CN115016189A - 一种小型化的光电外调制模块 - Google Patents

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Abstract

本方案属于光电通信技术领域，具体涉及一种小型化的光电外调制模块。包括马赫‑曾德外调制器；还包括激光器、模拟背光信号处理模块、数字处理模块和偏压信号输出模块；激光器输出的光信号和偏压信号作为光载波进入马赫‑曾德外调制器，马赫‑曾德外调制器用于分别对外调制器进行偏压点控制和将导频信号调制到光载波上；本方案克服功率法控制和导频法控制各自的缺陷，集合两种控制方法的优点，提出了将功率法和导频法控制相结合的外调制控制方案，不但具有更高的控制精度和环境适应性，不恶化传输信号质量等优点，而且极大的简化了硬件电路，缩小了驱动控制电路的体积，可做到集成封装在外调制器内部。

Description

一种小型化的光电外调制模块
技术领域
本方案属于光电通信技术领域，具体涉及一种小型化的光电外调制模块。
背景技术
光通信领域中，微波信号的调制技术主要有两种方式，一种是直接强度调制，另一种是外调制方式。随着现代微波光子技术的发展，微波信号的外调制技术由于其频率带宽高、噪声系数低等优点，是微波光子信号调制技术的最主要方式，马赫-曾德外调制器作为微波光子外调制技术关键组成部分，被广泛的应用于各种光外调制传输链路中。
马赫-曾德外调制器偏压点控制的目的是对马赫-曾德外调制器进行稳定偏压控制，以实现马赫-曾德外调制在外界温度、振动以及电场等条件影响下，调制器偏压控制点的稳定工作，从而使微波信号的外调制具有稳定的传输特性，保证信号以及通信系统的通信质量。
目前在国内外使用的马赫-曾德外调制偏压控制方法主要有两种：一种是功率法控制，另一种是导频法控制。功率法控制的核心思想是监控外调制器的输出光功率来反馈控制调制器的偏压控制点，其控制方法主要包括了输出光功率波动值的获取、输出光功率波动值的处理和偏压点补偿三部分；设置一个外调制器的控制平衡点，把连续光光源输入外调制器，然后通过外调制器的内置光电二极管(或者外接光分路器和光电探测器)将部分输出光功率转换为电信号，最后通过采样和检测该电信号，给出偏压点的补偿值。导频法控制的核心思想是通过给调制器加载、接收并检测微扰信号，实现对偏压点的控制，其控制方法主要包括了微扰信号的产生、微扰信号的接收并处理和偏置电压的补偿三部分；产生一个微扰信号，将其加载到调制器上，通过调制器的内置PD转换为电信号，采样该电信号，提取并监测微扰信号，最后给出偏压点的补偿值。
但目前上述两种控制方法都存在各自明显的缺点，功率法控制要求输入调制器的光功率绝对稳定，整个控制回路的增益绝对稳定，因此易受光源、光连接器、光纤等影响，同时也易受环境条件影响，宽温度范围内的控制精度低。而导频法控制是在调制器上加载了微扰信号，对通信系统而言，是引入了杂散信号，因此导频法控制会对传输信号的质量造成恶化，在某些相位噪声要求高的光通信系统中不适用。
申请号为CN202010278341.0的专利公开了马赫－曾德调制器及光调制装置，马赫－曾德调制器具备：第一支路波导；第二支路波导；导电性区域，将所述第一支路波导及所述第二支路波导相互连接；差动传送路径，包括基准电位用的第三金属体和与所述第一支路波导及所述第二支路波导分别连接的第一金属体及第二金属体；及电容器，连接在所述导电性区域与所述第三金属体之间。
该方案虽然能够降低共模，但是控制电路相对复杂，体积较大，不适合在对体积有要求的环境下使用。
发明内容
本方案提供一种将功率法和导频法控制相结合的小型化的光电外调制模块。
为了达到上述目的，本方案提供一种小型化的光电外调制模块，包括马赫-曾德外调制器；还包括激光器、光电探测器、模拟背光信号处理模块、数字处理模块和偏压信号输出模块；
激光器输出的光信号和偏压信号作为光载波进入马赫-曾德外调制器，马赫-曾德外调制器用于分别对外调制器进行偏压点控制和将导频信号调制到光载波上；
马赫-曾德外调制器输出的光信号部分散射光经过光电探测器接收，光电探测器将加载了导频信号的已调光信号转换为包含导频信号的PD背光电信号，实现光信号向电信号的转换；
PD背光电信号进入模拟背光信号处理模块，模拟背光信号处理模块处理后输出包含导频基波及谐波成分的电信号；电信号进入数字处理模块进行信号处理，数字处理模块同时输出下一时刻的直流偏压信号和导频信号，直流偏压信号和导频信号进入偏压信号输出模块，最后输出给马赫-曾德外调制器的偏压控制信号。
本方案的效果：采用功率法和导频法控制相结合的外调制控制方案，克服了功率法控制和导频法控制各自的缺陷，集合了两种控制方法的优点，不但具有更高的控制精度和环境适应性，不恶化传输信号质量等优点，而且极大的简化了硬件电路，缩小了驱动控制电路的体积，可做到集成封装在外调制器内部。
进一步，所述模拟背光信号处理模块包括可增益跨阻抗放大器、隔直电路和前置放大器；所述数字处理模块包括数字带通滤波器、数字处理单元、数模转换器、导频发生器、第一模数转换器和第二模数转换器；
所述可增益跨阻抗放大器分别与光电探测器和隔直电路信号连接；
所述可增益跨阻抗放大器依次与第一模数转换器、数字处理单元、数模转换器和偏压信号输出模块信号连接；所述隔直电路依次与前置放大器、第二模数转换器、数字带通滤波器、数字处理单元、导频发生器和偏压信号输出模块信号连接。
