也为正，当直流端输入为负，比较器阈值电压也设为负。

电压翻转装置控制偏置电压翻转，维持偏置点动态稳定，同时操作中时刻关注示波器输出波形和频谱特性，确保偏置点稳定。

电光强度调制器需要在调制电压和偏置电压共同作用下，实现调制功能，光输入端和输出端均由光纤实现传输，电信号端口为SMA端口，接调制电压控制调制器工作，接偏置电压为调制器提供偏置工作点；在电场作用下，调制器内部的载流子会定向移动，电荷积累产生电压，导致偏置点漂移。

电光强度调制器的外加电压有电场作用，器件内部的光生载流子会在外电压作用下发生定向移动，产生电荷积累，电荷积累会带来内部反向电压，从而引起直流偏置点的漂移；但是电荷积累是一个漫长的过程，如果在电荷积累到产生电压之前翻转外加电场方向，施加反向偏压，改变载流子漂移的方向，阻止电荷积累，就能纠正载流子漂移带来的内电压，减少长期存在的直流偏置的漂移。

如图4-6所示，电光强度调制器在电压作用下，电子载流子(光生载流子是电子-空穴对，空穴不会移动，只有电子会移动)会沿着电场反向做定向漂移运动。电子漂移运动速度较慢，在施加偏压V₀一段时间t₀后，偏转电场方向(施加反向电压V₁)时间维持t₁，其中t₁受参数V₀，V₁，t₀影响，目标是修正漂移电荷，所以在电压V₀持续t₀时，反向电压V₁持续时间t₁需要满足产生的电荷积累抵消初始偏置产生的电荷积累，其中V_π是半波电压。偏置电压作用下产生的电荷漂移量Q＝∫Idt可以计算出偏压下的电荷。满足偏压下电荷和反向偏压下电荷积累相等的条件Q₁＝Q₂，就可以满足实验需要。

具体操作时电荷积累很慢，给修正载流子漂移留了足够的时间。电子载流子在反向电场作用下会改变漂移运动的方向，这样就可以避免因载流子漂移造成电荷积累，维持偏置点稳定。如上所述，采用翻转偏压的办法：

电子载流子在电场作用下做定向漂移，假设初始偏置正电压的电场为正方向(+)，定义其反向为(-)。初始电场(+)方向，电子载流子在正向电场作用下漂移方向为(-)。随着载流子增多，漂移运动持续，载流子携带的电荷会逐渐积累，产生反向(-)电压，抵消初始偏置，导致偏置漂移。

电子载流子在电场E+下沿着(-)方向做定向漂移，定向运动速度称为漂移速度。电子浓度为n，电子漂移速度为V_d，器件截面面积为S，单位时间内通过截面的电子数为nV_dS，则

I＝neV_dS

通过垂直于电流方向的单位面积的电流密度为

当电压恒定时载流子具有恒定的漂移速度V_d＝μE，其中μ是电子迁移率，单位电场作用下的平均漂移速度。μ值与材料特性有关，代入前式则有

其中σ是电导率，σ＝neμ。载流子在内部沿(-)方向漂移，器件内部结构是有限长的，当载流子不断积累，电子所在一侧为低电势，会产生(-)方向的电压，这个电压与初始偏压(+)反向，抵消了部分初始偏压，导致了偏置电压漂移。铌酸锂基底的电子迁移率μ₁≈10^-19，二氧化硅缓冲层的电子迁移率μ₂≈10^-12，载流子漂移速度慢，电荷积累也很慢。

光电导率为Δσ＝eμ_dΔd+eμ_cΔc(其中电子浓度Δ_d＝gτ_d，空穴浓度为Δ_c＝gτ_c。光生载流子产生率即单位时间单位体积内电子-空穴对g＝αN₀η，其中单位时间内入射在单位面积的光子数为N₀,器件线性吸收系数为α，量子效率为η)。电流密度ΔJ＝ΔσE＝eg(τ_dΔd+τ_cΔc)E，实际光入射过程中，沿着入射深度方向光子逐渐减少，设入射的光子数为N₀，达到深度x处的光子数为N(x)＝N₀exp(-αx)。随着深度方向，光生载流子产生率随入射深度位置x变化，即g(x)＝αN₀exp(-αx)η。假设样品足够厚，入射光子在厚度内都能被吸收，光生载流子产生率平均值为

垂直电场方向的电光强度调制器横截面积为S＝wd，电场大小

则光电流为：

其中，Δσ为光电导率，μ_d、μ_c是电子、空穴迁移率，Δ_d、Δ_c是光生电子、空穴浓度，J是电流密度，I表示光电流，E表示电场强度，U表示外加电压，τ_d、τ_c是电子和空穴平均寿命；可知，载流子的漂移与所加电压的有效值有直接关系。

