CN115459853B - 光iq调制器自动偏压控制方法、装置、设备及存储介质 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种光IQ调制器自动偏压控制方法、装置、设备及存储介质，包括根据扫描得到的输出光功率的最大值和最小值确定各路最佳工作点的偏置电压初始值；基于幅度相同且频率不同的第一预设扰动信号和第二预设扰动信号及偏置电压初始值以基频方式和拍频方式确定各路最佳工作点的偏置电压初调值；基于幅度相同且频率不同的第三预设扰动信号和第四预设扰动信号以基频方式和拍频方式确定各路最佳工作点的调节步长，第三预设扰动信号的幅度小于第一扰动预设信号；根据偏置电压初调值和调节步长得到各路最佳工作点的最佳偏置电压值，使高阶调制格式的光IQ调制器能工作在最佳偏置点，可降低调制深度并降低啁啾、噪声干扰等因素造成的系统代价。
Description
技术领域
本申请涉及光信号调制技术领域，特别涉及一种光IQ调制器自动偏压控制方法、装置、设备及存储介质。
背景技术
近年来，随着通信速率的不断提升，运营商网络已规模商用单通道100Gb/s的OTN/WDM相干光纤通信系统，并开始步入单波速率超100Gb/s的时代。随着传输网络业务需求的增长，光器件也在向更高的传输速率、更高的带宽、更好的线性度、更小的封装尺寸及功耗的方向发展。同时，具有更高频谱效率的高阶调制格式(比如QPSK(Qua drature PhaseShift Keying，正交相移键控)、QAM(Quadrature Am plitude Modulation，正交振幅调制))是当前及未来高速相干光通信领域的技术研究重点。而为提升系统的可靠性和稳定性，高波特率高阶调制对光器件的线性度及抗噪声干扰能力具有更高要求。
其中，光IQ调制器是相干光模块中的重要组成部分，也是相干光通信系统中的关键器件，其特性会直接影响调制信号的质量，是决定整个系统性能的重要因素。然而在实际应用中，光IQ调制器的最佳工作点极易受温度、应力等环境因素影响，进而造成调制信号质量的不稳定，导致出光功率波动甚至整个系统误码性能劣化。因此，为了确保发端光信号质量和系统的长期稳定性，光IQ调制器需确保一直工作在最佳工作点。
相关技术中，传统的光IQ调制器的偏压控制方法大多是基于马赫-曾德尔电光外调制器(Mach-Zehnder Modulator，MZM)，利用低频扰动信号并通过反馈电路进行功率检测的方式实现偏置电压的控制，不过这类方法主要适用于早期的铌酸锂调制器。但是传统的铌酸锂调制器由于受限于封装尺寸，已无法应用于CPF2、QSFP-DD甚至更小封装尺寸的相干光模块。而随着光器件的不断发展，硅光、磷化铟(InP)等调制器因其特有的优势正逐渐取代传统的铌酸锂调制器，且当前已开始大范围使用112G/s-DQPSK、224G/s-DP16QAM等高阶调制格式，但是由于受限于调制器材料特性、啁啾、噪声干扰及高阶调制格式等因素，传统的偏压控制方法已无法适用于高阶调制格式的光IQ调制器的偏压控制。
发明内容
本申请提供一种光IQ调制器自动偏压控制方法、装置、设备及存储介质，使高阶调制格式的光IQ调制器能工作在最佳偏置点，并降低啁啾、噪声干扰等因素造成的系统代价。
第一方面，提供了一种光IQ调制器自动偏压控制方法，包括以下步骤：
分别对光IQ调制器中各路最佳工作点进行扫描，根据扫描得到的输出光功率的最大值和最小值确定各路最佳工作点的偏置电压初始值；
基于幅度相同且频率不同的第一预设扰动信号和第二预设扰动信号以及偏置电压初始值分别以基频方式和拍频方式确定各路最佳工作点的偏置电压初调值；
基于幅度相同且频率不同的第三预设扰动信号和第四预设扰动信号分别以基频方式和拍频方式确定各路最佳工作点的调节步长，第三预设扰动信号的幅度小于第一预设扰动信号的幅度；
根据偏置电压初调值和调节步长计算得到各路最佳工作点的最佳偏置电压值。
