CN114745060A - 一种光学调制器偏压控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光通信技术领域，特别是涉及一种光学调制器偏压控制方法及系统。其中，光学调制器为MZ型光学IQ调制器，由三个MZ干涉结构组成，母MZM的第一臂由I路MZM组成，第二臂由Q路MZM和90度相移器组成，方法包括：将I路射频电压信号和Q路射频电压信号分别加载到所述光学调制器上；采集MPD输出的电信号，并得到电信号的中频分量；依次循环调节光学调制器三个相移器的偏压，使得中频分量达到最小值，则完成当前轮的偏压的设置。本发明能够使得调制器锁定在最佳工作点，解决调制器随温度、时间漂移的问题，同时，补偿调制器非理想特性，如消光比小、射频啁啾大等引入的系统性能劣化。

Description

一种光学调制器偏压控制方法及系统

【技术领域】

本发明涉及光通信技术领域，特别是涉及一种光学调制器偏压控制方法及系统。

【背景技术】

相干光通信系统中，为了利用光的相位信息，对信号进行IQ调制与解调，能大幅提高通信系统容量和距离。相干发射机利用光学IQ调制器等关键器件，能够调制得到相互正交的I、Q信号。

光学IQ调制器在使用过程中，需要合适的偏置电压(偏置电压也称作工作点)。光学IQ调制器通常采用马赫曾德尔调制器(MZM)作为基本结构，如图1所示。对于理想的IQ调制器来说，子MZM，也就是I路MZM和/或Q路MZM的最佳工作点是null点，即I路或者Q路的偏置电压等于MZ调制器的特征曲线(如图2、图3所示)的输出光功率最小值对应的电压；母MZM的最佳工作点是quad点，即偏置电压等于产生90度相移对应的电压。

在调试生产以及使用过程中，光学IQ调制器最佳工作点偏置电压并不相同，很难手动找到。而且，最佳工作点偏置电压会随温度、时间发生漂移。因此需要自动偏置控制方法找到最佳工作点，并且将偏置电压锁定在最佳工作点。

目前，现有技术大致可以分为两种方案。第一种方案，通常基于扰动信号进行反馈调节，来达到自动控制偏置电压的目的。具体是，在直流偏置电压上叠加特定频率的扰动信号，将叠加扰动信号的直流偏置电压加载到相移器上，这样在监测PD(MPD)上也能探测到对应频率的信号；将对应频率的信号的幅值作为反馈目标，调节相移器偏置电压，使得对应频率信号的幅值达到最小，来实现自动偏压控制。第二种方案，基于光功率大小进行反馈调节。反馈目标是光功率大小，反馈过程类似，调节相移器偏置电压，使得光功率达到最小或者最大，来实现自动偏压控制。

上述两种方案都存在缺陷。第一种方案引入扰动信号的同时也引入了噪声，会干扰和劣化业务信号。第二种方案受环境影响较大，灵敏度低；除此之外，光学IQ调制器由于制造工艺误差等原因，很多参数会存在不理想的情况，如消光比小，射频啁啾大等。这些会导致前述的Null点和quad点不是最佳工作点。然而，现有技术控制目标都是null点和quad点，这将导致自动偏压控制后，系统性能劣化；另外，通信速率、编码复杂度仍在进一步的提高，实际工作点相对最佳工作点的偏移对系统性能的影响更大。也就是说，系统对工作点偏压控制及锁定提出更高要求，甚至偏置控制方法已逐步成为制约系统性能的关键参数。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】

本发明要解决的技术问题是：调试过程或者使用过程中，需要自动控制光学调制器的工作点；对于非理想的光学调制器，现有技术无法锁定到最佳工作点，导致自动锁定后的调制器性能较差，影响系统性能。需要一个偏压自动控制方法，将非理想的光学调制器锁定在最佳工作点。

本发明进一步要解决的技术问题是提供一种光学调制器偏压控制方法及系统。

本发明采用如下技术方案：

一种光学调制器偏压控制方法及系统光学调制器为MZ型光学IQ调制器，由三个MZ干涉结构组成，母MZM的第一臂由I路MZM组成，第二臂由Q路MZM和90度相移器组成，方法包括：将I路射频电压信号和Q路射频电压信号分别加载到所述光学调制器上；采集MPD输出的电信号，并得到电信号的中频分量；依次循环调节光学调制器三个相移器的偏压，使得中频分量达到最小值，则完成当前轮的偏压的设置。

