CN115276819A - 一种非线性补偿光学调制器偏置电压自动控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种非线性补偿光学调制器偏置电压自动控制装置，包括：控制模块，控制模块包括：处理器芯片、ADC芯片、DAC芯片、Dither信号产生电路、加法器、转换电路及驱动增强放大器。本发明提供的偏置电压自动控制装置的电路结构简单，无需做信号正交或同步采样等复杂的设计，易于实现；且偏置电压自动控制装置电路使用的芯片较少，更适合应用在小封装尺寸的光模块中，节省空间；处理器芯片采用锁相放大检测和零差相干解调方案，使得系统灵敏度更高；信号处理无需做FFT分析，算法简单，收敛速度快，适合在光模块中应用。

Description

一种非线性补偿光学调制器偏置电压自动控制装置

技术领域

本发明涉及光电集成器件技术领域，尤其涉及一种非线性补偿光学调制器偏置电压自动控制装置。

背景技术

在现代光通信领域中，越来越多的应用场景开始用到相干光通信技术。基于相干接收的双偏振正交相移键控(DP-QPSK，Dual Polarization-Quadrature Phase ShiftKeying)调制技术，可以实现更高的数据传输速率，并极大改善对诸如色散、偏振模色散和光学损耗等光学损伤的补偿。

在相干光通信系统的发送端，光波导型双偏振IQ调制器是其核心部件，每个单偏振IQ调制器均包含两个正交的MZ型调制器。两个MZ型调制器均需要工作在最小出光功率点即Null点，以产生两个二进制相移键控格式的调制信号，两个MZ型调制器的输出光信号相位需要相差90°，最终产生正交相移键控格式的调制信号。因此一个单偏振IQ调制器需要至少控制三个相移器来分别调节两个Null点和一个Quad点。

IQ调制器光波导中光信号的相位容易受到温度或电压变化等外界因素的影响，由此导致的工作点漂移会严重造成发射端星座图劣化，影响系统误码率。因此，需要一种自动偏置电压控制技术来保证工作点的长期稳定。

目前已有多种自动偏置电压控制方案被提出，例如基于低频扰偏信号即Dither信号的方案，由于不需要高带宽的硬件系统，成本低廉，且基于相干检测的方案也可以提高系统的灵敏度，从而被广泛采用。但是此类方案，在解决相干解调时，普遍采用正交的Dither信号来实现信号解调，存在如下技术问题：

第一，硬件电路实现复杂，不利于在小型封装的光模块中进行使用；

第二，大多数方案需要分步骤反复调节Null点和Quad点，调节效率低；

第三，在面对硅基光学调制器时，由于其相移器采用热光效应改变光信号的相位，缺少简单、高效的方式解决调制的非线性问题。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种非线性补偿光学调制器偏置电压自动控制装置。为了对披露的实施例的一些方面有一个基本的理解，下面给出了简单的概括。该概括部分不是泛泛评述，也不是要确定关键/重要组成元素或描绘这些实施例的保护范围。其唯一目的是用简单的形式呈现一些概念，以此作为后面的详细说明的序言。

本发明采用如下技术方案：

本发明提供一种非线性补偿光学调制器偏置电压自动控制装置，包括：两个IQ调制器，还包括：控制模块，所述控制模块包括：处理器芯片、ADC芯片、DAC芯片、Dither信号产生电路以及加法器；

所述加法器将所述DAC芯片产生的直流电压信号与所述Dither信号产生电路产生的Dither信号相加，作为控制信号加载至所述IQ调制器内的相移器上；

所述处理器芯片依据所述ADC芯片采集到的芯片信号控制所述DAC芯片输出相应的直流电压信号，以控制所述IQ调制器的偏置电压；

所述ADC芯片采集的芯片信号包括：所述Dither信号产生电路产生的与Dither信号同频率的本地参考正弦波信号以及来自于所述IQ调制器的监控信号。

进一步的，所述IQ调制器包括：光电二极管，用于监测所述IQ调制器的工作状态；所述控制模块还包括：转换电路及驱动增强放大器；所述转换电路与所述光电二极管连接，用于分离出所述光电二极管输出的监控信号中的直流信号与交流信号；所述驱动增强放大器，用于增强所述加法器输出的信号，并将增强后的信号作为控制信号加载至所述IQ调制器内的相移器上。

进一步的，所述处理器芯片包括：定位模块，用于定位所述IQ调制器的Null点和Quad点至最佳工作点附近；拟合锁定模块，用于在最佳工作点附近拟合出偏置电压与零差相干解调出的误差信号之间的关系曲线，并记录曲线的斜率的大小及符号，基于得到的斜率信息，计算出偏置电压的反馈系数及调节方向，并通过循环迭代方式逐步逼近并锁定在最佳工作点。

进一步的，所述IQ调制器还包括：第一MZ调制器及第二MZ调制器；所述IQ调制器内的相移器包括：第一相移器、第二相移器以及第三相移器；所述第一相移器与所述第一MZ调制器连接，所述第二相移器与所述第二MZ调制器连接，所述第一相移器与所述第二相移器通过改变MZ调制器两臂光信号的相位差以调节MZ调制器的工作点；所述第三相移器通过改变两个MZ调制器的输出光信号的相位差以调节所述IQ调制器的工作点。

