CN113824507B - 用于光通信的发射机及偏置点补偿装置和方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了用于光通信的发射机及偏置点补偿装置和方法。在发射机中，调制器的偏置点补偿装置包括：微扰注入模块，产生方波信号作为微扰信号叠加在所述调制器的直流偏置电流上；光电转换模块，将所述调制器响应所述微扰信号产生的监测光信号转换成对应的光电流；以及微扰解调模块，对所述光电流进行量化以提取所述调制器光电响应的对称性偏移量作为所述直流偏置电流的补偿信号，从而稳定所述调制器的偏置点。该偏置点补偿装置对调制器响应方波信号产生的监测光信号进行量化以提取对称性偏移量，可以省去高精度模数转换器和数模转换器、以及乘法器等数值计算模块，提高发射机的集成度和降低硬件成本。

Description

用于光通信的发射机及偏置点补偿装置和方法

技术领域

本发明涉及光通信领域，更具体地，涉及用于光通信的发射机及偏置点补偿装置和方法。

背景技术

光通信是以光波作为载波的通信方式。在光通信系统中，发射机根据电信号对激光器产生的激光进行调制以产生光信号，光信号经由光纤传送至接收机，接收机从光信号检测出电信号以及将电信号进行放大以获取信息。光通信具有高传输频带宽、大通信容量、低传输损耗、中继距离长等优点，因此，不论在骨干网还是接入网中已经成为主要应用的通信技术。

在发射机中最常用的是由LiNbO3(铌酸锂)组成的M-Z(马赫-曾德)外调制器。M-Z外调制器利用相位调制器构成干涉型强度调制器，基于LiNbO3晶体的电光效应响应于电信号对激光进行光强调制。M-Z外调制器的传输函数为周期性的非线性函数。为了避免信号的失真，必须使外调制器工作在最佳偏置点。然而，M-Z外调制器的最佳偏置点不稳定，随时间和环境温度等因素的变化而发生漂移。采用偏置点补偿技术稳定M-Z外调制器的偏置点是保证正常工作的重要因素。例如，基于反馈控制原理，在M-Z外调制器的直流偏置电流上叠加微扰信号，以及在M-Z外调制器的输出信号中检测微扰信号的谐波信号作为补偿信号，根据补偿信号动态调节M-Z外控制器的偏置信号，可以使得M-Z外调制器根据反馈的补偿信号稳定在最佳偏置点。

在现有的发射机中，数模转换器产生正弦波信号作为微扰信号。在反馈环路上，模数转换器与数模转换器有对应的相位关系，用于将输出光信号的反馈信号转换成数字信号，乘法器对数字信号乘以与正弦波幅度对应的序列，从而实现对微扰信号的解调，检测光强数据序列中微扰影响部分的幅度。在光波相位调整应用中，微扰注入到输出之间的相移相对于微扰的频率可忽略不计。因此，在微扰解调中仅仅需要考虑幅度。在实际工程中，采用1kHz和2kHz的正弦波，采用5次或7次谐波合成正弦波和检波，正弦波幅度占偏置幅度的0.5％～4％，微扰信号仅占0.1％左右。因此，微扰信号的合成和注入、微扰信号解调需要高分辨率模数转换器和数模转换器，以及高的数值计算速度，无法采用通用微控制器实现。因此，现有的发射机采用的偏置点补偿方案采用大尺寸的处理器导致布线困难和集成度变差，并且采用高精度的数模转换器的使用也会导致硬件成本升高。

发明内容

鉴于上述问题，本发明的目的在于提供用于光通信的发射机及偏置点补偿装置和方法，其中，采用方波信号作为微扰信号，对调制器响应方波信号产生的监测光信号进行量化以提取对称性偏移量，从而可以提高发射机的集成度和降低硬件成本。

根据本发明的第一方面，提供一种调制器的偏置点补偿装置，包括：微扰注入模块，产生方波信号作为微扰信号叠加在所述调制器的直流偏置电流上；光电转换模块，将所述调制器响应所述微扰信号产生的监测光信号转换成对应的光电流；以及微扰解调模块，对所述光电流进行量化以提取所述调制器光电响应的对称性偏移量作为所述直流偏置电流的补偿信号，从而稳定所述调制器的偏置点。

优选地，所述微扰解调模块与所述微扰注入模块同步，在所述微扰信号的连续正半周期和负半周期中，将所述光电流的直流分量变换为反相部分彼此抵消，微扰分量变换为同相部分彼此累加。

