CN114114719B - 一种实现mz硅光调制器相位偏置点锁定的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种实现MZ硅光调制器相位偏置点锁定的方法及装置，方法包括：激光器的输出光信号通过光纤输入到MZ硅光调制器中；MZ硅光调制器通过分光的方式，将主光路分出的两路光信号导入相位相差180度的第一光电探测器和第二光电探测器中，主光路作为MZ硅光调制器的输出光信号的光路；第一光电探测器和第二光电探测器分别输出第一光电流和第二光电流，第一光电探测器用于探测MZ硅光调制器输出相位同向的光信号，第二光电探测器用于探测与MZ硅光调制器输出相位相差180度的多模干涉耦合器反向端的光信号；MZ硅光调制器进行Quad点或Null点锁定时，MZ硅光调制器中热光移相器的调节量由第一光电流、第二光电流和热光移相器热功率计算得到。
Description
技术领域
本发明属于光通信互连技术领域，更具体地，涉及一种实现MZ硅光调制器相位偏置点锁定的方法及装置。
背景技术
马赫-曾德尔结构(Mach-Zehnder，简称MZ)硅光调制器作为硅光子生态链中的的核心光器件用于实现信号高速电光调制功能，MZ硅光调制器作为外调制器时需根据不同的调制格式选取不同的相位偏置工作点。例如当MZ硅光调制器工作在强度调制格式时，相位偏置点需要设定为90°，即Quad点，当MZ硅光调制器工作在相位调制格式时，相位偏置点需要设定为180°，即Null点。另外MZ硅光调制器的相位偏置点会随温度和环境变化出现随机漂移现象，这时MZ硅光调制器会偏离最佳工作点，最终导致MZ硅光调制器调制性能下降降低传输信号质量，严重状态下会产生纠后误码，引起业务中断的不良后果，因此引入自动偏置电压控制实现MZ硅光调制器相位偏置点的闭环锁定是MZ硅光调制器实用化的必备要求。
当前MZ硅光调制器自动偏置电压控制技术有两种实现方式，第一种是采用平均光功率探测实现闭环控制，通过分光的输出光信号经过光电探测器检测其平均光电流来实现闭环锁定，这种方法仅适用于强度调制格式并且易受输入光信号变化的影响，因此平均光功率锁定法精度比较低，仅适用于NRZ这种简单编码方式的光信号传输；另外一种方法是扰动探测法实现闭环控制，通过给MZ硅光调制器的相位偏置引脚引入小信号低频率的正弦波或方波，通过交流放大电路将MZ硅光调制器输出端部分光信号进行放大探测，后端采样电路及控制电路实现同频或倍频电信号的检测，通过控制相位偏置点将同频或倍频信号调节至最小来实现相位偏置点的闭环控制，但是这种方法实现复杂，需要信号发生器，多级交流放大电路，高阶模拟带通滤波器以及同频信号探测器，且相关的电路元件很难放入到超小型封装例如QDD，OSFP等封装形式的高速光模块中。
鉴于此，克服该现有技术所存在的缺陷是本技术领域亟待解决的问题。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种实现MZ硅光调制器相位偏置点锁定的方法及装置，其目的在于根据MZ硅光调制器的输出光信号自动调节热光移相器的调节量，从而完成MZ硅光调制器相位偏置点锁定，由此解决目前小型光模块中MZ硅光调制器相位偏置点锁定需要借助多种电路元件的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种实现MZ硅光调制器相位偏置点锁定的方法，方法包括：
激光器的输出光信号通过光纤输入到MZ硅光调制器中；
所述MZ硅光调制器通过分光的方式，将主光路分出的两路光信号导入相位相差180度的第一光电探测器和第二光电探测器中，所述主光路作为MZ硅光调制器的输出光信号的光路；
所述第一光电探测器和所述第二光电探测器分别输出第一光电流和第二光电流，所述第一光电探测器用于探测所述MZ硅光调制器输出相位同向的光信号，所述第二光电探测器用于探测与所述MZ硅光调制器输出相位相差180度的多模干涉耦合器反向端的光信号；
所述MZ硅光调制器进行Quad点或Null点锁定时，所述MZ硅光调制器中热光移相器的调节量由所述第一光电流、所述第二光电流和所述热光移相器热功率计算得到。
作为对上述方案进一步的完善和补充，本发明还包括以下附加技术特征。
优选地，所述MZ硅光调制器中热光移相器的调节量由所述第一光电流、第二光电流和所述热光移相器热功率计算得到，具体方法包括：
通过双路跨阻放大器将所述第一光电流和所述第二光电流同时放大并转换为第一电压信号和第二电压信号；
所述第一电压信号和所述第二电压信号通过双路数据采样单元进行同步采样，得到第一平均光电流和第二平均光电流；