进一步的，所述定位模块包括：

第一扫描采集单元，用于扫描所述第二相移器的电压，同时采集所述光电二极管的光电流，获取所述第二MZ调制器输出最大光电流时的偏置电压VQ；

第一设置计算单元，用于设置所述第二相移器的电压为VQ，设置所述第一相移器的电压值，扫描所述第三相移器电压的同时采集所述光电二极管的光电流，并根据光电流的最大值与最小值计算出所述第一相移器在所设置的电压值下的消光比，重复改变所述第一相移器的设置电压值，获取每一个设置电压值下的消光比直至得到最小消光比，并将最小消光比所对应的设置电压值作为所述第一MZ调制器Null点对应的偏置电压；

第二扫描采集单元，用于扫描所述第一相移器的电压，同时采集所述光电二极管的光电流，获取所述第一MZ调制器输出最大光电流时的偏置电压VI；

第二设置计算单元，用于设置所述第一相移器的电压为VI，设置所述第二相移器的电压值，扫描所述第三相移器电压的同时采集所述光电二极管的光电流，并根据光电流的最大值与最小值计算出所述第二相移器在所设置的电压值下的消光比，重复改变所述第二相移器的设置电压值，获取每一个设置电压值下的消光比直至得到最小消光比，并将最小消光比所对应的设置电压值作为所述第二MZ调制器Null点对应的偏置电压；

第三设置计算单元，用于设置所述第一相移器的电压为VI，设置所述第二相移器的电压为VQ，扫描所述第三相移器的电压同时采集所述光电二极管的光电流，获取电压与电流的关系曲线，基于光电流的最大值与最小值计算出所述IQ调制器的Quad点对应的电压值。

进一步的，所述处理器芯片还包括：第一输出控制模块，用于控制所述Dither信号产生电路输出频率为fI和fQ的正弦波信号，其中一路作为本地参考正弦波信号，另一路降低幅度后作为Dither信号；采样控制模块，用于控制所述ADC芯片对所述转换电路分离出的交流信号及所述Dither信号产生电路输出的本地参考正弦波信号进行连续采样；第二输出控制模块，用于基于计算出的偏置电压的反馈系数及调节方向，控制所述DAC芯片输出直流电压信号。

进一步的，所述拟合锁定模块包括：

RAM空间，用于缓存所述采样控制模块控制所述ADC芯片所采集的采样信号；

第一归一化处理单元，用于对频率为fI和fQ的本地参考正弦波信号进行归一化处理；

第一变换单元，用于对归一化处理后的本地参考正弦波信号进行希尔伯特变换，使得变换后的信号的相位偏移90°，且变换后的信号与未进行希尔伯特变换的信号构成相互正交的本地参考正弦波信号；

第一锁相放大器，用于将所述第一归一化处理单元和所述第一变换单元输出的相互正交的本地参考正弦波信号与所述转换电路分离出的交流信号进行零差相干解调，解调出带符号的误差信号；

第一拟合单元，用于通过拟合过程获取MZ调制器Null点附近偏置电压与误差信号之间的关系曲线，计算出曲线的斜率大小及符号，确定偏置电压的反馈系数及调节方向。

进一步的，所述拟合锁定模块还包括：

第二归一化处理单元，用于对频率为fI和fQ的本地参考正弦波信号进行归一化处理；

混频器，用于对归一化处理后的两路信号进行混频，产生频率为|fI-fQ|和|fI+fQ|相叠加的信号；

带通滤波器，用于滤除频率较高的和频|fI+fQ|分量信号，只保留频率较低的差频|fI-fQ|分量信号作为本地参考正弦波信号；

第二变换单元，用于对所述差频|fI-fQ|分量信号进行希尔伯特变换，使得变换后的信号的相位偏移90°，且变换后的信号与未进行希尔伯特变换的信号构成相互正交的本地参考正弦波信号；

第二锁相放大器，用于将所述带通滤波器和所述第二变换单元输出的相互正交的本地参考正弦波信号与所述转换电路分离出的交流信号进行零差相干解调，解调出带符号的误差信号；

第二拟合单元，用于通过拟合过程获取所述IQ调制器Quad点附近偏置电压与误差信号之间的关系曲线，计算出曲线的斜率大小及符号，确定偏置电压的反馈系数及调节方向。

进一步的，所述第一相移器、第二相移器以及第三相移器结构相同，均包括：两个第一光波导、光合波器、第二光波导以及电极组；所述光合波器与所述两个第一光波导构成干涉仪；所述偏置电压自动控制装置通过改变所述两个第一光波导中光信号的相位差以改变所述第二光波导的出光强度；所述电极组包括：用于加载电压信号的第一电极、第二电极、第三电极；第一电极与第二电极之间为一个电阻，第二电极与第三电极之间为另一个电阻，电阻上产生的热量改变第一光波导的折射率进而改变光信号的相位。

进一步的，所述转换电路包括：跨阻放大器、第一低通滤波器、第二低通滤波器、增益放大器、高通滤波器；所述光电二极管输出的光电流经所述跨阻放大器转换为电压信号，该电压信号经所述第一低通滤波器后输出直流信号；所述光电二极管输出的光电流经所述跨阻放大器转换为电压信号，该电压信号依次经所述高通滤波器、增益放大器、第二低通滤波器后输出交流信号。

本发明所带来的有益效果：本发明提供的偏置电压自动控制装置的电路结构简单，无需做信号正交或同步采样等复杂的设计，易于实现；且偏置电压自动控制装置电路使用的芯片较少，更适合应用在小封装尺寸的光模块中，节省空间；处理器芯片采用锁相放大检测和零差相干解调方案，使得系统灵敏度更高；信号处理无需做FFT分析，算法简单，收敛速度快，适合在光模块中应用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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它的附图。