表征光生载流子在电压作用下的电荷积累量：

式中w为器件宽度，L为外加电压方向上的长度；根据公式可计算出理论中，光生载流子在电压作用下的电荷积累量，其中电压U会随载流子聚集会发生轻微变化。

同时电光强度调制器的输出满足下式。

式中T_mod为强度调制器传输参数，I_in为输入光强，根据强度调制器传输曲线，当选取相同调制输出效果的对应正负电压时，翻转正负偏置电压，输出还是保持不变。

对比一下目前研究长期偏压漂移控制的方案，最多的思路是从调制器缓冲层入手。研究表明，铌酸锂调制器直流漂移受二氧化硅缓冲层特性影响，缓冲层特性很大程度上取决于沉积工艺，当器件制备完成，必须修正偏置漂移。也有人认为，光刻过程容易吸入光刻胶显影剂，从而把杂质离子吸附进去，影响二氧化硅缓冲层特性，同时在加热过程中离子也会分散出来，引起衬底特性改变。几种不同的解决方案，用清洗剂去除缓冲层的金属污染物，并使用适当的退火工艺减少离子扩散。这些方案都被提出用于减少漂移，都属于器件制造过程中的工艺方法。

本发明可以有效控制直流偏置漂移，没有加入微扰信号，对于量子通信对噪声敏感的系统来说，更具有实用意义。翻转电光强度调制器的直流偏压，改变器件内部载流子的定向漂移，防止电荷积累导致偏置漂移，使偏置点始终维持相对稳定，有效控制长期偏置漂移。

本发明基于材料的杂质或者缺陷，入射光将束缚在晶体或者有机物中的载流子激发出来，载流子漂移产生内电场，引起偏置漂移。使用本发明可以控制偏置点稳定时间更长，但同时还需要偏置控制装置将后续漂移的偏置点调节回最佳偏置点。

对比之前的方法，本发明的优点在于：没有复杂的控制系统，不会加入新的电学噪声和不稳定信号，影响原有光路，适用于量子通信等对噪声敏感的系统；保留本来的光学系统的信道，保证光链路完整，不产生干扰光信号；有效控制长期偏置点漂移，维持偏置电压稳定更久，偏置效果佳。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种电光强度调制器长期直流偏置点漂移的修正装置，其特征在于，包括激光器、电光强度调制器、光电探测器、电流-电压放大的跨阻放大器、示波器、温控装置和电压翻转装置；

激光器、电光强度调制器、光电探测器、跨阻放大器和示波器依次连接，其中激光器、电光强度调制器、光电探测器通过传输光纤依次连接；

温控装置控制电光强度调制器温度恒定；电压翻转装置控制电光强度调制器调制电压中断和直流偏置翻转；

激光器作为激发源发射激光，激光传输至电光强度调制器两臂，外加调制电压作用下，两臂传输的光信号有相位差，相位差决定输出光信号的干涉相长相消，实现强度调制，传输的光信号出现频谱搬移；经电光强度调制器光输出端口输出的激光，传输至光电探测器光探测端口，将光信号检测为光电流信号；后进入跨阻放大器，光电流信号变为电压信号，同时放大输出，将微弱光电流信号放大为电压信号，跨阻放大器同时需要满足信号频率的带宽，以保证信号完整性；放大的电压信号接入示波器，实时观察输出波形的变化，同时做FFT傅里叶变换，分析频率谱特性，观察偏置点稳定状况；

所述电压翻转装置包括两个积分器、加法器、比较器和控制器；将电光强度调制器的RF和DC电压分别连接积分器，两个积分器输出同时接入加法器，加法器的输出连接比较器，比较器设置阈值电压，比较加法器输出的电压值和阈值电压大小，比较结果反馈到控制器，控制直流偏置开关和调制电压开关；直流偏置开关实现正负电压切换；直流电压切换的同时，比较器的阈值电压也进行修改，满足直流端输入正时，比较器的阈值电压也为正，当直流端输入为负，比较器阈值电压也设为负。

2.根据权利要求1所述的电光强度调制器长期直流偏置点漂移的修正装置，其特征在于，所述跨阻放大器根据输入电阻和反馈电阻的阻值来确定放大器的放大倍数，调整反馈电阻的阻值可改变放大器的带宽，带宽为100M，放大倍数为1000倍。

3.根据权利要求1所述的电光强度调制器长期直流偏置点漂移的修正装置，其特征在于，所述传输光纤的接口为FC接头，有2.5mm卡套，陶瓷内置于不锈钢卡套内，外部加强器件是金属套，使用螺丝扣紧固；光电探测器的光输入端口采用FC接头，使用时需满足接头同轴。