一些实施例中，所述分别对光IQ调制器中各路最佳工作点进行扫描，根据扫描得到的输出光功率的最大值和最小值确定各路最佳工作点的偏置电压初始值，包括：
分别对光IQ调制器中的I路和Q路的最佳工作点进行扫描，得到I路输出光功率和Q路输出光功率；
将I路的偏置电压设置为I路输出光功率中最大值对应的电压值以及Q路的偏置电压设置为Q路输出光功率中最大值对应的电压值后，对P路的最佳工作点进行扫描，得到P路输出光功率；
根据P路输出光功率中最大值对应的电压值以及最小值对应的电压值确定Quad点的电压值；
将Quad点的电压值设置为P路最佳工作点的偏置电压初始值，将I路输出光功率中最小值对应的电压值设置为I路最佳工作点的偏置电压初始值，将Q路输出光功率中最大值对应的电压值设置为Q路最佳工作点的偏置电压初始值。
一些实施例中，所述基于幅度相同且频率不同的第一预设扰动信号和第二预设扰动信号以及偏置电压初始值分别以基频方式和拍频方式确定各路最佳工作点的偏置电压初调值，包括：
基于第一预设扰动信号和偏置电压初始值以基频方式确定出I路最佳工作点的偏置电压初调值和Q路最佳工作点的偏置电压初调值；
基于幅度相同且频率不同的第一预设扰动信号和第二预设扰动信号以及偏置电压初始值以拍频方式确定出P路最佳工作点的偏置电压初调值。
一些实施例中，所述基于第一预设扰动信号和偏置电压初始值以基频方式确定出I路最佳工作点的偏置电压初调值和Q路最佳工作点的偏置电压初调值，包括：
在I路上叠加第一预设扰动信号后，对I路上偏置电压初始值两侧预设个数的偏置电压进行扫描并采样，得到第一采样值；
对第一采样值的实部和虚部分别进行线性拟合并计算出I路最佳工作点的偏置电压初调值；
在Q路上叠加第一预设扰动信号后，对Q路上偏置电压初始值两侧预设个数的偏置电压进行扫描并采样，得到第二采样值；
对第二采样值的实部和虚部分别进行线性拟合并计算出Q路最佳工作点的偏置电压初调值。
一些实施例中，所述基于幅度相同且频率不同的第一预设扰动信号和第二预设扰动信号以及偏置电压初始值以拍频方式确定出P路最佳工作点的偏置电压初调值，包括：
在I路上叠加第一预设扰动信号以及在Q路上叠加与第一预设扰动信号幅度相同且频率不同的第二预设扰动信号后，对P路上偏置电压初始值两侧预设个数的偏置电压进行扫描和采样，得到第一预设扰动信号与第二预设扰动信号的差频或和频对应的第三采样值；
对第三采样值的实部和虚部分别进行线性拟合并计算出P路最佳工作点的偏置电压初调值。
一些实施例中，所述基于幅度相同且频率不同的第三预设扰动信号和第四预设扰动信号分别以基频方式和拍频方式确定各路最佳工作点的调节步长，包括：
基于第三预设扰动信号以基频方式确定出I路最佳工作点的调节步长和Q路最佳工作点的调节步长；
基于幅度相同且频率不同的第三预设扰动信号和第四预设扰动信号以拍频方式确定出P路最佳工作点的调节步长。
一些实施例中，所述最佳工作点的调节步长的计算公式为：
Vstep＝wA(drRe+diIm)
式中，Vstep表示调节步长，w表示加权系数，A表示幅度系数，Re表示叠加第三预设扰动信号和第四预设扰动信号后对应的采样值的实部，dr表示实部的方向系数，Im表示叠加第三预设扰动信号和第四预设扰动信号后对应的采样值的虚部，di表示虚部的方向系数。
第二方面，提供了一种光IQ调制器自动偏压控制装置，包括：
初始值确定单元，其用于分别对光IQ调制器中各路最佳工作点进行扫描，根据扫描得到的输出光功率的最大值和最小值确定各路最佳工作点的偏置电压初始值；
初调值确定单元，其用于基于幅度相同且频率不同的第一预设扰动信号和第二预设扰动信号以及偏置电压初始值分别以基频方式和拍频方式确定各路最佳工作点的偏置电压初调值；
步长确定单元，其用于基于幅度相同且频率不同的第三预设扰动信号和第四预设扰动信号分别以基频方式和拍频方式确定各路最佳工作点的调节步长，第三预设扰动信号的幅度小于第一扰动预设信号的幅度；
最佳值确定单元，其用于根据偏置电压初调值和调节步长计算得到各路最佳工作点的最佳偏置电压值。