将所述第二平均光电流与所述第一平均光电流相除，得到第一结果，其中，所述第一结果与所述热光移相器热功率计算所述热光移相器的调节量。
优选地，所述第一结果与所述热光移相器热功率计算所述调节量，方法具体包括：
将所述第一结果减去所述第一光电探测器和所述第二光电探测器响应度的比值，得到第二结果；
计算所述第二结果相对于所述热光移相器热功率的一阶导数，得到第三结果；
若所述第三结果为0，热光移相器的相位偏置在Quad点；
若所述第三结果小于第一预设阈值，所述热光移相器的调节量为所述第三结果与0之间的差值，所述热光移相器完成调节后，所述MZ硅光调制器锁定在Quad点。
优选地，所述MZ硅光调制器进行Null点锁定时，MZ硅光调制器中热光移相器的调节量由所述第一结果与所述热光移相器的热功率之间的关系函数计算得到，具体方法包括：
计算所述第一结果相对于所述热光移相器热功率的一阶导数和二阶导数，分别得到第四结果和第五结果；
若所述第四结果为0时，所述热光移相器的相位偏置在Null点；
所述热光移相器的调节量为所述第四结果相对于Null点的误差并除以所述第五结果，所述热光移相器完成调节后，所述MZ硅光调制器锁定在Null点。
优选地，所述第五结果的计算方法为：
遍历所述热光移相器的偏置电压；
计算得到所述热光移相器的偏置电压对应的第一结果相对于热光移相器的热功率一阶导数，得到第四结果；
将所述第四结果进行线性拟合，所述第五结果为所述第四结果的斜率；
若所述第五结果为正，所述热光移相器的偏置电压增大；
若所述第五结果为负，所述热光移相器的偏置电压减小。
按照本发明的另一方面，提供了一种实现MZ硅光调制器相位偏置点锁定的装置，装置包括：激光器1、光纤2、MZ硅光调制器3、处理单元4和反向驱动组件5，其中：
所述激光器1的输出光信号通过所述光纤2输入到所述MZ硅光调制器3中；
所述MZ硅光调制器3分为相位相差180°的光信号输出；
所述处理单元4计算所述MZ硅光调制器3输出光信号归一化的结果与所述MZ硅光调制器3中热光移相器31热功率之间的关系，
所述反向驱动组件5驱动所述MZ硅光调制器3反向PN结；
所述处理单元4计算得到所述热光移相器31的调节量，以便所述MZ硅光调制器3完成相应偏置点的锁定。
优选地，所述MZ硅光调制器3通过分光的方式，将主光路分出的两路光信号导入相位相差180度的第一光电探测器32和第二光电探测器33，所述主光路作为MZ硅光调制器的输出光信号的光路，其中：
所述第一光电探测器32和所述第二光电探测器33分别输出第一光电流和第二光电流；
所述第一光电探测器32用于探测所述MZ硅光调制器3输出相位同向的光信号；
所述第二光电探测器33用于探测与所述MZ硅光调制器3输出相位相差180度的多模干涉耦合器反向端的光信号。
优选地，所述处理单元4包括双通道跨阻放大器41、双路模数转换器42、处理器43和双路数模转换器44，其中：
分别通过所述双路跨阻放大器41将所述第一光电探测器32和所述第二光电探测器33输出的第一光电流和第二光电流分别转换为第一电压信号和第二电压信号；
所述第一电压信号和所述第二电压信号通过所述双路模数转换器42进行同步采样；
所述处理器43将所述第一电压信号和所述第二电压信号进行数据处理，向所述双路数模转换器44输出模拟电压；
所述双路数模转换器44输出的模拟电压根据所述处理器43的计算结果分别在所述热光移相器31偏置点和反向PN结上施加。
优选地，所述反向驱动组件5包括脉冲码源发生器51和电压放大器52，其中：
所述脉冲码源发生器51输出调制电压信号，调制电压信号经过电压放大器52放大，放大的电压通过引脚VRF作用于所述射频调制单元36上，用于驱动反向PN结。
优选地，所述MZ硅光调制器3还包括输入MMI34、热光相移器35、射频调制单元36和输出MMI37，其中：
光信号经过所述输入MMI34、所述热光相移器35、所述射频调制单元36和所述输出MMI37后输出；
所述输入MMI34对光信号进行干涉；
所述输出MMI37与所述第二光电探测器33反向连接；
所述输出MMI37与所述第一光电探测器32同向连接；
所述热光相移器35通过引脚Vbias与处理单元4设定偏置点；
所述射频调制单元36通过引脚VPN与处理单元4设定反向PN结电压。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有如下有益效果：
一方面，MZ硅光调制器相位偏置点锁定的方法可以根据MZ硅光调制器的输出光信号自动调节热光移相器的调节量，实现MZ硅光调制器任意偏置点的精确锁定；