优选的，在所述依次循环调节光学调制器三个相移器的偏压中，单个调节周期内包括：调节I路MZM的相移器电压，使得中频分量向最小值靠近；调节Q路MZM的相移器电压，使得中频分量向最小值靠近；调节90度相移器电压，使得中频分量向最小值靠近。

优选的，单个调节周期内的调节顺序包括：按照调节I路MZM的相移器电压、调节Q路MZM的相移器电压和调节90度相移器电压顺序进行；或者，按照调节90度相移器电压、调节Q路MZM的相移器电压和调节I路MZM的相移器电压顺序进行；或者，按照调节I路MZM的相移器电压、调节90度相移器电压、调节Q路MZM的相移器电压和调节90度相移器电压顺序进行。

优选的，中频分量指电信号中频率范围从500MHz到四分之一波特率的功率。

优选的，MPD将光学调制器输出的光信号转换为电信号，其中，MPD是与光学调制器集成，或者是外部分立器件。

优选的，I路射频电压信号和Q路射频电压信号是实际业务电压信号或者伪随机电压信号。

另一方面，还提供了了一种光学调制器偏压控制系统，包含跨阻放大器、滤波单元、算法单元和控制单元，具体的：跨阻放大器用于将MPD的电流信号转换为电压信号，并进行电压信号放大；滤波单元用于提取所述电压信号中的中频分量；算法单元用于根据MPD采集电信号的中频分量，依次循环计算光学调制器三个相移器需要调节到的偏压值，使得中频分量向最小值靠近；控制单元用于产生算法单元需要的电压，并加载到光学调制器的三个相移器上。

优选的，滤波单元具体为：模拟硬件滤波器、数字硬件滤波器或者是软件实现滤波单元。

优选的，在所述依次循环计算光学调制器三个相移器需要调节到的偏压值，使得中频分量向最小值靠近中，单个计算周期内包括：调节I路MZM的相移器电压，使得中频分量向最小值靠近；调节Q路MZM的相移器电压，使得中频分量向最小值靠近；调节90度相移器电压，使得中频分量向最小值靠近。

优选的，单个调节周期内的调节顺序包括：按照调节I路MZM的相移器电压、调节Q路MZM的相移器电压和调节90度相移器电压顺序进行；或者，按照调节90度相移器电压、调节Q路MZM的相移器电压和调节I路MZM的相移器电压顺序进行；或者，按照调节I路MZM的相移器电压、调节90度相移器电压、调节Q路MZM的相移器电压和调节90度相移器电压顺序进行

本发明基于MPD采集信号的中频分量最小值反馈调节调制器相移器偏压，以锁定调制器在最佳工作点。本发明提供一种补偿光学调制器非理想特性的自动偏压控制方法，能够使得调制器锁定在最佳工作点，解决调制器随温度、时间漂移的问题，同时，补偿调制器非理想特性，如消光比小、射频啁啾大等引入的系统性能劣化。

【附图说明】

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面所描述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MZ型光学IQ调制器示意图；

图2为理想MZ调制器的特性曲线示意图；

图3为非理想MZ调制器的特性曲线示意图；

图4是本发明实施例提供的一种光学调制器偏压控制方法；

图5本发明实施例提供的一种算法单元的一种逻辑实施例；

图6是本发明实施例提供的一种为想MZ调制器的QPSK星座图；

图7是本发明实施例提供的一种消光比较小和啁啾较大的非理想MZ调制器的QPSK星座图；

图8是本发明实施例提供的一种调控偏压后的非理想MZ调制器的QPSK星座图；

图9是本发明实施例提供的一种光学调制器偏压控制系统实施例；

图10为中频分量随相移器电压变化曲线；

10：输入光路；11：母MZM的第一臂；12：母MZM的第二臂；13：I路MZM；14：Q路MZM；15：I路MZM的相移器；16：Q路MZM的相移器；17：90度相移器；18：输出光路；19：MPD；20：跨阻放大器；21：滤波单元；22：算法单元；23：控制单元。