第三方面，提供了一种光IQ调制器自动偏压控制设备，包括：存储器和处理器，所述存储器中存储有至少一条指令，所述至少一条指令由所述处理器加载并执行，以实现前述的光IQ调制器自动偏压控制方法。
第四方面，提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机存储介质存储有计算机指令，当所述计算机指令被计算机执行时，使得所述计算机执行前述的光IQ调制器自动偏压控制方法。
本申请提供了一种光IQ调制器自动偏压控制方法、装置、设备及存储介质，包括分别对光IQ调制器中各路最佳工作点进行扫描，根据扫描得到的输出光功率的最大值和最小值确定各路最佳工作点的偏置电压初始值；基于幅度相同且频率不同的第一预设扰动信号和第二预设扰动信号以及偏置电压初始值分别以基频方式和拍频方式确定各路最佳工作点的偏置电压初调值；基于幅度相同且频率不同的第三预设扰动信号和第四预设扰动信号分别以基频方式和拍频方式确定各路最佳工作点的调节步长，第三预设扰动信号的幅度小于第一扰动预设信号的幅度；根据偏置电压初调值和调节步长计算得到各路最佳工作点的最佳偏置电压值。本申请通过基频与拍频的结合使用能大幅度降低高阶调制格式下的啁啾、噪声干扰，进而提高锁定速率、精度及稳定性，使光IQ调制器能长期、稳定的工作在最佳工作点，避免因温度、应力、器件老化等因素造成的系统性能劣化；此外，在确定偏置电压初调值后，使用更小幅度的低频扰动信号进行精调得到最佳偏置电压值，进而可大幅度的降低锁定所需的低频扰动信号的幅度，从而有效降低调制深度，确保驱动器可一直工作在其线性区间内，并且降低系统的整体功耗。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例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申请的一些实施例，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为本申请实施例提供的一种光IQ调制器自动偏压控制方法的流程示意图；
图2为本申请实施例提供的光IQ调制器自动偏压控制系统的结构示意图；
图3为本申请实施例提供的一种光IQ调制器自动偏压控制装置的结构示意图；
图4为本申请实施例提供的一种光IQ调制器自动偏压控制设备的结构示意图。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
参见图1和图2，本申请实施例提供一种光IQ调制器自动偏压控制方法，包括以下步骤：
步骤S10：分别对光IQ调制器中各路最佳工作点进行扫描，根据扫描得到的输出光功率的最大值和最小值确定各路最佳工作点的偏置电压初始值；
示范性的，由于InP材料对温度和应力的物理因素敏感度较高，以致基于基频的光IQ调制器的工作点会随着工作时间发生飘移，在锁定过程中由材料因素造成的环间热窜扰严重，对锁定速率的要求极高。因此，为使光IQ调制器能稳定的工作在最佳工作点上，需在外围构建一套简单、快速、具有较小调制深度，且适用于单PD检测的自动偏压控制锁定方案。
但是，当前基于基频的光IQ调制器的偏压控制算法主要应用在铌酸锂调制器上，其具有较小的啁啾且多用于QPSK调制；但InP调制器的啁啾较大，若筛选啁啾小的器件则会大幅度提升成本，且其多用于16QAM甚至更高阶码型的调制，以致无法利用基频算法实现对InP调制器的偏压控制。此外，当前检测信号的处理算法对加载dither(即扰动信号)幅度有一定要求，调制深度变小会影响调节方向符号的判断，且绝大多数算法应用固定的调制深度，较大的dither幅度会对driver(即驱动器)的线性度、整体功耗及OSNR(光信噪比)性能产生影响。另外，上述的算法均利用固定的锁定步长，当调制步长较小时，虽会提高锁定精度和稳定性，但影响锁定速率，且当接近最佳偏置点时，不仅会被底噪影响，还增大了环间热窜扰的发生概率；而较大的调制步长则对锁定精度和输出光功率的稳定性有影响。现有基频的光IQ调制器的偏压控制算法均基于双PD(即光电转换)甚至多PD检测，而无法满足单PD的分时锁定方案。因此，为了解决上述问题，本实施例提出一种适用于高阶调制码型的光IQ调制器自动偏压控制方法，可减小调制深度，提高锁定速率，降低环间热窜扰的影响。