4.根据权利要求1所述的电光强度调制器长期直流偏置点漂移的修正装置，其特征在于，所述传输光纤为单模光纤。

5.根据权利要求1所述的电光强度调制器长期直流偏置点漂移的修正装置，其特征在于，所述光电探测器采用PIN管连接传输光纤，光信号从阴极进入，阳极输出光电流信号至跨阻放大器输入端。

6.一种电光强度调制器长期直流偏置点漂移的修正方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)激发源发出脉冲调制的激光或者连续的激光，发出的激光经过传输光纤传输，再进入电光强度调制器双臂；

(2)激光进入电光强度调制器双臂，因电光晶体在调制电压作用下的非线性效应，两臂产生相位差，根据干涉条件的相长相消调制输出光强大小，同时实现频率的搬移；

(3)电光强度调制器输出的光信号经保偏光纤输出端口输出，经另一段传输光纤传输，传送至光电探测器光输入端；

(4)电光强度调制器的电信号部分，有两个电压输入控制端，RF端输入的是交流调制信号，调制电光晶体的非线性效应，控制两臂差从而影响输出光信号的强度变化；另外一个端口DC端为直流偏压端口，为电光强度调制器提供一个直流工作点，此工作点决定着电光强度调制器的传输性能，具体体现在传输曲线的某个位置影响传输曲线的线性工作区和非线性工作区，如果在线性区域电光强度调制器的传输特性不会产生畸变，反之如果处于非线性区则会引起传输畸变，初始信号或多或少会失真；

(5)电光强度调制器输出的光信号，经传输光纤传输进入光电探测器光输入端，光信号进入光电探测器的PIN管，由阴极输入，从阳极输出光电流信号，接入跨阻放大器，光电流信号经跨阻放大器放大，输出电压信号，完成光信号到电信号的转化，同时实现信号放大再输出；

(6)跨阻放大器输出的电压信号，接入到示波器，用示波器直接观察输出信号的电压特性，同时用示波器做频谱分析FFT观测频谱的变化，来判断偏置点是否稳定；

(7)电光强度调制器的电子在反向电场作用下会改变漂移运动方向，进而避免光生载流子漂移造成的电荷积累，维持偏置点稳定；采用翻转直流电压的办法，改变光生载流子漂移，防止光生载流子漂移引起的电荷积累；

(8)电光强度调制器需放入温控装置，电压翻转装置控制电光强度调制器调制电压中断和直流偏置翻转，直流偏置翻转的具体方法为：将RF和DC电压分别连接积分器，两个积分器输出同时接入加法器，加法器的输出连接比较器，比较器设置阈值电压，比较加法器输出的电压值和阈值电压大小，比较结果反馈到控制器，控制直流偏置开关和调制电压开关；直流偏置开关实现正负电压切换；直流电压切换的同时，比较器的阈值电压也进行修改，满足直流端输入正时，比较器的阈值电压也为正，当直流端输入为负，比较器阈值电压也设为负。

7.根据权利要求6所述的电光强度调制器长期直流偏置点漂移的修正方法，其特征在于，所述光生载流子计算采用下式：

Δσ＝eμ_dΔ_d +eμ_cΔc

ΔJ＝ΔσE＝eg(τ_dΔd+τ_cΔc)E

其中，Δσ为光电导率，μ_d、μ_c是电子、空穴迁移率，Δ_d、Δ_c是光生电子、空穴浓度，J是电流密度，I表示光电流，E表示电场强度，U表示外加电压，τ_d、τ_c是电子和空穴平均寿命，ΔJ为电流密度，w为器件宽度，L为外加电压方向上的长度，S为垂直电场方向的电光强度调制器横截面积，g为单位时间单位体积内电子-空穴对，

为光生载流子产生率平均值，N₀为入射的光子数，η为量子效率；可知，载流子的漂移与所加电压的有效值有直接关系。

8.根据权利要求7所述的电光强度调制器长期直流偏置点漂移的修正方法，其特征在于，表征光生载流子在电压作用下的电荷积累量：

式中Q表征光生载流子在电压作用下的电荷积累量，w为器件宽度，L为外加电压方向上的长度；根据公式可计算出理论中，光生载流子在电压作用下的电荷积累量；电荷积累速度慢，因此翻转电场方向，改变载流子漂移的方向，打破电荷积累的趋势，防止电致漂移的形成。

9.根据权利要求6所述的电光强度调制器长期直流偏置点漂移的修正方法，其特征在于，所述电光强度调制器的输出如下：

式中T_mod为强度调制器传输参数，I_in为输入光强，根据强度调制器传输曲线，当选取相同调制输出效果的对应正负电压时，翻转正负偏置电压，输出还是保持不变。

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