优选地，所述微扰解调模块为积分型模数转换器，所述积分型模数转换器累积所述微扰信号的多个周期的反馈信号以获得所述对称性偏移量。

优选地，所述微扰解调模块包括：电容，所述电容的第一端经由充电路径接收所述光电流，经由放电路径接地，所述电容的第二端接地，在所述电容充电至预定电压时经由所述放电路径放电；以及计数器，在所述微扰信号的正半周期对所述电容的放电次数进行递增计数，在所述微扰信号的负半周期对所述电容的放电次数进行递减计数，其中，所述计数器的累积计数值表示所述调制器光电响应的对称性偏移量。

优选地，所述放电路径包括串联连接在所述电容的第一端和接地端之间的开关管和电流源。

优选地，还包括：比较器，所述比较器的反相输入端连接至所述电容的第一端，同相输入端接收参考电压，输出端提供用于表示所述电容充满的逻辑信号；以及同步单元，所述同步单元的第一输入端接收时钟信号，第二输入端接收所述逻辑信号，输出端向所述开关管的控制端提供开关控制信号，其中，所述计数器在在所述逻辑信号从无效状态翻转至有效状态时进行计数，所述同步单元提供的开关控制信号在所述逻辑信号从无效状态翻转至有效状态后的第一个时钟周期中有效，使得所述开关管导通对所述电容进行放电，在所述逻辑信号从无效状态翻转至有效状态后的第二个时钟周期中无效，使得所述开关管断开，所述光电流重新对所述电容进行充电。

优选地，还包括：计时器，所述计时器的输入端接收所述时钟信号，输出端向所述计数器提供使能信号，使得所述使能信号在预定时间段内进行计数，所述预定时间包括所述微扰信号的多个连续正半周期和负半周期。

根据本发明的第二方面，提供一种调制器的偏置点补偿方法，包括：产生方波信号作为微扰信号叠加在所述调制器的直流偏置电流上；将所述调制器响应所述微扰信号产生的监测光信号转换成对应的光电流；以及对所述光电流进行量化以提取所述调制器光电响应的对称性偏移量作为所述直流偏置电流的补偿信号，从而稳定所述调制器的偏置点。

优选地，对所述光电流进行量化的步骤包括：在所述微扰信号的连续正半周期和负半周期中，将所述光电流的直流分量变换为反相部分彼此抵消，微扰分量变换为同相部分彼此累加。

优选地，对所述光电流进行量化的步骤包括：累积所述微扰信号的多个周期的反馈信号以获得所述对称性偏移量。

优选地，对所述光电流进行量化的步骤包括：经由充电路径，采用所述光电流对电容进行充电；经由放电路径，在所述电容充电至预定电压时对所述电容进行放电；在所述微扰信号的正半周期对所述电容的放电次数进行递增计数；以及在所述微扰信号的负半周期对所述电容的放电次数进行递减计数，其中，所述微扰信号的多个连续正半周期和负半周期的累积计数值表示所述调制器光电响应的对称性偏移量。

根据本发明的第三方面，提供一种用于光通信的发射机，包括：激光器，作为光源产生光载波信号；调制器，采用从信号源接收的射频信号对所述载波光信号进行调制以产生调制光信号；偏置模块，向所述调制器提供直流偏置电流以设置所述调制器的偏置点；以及上述的偏置点补偿装置，其中，所述偏置点补偿装置向所述调制器提供微扰信号，向所述偏置模块提供补偿信号。

根据本发明实施例的偏置点补偿装置，微扰注入模块将方波信号叠加在直流偏置电流上作为微扰信号，微扰解调模块对调制器响应方波信号产生的监测光信号进行量化以提取对称性偏移量，与现有技术的非线线补偿装置的作用相同。在现有技术的偏置点补偿装置中，采用高精度数模转换器产生正弦波信号作为微扰信号，以及采用高精度模数转换器获得反馈信号的数字值和采用乘法器进行数值运算以获得对称性偏移量。在该实施例中则可以省去高精度的模数转换器和数模转换器，以及省去执行数值计算的乘法器，因而可以提高发射机的集成度和降低硬件成本。