以下实施例将以基于InP基底的光IQ调制器的偏压控制为例进行阐释。
首先，参见图2所示，本实施例提供的一种光IQ调制器的自动偏压控制方案包括：光IQ调制器、驱动电路、数模转换、光电转换电路、数字采样电路及数字处理控制平台等，该数字处理控平台可为MCU、FPGA或DSP等，可根据具体需求进行确定。具体的，图2中的入射光进入光IQ调制器后，其输出会通过光功率耦合器分为两路光信号：一路直接输出，另一路通过光电转换PD及数字采样电路ADC进行光电转换、滤波、放大及模数转化后进入数字处理控制平台，数字处理控制平台将XI、XQ、XP、YI、YQ以及YP等六路偏置电压经过数模转换DAC、滤波、放大电路后输出给光IQ调制器，从而对光IQ调制器进行自动偏压的实时调制。
其中，光IQ调制器中的X偏振与Y偏振分别由两个push-pull的MZM和一个相位延迟器(PM)组成，本实施例以X偏振为例，其输出总功率为：
式中，P表示X偏振的输出总功率，EI表示I路的电场强度，EQ表示Q路的电场强度，表示π/2，VI表示I路的射频驱动信号，VQ表示Q路的射频驱动信号，VBI表示I路的偏置电压，VBQ表示Q路的偏置电压。
由上式(1)可得归一化输出功率P，该表达式也可以通过运算变化为以下形式：
其中，Pout表示瞬时输出功率，而Pmax则表示最大输出功率；从式(2)可看出，如果用低频PIN检测器检测输出光功率，则检测到的光电流与光功率的平均值成正比，若探测器的响应率为R，IQ射频信号的波型是对称且不相关的，则检测到的光电流为：
上式(3)中前两项分别代表I路和Q路的输出，分别是偏置电压的余弦函数，而第三项是I、Q、P之间的拍频信号，该项不为0时，会对前两项的直流偏置造成影响。因此，当即外部MZ调制器偏置在Quad时，I路和Q路之间的拍频为0；当/>即I路处于NULL点时，Q路和P路之间拍频为0；同样，当/> 即Q路处于NULL点时，I路和P路之间的拍频为0。
由于Y偏振和X偏振同理，为了描述的简洁性，在此不再赘述。基于以上理论推导，在本实施例中，首先对光IQ调制器中各路的最佳工作点进行扫描，记录经过调制器后的输出光功率，通过对输出光功率的最大值与最小值计算得出接近最佳工作点的直流偏置电压初始值，并将各路设置为计算所得偏置电压初始值。
进一步的，所述分别进行扫描，根据扫描得到的输出光功率的最大值和最小值确定各路最佳工作点的偏置电压初始值，包括：
分别对光IQ调制器中的I路和Q路的最佳工作点进行扫描，得到I路输出光功率和Q路输出光功率；
将I路的偏置电压设置为I路输出光功率中最大值对应的电压值以及Q路的偏置电压设置为Q路输出光功率中最大值对应的电压值后，对P路的最佳工作点进行扫描，得到P路输出光功率；
根据P路输出光功率中最大值对应的电压值以及最小值对应的电压值确定Quad点的电压值；
将Quad点的电压值设置为P路最佳工作点的偏置电压初始值，将I路输出光功率中最小值对应的电压值设置为I路最佳工作点的偏置电压初始值，将Q路输出光功率中最大值对应的电压值设置为Q路最佳工作点的偏置电压初始值。
示范性的，在本实施例中，通过以下步骤实现各路最佳工作点的偏置电压初始值的确定：
步骤S101：扫描XI路偏置电压并记录输出光功率，接着将XI路的偏置电压设置为最大输出光功率对应的偏置电压，且将最小输出光功率对应的电压值作为XI路NULL点的偏置电压；
步骤S102：对XQ路重复步骤S101的操作；
步骤S103：确保XI路和XQ路的偏置电压已设置为最大输出光功率对应的偏置电压后，扫描XP路偏置电压并记录输出光功率，且将最大输出光功率及最小输出光功率对应的偏置电压之和的二分之一作为Quad点对应的偏置电压，并将Quad点对应的偏置电压设置为XP路的偏置电压；