图1是本发明硬件电路结构图；

图2是本发明转换电路的结构图；

图3是本发明控制模块的结构图；

图4是本发明工作流程图；

图5是本发明将IQ调制器调节到最佳工作点附近的流程图；

图6是本发明拟合锁定模块的示意图；

图7是本发明相移器的示意图；

图8是分离出的IQ调制器的示意图；

图9获取频谱图的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。应当明确，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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明提供一种非线性补偿光学调制器偏置电压自动控制装置，包括：双偏振正交光学调制器及控制模块。

双偏振正交光学调制器包括：输入光波导110、第一光分束器112、IQ调制器101、光学偏振旋转合波器113以及输出光波导111。

其中，IQ调制器101的数量为两个。

IQ调制器101包括：第二光分束器114、第三光波导120、第四光波导121、第三光分束器115、两个MZ调制器、第一相移器141、第二相移器142、第三相移器143、第一合束器117、波导型的光电二极管151、2x2光耦合器119。

两个MZ调制器分别为第一MZ调制器102a与第二MZ调制器102b。

第二光分束器114、第三光波导120与第四光波导121组成的Y分支结构，延伸出两个平行的MZ调制器，分别为第一MZ调制器102a及第二MZ调制器102b，且两者结构相同。Y分支结构将光信号分为两部分后分别进入两个MZ调制器中。Y分支结构分出的光束被第三光分束器115再分为两束，分别进入MZ调制器的两臂。MZ调制器包含一组平行推挽结构的第四电极131和第五电极132，用作加载高频调制信号。

第一相移器141与第一MZ调制器102a连接，第二相移器142与第二MZ调制器102b连接。第一相移器141与第二相移器142通过光电效应或热光效应改变MZ调制器两臂光信号的相位差以调节MZ调制器的工作点，此处第一MZ调制器102a与第二MZ调制器102b工作在最小光功率点，即Null点。

第一合束器117将经MZ光学调制器调制后的光信号输出至第三相移器143。第三相移器143通过改变两个MZ调制器的输出光信号的相位差以调节IQ调制器101的工作点，此处相位差为90°，即

IQ调制器片上集成一个波导型的光电二极管151，2x2光耦合器119将第三相移器143的输出光分出一部分至光电二极管151，即光电二极管151通过2x2光耦合器119分出的一小部分光信号，来监测IQ调制器101的工作状态。

输入光波导110通过光纤引入光信号，第一光分束器112将输入光波导110引入的光信号分为两部分后分别进入两个IQ调制器101中；光学偏振旋转合波器113将其中一个IQ调制器的输出光信号偏振方向旋转90°后与另一个IQ调制器的未发生改变的输出光信号合在一起经输出光波导111输出。

如图7所示，第一相移器141、第二相移器142以及第三相移器143结构相同，三个相移器均为非线性补偿的热相移器，可广泛应用于硅基光子集成芯片中的IQ调制器。三个相移器均包括：第一光波导901、光合波器910、第二光波导903以及电极组。第一光波导901为两个。

光合波器910与两个第一光波导901构成干涉仪，偏置电压自动控制装置通过改变两个第一光波导901中光信号的相位差以改变第二光波导903的出光强度。电极组包括：用于加载电压信号的第一电极920、第二电极921、第三电极922；第一电极920与第二电极921之间为一个电阻，第二电极921与第三电极922之间为另一个电阻，电阻上产生的热量改变第一光波导901的折射率进而改变光信号的相位。

从图7中位于上方的第一光波导901来看，光波导折射率的变化与加载在电阻两端电压的平方成正比，是一种非线性关系。这种非线性补偿的热相移器，采用两个热相移器构成一个推挽结构，当改变第二电极921上的电压时，两个第一光波导901折射率的改变为上下两个热相移器上热功率变化的和。对相移器的等效电路进行计算可得到相移器两个电阻热功率的变化与第二电极921上加载的电压为线性关系。上述非线性补偿的相移器对IQ调制器工作点的调节会带来极大的便利，同时可以提高调节效率；这种电压和相位的线性关系也是本发明中实现IQ调制器偏置电压自动控制的基础。

如图1和图3所示，控制模块包括：处理器芯片103、ADC芯片182、DAC芯片184、Dither信号产生电路183、加法器107、转换电路153、驱动增强放大器105。

ADC芯片182与DAC芯片184为多通道芯片。

处理器芯片103通过一组控制总线181分别控制DAC芯片184、ADC芯片182、Dither信号产生电路183。具体的，处理器芯片103控制DAC芯片184输出直流电压信号，控制ADC芯片182采集芯片信号，控制Dither信号产生电路183产生Dither信号以及与Dither信号同频率的本地参考正弦波信号。

加法器107将DAC芯片184产生的直流电压信号与Dither信号产生电路183产生的Dither信号相加，驱动增强放大器105用于增强加法器107输出的信号，并将增强后的信号作为控制信号加载至IQ调制器内的相移器上。IQ调制器内的相移器即指第一相移器141、第二相移器142以及第三相移器143。

转换电路153与光电二极管151连接，用于分离出光电二极管151输出的监控信号中的直流信号与交流信号，并将分离出的信号输送至ADC芯片182。处理器芯片103依据ADC芯片182采集到的芯片信号控制DAC芯片184输出相应的直流电压信号，以控制IQ调制器的偏置电压。其中，ADC芯片182采集的芯片信号包括：Dither信号产生电路183产生的本地参考正弦波信号以及来自于IQ调制器内光电二极管151输出的监控信号。