【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。

调制器工作时会受温度，老化等方面影响，导致偏压发生漂移。例如，某一时刻，找到最佳偏压是1V，随着温度变化，最佳偏压变成了1.2V，如果不进行偏压自动控制，那么调制器性能就不好，这时就需要启动本发明的调节过程。

但实际上，并不知道最佳偏压有没有发生改变，一般来说需要实时使用自动控制算法，也就是本发明的控制调节过程。这样就可以让偏压始终保持在较好的工作水平。

上面是情况一，另一种情况二，认为一段时间内，最佳偏压没有发生很大的变化，因此可以间隔一段时间启动控制流程，即以某种占空比进行启动和停止。

情况三，检测温度变化，当温度变化超过一定值，则启动。比如0.5摄氏度。其中，情况一是本发明的主要应用场景。

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。

实施例1:

本发明实施例1提供了一种光学调制器偏压控制方法，光学调制器为MZ型光学IQ调制器，由三个MZ干涉结构组成，母MZM的第一臂11由I路MZM13组成，母MZM的第二臂12由Q路MZM14和90度相移器17组成，如图4所示，方法包括：

在步骤201中，将I路射频电压信号和Q路射频电压信号分别加载到所述光学调制器上；采集MPD19输出的电信号，并得到电信号的中频分量。

其中，所述的MPD19设置在输出光路18的一侧，用于将光学调制器输出的光信号转换为电信号，其中，MPD19是与光学调制器集成，或者是外部分立器件。

所述的I路射频电压信号和Q路射频电压信号是实际业务电压信号或者伪随机二进制序列(Pseudo-Random Binary Sequence，简写为PRBS)信号。在实际使用中，若能够获得当前使用的实际业务电压信号，则将实际业务电压信号作为初始数据，在实际业务电压信号的基础上进行调整；若无法获得实际业务电压信号或不便于获得实际业务电压信号，则使用PRBS芯片等方式生成伪随机信号作为初始电压信号进行调整。

在步骤202中，依次循环调节光学调制器三个相移器的偏压，使得中频分量达到最小值，则完成当前轮的偏压的设置。

其中，所述的中频分量指电信号中频率范围从500MHz到四分之一波特率的功率。

本发明主要应用场景是实时调节。如果是实时调节，即无限循环，则按照上述三种情况，尤其类似第二种情况中，上述步骤202当前轮的偏压的设置可以理解为相应调节周期内的设置过程。

本发明基于MPD19采集信号的中频分量最小值反馈调节调制器相移器偏压，以锁定调制器在最佳工作点。本发明提供一种补偿光学调制器非理想特性的自动偏压控制方法，能够使得调制器锁定在最佳工作点，解决调制器随温度、时间漂移的问题，同时，补偿调制器非理想特性，如消光比小、射频啁啾大等引入的系统性能劣化。

在本发明实施例中，在所述依次循环调节光学调制器三个相移器的偏压中，单个调节周期内包括：调节I路MZM的相移器15电压，使得中频分量向最小值靠近；调节Q路MZM的相移器16电压，使得中频分量向最小值靠近；调节90度相移器17电压，使得中频分量向最小值靠近。