步骤S104：扫描YI路偏置电压并记录输出光功率，接着将YI路的偏置电压设置为最大输出光功率对应的偏置电压，且将最小输出光功率对应的电压值作为YI路NULL点的偏置电压；
步骤S105：对YQ路重复步骤S104的操作；
步骤S106：确保YI路和YQ路的偏置电压已设置为最大输出光功率对应的偏置电压后，扫描YP路偏置电压并记录输出光功率，且将最大输出功率及最小输出光功率对应的偏置电压之和的二分之一作为Quad点对应的偏置电压，将Quad点对应的偏置电压设置为YP路的偏置电压；
步骤S107：重复步骤S101至步骤S106多次(具体重复次数可根据实际需求确定，比如重复5次)，并将XI、XQ、YI和YQ的偏置电压初始值分别设置为多次得到的NULL点对应的偏置电压的均方根，同时将XP和YP的偏置电压初始值分别设置为多次得到的Quad点对应的偏置电压的均方根。
步骤S20：基于幅度相同且频率不同的第一预设扰动信号和第二预设扰动信号以及偏置电压初始值分别以基频方式和拍频方式确定各路最佳工作点的偏置电压初调值；
示范性的，本实施例中，初步调节各路电压的最佳工作点，并将各路设置为偏置电压初调值。具体的，将在偏置电压初始值上叠加幅度为A1且频率不同的低频扰动信号，并通过处理采样信号获得较为精确的粗调制点，即根据幅度相同且频率不同的两个dither信号(即低频扰动信息)以及偏置电压初始值分别以基频方式和拍频方式来确定出各路最佳工作点的偏置电压初调值。需要说明的是，低频扰动信号的幅度大小以及频率大小可根据实际需求确定，不过两个dither信号的频率必须不同。
进一步的，所述基于幅度相同且频率不同的第一预设扰动信号和第二预设扰动信号以及偏置电压初始值分别以基频方式和拍频方式确定各路最佳工作点的偏置电压初调值，包括：
基于第一预设扰动信号和偏置电压初始值以基频方式确定出I路最佳工作点的偏置电压初调值和Q路最佳工作点的偏置电压初调值；
基于幅度相同且频率不同的第一预设扰动信号和第二预设扰动信号以及偏置电压初始值以拍频方式确定出P路最佳工作点的偏置电压初调值。
示范性的，在本实施例中，将通过幅度为A1且频率为f1的dither信号和I路偏置电压初始值、Q路偏置电压初始值以基频方式计算出I路最佳工作点的偏置电压初调值和Q路最佳工作点的偏置电压初调值；同时，通过幅度为A1且频率为f1的dither信号以及幅度为A1且频率为f2的dither信号、P路偏置电压初始值以拍频方式计算出P路最佳工作点的偏置电压初调值。其中，f1不等于f2，具体值可根据实际需求进行确定。
进一步的，所述基于第一预设扰动信号和偏置电压初始值以基频方式确定出I路最佳工作点的偏置电压初调值和Q路最佳工作点的偏置电压初调值，包括：
在I路上叠加第一预设扰动信号后，对I路上偏置电压初始值两侧预设个数的偏置电压进行扫描并采样，得到第一采样值；
对第一采样值的实部和虚部分别进行线性拟合并计算出I路最佳工作点的偏置电压初调值；
在Q路上叠加第一预设扰动信号后，对Q路上偏置电压初始值两侧预设个数的偏置电压进行扫描并采样，得到第二采样值；
对第二采样值的实部和虚部分别进行线性拟合并计算出Q路最佳工作点的偏置电压初调值。
其中，所述基于幅度相同且频率不同的第一预设扰动信号和第二预设扰动信号以及偏置电压初始值以拍频方式确定出P路最佳工作点的偏置电压初调值，包括：
在I路上叠加第一预设扰动信号以及在Q路上叠加与第一预设扰动信号幅度相同且频率不同的第二预设扰动信号后，对P路上偏置电压初始值两侧预设个数的偏置电压进行扫描和采样，得到第一预设扰动信号与第二预设扰动信号的差频或和频对应的第三采样值；
对第三采样值的实部和虚部分别进行线性拟合并计算出P路最佳工作点的偏置电压初调值。
示范性的，在本实施例中，通过以下具体步骤实现各路最佳工作点的偏置电压初调值的确定：