如图2所示，转换电路153包括：跨阻放大器200、第一低通滤波器211、第二低通滤波器213、增益放大器212、高通滤波器210。

跨阻放大器200由运算放大器和电阻组成，直流电压201给波导型的光电二极管151提供反向偏置电压，光电二极管151中光电流的方向如图2中箭头所示。光电二极管151输出的光电流经跨阻放大器200转换为电压信号，该电压信号经第一低通滤波器211后输出直流信号176；光电二极管输出的光电流经跨阻放大器200转换为电压信号，该电压信号依次经高通滤波器210、增益放大器212、第二低通滤波器213后输出交流信号175。

如图1和3所示，转换电路153、加法器107及驱动增强放大器105均为两个，分别对应两个IQ调制器101。

两个转换电路153共输出两个直流信号176及两个交流信号175。

处理器芯片103通过第三总线303控制两个正弦信号发生器320产生两个频率不同的正弦信号，幅度调节器322将正弦信号发生器320产生的正弦信号幅度减小并输出，即Dither信号产生电路183产生的信号包括：第一信号171、第二信号172、第三信号173、第四信号174。这里第一信号171和第三信号173是同一路信号，第二信号172和第四信号174是同一路信号。

处理器芯片103通过第二总线302控制DAC芯片184产生直流电压信号，具体为第一电压信号310、第二电压信号311、第三电压信号312、第四电压信号313、第五电压信号314、第六电压信号315，以上六路电压信号分别独立控制两个IQ调制器中的共六个相移器。

第一电压信号310、第四电压信号313分别通过两个加法器107与第二信号172、第四信号174相叠加，然后经过驱动增强放大器105输出第一驱动信号161与第六驱动信号166，第一驱动信号161与第六驱动信号166分别控制两个IQ调制器101中的第一相移器141。

第二电压信号311、第五电压信号314分别通过两个加法器107与第一信号171、第三信号173相叠加，然后经过驱动增强放大器105输出第二驱动信号162与第五驱动信号165，第二驱动信号162与第五驱动信号165分别控制两个IQ调制器101的第二相移器142。

第三电压信号312、第六电压信号315直接经过驱动增强放大器105输出信号第三驱动信号163与第四驱动信号164，第三驱动信号163与第四驱动信号164分别控制两个IQ调制器101的第三相移器143。

处理器芯片103通过第一总线301控制ADC芯片182采集Dither信号产生电路183输出的本地参考正弦波信号以及转换电路153输出的直流信号176与交流信号175。ADC芯片182采集的芯片信号经计算处理后，通过控制总线181控制DAC芯片184调节IQ调制器内的相移器，完成调制器偏置电压的自动闭环控制。

处理器芯片103包括：定位模块、拟合锁定模块、第一输出控制模块、采样控制模块、第二输出控制模块。

第一输出控制模块，用于控制Dither信号产生电路183输出频率为fI和fQ的正弦波信号，其中一路作为本地参考正弦波信号，另一路降低幅度后作为Dither信号，即相移器的微小扰动信号。

采样控制模块，用于控制ADC芯片182对转换电路153分离出的交流信号及Dither信号产生电路183输出的本地参考正弦波信号进行连续采样。

第二输出控制模块，用于基于拟合锁定模块计算出的偏置电压的反馈系数及调节方向，控制DAC芯片184输出直流电压信号。

定位模块，用于定位IQ调制器101的Null点和Quad点至最佳工作点附近。

拟合锁定模块，用于在最佳工作点附近拟合出偏置电压与零差相干解调出的误差信号之间的关系曲线，并记录曲线的斜率的大小及符号，基于得到的斜率信息，计算出偏置电压的反馈系数及调节方向，并通过循环迭代方式逐步逼近并锁定在最佳工作点。

本发明对最佳工作点附近中的附近一词作出如下解释：

假设IQ调制器101中相移器的半波电压为V_π，最佳工作点处，Null点和Quad点对应的电压分别为V_n和V_q。定位模块执行定位后，会将第一相移器141、第二相移器142的偏置电压调节在大概[V_n-V_π/10,V_n+V_π/10]之间，将第三相移器143的偏置电压调节在大概[V_q-V_π/10,V_q+V_π/10]之间。

如图4所示，本发明实际工作时，包括如下步骤：

700：从调制器的输入光波导110入光。

701：初始化硬件控制电路，即初始化偏置电压自动控制装置。

702：向两个IQ调制器中的四个MZ调制器中的第四电极131与第五电极132加载高速调制电信号。

710：采用直接检测光电二极管151输出光电流的方法，将两个IQ调制器101分别调节至Null点和Quad点的附近。

707：在步骤710的基础上，在最佳工作点附近拟合出偏置电压和零差相干解调出的误差信号之间的关系曲线，并记录曲线的斜率的大小及符号。

708：使用步骤707记录的斜率信息，计算出偏置电压的反馈系数及调节方向，并通过循环迭代的方式，逐步逼近并锁定在最佳工作点。

步骤710分两个阶段进行：

粗调阶段：

703：其中一个IQ调制器通过较大步进调节偏置电压的方式快速定位Null点和Quad点；

704：另一个IQ调制器通过较大步进调节偏置电压的方式快速定位Null点和Quad点；

细调阶段：

705：在步骤703的基础上通过较小步进调节偏置电压的方式相对精确定位其中一个IQ调制器的Null点和Quad点；

706：在步骤704的基础上通过较小步进调节偏置电压的方式相对精确定位另一个IQ调制器的Null点和Quad点。

定位模块包括：第一扫描采集单元、第一设置计算单元、第二扫描采集单元、第二设置计算单元、第三设置计算单元。

第一扫描采集单元，用于扫描第二相移器142的电压，同时采集光电二极管151的光电流，获取第二MZ调制器102b输出最大光电流时的偏置电压VQ。

第一设置计算单元，用于设置第二相移器142的电压为VQ，设置第一相移器141的电压值，扫描第三相移器143电压的同时采集光电二极管151的光电流，并根据光电流的最大值与最小值计算出第一相移器141在所设置的电压值下的消光比，重复改变第一相移器141的设置电压值，获取每一个设置电压值下的消光比直至得到最小消光比，并将最小消光比所对应的设置电压值作为第一MZ调制器102a的Null点对应的偏置电压。