所述的单个调节周期内的调节顺序包括：

按照调节I路MZM的相移器15电压、调节Q路MZM的相移器16电压和调节90度相移器17电压顺序进行；或者，

按照调节90度相移器17电压、调节Q路MZM的相移器16电压和调节I路MZM的相移器15电压顺序进行；或者，

按照调节I路MZM的相移器15电压、调节90度相移器17电压、调节Q路MZM的相移器16电压和调节90度相移器17电压顺序进行。

其他的组合方式没有在此一一列举，但是本领域技术人员知晓相关穷举出的调节方式应该都归属于本发明的保护范围内。

图5为算法单元的一种逻辑流程实施例。初始化得到中频分量后，逻辑流程可以进入图5所示的第一步“增大或减小I路MZM13相移器电压”。

在本发明实施例中，光学IQ调制器的输出光场表达式如下第一公式所示：

其中，

表示从输入光路10进入的光载波，j表示虚数；将I路MZM13和Q路MZM14的上臂光场幅度归一化，g_i和g_q表示I路MZM13和Q路MZM14下臂光场幅度，其中，g_i,g_q∈(0,+∞)；g_i等于1表示I路MZM13消光比性能理想，和1的差异越大，消光比性能越差，g_q等于1表示Q路MZM14消光比性能理想，和1的差异越大，消光比性能越差；α_i和α_q表示I路MZM13和Q路MZM的射频啁啾性能，反映射频电压对MZM两臂的差异作用，等于0表示啁啾性能理想；V_nRF(n＝i,q)表示加载到I路MZM13或者Q路MZM14的射频电压，V_πRF表示MZM产生π相移对应的射频电压大小；V_n(n＝i,q,p)表示I路MZM13、Q路MZM14或者母路MZM的相移器上的电压，V_πDC表示相移器产生π相移对应的电压大小；其中，相移器和射频电极的结构和材料相同，则V_πRF＝V_πDC，反之，则V_πRF≠V_πDC。

在本发明实施例中，对第一公式进行指数展开，得到第二公式：

将I路和Q路MZM14锁定在Null点，母MZM锁定在Quad点，即V_i＝V_q＝V_πDC，V_p＝0.5V_πDC，带入第二公式，得到第三公式：

第一项

表示I路MZM13的光场，在消光比和啁啾非理想的情况下(g_n(n＝i,q)≠1或者α_n(n＝i,q)≠0)，I路MZM13的光场除了实部分量还存在虚部分量，即I路MZM13的光场同时包括平行分量(I方向)和垂直分量(Q方向)；第二项

表示Q路MZM14的光场；这样，由于消光比和啁啾非理想，IQ相互影响，存在直流分量，劣化星座图性能和系统性能，如图6、图7所示。

根据第二公式，通过调节I路MZM13、Q路MZM的相移器16电压V_i和V_q，用于消除星座图的直流分量，补偿消光比和啁啾非理想造成的性能劣化，如图8所示；直流分量其实这么理解：V_iRF和V_qRF是信号，V_iRF(V_qRF)可以等于-a，也可以等于a，这样随机变化，会在星座图形成点，所有的点求平均值，如果为0，就是没有直流分量，可以理解为公式而求期望。实际星座图相比最佳星座图点，仅存在一定角度的旋转。实际通信系统中，如激光器等也会引入角度旋转，可以通过DSP算法解出，属于业界常规技术，也就是说本发明实施例提出的方法引入的角度差异不会引入额外代价。所以本发明实施例的方法得到的即是非理想的光学调制器的最佳工作点。

图10为中频分量随I路相移器(或者母MZM90度相移器)电压变化曲线，可以通过循环迭代调节IQ光学调制器的三个相移器电压，使得中频分量向最小值靠近，从而实现最佳工作点锁定。

实施例2：

本发明除了提供如实施例1所述的一种光学调制器偏压控制方法外，还通过本发明实施例提供基于共同发明构思的一种光学调制器偏压控制系统，如图9所示，包含跨阻放大器20、滤波单元21、算法单元22和控制单元23，具体的：

跨阻放大器20用于将MPD19的电流信号转换为电压信号，并进行电压信号放大。

滤波单元21用于提取所述电压信号中的中频分量。其中，滤波单元21具体可以为模拟硬件滤波器、数字硬件滤波器或者是软件实现滤波单元。

算法单元22用于根据MPD19采集电信号的中频分量，依次循环计算光学调制器三个相移器需要调节到的偏压值，使得中频分量向最小值靠近。

控制单元23用于产生算法单元需要的电压，并加载到光学调制器的三个相移器上。

本发明基于MPD19采集信号的中频分量最小值反馈调节调制器相移器偏压，以锁定调制器在最佳工作点。本发明提供一种补偿光学调制器非理想特性的自动偏压控制方法，能够使得调制器锁定在最佳工作点，解决调制器随温度、时间漂移的问题，同时，补偿调制器非理想特性，如消光比小、射频啁啾大等引入的系统性能劣化。

在本发明实施例实现方式中，在所述依次循环计算光学调制器三个相移器需要调节到的偏压值，使得中频分量向最小值靠近中，单个计算周期内包括：

调节I路MZM的相移器15电压，使得中频分量向最小值靠近；调节Q路MZM的相移器16电压，使得中频分量向最小值靠近；调节90度相移器17电压，使得中频分量向最小值靠近。