步骤S201：在XI路叠加幅度为A1且频率为f1的dither信号后，在XI路偏置电压初始值(即NULL点)左右各取m个点；然后扫描2m+1个点并记录各个点对应的采样值，通过分别对采样信号的实部与虚部进行线性拟合来获得偏置电压加权系数及方向系数，并结合实部与虚部拟合曲线的过零点计算出偏置电压，该偏置电压值即为XI路粗调点，因此将XI路的偏置电压初调值设置为该值；
步骤S202：对XQ路重复执行步骤S201的操作，进而输出得到XQ路粗调点的偏置电压，并将XQ路的偏置电压初调值设置为该值；
步骤S203：在XI路叠加幅度为A1且频率为f1的dither信号，同时在XQ路叠加幅度为A1且频率为f2的dither信号，然后在XP路的Quad点偏置电压左右各取m个点，其中，取点的范围不能超过1/4周期；接着扫描2m+1个点并记录各个点f1与f2的差频或和频对应的采样值；再利用步骤S201的操作输出XP路粗调点的偏置电压，并将XP路的偏置电压初调值设置为该值；
步骤S204：对Y偏振通道中的YI路、YQ路和YP路重复步骤S201至步骤S203的操作，进而确定出YI路、YQ路和YP路的偏置电压初调值；
步骤S205：重复执行上述步骤多次(具体重复次数可根据实际需求确定，比如重复3次)，并将XI、XQ、YI、YQ、XP和YP的偏置电压初调值分别设置为多次得到的偏置电压初调值的均方根。
其中，以XI路为例，在偏置电压初始值上叠加幅度为A1频率为f1的低频扰动信号，然后在NULL点左右各取m个偏压值，分别采样并对采样值的实部和虚部分别进行线性拟合，进而得到两条拟合曲线：
Cr＝kr·Vbia_r+br
Ci＝ki·Vbia_i+bi
其中，Cr表示采样值实部的拟合曲线，kr表示实部拟合曲线的斜率，Vbia_r表示实部拟合曲线上的偏置电压，br表示实部拟合曲线的不确定系数，Ci表示采样值虚部的拟合曲线，ki表示虚部拟合曲线的斜率，Vbia_i表示虚部拟合曲线上的偏置电压，bi表示虚部拟合曲线的不确定系数；由此可得出实部与虚部的过零点偏置电压分别为：
接着由实部及虚部过零点的偏置电压结合偏置电压加权系数w与方向系数d可求得XI路实际初调点的偏置电压初调值：
vbia＝w·(drvr+divi)
其中，偏置电压加权系数和方向系数通过下式求得：
通过以上方法可分别得到XI路、XQ、YI路和YQ四路的偏置电压初调值；而对XP路或YP路而言，还需在XI及XQ或YI及YQ上分别叠加幅度为A1且频率为f1和f2的两个低频扰动信号，通过其差频或和频采样进行拟合并计算，上述步骤至少通过三次或以上迭代，以输出较为精确的偏置电压初调值。
步骤S30：基于幅度相同且频率不同的第三预设扰动信号和第四预设扰动信号分别以基频方式和拍频方式确定各路最佳工作点的调节步长，第三预设扰动信号的幅度小于第一预设扰动信号的幅度；
示范性的，在本实施例中，跟踪并精调各路电压的最佳工作点：在粗调点上加载幅度为A2的低频扰动信号，并通过反馈谐波获取调节方向及步长，从而使得光IQ调制器能工作在最佳偏置点上。具体的，根据幅度相同且频率不同的两个dither信号分别以基频方式和拍频方式来确定出各路最佳工作点的调节步长，该调节步长用于最佳工作点偏置电压的精调。需要说明的是，这两个dither信号的幅度大小以及频率大小可根据实际需求确定，不过这两个dither信号的幅度必须小于步骤S20中的两个dither信号的幅度，即A2小于A1。由此可见，本实施例在确定偏置电压初调值后，使用更小幅度的低频扰动信号进行精调，可大幅度的降低锁定所需的低频扰动信号幅度，从而有效较低了调制深度，确保驱动器可一直工作在其线性区间内，并且降低系统的整体功耗。
进一步的，所述基于幅度相同且频率不同的第三预设扰动信号和第四预设扰动信号分别以基频方式和拍频方式确定各路最佳工作点的调节步长
基于第三预设扰动信号以基频方式确定出I路最佳工作点的调节步长和Q路最佳工作点的调节步长；
基于幅度相同且频率不同的第三预设扰动信号和第四预设扰动信号以拍频方式确定出P路最佳工作点的调节步长。其中，所述最佳工作点的调节步长的计算公式为：
Vstep＝wA(drRe+diIm)