可增益跨阻抗放大器接收光电探测器传输的信号，增益跨阻抗放大器分别将信号传输给第一模数转换器和隔直电路；隔直电路将信号传输给前置放大器；前置放大器将信号传输给第二模数转换器；第二模数转换器将信号传给数字带通滤波器，数字带通滤波器将信号传输给数字处理单元，数字处理单元将信号传输给导频发生器；导频发生器将信号传输给偏压信号输出模块；第一模数转换器将信号传输给数字处理单元，数字处理单元将信号传输给数模转换器。
进一步，所述偏压信号包含直流偏置电压和导频信号。
进一步，所述PD背光电信号中包含的导频基波进行电流转电压、电压放大、低通滤波处理，处理过后的电信号进入数字处理模块。
附图说明
图1为马赫-曾德外调制器控制原理框图。
图2为马赫-曾德外调制器控制数据处理模块主要功能框图。
图3为马赫-曾德外调制器控制方法流程图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式进一步详细说明：
说明书附图中的标记包括：光源1、马赫-曾德外调制器2、光电探测器21、模拟背光信号处理模块3、可增益跨阻抗放大器31、隔直电路32、前置放大器33、数字处理模块4、第一模数转换器41、第二模数转换器42、数字带通滤波器43、数字处理单元44、数模转换器45、导频发生器46、偏压信号输出模块5。
实施例1基本如附图1和3所示：
一种小型化的光电外调制模块，包括马赫-曾德外调制器2；还包括激光器、模拟背光信号处理模块3、数字处理模块4和偏压信号输出模块5。
激光器输出的光源1和偏压信号作为光载波进入马赫-曾德外调制器2，马赫-曾德外调制器2用于分别对外调制器进行偏压点控制和将导频信号调制到光载波上。
马赫-曾德外调制器2输出的光信号部分散射光经过光电探测器21接收，光电探测器21将加载了导频信号的已调光信号转换为包含导频信号的PD背光电信号，实现光信号向电信号的转换。
PD背光电信号进入模拟背光信号处理模块3，模拟背光信号处理模块3处理后输出包含导频基波及谐波成分的电信号；电信号进入数字处理模块4进行信号处理，数字处理模块4同时输出下一时刻的直流偏压信号和导频信号，直流偏压信号和导频信号进入偏压信号输出模块5，最后输出给马赫-曾德外调制器2的偏压控制信号；偏压信号包含直流偏置电压和导频信号。
模拟背光信号处理模块3包括可增益跨阻抗放大器31、隔直电路32和前置放大器33；数字处理模块4包括数字带通滤波器43、数字处理单元44、数模转换器45、导频发生器46、第一模数转换器41和第二模数转换器42。可增益跨阻抗放大器31分别与光电探测器21和隔直电路32信号连接。可增益跨阻抗放大器31依次与第一模数转换器41、数字处理单元44、数模转换器45和偏压信号输出模块5信号连接；隔直电路32依次与前置放大器33、第二模数转换器42、数字带通滤波器43、数字处理单元44、导频发生器46和偏压信号输出模块5信号连接。
可增益跨阻抗放大器31接收光电探测器21传输的信号，增益跨阻抗放大器分别将信号传输给第一模数转换器41和隔直电路32；隔直电路32将信号传输给前置放大器33；前置放大器33将信号传输给第二模数转换器42；第二模数转换器42将信号传给数字带通滤波器43，数字带通滤波器43将信号传输给数字处理单元44，数字处理单元44将信号传输给导频发生器46；导频发生器46将信号传输给偏压信号输出模块5；第一模数转换器41将信号传输给数字处理单元44，数字处理单元44将信号传输给数模转换器45。
如附图2所示：
PD背光电信号中包含的导频基波进行电流转电压、电压放大、低通滤波处理，处理过后的电信号进入数字处理模块4。
实施例2，
本实施例2与实施例1不同之处在于，还包括抑制马赫-曾德外调制器2偏置点漂移的自适应补偿方法，
步骤一：采用热敏电阻探测马赫-曾德外调制器2的波导处的环境温度t，热敏电阻的阻值随马赫-曾德外调制器2的波导处的环境温度变化而变化，
步骤二：将热敏电阻的阻值作为监测量输入马赫-曾德外调制器2的偏置点控制电路，则马赫-曾德外调制器2的波导处的环境温度t是马赫-曾德外调制器2偏置点控制电路的输入量，马赫-曾德外调制器2偏置点控制电路的下一时刻的输出量是马赫-曾德外调制器2的的偏置电压Vbias,
步骤三：建立马赫-曾德外调制器2偏置点控制电路输出量和输入量之间的对应关系,
Figure BDA0003724059310000051
该对应关系即偏置电压关于马赫-曾德外调制器2波导处环境温度的表达式。
其中，V0表示马赫-曾德外调制器2的波导处环境温度为25度时的偏置电压，Vπ表示马赫-曾德外调制器2的半波电压，k为马赫-曾德外调制器2偏置点关于环境温度变量t的漂移系数，((t+&I)-25)表示波导处环境温度的变化量,利用已知的马赫-曾德外调制器2的半波电压Vπ，通过测试不同环境温度t条件下马赫-曾德外调制器2的偏置电压Vbias，经过线性拟合得到V0和漂移系数k；其中&表示电流系数，I表示激光器的电流；根据当前马赫-曾德外调制器2波导处的实际环境温度t，利用
Figure BDA0003724059310000061
获得马赫-曾德外调制器2下一时刻的偏置电压Vbias，从而实现马赫-曾德外调制器2偏置点随环境温度变化而漂移的自适应补偿。
因为从马赫-曾德外调制器2的波导处的温度升高到热敏电阻探测到马赫-曾德外调制器2的波导处的环境温度t中间会有时间延迟，因此采用电流探测器探测激光器的电流为I，使得((t+&I)-25)表示波导处环境温度的变化量，从而使得马赫-曾德外调制器2偏置点随环境温度变化而漂移的下一时刻电压的自适应补偿更加精准，将漂移系数和激光器的电流输入马赫-曾德外调制器2的控制电路，使控制电路输出的偏置电压随环境温度的变化而变化。
以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (4)