附图说明

通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚。

图1示出根据本发明第一实施例用于光通信的发射机的示意性框图。

图2示出图1所示发射机中调制器的偏置信号和微扰信号的波形图。

图3示出图1所示发射机中微扰解调模块的示意性电路图。

图4示出图3所示微扰解调模块中反馈信号和补偿信号的波形图。

图5示出根据本发明第二实施例的偏置点补偿方法的流程图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以通过不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反的，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

图1示出根据本发明第一实施例用于光通信的发射机的示意性框图。该发射机100包括激光器101、调制器102、偏置模块103、微扰注入模块104、光电转换模块105、微扰解调模块106。

激光器101作为光源产生光载波信号，例如，激光器101为DFB激光器，用于产生波长1550nm的激光作为载波光信号。调制器102采用从信号源接收的射频信号对载波光信号进行调制以产生调制光信号，例如，调制器102为相位调制器，例如铌酸锂M-Z调制器或量子点调制器。采用光耦合器将调制光信号分离成输出光信号(例如90％)和监测光信号(例如10％)。偏置模块103向调制器102提供直流偏置电流Ib，使得调制器102工作在最佳偏置点。相位调制器的传输函数为周期性的非线性函数，射频信号、直流偏置电流均会导致传输函数的相移。在调制器102上提供直流偏置电流可以获得射频信号的光电响应的最佳偏置点。

调制器102包括两路相位调制元件，即，相位预调元件和高速相位调制元件。将来自同一光源的激光分为两束，分别通过相位预调元件和高速相位调制元件后重新汇合并从汇合点耦合输出。如果在汇合点两个光路的光波被预调到+90°和-90°，则在高速相位调制元件上施加射频信号导致相移φ时，φ对幅度和极化方向的影响最大。如果不区别极化方向，即只考虑光强，则φ对幅度的最大影响出现在+45°和-45°预调相位关系时。偏离了±90°或±45°时，射频信号对相位的影响不对称、导致信号的中心值偏离，即某个方向的变化偏大。

偏置模块103在调制器102上提供直流偏置电流可以获得射频信号的光电响应的最佳偏置点，例如，相位预调元件处于最有利于调制的±90°或±45°相移，即，对于射频信号的变化产生光强的对称变化。

进一步地，发射机100还包括偏置点补偿装置110，用于对偏置模块103产生的直流偏置电流Ib进行动态调节。在调制器102的最佳偏置点随时间和环境温度等因素变化的情形下，偏置点补偿装置110基于反馈控制原理补偿直流偏置电流Ib，从而稳定最佳偏置点。偏置点补偿装置110包括注入微扰信号Id的微扰注入模块104、以及在反馈环路上检测微扰信号以产生补偿信号的光电转换模块105和微扰解调模块106。

微扰注入模块104用于提供方波信号作为微扰信号Id，叠加在直流偏置电流Ib上，如图2所示。微扰信号Id与直流偏置电流Ib一起导致传输函数的相移，微扰信号Id的正负变化对直流偏置电流Ib产生增减扰动。该方波信号为正负幅值相等的对称信号。调制器102中的高速相位调制元件的直流偏置电流有小幅度对称变化。光电转换模块105接收监测光信号，以及将监测光信号转换成对应的光电流Ix。该光电流Ix作为调制光信号的反馈信号。微扰解调模块106采用积分型模数转换器对光电流Ix量化，跟随直流偏置电流的加减而加减，以及采用可逆计数器在微扰信号Id加减的同时对光电流Ix进行同步加减以提取对称性偏移量Ox。

根据本发明实施例的发射机，偏置点补偿装置110在直流偏置电流上叠加小幅度调制的过程即微扰注入，在反馈环路上检测微扰响应即微扰解调。偏置点补偿装置110检查输出光信号是否对称变化，从而可以判断当前的相位预调是否处于最有利于调制的±90°或±45°相移，进一步根据输出光信号的对称性产生补偿信号以调节直流偏置电流Ib，从而稳定调制器的最佳偏置点。该发射机的微扰注入采用方波信号作为微扰信号，微扰解调采用积分型模数转换器和可逆计数器进行同步加减。该偏置点补偿装置110无需采用高分辨率模数转换器和数模转换器进行信号转换，无需采用大尺寸处理器进行乘法运算，因而可以提高发射机的集成度和降低硬件成本。

图3示出图1所示发射机中微扰解调模块的示意性电路图。该微扰解调模块106是包括比较器1061、计数器1062、同步单元1063、定时器1063、开关管Q1、电容CI、电流源IU的积分型模数转换器。