式中，Vstep表示调节步长，w表示加权系数，A表示幅度系数，Re表示叠加第三预设扰动信号和第四预设扰动信号后对应的采样值的实部，dr表示实部的方向系数，Im表示叠加第三预设扰动信号和第四预设扰动信号后对应的采样值的虚部，di表示虚部的方向系数。
示范性的，在本实施例中，通过以下具体步骤实现各路最佳工作点的调节步长的确定：
步骤S301：在XI路叠加幅度为A2且频率为f1的dither信号，通过采样信号求得实部(Re)与虚部(Im)，并基于以下公式计算得出XI路最佳工作点的调节步长：
Vstep＝wA(drRe+diIm)
式中，Vstep表示调节步长，w表示加权系数，A表示幅度系数，其与步骤S20中所用dither的幅度成正相关，Re表示叠加幅度为A2且频率为f1的dither信号后对应的采样值的实部，dr表示实部的方向系数，Im表示叠加幅度为A2且频率为f1的dither信号后对应的采样值的虚部，di表示虚部的方向系数。其中，加权系数w与方向系数d均为步骤S20中获得。
步骤S302：对XQ路重复执行步骤S301的操作，以得到XQ路最佳工作点的调节步长；
步骤S303：在XI路上叠加幅度为A2且频率为f1的dither信号，同时在XQ路上叠加幅度为A2且频率为f2的dither信号，再利用步骤S301的操作输出XP路最佳工作点的调节步长；
步骤S304：对Y偏振通道中的YI路、YQ路和YP路重复步骤S301至步骤S303的操作，进而确定出YI路、YQ路和YP路的调节步长。
步骤S40：根据偏置电压初调值和调节步长计算得到各路最佳工作点的最佳偏置电压值。
示范性的，在本实施例中，使各路偏置电压锁定在最佳工作点，具体的，将偏置电压初调值和调节步长进行相减，两者的差值即为精调后的偏置电压，也即是各路最佳工作点的最佳偏置电压值，比如将XI路最佳工作点的偏置电压初调值与XI路最佳工作点的调节步长进行相减，即可得到XI路最佳工作点的最佳偏置电压值；再将光IQ调制器中的各路偏置电压锁定在最佳偏置电压值对应的最佳工作点上，就可使光IQ调制器能精准、快速且长期稳定的工作在最佳偏置点上。
由此可见，本实施例提供了一种用于光IQ调制器的自动偏压控制方法，适用于QPSK、16QAM等高阶调制格式，可通过单光电检测二极管实现偏置电压的检测及自动控制，使光IQ调制器能精准、快速且长期稳定的工作在最佳偏置点上，以不再受限于材料体系，并降低啁啾、噪声干扰及其他原因造成的系统代价，其主要包括以下三步：1、粗调：快速扫描得到初始工作点；2、粗锁：通过对采样信号构建实部、虚部的算法，快速找到初锁点；3、精锁：小幅度、可变步长dither信号精准锁定工作点。其中I路和Q路采用基频法(即只用一个频率信号，比如f1)，可以快速找到粗调点并进行锁定；而P路采用差频法(即使用了两个频率信号，比如f1和f2)，通过在I路和Q路分别叠加两个不同频率的dither信号并对f1-f2采样信号处理进行锁定。
经实验验证，本实施例适用于单PD的InP调制器，可显著减小dither幅度(不超过10mV)，以降低调制深度，且粗锁和精锁的处理算法可以显著减少寻找锁定点的迭代次数，进而可迅速找到粗锁点，在此基础上算出下一次调节的步长，使之能稳定工作在最佳偏置点上，既减少了调制器环间热窜扰的发生，又提高了锁定速率、精度及稳定性，从而提高了driver的线性度并降低光模块整体功耗。
综上，本实施例通过将采样信号进行实部、虚部曲线的拟合并重新计算交点，相比于传统多次采样并求平均值或均方根的算法，可大幅度提升准确度；且在确定偏置电压初调值后，使用更小幅度的低频扰动信号(比如使用小于10mV的小幅度低频扰动信号作为导频信号)进行精调，可大幅度的降低锁定所需的低频扰动信号幅度，从而有效较低了调制深度，并提高驱动器的线性度，以确保驱动器可一直工作在其线性区间内，且降低系统的整体功耗。此外，通过基频与拍频的结合使用能大幅度降低高阶调制格式下的啁啾、噪声干扰，提高锁定速率、精度及稳定性，使光IQ调制器能长期、稳定的工作在最佳工作点，避免因温度、应力、器件老化等因素造成的系统性能劣化，从而提升整个系统的可靠性、稳定性及整体性能；且本实施例不需要在传统控制方法的基础上新增硬件电路设计，无需过大的调制深度，即可提升跟踪锁定的精确度、速率及可靠性。