第二扫描采集单元，用于扫描第一相移器141的电压，同时采集光电二极管151的光电流，获取第一MZ调制器102a输出最大光电流时的偏置电压VI。

第二设置计算单元，用于设置第一相移器141的电压为VI，设置第二相移器142的电压值，扫描第三相移器143电压的同时采集光电二极管151的光电流，并根据光电流的最大值与最小值计算出第二相移器142在所设置的电压值下的消光比，重复改变第二相移器142的设置电压值，获取每一个设置电压值下的消光比直至得到最小消光比，并将最小消光比所对应的设置电压值作为第二MZ调制器102b的Null点对应的偏置电压。

第三设置计算单元，用于设置第一相移器141的电压为VI，设置第二相移器142的电压为VQ，扫描第三相移器143的电压同时采集光电二极管151的光电流，获取电压与电流的关系曲线，即第三相移器143电压与光电二极管151电流的关系曲线，基于光电流的最大值与最小值计算出IQ调制器的Quad点对应的电压值。

如图5所示，展示了本发明将IQ调制器调节到最佳工作点附近的过程。该过程需要处理器芯片103控制DAC芯片184和ADC芯片182来完成，该流程不需要产生Dither信号，DAC芯片184输出直流电压信号分别控制三个相移器，ADC芯片182采集转换电路153输出的直流信号。

调节到最佳工作点附近的过程具有如下步骤：

801：端口输入光。

802：扫描第二相移器142的电压，同时采集光电二极管151的光电流，获取第二MZ调制器102b输出最大光电流时的偏置电压VQ。

803：设置第二相移器142的电压为VQ，设置第一相移器141的电压值，扫描第三相移器143电压的同时采集光电二极管151的光电流，并根据光电流的最大值与最小值计算出第一相移器141在所设置的电压值下的消光比，重复改变第一相移器141的设置电压值，获取每一个设置电压值下的消光比直至得到最小消光比，并将最小消光比所对应的设置电压值作为第一MZ调制器102a的Null点对应的偏置电压。

804：扫描第一相移器141的电压，同时采集光电二极管151的光电流，获取第一MZ调制器102a输出最大光电流时的偏置电压VI。

805：设置第一相移器141的电压为VI，设置第二相移器142的电压值，扫描第三相移器143电压的同时采集光电二极管151的光电流，并根据光电流的最大值与最小值计算出第二相移器142在所设置的电压值下的消光比，重复改变第二相移器142的设置电压值，获取每一个设置电压值下的消光比直至得到最小消光比，并将最小消光比所对应的设置电压值作为第二MZ调制器102b的Null点对应的偏置电压。

806：设置第一相移器141的电压为VI，设置第二相移器142的电压为VQ，扫描第三相移器143的电压同时采集光电二极管151的光电流，获取电压与电流的关系曲线，基于光电流的最大值与最小值计算出IQ调制器的Quad点对应的电压值。

电压与电流的关系曲线是指第三相移器143的电压V与光电二极管151电流的关系曲线，如图8所示，图中的PD即指光电二极管151的电流。如前文所述，得益于采用非线性补偿的三个热相移器，光电二极管151的光电流和第三相移器143电压的关系为正弦曲线。

通过电压与电流的关系曲线可得到最大光电流值所对应的电压值为Vm，最小光电流值所对应的电压值为Vn，基于Vm与Vn计算出Quad点对应的电压值Vq，Vq＝(Vm+Vn)/2。应该注意的是采用该方式获取的Quad点有可能是图8中的Quad1或Quad2点，两点处的斜率符号相反，后续算法会获取并记录Quad点斜率的符号。

图4中的步骤707和步骤708均需要通过处理器芯片103执行软件算法来完成，控制电路如图3所示。依次执行完图7中步骤700、701、702和710后，IQ调制器101会处在最佳工作点附近。

此时由处理器芯片103控制Dither信号产生电路183输出频率为fI和fQ的正弦波信号，经降低幅度处理的微小扰动信号，即Dither信号与DAC芯片184输出的直流电压信号相加后加载到三个相移器上，如图9所示。V_I、V_Q和V_P分别为DAC芯片184输出的直流电压信号，Asin(2πf_I)和Asin(2πf_Q)分别为频率fI和fQ的正弦波信号，A为正弦波的振幅。

对光电二极管151的光电流进行电流-电压转换后，对交流信号175进行采样并做快速傅里叶变换可以得到图9中的频谱图。该频谱图表示：1)当第一MZ调制器102a和第二MZ调制器102b偏离Null点时，IQ调制器输出光信号中对应的频率为fI和fQ的正弦波信号能量不为零；2)当IQ调制器偏离Quad点时，IQ调制器输出光信号中对应的频率为|fI-fQ|和|fI+fQ|的正弦波信号能量不为零。