另一方面，MZ硅光调制器相位偏置点锁定的装置的软硬件设计简单，易于整体移植到超小型封装例如QDD，OSFP等封装形式的高速硅光模块中。
附图说明
图1是本发明提供实现MZ硅光调制器相位偏置点锁定的装置示意图；
图2是第一输出光电探测器和第二输出光电探测器随热光移相器归一化偏置电压变化的函数曲线图；
图3是归一化光电流比值随热光移相器归一化偏置电压变化的函数曲线图；
图4是Quad点锁定时的构造函数和Null点锁定时的归一化光电流比值分别相对于热光移相器归一化热功率变化的一阶导数函数曲线图；
图5是MZ硅光调制器Quad点锁定流程图；
图6是MZ硅光调制器Null点锁定流程图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
1-激光器；2-光纤；3-MZ硅光调制器；31-热光移相器；32-第一光电探测器；33-第二光电探测器；34-输入MMI；35-热光相移器；36-射频调制单元；37-输出MMI；4-控制单元；41-双路跨阻放大器；42-双路数模转换器；43-处理器；44-双路数模转换器；5-反向驱动组件；51-脉冲码源发生器；52-电压放大器。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
在本发明的描述中，术语“内”、“外”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不应当理解为对本发明的限制。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
实施例一：
本实施例一提供一种实现MZ硅光调制器相位偏置点锁定的方法，如图1所示，方法包括：
激光器的输出光信号通过光纤输入到MZ硅光调制器中。其中，激光器连续输出光信号，可以通过保偏光纤输入到MZ硅光调制器中。
所述MZ硅光调制器通过分光的方式，将主光路分出的两路光信号导入相位相差180度的第一光电探测器和第二光电探测器中，所述主光路作为MZ硅光调制器的输出光信号的光路。其中，MZ硅光调制器输出光场复振幅表达式如下：
其中：i，j代表虚数单位；(t)表示信号随时间变化；EIN为连续输出激光器输出光场的复振幅；γ为MZ硅光调制器的分光比；w0为输入光信号的载波频率；A为MZ硅光调制器上臂，B为MZ硅光调制器下臂，αRF_A(t)和αRF_B(t)分别为MZ硅光调制器上臂和下臂的吸收损耗因子，吸收损耗因子通常是由调制信号引起的吸收参数，调制信号是随时间变化的信号，因此吸收参数和吸收损耗因子也随时间变化；φRF_A(t)和φRF_B(t)分别为MZ硅光调制器上下臂的调制相移量，是由调制信号引起的相位变化参数，调制信号是随时间变化的信号，因此相位变化量也随时间变化；φBIAS为热光移相器引入的直流偏置相位。
通过公式(1)可以得到MZ硅光调制器的输出光信号强度为：
其中，PIN为输入光信号强度，对公式(2)进行简化为：
其中：POUT_DC(t)和POUT_AC(t)分别为MZ硅光调制器输出光功率的直流分量和交流分量系数，随时间变化。
将公式(3)和公式(4)联合得到：
POUT(t)＝POUT_DC(t)+POUT_AC(t)[<cos(φRF_A(t)-φRF_B(t))>cosφBIAS+<sin(φRF_A(t)-φRF_B(t))>sinφBIAS] (5)
其中<cos(φRF_A(t)-(φRF_B(t))>和<sin(φRF_A(t)-(φRF_B(t))>分别表示为调制相位随时间变化的积分函数，由于第一光电探测器和第二光电探测器均为低速光电流探测器，两者输出的光电流均为平均光电流，另外射频信号引起MZ硅光调制器的相位变化量，并且可以由射频信号VRF(t)三阶多项式来表示：
αRF_A_1，2，3，4和
分别为MZ硅光调制器上臂和下臂的相移相对于反向PN结偏压的多项式因子，VPN为反向PN结的直流反向偏置电压。由于加载在反向PN结上的射频信号通常为双极性信号，即相对于0点正负对称，因此可以得到<sin(φRF_A(t)-φRF_B(t))>≈0，这样公式(5)可以进一步简化为公式(8)：
POUT(t)＝POUT_DC(t)+POUT_AC(t)<cos(φRF_A(t)-φRF_B(t))>cosφBIAS (8)
根据热光相移器的相位调制原理，热光移相器引入的直流偏置相位表达式为
Vbias是热光移相器施加的直流电压，Vπ是热光移相器的半波电压即相位偏置为π时对应的直流电压，因此MZ硅光调制器输出光信号跟热光移相器偏置电压的关系可以表示为公式(9)：