如图3所示，比较器1061的反相输入端接收参考电压VREF，同相输入端连接至电容CI的第一端，电容CI的第二端接地。电容CI的第一端连接至微扰解调模块106的输入端以接收光电流Ix。进一步地，电容CI的第一端经由开关管Q1和电流源IU接地。电容CI作为积分电容。在开关管Q1的断开期间，在微扰解调模块106的输入端和电容CI的第一端之间形成充电路径，电容CI采用光电流Ix进行充电，从而在第一端和第二端之间产生与光电流Ix的累计充电相对应的检测信号VSNS。在开关管Q1的导通期间，在电容CI的第一端、开关管Q1和电流源IU至接地端之间形成放电路径，电容CI经由开关管Q1和电流源IU放电。在检测信号VSNS小于等于参考电压VREF的情形下，比较器1061的输出端的逻辑信号FULL无效。在检测信号VSNS升高至大于参考电压VREF的情形下，比较器1061的输出端的逻辑信号FULL有效。该逻辑信号FULL从无效状态至有效状态的一次电平翻转，表示电容CI的一次充满。

同步单元1063的第一输入端接收时钟信号CLK，第二输入端接收逻辑信号FULL，输出端连接至开关管Q1的控制端。在逻辑信号FULL从无效状态翻转至有效状态时，同步单元1063提供开关控制信号，使得开关管Q1在下一个时钟周期导通开关管Q1，使得电容CI经由开关管Q1和电流源IU放电。

计时器1064的输入端接收时钟信号CLK，输出端提供使能信号EN，因而在定时器1064设定的预定时间段内，该使能信号EN有效。该预定时间包括微扰信号Id的多个连续正半周期和负半周期。计数器1062的使能端连接至计时器1064的输出端以接收使能信号EN，计数端连接至比较器1061的输出端以接收逻辑信号FULL，从而在预定时间段内对电容CI的充满次数进行计数。

在微扰解调模块106的工作期间，电流源IU的作用是限制电容CI的放电电流，使得电容CI两端的检测信号VSNS可以在一个时钟周期内降低至小于参考电压VREF，同时还保持有一定的剩余电荷。在逻辑信号从无效状态翻转至有效状态后的第二个时钟周期，逻辑信号从有效状态重新翻转至无效状态，电容CI恢复充电过程。在预定时间段内重复上述充电和放电过程。在预定时间内，光电流Ix的累计充电等于电流源IU的累计放电。由于时钟周期和放电电流已知，因此可以得到光电流Ix在预定时间内的总放电量，根据预定时间的长度就可以得到光电流Ix的电流值。

计数器1062例如为可逆计数器。在该实施例中，微扰解调模块106与微扰注入模块104同步，使得计数器1062在微扰信号Id的正半周期进行递增计数，在微扰信号Id的负半周期进行递减计数。参考图4，计数器1062在微扰信号Id的连续正半周期和负半周期期间对电容CI的充满次数进行增减计数，因而，在微扰信号Id的正半周期和负半周期的光电流Ix的直流分量同步变换为反相部分彼此抵消，微扰分量同步变换为同相部分彼此累加。计数器1062在微扰信号Id的连续正半周期和负半周期期间的累积计数值表示调制器光电响应的对称性偏移量，该累积计数值作为补偿信号Ox提供给偏置模块103以动态调节直流偏置电流，因而可以根据反馈的补偿信号稳定在最佳偏置点。

在该实施例中，微扰解调模块106采用积分型模数转换器累积微扰信号的多个周期的反馈信号以获得对称性偏移量，与现有技术的非线线补偿装置的作用相同。在现有技术的偏置点补偿装置中，采用高精度数模转换器产生正弦波信号作为微扰信号，以及采用高精度模数转换器获得反馈信号的数字值和采用乘法器进行数值运算以获得对称性偏移量。在该实施例中则可以省去高精度的模数转换器和数模转换器，以及省去执行数值计算的乘法器，因而可以提高发射机的集成度和降低硬件成本。

图5示出根据本发明第二实施例的偏置点补偿方法的流程图。

在步骤S01中，产生方波信号作为微扰信号叠加在调制器的直流偏置电流上。

在步骤S03中，将调制器响应微扰信号产生的监测光信号转换成对应的光电流。

在步骤S04中，对光电流进行量化以提取调制器光电响应的对称性偏移量作为直流偏置电流的补偿信号，从而稳定调制器的偏置点。

在对光电流进行量化的步骤中，累积微扰信号的多个周期的反馈信号以获得对称性偏移量。在微扰信号的连续正半周期和负半周期中，将光电流的直流分量变换为反相部分彼此抵消，微扰分量变换为同相部分彼此累加。