其中，所述的单个调节周期内的调节顺序包括：

按照调节I路MZM的相移器15电压、调节Q路MZM的相移器16电压和调节90度相移器17电压顺序进行；或者，

按照调节90度相移器17电压、调节Q路MZM的相移器16电压和调节I路MZM的相移器15电压顺序进行；或者，

按照调节I路MZM的相移器15电压、调节90度相移器17电压、调节Q路MZM的相移器16电压和调节90度相移器17电压顺序进行。

值得说明的是，上述装置和系统内的模块、单元之间的信息交互、执行过程等内容，由于与本发明的处理方法实施例基于同一构思，具体内容可参见本发明方法实施例中的叙述，此处不再赘述。

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 (10)

1.一种光学调制器偏压控制方法，其特征在于，光学调制器为MZ型光学IQ调制器，由三个MZ干涉结构组成，母MZM的第一臂由I路MZM组成，第二臂由Q路MZM和90度相移器组成，方法包括：

将I路射频电压信号和Q路射频电压信号分别加载到所述光学调制器上；采集MPD输出的电信号，并得到电信号的中频分量；

依次循环调节光学调制器三个相移器的偏压，使得中频分量达到最小值，则完成当前轮的偏压的设置。

2.根据权利要求1所述的光学调制器偏压控制方法，其特征在于，在所述依次循环调节光学调制器三个相移器的偏压中，单个调节周期内包括：

调节I路MZM的相移器电压，使得中频分量向最小值靠近；

调节Q路MZM的相移器电压，使得中频分量向最小值靠近；

调节90度相移器电压，使得中频分量向最小值靠近。

3.根据权利要求2所述的光学调制器偏压控制方法，其特征在于，所述的单个调节周期内的调节顺序包括：

按照调节I路MZM的相移器电压、调节Q路MZM的相移器电压和调节90度相移器电压顺序进行；或者，

按照调节90度相移器电压、调节Q路MZM的相移器电压和调节I路MZM的相移器电压顺序进行；或者，

按照调节I路MZM的相移器电压、调节90度相移器电压、调节Q路MZM的相移器电压和调节90度相移器电压顺序进行。

4.根据权利要求1所述的光学调制器偏压控制方法，其特征在于，所述的中频分量指电信号中频率范围从500MHz到四分之一波特率的功率。

5.根据权利要求1所述的光学调制器偏压控制方法，其特征在于，所述的MPD将光学调制器输出的光信号转换为电信号，其中，MPD是与光学调制器集成，或者是外部分立器件。

6.根据权利要求1所述的光学调制器偏压控制方法，其特征在于，所述的I路射频电压信号和Q路射频电压信号是实际业务电压信号或者伪随机电压信号。

7.一种光学调制器偏压控制系统，其特征在于，包含跨阻放大器、滤波单元、算法单元和控制单元，具体的：

跨阻放大器用于将MPD的电流信号转换为电压信号，并进行电压信号放大；

滤波单元用于提取所述电压信号中的中频分量；

算法单元用于根据MPD采集电信号的中频分量，依次循环计算光学调制器三个相移器需要调节到的偏压值，使得中频分量向最小值靠近；

控制单元用于产生算法单元需要的电压，并加载到光学调制器的三个相移器上。

8.根据权利要求7所述的光学调制器偏压控制系统，其特征在于，滤波单元具体为：

模拟硬件滤波器、数字硬件滤波器或者是软件实现滤波单元。

9.根据权利要求7所述的光学调制器偏压控制系统，其特征在于，在所述依次循环计算光学调制器三个相移器需要调节到的偏压值，使得中频分量向最小值靠近中，单个计算周期内包括：

调节I路MZM的相移器电压，使得中频分量向最小值靠近；

调节Q路MZM的相移器电压，使得中频分量向最小值靠近；

调节90度相移器电压，使得中频分量向最小值靠近。

10.根据权利要求7所述的光学调制器偏压控制系统，其特征在于，所述的单个调节周期内的调节顺序包括：

按照调节I路MZM的相移器电压、调节Q路MZM的相移器电压和调节90度相移器电压顺序进行；或者，

按照调节90度相移器电压、调节Q路MZM的相移器电压和调节I路MZM的相移器电压顺序进行；或者，

按照调节I路MZM的相移器电压、调节90度相移器电压、调节Q路MZM的相移器电压和调节90度相移器电压顺序进行。

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