本实施例一中，如图2所示，所述第一光电探测器和所述第二光电探测器分别输出第一光电流和第二光电流，所述第一光电探测器用于探测所述MZ硅光调制器输出相位同向的光信号，所述第二光电探测器用于探测与所述MZ硅光调制器输出相位相差180度的多模干涉耦合器反向端的光信号。相差180度是用于区别多模干涉耦合器最强的干涉信号与最弱的干涉信号。在多模干涉耦合器最强的干涉信号下，第一光电探测器(同向)的光信号最强，第二光电探测器(反向)的光信号最弱。
MZ硅光调制器进行Quad点或Null点锁定时，MZ硅光调制器中热光移相器的调节量由所述第一光电流、所述第二光电流和所述热光移相器热功率计算得到。
本实施例一中，为了对于第一输出光电探测器和第二输出光电探测器输出的信号进一步进行计算，结合本发明实施例，还存在一种优选的实现方案，具体的，如图3所示，所述MZ硅光调制器中热光移相器的调节量由所述第一光电流、所述第二光电流和所述热光移相器热功率计算得到，具体方法包括：
通过双路跨阻放大器将所述第一光电流和所述第二光电流同时放大并转换为第一电压信号和第二电压信号；
所述第一电压信号和所述第二电压信号通过双路数据采样单元进行同步采样，得到第一平均光电流和第二平均光电流；
将所述第二平均光电流与所述第一平均光电流相除，得到第一结果，其中，所述第一结果与所述热光移相器热功率计算所述热光移相器的调节量。
第一输出光电探测器和第二输出光电探测器的平均光电流可以分别表示为:
公式(10)和公式(11)中RINPHASE和ROUTERPHASE分别表示第一输出光电探测器和第二输出光电探测器的响应度，RINPHASE和ROUTERPHASE由第一输出光电探测器和第二输出光电探测器自身决定，不受时间影响。公式(12)中将上述两路平均光电流做归一化处理得到归一化后的光电流，如图3所示:
归一化后的光电流与热光移相器热功率进行进一步的计算得到MZ硅光调制器中热光移相器的调节量，实现MZ硅光调制器任意偏置点的精确锁定。
本实施例一中，为了将MZ硅光调制器锁定在Quad点，结合本发明实施例，还存在一种优选的实现方案，具体的，如图4所示，所述第一结果与所述热光移相器热功率计算所述调节量，方法具体包括：
将所述第一结果减去所述第一光电探测器和所述第二光电探测器响应度的比值，得到第二结果；
计算所述第二结果相对于所述热光移相器热功率的一阶导数，得到第三结果；
若所述第三结果为0，热光移相器的相位偏置在Quad点；
若所述第三结果小于第一预设阈值，所述热光移相器的调节量为所述第三结果与0之间的差值，所述热光移相器完成调节后，所述MZ硅光调制器锁定在Quad点。
当MZ硅光调制器工作在强度调制格式下时，热光移相器的直流偏置点需要锁定在Quad点即热光相移器偏置点的电压
其中，k为正整数；k由实际选择偏置电压的周期决定，例如第一个周期内就是0，第2个周期就是1，考虑到调制曲线的灵敏度，一般至少会选择第2个周期。
从公式(12)中可以得到当热光移相器的直流偏置点Vbias＝VQuad，
因此构造一个函数其表达式为IRATIO(t)-IRATIO_Quad，同时假定该函数相对于热光移相器热功率的一阶导数表达式为:
由上式可以得到当Vbias＝VQuad，则Kslope_quad(VQuad)＝0，对于MZ硅光调制器Quad点的锁定只需要通过闭环控制保证Kslope_quad位于绝对值为0即可。
如图5所示，MZ硅光调制器锁定在Quad点具体步骤包括：
S101:初始化。
初始化阶段需要将热光相移器偏置电压设为0；再开启激光器；再开启射频调制信号。
S102:遍历Vbias点范围为0-nVπ 2，分别得到第一输出光电探测器和第二输出光电探测器的电光曲线。
扫描热光相移器的相位变化nπ周期，n的最小值为2，即至少扫描热光相移器的相位变化2π周期。
S103:将相同Vbias点的数据做比值得到归一化后的电光曲线。
S104:计算第一输出光电探测器和第二输出光电探测器的响应度比值并作为基准点。
S105:计算当前Kslope_Quad(Vbias)为0时，对应的Vbias数值并记为VQuad。
S106:保存当前Kslope_Quad(Vbias)记为Kslope_Quad_last(Vbias)。
S107:开启锁定。
开启锁定后，MZ硅光调制器在找到Quad点处后完成锁定。
S108:计算当前Kslope_Quad_now(Vbias)。