具体地，在对光电流进行量化的步骤中，对光电流进行量化的步骤包括：经由充电路径，采用光电流对电容进行充电；经由放电路径，在电容充电至预定电压时对电容进行放电；在微扰信号的正半周期对电容的放电次数进行递增计数；以及在微扰信号的负半周期对电容的放电次数进行递减计数，其中，微扰信号的多个连续正半周期和负半周期的累积计数值表示调制器光电响应的对称性偏移量。

此外，在本文中，所含术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (6)

1.一种调制器的偏置点补偿装置，包括：

微扰注入模块，产生方波信号作为微扰信号叠加在所述调制器的直流偏置电流上；

光电转换模块，将所述调制器响应所述微扰信号产生的监测光信号转换成对应的光电流；以及

微扰解调模块，采用积分型模数转换器对所述光电流进行量化，以提取所述调制器光电响应的对称性偏移量作为所述直流偏置电流的补偿信号，从而稳定所述调制器的偏置点，

其中，所述积分型模数转换器包括：

电容，所述电容的第一端经由充电路径接收所述光电流，经由放电路径接地，所述电容的第二端接地，在所述电容充电至预定电压时经由所述放电路径放电；以及

计数器，在所述微扰信号的正半周期对所述电容的放电次数进行递增计数，在所述微扰信号的负半周期对所述电容的放电次数进行递减计数，

其中，所述计数器的累积计数值表示所述调制器光电响应的对称性偏移量。

2.根据权利要求1所述的偏置点补偿装置，其中，所述放电路径包括串联连接在所述电容的第一端和接地端之间的开关管和电流源。

3.根据权利要求2所述的偏置点补偿装置，还包括：

比较器，所述比较器的反相输入端连接至所述电容的第一端，同相输入端接收参考电压，输出端提供用于表示所述电容充满的逻辑信号；以及

同步单元，所述同步单元的第一输入端接收时钟信号，第二输入端接收所述逻辑信号，输出端向所述开关管的控制端提供开关控制信号，

其中，所述计数器在在所述逻辑信号从无效状态翻转至有效状态时进行计数，

所述同步单元提供的开关控制信号在所述逻辑信号从无效状态翻转至有效状态后的第一个时钟周期中有效，使得所述开关管导通对所述电容进行放电，在所述逻辑信号从无效状态翻转至有效状态后的第二个时钟周期中无效，使得所述开关管断开，所述光电流重新对所述电容进行充电。

4.根据权利要求3所述的偏置点补偿装置，还包括：

计时器，所述计时器的输入端接收所述时钟信号，输出端向所述计数器提供使能信号，使得所述使能信号在预定时间段内进行计数，所述预定时间包括所述微扰信号的多个连续正半周期和负半周期。

5.一种调制器的偏置点补偿方法，包括：

产生方波信号作为微扰信号叠加在所述调制器的直流偏置电流上；

将所述调制器响应所述微扰信号产生的监测光信号转换成对应的光电流；以及

采用积分型模数转换器对所述光电流进行量化，以提取所述调制器光电响应的对称性偏移量作为所述直流偏置电流的补偿信号，从而稳定所述调制器的偏置点，

其中，对所述光电流进行量化的步骤包括：

经由充电路径，采用所述光电流对电容进行充电；

经由放电路径，在所述电容充电至预定电压时对所述电容进行放电；

在所述微扰信号的正半周期对所述电容的放电次数进行递增计数；以及

在所述微扰信号的负半周期对所述电容的放电次数进行递减计数，

其中，所述微扰信号的多个连续正半周期和负半周期的累积计数值表示所述调制器光电响应的对称性偏移量。

6.一种用于光通信的发射机，包括：

激光器，作为光源产生光载波信号；

调制器，采用从信号源接收的射频信号对所述载波光信号进行调制以产生调制光信号；

偏置模块，向所述调制器提供直流偏置电流以设置所述调制器的偏置点；以及

根据权利要求1至4中任一项所述的偏置点补偿装置，

其中，所述偏置点补偿装置向所述调制器提供微扰信号，向所述偏置模块提供补偿信号。

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