因此通过检测IQ调制器输出光信号中不同频率分量的正弦波信号能量是否为零来判断调制器是否处在最佳工作点，即Null点和Quad点。同时IQ调制器输出光信号中不同频率分量的正弦波信号能量的大小可以分别作为距离最佳工作点的误差信号，并通过反馈机制实现实时闭环调节。

如图6和图9所示，展示了通过处理器芯片103实施数字信号处理及软件算法解调出IQ调制器输出光信号中不同频率分量的正弦波信号能量大小的实现过程。其中，包含解调IQ调制器输出光信号中频率分量分别为fI和fQ的正弦波信号能量大小的过程，以及解调IQ调制器输出光信号中频率分量为|fI-fQ|的正弦波信号能量大小的流程。

拟合锁定模块包括：RAM空间401、第一归一化处理单元420、第一变换单元422、第一锁相放大器425、第一拟合单元431。

RAM空间401，用于缓存采样控制模块控制ADC芯片所采集的采样信号。处理器芯片103通过第一总线301控制ADC芯片182对转换电路153分离出的交流信号和Dither信号产生电路183输出的本地参考正弦波信号进行连续采样。采样后的信号被缓存到RAM空间401，采样长度最好是基2的数字，如256，512，可以极大提高后期离散傅里叶变换的运算速度。

本发明将频率为fI的Dither原始信号标记为410，将频率为fQ的Dither原始信号标记为412，IQ调制器101的输出光信号交流分量标记为411。

第一归一化处理单元420，用于对频率为fI和fQ的本地参考正弦波信号进行归一化处理。

第一变换单元422，用于对归一化处理后的本地参考正弦波信号进行希尔伯特变换，使得变换后的信号的相位偏移90°，且变换后的信号与未进行希尔伯特变换的信号构成相互正交的本地参考正弦波信号。

第一锁相放大器425，用于将第一归一化处理单元420和第一变换单元422输出的相互正交的本地参考正弦波信号与转换电路153分离出的交流信号进行零差相干解调，解调出带符号的误差信号。

第一拟合单元431，用于通过拟合过程获取MZ调制器Null点附近偏置电压与误差信号之间的关系曲线，计算出关系曲线的斜率大小及符号，确定偏置电压的反馈系数及调节方向。MZ调制器是指第一MZ调制器102a及第二MZ调制器102b。

频率为fI的两路正交本地参考正弦波信号与IQ调制器101的输出光信号交流分量经过第一锁相放大器425解调出带符号的第一误差信号426，该误差信号与图9中第一MZ调制器102a工作点Null点偏置电压的偏差值在最佳工作点附近成线性关系。频率为fQ的两路正交本地参考正弦波信号与IQ调制器101的输出光信号交流分量经过锁相放大器425解调出带符号的第二误差信号427，该误差信号与图9中第二MZ调制器102b工作点Null点偏置电压的偏差值在最佳工作点附近成线性关系。

拟合锁定模块还包括：Null点锁定单元，用于通过循环迭代方式逐步逼近最佳工作点使得MZ调制器锁定在Null点。

Null点锁定单元中所提到的MZ调制器是指第一MZ调制器102a与第二MZ调制器102b，下面具体以第一MZ调制器102a为例说明循环迭代的过程，第二MZ调制器102b的Null点锁定过程与第一MZ调制器102a相同。

具体的，第一拟合单元431通过拟合过程得到第一MZ调制器102a的Null点附近第一相移器141的偏置电压VI和第一锁相放大器425解调出的误差信号LI之间的关系曲线的斜率为K_I，斜率的符号为S_I，在Null点附近符号S_I始终为负。下一次迭代反馈给第一相移器141的直流偏置电压VI_n+1可以通过下公式得到：

VI_n+1＝VI_n+C_IK_IS_I

上述公式中的C_I为反馈系数，符号为正，需要根据实际情况确定第一相移器141偏置电压的反馈系数大小。由于符号S_I在Null点附近为负值，通过以上公式n+1步迭代后，偏置电压将朝最佳工作点的方向调节，且经n+1步骤调节后，通过第一锁相放大器425解调出的信号LI_n+1<LI_n。重复上述过程，经多次循环迭代后，将逐步逼近最佳工作点并保持锁定状态，此时反馈到第一相移器141上的偏置电压会非常小。

处理器芯片103将计算出的反馈电压信号402通过第二总线302控制DAC芯片184输出的第一电压信号310、第二电压信号311、第四电压信号313、第五电压信号314分别反馈到两个IQ调制器101中的第一相移器141、第二相移器142，从而完成调制器Null点的闭环控制。

拟合锁定模块还包括：第二归一化处理单元440、混频器442、带通滤波器443、第二变换单元444、第二锁相放大器445、第二拟合单元451。

第二归一化处理单元440，用于对频率为fI和fQ的本地参考正弦波信号进行归一化处理。

混频器442，用于对归一化处理后的两路信号进行混频，产生频率为|fI-fQ|和|fI+fQ|相叠加的信号。

带通滤波器443，用于滤除频率较高的和频|fI+fQ|分量信号，只保留频率较低的差频|fI-fQ|分量信号作为本地参考正弦波信号。

第二变换单元444，用于对差频|fI-fQ|分量信号进行希尔伯特变换，使得变换后的信号的相位偏移90°，且变换后的信号与未进行希尔伯特变换的信号构成相互正交的本地参考正弦波信号。