S109:判断Kslope_Quad_now(Vbias)是否小于Kslope_Quad_last(Vbias)。
比较前后连续不同Vbias的斜率，保证Kslope_Quad_last(Vbias)斜率收敛至绝对值为0。
S110:若Kslope_Quad_now(Vbias)小于Kslope_Quad_last(Vbias)，保存当前Kslope_Quad_last(Vbias)。
S111:若Kslope_Quad_now(Vbias)大于或等于Kslope_Quad_last(Vbias)，进一步判断Kslope_Quad_now(Vbias)是否大于0。
S112:若Kslope_Quad_now(Vbias)大于0，减小Vbias。
S113:若Kslope_Quad_now(Vbias)小于或等于0，增大Vbias。
S106至S113形成MZ硅光调制器锁定在Quad点的闭环控制状态，始终对MZ硅光调制器进行Quad点的闭环控制。
分别通过探测MZ硅光调制器内部的两个低速光电探测器即第一输出光电探测器和第二输出光电探测器的归一化光电流比值，归一化光电流比值跟第一输出光电探测器和第二输出光电探测器响应度比值的差值，计算该差值相对于热光移相器热功率的一阶导数，即热光移相器偏置电压的调节量，同时计算当前一阶导数结果相对于0的误差从而得到热光移相器偏置电压的修正值，即实现MZ硅光调制器Quad点的精确锁定。
本实施例一中，为了将MZ硅光调制器锁定在Null点，结合本发明实施例，还存在一种优选的实现方案，具体的，如图6所示，MZ硅光调制器进行Null点锁定时，MZ硅光调制器中热光移相器的调节量由所述第一结果与所述热光移相器的热功率之间的关系函数计算得到，具体方法包括：
计算所述第一结果相对于所述热光移相器热功率的一阶导数和二阶导数，分别得到第四结果和第五结果；
若所述第四结果为0时，所述热光移相器的相位偏置在Null点；
所述热光移相器的调节量为所述第四结果相对于Null点的误差并除以所述第五结果，所述热光移相器完成调节后，所述MZ硅光调制器锁定在Null点。
当MZ硅光调制器工作在相位调制格式下时，热光移相器的直流偏置点需要锁定在Null点，NULL点对应电压跟半波电压的关系为
其中k为正整数；求IRATIO(t)相对于热光移相器的一阶导数和二阶导数，其表达式分别为：
当Vbias＝Vnull，则Kslope_null(Vnull)＝0且K'slope_null(Vnull)＞0，另外在实际锁定中，计算当前功率比值的斜率曲线可以采用下式：
其中，ΔV为热光移相器偏置电压单步调节量；因此对于MZ硅光调制器的Null点锁定除了需要将Kslope_null调节至绝对值为0外还需要判断K'slope_null的符号性。
如图6所示，MZ硅光调制器锁定在Null点具体步骤包括：
S201：初始化。
初始化阶段需要将热光相移器偏置电压设为0；再开启激光器；再开启射频调制信号。
S202：遍历Vbias点范围为0-2Vπ 2，分别得到第一输出光电探测器和第二输出光电探测器的电光曲线。
扫描热光相移器的相位变化nπ周期，n的最小值为2，即至少扫描热光相移器的相位变化2π周期。
S203：将相同Vbias点的数据做比值得到归一化后的电光曲线。
S204：取归一化的电光曲线相对于Vbias 2的一阶导数和二阶导数，分别得到Kslope_null(Vbias)和K’slope_null_now(Vbias)。
S205：计算Kslope_null(Vbias)为0且K’slope_null_now(Vbias)大于0对应的Vbias并记为VDC_SET_null。
S206：保存当前Kslope_null(Vbias)记为Kslope_null_last(Vbias)
S207：开启锁定。
开启锁定后，MZ硅光调制器在找到Null点处后完成锁定。
S208：计算当前Kslope_null_now(Vbias)。
S209：判断Kslope_null_now(Vbias)是否小于Kslope_null_last(Vbias)。
比较前后连续不同Vbias的斜率，保证Kslope_null_last(Vbias)斜率收敛至绝对值为0。
S210：若Kslope_null_now(Vbias)小于Kslope_null_last(Vbias)，保存当前Kslope_null_last(Vbias)。
S211：若Kslope_null_now(Vbias)大于等于Kslope_null_last(Vbias)，判断Kslope_null_now(Vbias)是否大于0。