1.一种小型化的光电外调制模块，包括马赫-曾德外调制器（2）；其特征在于：还包括激光器、模拟背光信号处理模块（3）、数字处理模块（4）和偏压信号输出模块（5）；
激光器输出的光信号和偏压信号作为光载波进入马赫-曾德外调制器（2），马赫-曾德外调制器（2）用于分别对外调制器进行偏压点控制和将导频信号调制到光载波上；
马赫-曾德外调制器（2）输出的光信号部分散射光经过光电探测器（21）接收，光电探测器（21）将加载了导频信号的已调光信号转换为包含导频信号的PD背光电信号，实现光信号向电信号的转换；
PD背光电信号进入模拟背光信号处理模块（3），模拟背光信号处理模块（3）处理后输出包含导频基波及谐波成分的电信号；电信号进入数字处理模块（4）进行信号处理，数字处理模块（4）同时输出下一时刻的直流偏压信号和导频信号，直流偏压信号和导频信号进入偏压信号输出模块（5），最后输出给马赫-曾德外调制器（2）的偏压控制信号。
2.根据权利要求1所述的一种小型化的光电外调制模块，其特征在于：所述模拟背光信号处理模块（3）包括可增益跨阻抗放大器、隔直电路（32）和前置放大器（33）；所述数字处理模块（4）包括数字带通滤波器（43）、数字处理单元（44）、数模转换器（45）、导频发生器（46）、第一模数转换器（41）和第二模数转换器（42）；
所述可增益跨阻抗放大器分别与光电探测器（21）和隔直电路（32）信号连接；
所述可增益跨阻抗放大器依次与第一模数转换器（41）、数字处理单元（44）、数模转换器（45）和偏压信号输出模块（5）信号连接；所述隔直电路（32）依次与前置放大器（33）、第二模数转换器（42）、数字带通滤波器（43）、数字处理单元（44）、导频发生器（46）和偏压信号输出模块（5）信号连接。
3.根据权利要求1所述的一种小型化的光电外调制模块，其特征在于：所述偏压信号包含直流偏置电压和导频信号。
4.根据权利要求1所述的一种小型化的光电外调制模块，其特征在于：所述PD背光电信号中包含的导频基波进行电流转电压、电压放大、低通滤波处理，处理过后的电信号进入数字处理模块（4）。
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