第二锁相放大器445，用于将带通滤波器443和第二变换单元444输出的相互正交的本地参考正弦波信号与转换电路153分离出的交流信号进行零差相干解调，解调出带符号的误差信号。频率为|fI-fQ|的两路正交信号与IQ调制器101的输出光信号交流分量经过第二锁相放大器445解调出带符号的误差信号446，该误差信号与图9中IQ调制器101工作点Quad点偏置电压的偏差值在最佳工作点附近成线性关系。

第二拟合单元451，用于通过拟合过程获取IQ调制器Quad点附近偏置电压与误差信号之间的关系曲线，计算出关系曲线的斜率大小及符号，确定偏置电压的反馈系数及调节方向，即可确定反馈电压信号402的大小和调节方向。

拟合锁定模块还包括：Quad点锁定单元，用于通过循环迭代方式逐步逼近最佳工作点使得IQ调制器锁定在Quad点。

其中，第二拟合单元451通过拟合过程得到的IQ调制器101的Quad点附近第三相移器143偏置电压VP和第二锁相放大器445解调出的信号LP之间的关系曲线斜率为K_P，斜率的符号为S_P，在Quad点附近该符号可能为正值，也可能为负值。下一次迭代反馈给第三相移器143的直流偏置电压VP_n+1可以通过下式得到：

VP_n+1＝VP_n+C_PK_P(-S_P)

上述公式中的C_P为反馈系数，符号为正，需要根据实际情况确定第三相移器143偏置电压的反馈系数大小。由于符号S_P在Quad点附近符号可能为正或负，此处需要对S_P取负，保证通过以上公式n+1步迭代后，偏置电压将朝最佳工作点的方向调节，且经n+1步骤调节后，通过第二锁相放大器445解调出的信号LP_n+1<LP_n。重复上述过程，经多次循环迭代后，将逐步逼近最佳工作点并保持锁定状态，此时反馈到第三相移器143上的偏置电压会非常小。

处理器芯片103将计算出的反馈电压信号402通过第二总线302控制DAC芯片184输出的第三电压信号312、第六电压信号315反馈到IQ调制器101的第三相移器143，从而完成调制器Quad点的闭环控制。

本发明采用数字处理技术实现了微小信号的相位无关相干解调，最大化系统检测灵敏度，极大简化了电路的实现。该方案采用拟合的方式，动态确定偏置电压的调节方向及反馈系数，实现两个IQ调制器6个工作点的同时调节，极大提高收敛速度，适合在光模块中使用。同时提出一种非线性补偿的相移器，该相移器可广泛应用于硅基光子集成芯片中的IQ调制器，该结构简单、容易实现，消除了热光效应带来的非线性调制问题，同时还可以提高调制效率。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种非线性补偿光学调制器偏置电压自动控制装置，包括：两个IQ调制器，其特征在于，还包括：控制模块，所述控制模块包括：处理器芯片、ADC芯片、DAC芯片、Dither信号产生电路以及加法器；

所述加法器将所述DAC芯片产生的直流电压信号与所述Dither信号产生电路产生的Dither信号相加，作为控制信号加载至所述IQ调制器内的相移器上；

所述处理器芯片依据所述ADC芯片采集到的芯片信号控制所述DAC芯片输出相应的直流电压信号，以控制所述IQ调制器的偏置电压；

所述ADC芯片采集的芯片信号包括：所述Dither信号产生电路产生的与Dither信号同频率的本地参考正弦波信号以及来自于所述IQ调制器的监控信号。

2.根据权利要求1所述的一种非线性补偿光学调制器偏置电压自动控制装置，其特征在于，所述IQ调制器包括：光电二极管，用于监测所述IQ调制器的工作状态；

所述控制模块还包括：转换电路及驱动增强放大器；

所述转换电路与所述光电二极管连接，用于分离出所述光电二极管输出的监控信号中的直流信号与交流信号；

所述驱动增强放大器，用于增强所述加法器输出的信号，并将增强后的信号作为控制信号加载至所述IQ调制器内的相移器上。

3.根据权利要求2所述的一种非线性补偿光学调制器偏置电压自动控制装置，其特征在于，所述处理器芯片包括：

定位模块，用于定位所述IQ调制器的Null点和Quad点至最佳工作点附近；

拟合锁定模块，用于在最佳工作点附近拟合出偏置电压与零差相干解调出的误差信号之间的关系曲线，并记录曲线的斜率的大小及符号，基于得到的斜率信息，计算出偏置电压的反馈系数及调节方向，并通过循环迭代方式逐步逼近并锁定在最佳工作点。

4.根据权利要求3所述的一种非线性补偿光学调制器偏置电压自动控制装置，其特征在于，所述IQ调制器还包括：第一MZ调制器及第二MZ调制器；

所述IQ调制器内的相移器包括：第一相移器、第二相移器以及第三相移器；

所述第一相移器与所述第一MZ调制器连接，所述第二相移器与所述第二MZ调制器连接，所述第一相移器与所述第二相移器通过改变MZ调制器两臂光信号的相位差以调节MZ调制器的工作点；

所述第三相移器通过改变两个MZ调制器的输出光信号的相位差以调节所述IQ调制器的工作点。

5.根据权利要求4所述的一种非线性补偿光学调制器偏置电压自动控制装置，其特征在于，所述定位模块包括：

第一扫描采集单元，用于扫描所述第二相移器的电压，同时采集所述光电二极管的光电流，获取所述第二MZ调制器输出最大光电流时的偏置电压VQ；

第一设置计算单元，用于设置所述第二相移器的电压为VQ，设置所述第一相移器的电压值，扫描所述第三相移器电压的同时采集所述光电二极管的光电流，并根据光电流的最大值与最小值计算出所述第一相移器在所设置的电压值下的消光比，重复改变所述第一相移器的设置电压值，获取每一个设置电压值下的消光比直至得到最小消光比，并将最小消光比所对应的设置电压值作为所述第一MZ调制器Null点对应的偏置电压；