S212：若K’slope_null_now(Vbias)大于0，增大Vbias。
S213：若K’slope_null_now(Vbias)小于等于0，减小Vbias。
S206至S213形成MZ硅光调制器锁定在Null点的闭环控制状态，始终对MZ硅光调制器进行Null点的闭环控制。
分别通过探测MZ硅光调制器内部的两个低速光电探测器即第一输出光电探测器和第二输出光电探测器的归一化光电流比值，计算归一化光电流比值相对于热光移相器热功率的一阶导数和二阶导数，通过调节热光移相器偏置电压将一阶导数趋近于0同时判断二阶导数的符号性，一阶导数的结果决定热光移相器偏置电压的调节量，二阶导数决定的是调节方向，得到一阶导数和二阶导数的结果后，可以确定热光移相器偏置电压的调节方向与调节量，即实现MZ硅光调制器Null点的精确锁定。
本实施例一中，为了在MZ硅光调制器锁定在Null点时对于热光移相器调整的方向进行判断，结合本发明实施例，还存在一种优选的实现方案，具体的，如图6所示，所述第五结果的计算方法为：
遍历所述热光移相器的偏置电压；
计算得到所述热光移相器的偏置电压对应的第一结果相对于热光移相器的热功率一阶导数，得到第四结果。
第四结果是热光移相器偏置电压的调节量。偏置电压大小决定了热光相移器的直流偏置相位点，直流偏置相位点不在最佳点会导致调制器性能急剧劣化。
将所述第四结果进行线性拟合，所述第五结果为所述第四结果的斜率；
若所述第五结果为正，所述热光移相器的偏置电压增大；
若所述第五结果为负，所述热光移相器的偏置电压减小。
第五结果用来判断热光移相器的偏置电压调节方向，偏置电压大小决定了热光相移器的直流偏置相位点，直流偏置相位点不在最佳点会导致调制器性能急剧劣化。
本实施例一提供了一种不需要引入正弦或方波抖动信号的MZ硅光调制器相位偏置点锁定方法，分别通过探测MZ硅光调制器内部的第一输出光电探测器和第二输出光电探测器，计算第一光电流、第二光电流和热光移相器热功率得到热光移相器的调节量，从而对相位偏置点进行锁定。
实施例二：
本实施例二提供一种实现MZ硅光调制器相位偏置点锁定的装置，用于实施实施例一中的方法，本实施例二的装置包括：激光器1、光纤2、MZ硅光调制器3、处理单元4和反向驱动组件5，其中：
所述激光器1的输出光信号通过所述光纤2输入到所述MZ硅光调制器3中。
所述MZ硅光调制器3分为相位相差180°的光信号输出。
MZ硅光调制器内部包含两个光电探测器，一个是跟MZ硅光调制器输出光信号同向的第一光电探测器32，用于探测MZ硅光调制器输出平均光电流；另一个是跟MZ硅光调制器输出光信号输出反向的第二输出光电探测器33，用于检测MZ硅光调制器输出2X2MMI反向端的光电流，MMI为多模干涉耦合器multi-mode interferometer，简称MMI，第二输出光电探测器的输出光信号跟MZ硅光调制器输出相位相差为180°。
选用2个输入端口输入2种的干涉光，2X2MMI的输出端信号为输入光信号干涉后的光信号，两个输出信号相位差为180度。
所述处理单元4计算所述MZ硅光调制器3输出光信号归一化的结果与所述MZ硅光调制器3中热光移相器31热功率之间的关系。
通过双路跨阻放大器41将第一输出光电探测器32的光电流和第二输出光电探测器33的光电流同时放大，并通过双路数模转换器42进行同步采样，处理器43将第一输出光电探测器32和第二输出光电探测器33的采样电压值相除得到归一化的运算结果，输出为模拟电压，再将第一输出光电探测器32对应的模拟电压作为施加在热光移相器31偏置点的电压，第二输出光电探测器33对应的模拟电压作为反向PN结的反向偏置电压。
所述反向驱动组件5驱动所述MZ硅光调制器3反向PN结。反向PN型电光调制器由于其工作在反向偏压时PN结需要处于耗尽状态，载流子在电场的作用下做漂移运动，因而其运动速度快。反向驱动组件5需要使用高速的电压放大器。
所述处理单元4计算得到所述热光移相器31的调节量，以便所述MZ硅光调制器3完成相应偏置点的锁定。
MZ硅光调制器3进行Quad点或Null点锁定时，MZ硅光调制器3中热光移相器的调节量由所述第一光电流、所述第二光电流和所述热光移相器热功率计算得到。
MZ硅光调制器3的相位偏置点是通过基于硅波导热光效应的热光相移器来调节的，其相位偏置跟加载在热光相移器的热功率成正比。
本实施例二中，为了探测MZ硅光调制器输出的光电流以及MZ硅光调制器输出反向端的光电流，结合本发明实施例，还存在一种优选的实现方案，具体的，如图1所示，所述MZ硅光调制器3通过分光的方式，将主光路分出的两路光信号导入相位相差180度的第一光电探测器32和第二光电探测器33，所述主光路作为MZ硅光调制器的输出光信号的光路，其中：
所述第一光电探测器32和所述第二光电探测器33分别输出第一光电流和第二光电流。
所述第一光电探测器32用于探测所述MZ硅光调制器3输出相位同向的光信号。
所述第二光电探测器33用于探测与所述MZ硅光调制器3输出相位相差180度的多模干涉耦合器反向端的光信号。
第一光电探测器32的分光比为1～10％，在MZ硅光调制器3的同向输出方向第一光电探测器32进行分光1～10％就可以计算得到MZ硅光调制器输出的光电流。
本实施例二中，为了计算施加在热光移相器31偏置点的正向电压以及反向电压的大小，结合本发明实施例，还存在一种优选的实现方案，具体的，如图1所示，所述处理单元4包括双通道跨阻放大器41、双路模数转换器42、处理器43和双路数模转换器44，其中：
分别通过所述双路跨阻放大器41将所述第一光电探测器32和所述第二光电探测器33输出的第一光电流和第二光电流分别转换为第一电压信号和第二电压信号；
所述第一电压信号和所述第二电压信号通过所述双路模数转换器42进行同步采样；
所述处理器43将所述第一电压信号和所述第二电压信号进行数据处理，向所述双路数模转换器44输出模拟电压；
所述双路数模转换器44将所述处理器43输出的模拟电压分别施加在所述热光移相器31偏置点的正向电压和反向PN结的反向电压，用于调节热光移相器的偏置点以及射频PN结的反向偏置位置。
处理器43将第一输出光电探测器32对应的模拟电压作为施加在热光移相器31偏置点的电压，第二输出光电探测器33对应的模拟电压作为反向PN结的反向偏置电压。
本实施例二中，为了提高实现MZ硅光调制器相位偏置点精确的锁定，结合本发明实施例，还存在一种优选的实现方案，具体的，如图1所示，反向驱动组件5包括脉冲码源发生器51和电压放大器52，其中：
所述脉冲码源发生器51输出调制电压信号，调制电压信号经过电压放大器52放大，放大的电压通过引脚VRF作用于所述射频调制单元36上，用于驱动反向PN结。
反向PN型电光调制器由于其工作在反向偏压时PN结需要处于耗尽状态，载流子在电场的作用下做漂移运动，因而其运动速度快，有利于实现高速电光调制，因此成为实现MZ硅光调制器的常用结构。
本实施例二中，为了提高实现MZ硅光调制器相位偏置点精确的锁定，结合本发明实施例，还存在一种优选的实现方案，具体的，如图1所示，所述MZ硅光调制器3还包括输入MMI34、热光相移器35、射频调制单元36和输出MMI37，其中：
光信号经过所述输入MMI34、所述热光相移器35、所述射频调制单元36和所述输出MMI37后输出；
所述输入MMI34对光信号进行干涉；
所述输出MMI37与所述第二光电探测器33反向连接；
所述输出MMI37与所述第一光电探测器32同向连接；
所述热光相移器35通过引脚Vbias与处理单元4设定偏置点；
所述射频调制单元36通过引脚VPN与处理单元4设定反向PN结电压。
输入MMI34为2个输入端口输入2种的干涉光，输出MMI37为输入光信号干涉后的光信号，两个输出信号相位差为180度。
本实施例二提供的实现MZ硅光调制器相位偏置点锁定的装置可以实现MZ硅光调制器任意偏置点的精确锁定，同时设计简单，易于整体移植到超小型封装例如QDD，OSFP等封装形式的高速硅光模块中。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种实现MZ硅光调制器相位偏置点锁定的方法，其特征在于，方法包括：
激光器的输出光信号通过光纤输入到MZ硅光调制器中；
所述MZ硅光调制器通过分光的方式，将主光路分出的两路光信号导入相位相差180度的第一光电探测器和第二光电探测器中，所述主光路作为MZ硅光调制器的输出光信号的光路；
所述第一光电探测器和所述第二光电探测器分别输出第一光电流和第二光电流，所述第一光电探测器用于探测所述MZ硅光调制器输出相位同向的光信号，所述第二光电探测器用于探测与所述MZ硅光调制器输出相位相差180度的多模干涉耦合器反向端的光信号；
所述MZ硅光调制器进行Quad点或Null点锁定时，通过双通道跨阻放大器将所述第一光电流和所述第二光电流同时放大并转换为第一电压信号和第二电压信号；所述第一电压信号和所述第二电压信号通过双路数据采样单元进行同步采样，得到第一平均光电流和第二平均光电流；将所述第二平均光电流与所述第一平均光电流相除，得到第一结果；