第二扫描采集单元，用于扫描所述第一相移器的电压，同时采集所述光电二极管的光电流，获取所述第一MZ调制器输出最大光电流时的偏置电压VI；

第二设置计算单元，用于设置所述第一相移器的电压为VI，设置所述第二相移器的电压值，扫描所述第三相移器电压的同时采集所述光电二极管的光电流，并根据光电流的最大值与最小值计算出所述第二相移器在所设置的电压值下的消光比，重复改变所述第二相移器的设置电压值，获取每一个设置电压值下的消光比直至得到最小消光比，并将最小消光比所对应的设置电压值作为所述第二MZ调制器Null点对应的偏置电压；

第三设置计算单元，用于设置所述第一相移器的电压为VI，设置所述第二相移器的电压为VQ，扫描所述第三相移器的电压同时采集所述光电二极管的光电流，获取电压与电流的关系曲线，基于光电流的最大值与最小值计算出所述IQ调制器的Quad点对应的电压值。

6.根据权利要求5所述的一种非线性补偿光学调制器偏置电压自动控制装置，其特征在于，所述处理器芯片还包括：

第一输出控制模块，用于控制所述Dither信号产生电路输出频率为fI和fQ的正弦波信号，其中一路作为本地参考正弦波信号，另一路降低幅度后作为Dither信号；

采样控制模块，用于控制所述ADC芯片对所述转换电路分离出的交流信号及所述Dither信号产生电路输出的本地参考正弦波信号进行连续采样；

第二输出控制模块，用于基于计算出的偏置电压的反馈系数及调节方向，控制所述DAC芯片输出直流电压信号。

7.根据权利要求6所述的一种非线性补偿光学调制器偏置电压自动控制装置，其特征在于，所述拟合锁定模块包括：

RAM空间，用于缓存所述采样控制模块控制所述ADC芯片所采集的采样信号；

第一归一化处理单元，用于对频率为fI和fQ的本地参考正弦波信号进行归一化处理；

第一变换单元，用于对归一化处理后的本地参考正弦波信号进行希尔伯特变换，使得变换后的信号的相位偏移90°，且变换后的信号与未进行希尔伯特变换的信号构成相互正交的本地参考正弦波信号；

第一锁相放大器，用于将所述第一归一化处理单元和所述第一变换单元输出的相互正交的本地参考正弦波信号与所述转换电路分离出的交流信号进行零差相干解调，解调出带符号的误差信号；

第一拟合单元，用于通过拟合过程获取MZ调制器Null点附近偏置电压与误差信号之间的关系曲线，计算出曲线的斜率大小及符号，确定偏置电压的反馈系数及调节方向。

8.根据权利要求7所述的一种非线性补偿光学调制器偏置电压自动控制装置，其特征在于，所述拟合锁定模块还包括：

第二归一化处理单元，用于对频率为fI和fQ的本地参考正弦波信号进行归一化处理；

混频器，用于对归一化处理后的两路信号进行混频，产生频率为|fI-fQ|和|fI+fQ|相叠加的信号；

带通滤波器，用于滤除频率较高的和频|fI+fQ|分量信号，只保留频率较低的差频|fI-fQ|分量信号作为本地参考正弦波信号；

第二变换单元，用于对所述差频|fI-fQ|分量信号进行希尔伯特变换，使得变换后的信号的相位偏移90°，且变换后的信号与未进行希尔伯特变换的信号构成相互正交的本地参考正弦波信号；

第二锁相放大器，用于将所述带通滤波器和所述第二变换单元输出的相互正交的本地参考正弦波信号与所述转换电路分离出的交流信号进行零差相干解调，解调出带符号的误差信号；

第二拟合单元，用于通过拟合过程获取所述IQ调制器Quad点附近偏置电压与误差信号之间的关系曲线，计算出曲线的斜率大小及符号，确定偏置电压的反馈系数及调节方向。

9.根据权利要求8所述的一种非线性补偿光学调制器偏置电压自动控制装置，其特征在于，所述第一相移器、第二相移器以及第三相移器结构相同，均包括：两个第一光波导、光合波器、第二光波导以及电极组；

所述光合波器与所述两个第一光波导构成干涉仪；

所述偏置电压自动控制装置通过改变所述两个第一光波导中光信号的相位差以改变所述第二光波导的出光强度；

所述电极组包括：用于加载电压信号的第一电极、第二电极、第三电极；

第一电极与第二电极之间为一个电阻，第二电极与第三电极之间为另一个电阻，电阻上产生的热量改变第一光波导的折射率进而改变光信号的相位。

10.根据权利要求9所述的一种非线性补偿光学调制器偏置电压自动控制装置，其特征在于，所述转换电路包括：跨阻放大器、第一低通滤波器、第二低通滤波器、增益放大器、高通滤波器；

所述光电二极管输出的光电流经所述跨阻放大器转换为电压信号，该电压信号经所述第一低通滤波器后输出直流信号；

所述光电二极管输出的光电流经所述跨阻放大器转换为电压信号，该电压信号依次经所述高通滤波器、增益放大器、第二低通滤波器后输出交流信号。

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