将所述第一结果减去所述第一光电探测器和所述第二光电探测器响应度的比值，得到第二结果；计算所述第二结果相对于热光移相器热功率的一阶导数，得到第三结果；若所述第三结果为0，热光移相器的相位偏置在Quad点；若所述第三结果小于第一预设阈值，所述热光移相器的调节量为所述第三结果与0之间的差值，所述热光移相器完成调节后，所述MZ硅光调制器锁定在Quad点；
计算所述第一结果相对于所述热光移相器热功率的一阶导数和二阶导数，分别得到第四结果和第五结果；若所述第四结果为0时，所述热光移相器的相位偏置在Null点；所述热光移相器的调节量为所述第四结果相对于Null点的误差并除以所述第五结果，所述热光移相器完成调节后，所述MZ硅光调制器锁定在Null点；
其中，所述第五结果的计算方法为：
遍历所述热光移相器的偏置电压；计算得到所述热光移相器的偏置电压对应的第一结果相对于热光移相器的热功率一阶导数，得到第四结果；将所述第四结果进行线性拟合，所述第五结果为所述第四结果的斜率；若所述第五结果为正，所述热光移相器的偏置电压增大；若所述第五结果为负，所述热光移相器的偏置电压减小。
2.一种实现MZ硅光调制器相位偏置点锁定的装置，其特征在于，装置包括：激光器（1）、光纤（2）、MZ硅光调制器（3）、处理单元（4）和反向驱动组件（5），其中：
所述激光器（1）的输出光信号通过所述光纤（2）输入到所述MZ硅光调制器（3）中；
所述MZ硅光调制器（3）分为相位相差180°的光信号输出；
所述处理单元（4）计算所述MZ硅光调制器（3）输出光信号归一化的结果与所述MZ硅光调制器（3）中热光移相器（31）热功率之间的关系，
所述反向驱动组件（5）驱动所述MZ硅光调制器（3）反向PN结；
所述处理单元（4）计算得到所述热光移相器（31）的调节量，以便所述MZ硅光调制器（3）完成相应偏置点的锁定。
3.如权利要求2所述的实现MZ硅光调制器相位偏置点锁定的装置，其特征在于，所述MZ硅光调制器（3）通过分光的方式，将主光路分出的两路光信号导入相位相差180度的第一光电探测器（32）和第二光电探测器（33），所述主光路作为MZ硅光调制器的输出光信号的光路，其中：
所述第一光电探测器（32）和所述第二光电探测器（33）分别输出第一光电流和第二光电流；
所述第一光电探测器（32）用于探测所述MZ硅光调制器（3）输出相位同向的光信号；
所述第二光电探测器（33）用于探测与所述MZ硅光调制器（3）输出相位相差180度的多模干涉耦合器反向端的光信号。
4.如权利要求3所述的实现MZ硅光调制器相位偏置点锁定的装置，其特征在于，所述处理单元（4）包括双通道跨阻放大器（41）、双路模数转换器（42）、处理器（43）和双路数模转换器（44），其中：
分别通过所述双通道跨阻放大器（41）将所述第一光电探测器（32）和所述第二光电探测器（33）输出的第一光电流和第二光电流分别转换为第一电压信号和第二电压信号；
所述第一电压信号和所述第二电压信号通过所述双路模数转换器（42）进行同步采样；
所述处理器（43）将所述第一电压信号和所述第二电压信号进行数据处理，向所述双路数模转换器（44）输出模拟电压；
所述双路数模转换器（44）输出的模拟电压根据所述处理器（43）的计算结果分别在所述热光移相器（31）偏置点和反向PN结上施加。
5.如权利要求4所述的实现MZ硅光调制器相位偏置点锁定的装置，其特征在于，所述反向驱动组件（5）包括脉冲码源发生器（51）和电压放大器（52），其中：
所述脉冲码源发生器（51）输出调制电压信号，调制电压信号经过电压放大器（52）放大，放大的电压通过引脚VRF作用于射频调制单元（36）上，用于驱动反向PN结。
6.如权利要求5所述的实现MZ硅光调制器相位偏置点锁定的装置，其特征在于，所述MZ硅光调制器（3）还包括输入MMI（34）、热光相移器（35）、射频调制单元（36）和输出MMI（37），其中：
光信号经过所述输入MMI（34）、所述热光相移器（35）、所述射频调制单元（36）和所述输出MMI（37）后输出；
所述输入MMI（34）对光信号进行干涉；
所述输出MMI（37）与所述第二光电探测器（33）反向连接；
所述输出MMI（37）与所述第一光电探测器（32）同向连接；
所述热光相移器（35）通过引脚Vbias与处理单元（4）设定偏置点；
所述射频调制单元（36）通过引脚VPN与处理单元（4）设定反向PN结电压。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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