与基于铌酸锂调制器自动偏压控制的基频对数检波算法相比，本实施例实现了对基于量子阱效应的InP调制器的自动偏压控制，解决了基频算法无法应用于高阶调制码型的问题，解决了InP调制器啁啾较大的影响，解决了早期算法调制深度大、锁定时间长以及调节步长需要反复摸索等的技术问题。同时，本实施例的理论推导及信号处理方法同样适用于其他基底的调制器。
参见图3所示，本申请实施例提供了一种光IQ调制器自动偏压控制装置，包括：
初始值确定单元，其用于分别对光IQ调制器中各路最佳工作点进行扫描，根据扫描得到的输出光功率的最大值和最小值确定各路最佳工作点的偏置电压初始值；
初调值确定单元，其用于基于幅度相同且频率不同的第一预设扰动信号和第二预设扰动信号以及偏置电压初始值分别以基频方式和拍频方式确定各路最佳工作点的偏置电压初调值；
步长确定单元，其用于基于幅度相同且频率不同的第三预设扰动信号和第四预设扰动信号分别以基频方式和拍频方式确定各路最佳工作点的调节步长，第三预设扰动信号的幅度小于第一扰动预设信号的幅度；
最佳值确定单元，其用于根据偏置电压初调值和调节步长计算得到各路最佳工作点的最佳偏置电压值。
进一步的，所述初始值确定单元具体用于：
分别对光IQ调制器中的I路和Q路的最佳工作点进行扫描，得到I路输出光功率和Q路输出光功率；
将I路的偏置电压设置为I路输出光功率中最大值对应的电压值以及Q路的偏置电压设置为Q路输出光功率中最大值对应的电压值后，对P路的最佳工作点进行扫描，得到P路输出光功率；
根据P路输出光功率中最大值对应的电压值以及最小值对应的电压值确定Quad点的电压值；
将Quad点的电压值设置为P路最佳工作点的偏置电压初始值，将I路输出光功率中最小值对应的电压值设置为I路最佳工作点的偏置电压初始值，将Q路输出光功率中最大值对应的电压值设置为Q路最佳工作点的偏置电压初始值。
进一步的，所述初调值确定单元具体用于：
基于第一预设扰动信号和偏置电压初始值以基频方式确定出I路最佳工作点的偏置电压初调值和Q路最佳工作点的偏置电压初调值；
基于幅度相同且频率不同的第一预设扰动信号和第二预设扰动信号以及偏置电压初始值以拍频方式确定出P路最佳工作点的偏置电压初调值。
进一步的，所述初调值确定单元具体还用于：
在I路上叠加第一预设扰动信号后，对I路上偏置电压初始值两侧预设个数的偏置电压进行扫描并采样，得到第一采样值；
对第一采样值的实部和虚部分别进行线性拟合并计算出I路最佳工作点的偏置电压初调值；
在Q路上叠加第一预设扰动信号后，对Q路上偏置电压初始值两侧预设个数的偏置电压进行扫描并采样，得到第二采样值；
对第二采样值的实部和虚部分别进行线性拟合并计算出Q路最佳工作点的偏置电压初调值。
进一步的，所述初调值确定单元具体还用于：
在I路上叠加第一预设扰动信号以及在Q路上叠加与第一预设扰动信号幅度相同且频率不同的第二预设扰动信号后，对P路上偏置电压初始值两侧预设个数的偏置电压进行扫描和采样，得到第一预设扰动信号与第二预设扰动信号的差频或和频对应的第三采样值；
对第三采样值的实部和虚部分别进行线性拟合并计算出P路最佳工作点的偏置电压初调值。
进一步的，所述步长确定单元具体用于：
基于第三预设扰动信号以基频方式确定出I路最佳工作点的调节步长和Q路最佳工作点的调节步长；
基于幅度相同且频率不同的第三预设扰动信号和第四预设扰动信号以拍频方式确定出P路最佳工作点的调节步长。
进一步的，所述最佳工作点的调节步长的计算公式为：
Vstep＝wA(drRe+diIm)
式中，Vstep表示调节步长，w表示加权系数，A表示幅度系数，Re表示叠加第三预设扰动信号和第四预设扰动信号后对应的采样值的实部，dr表示实部的方向系数，Im表示叠加第三预设扰动信号和第四预设扰动信号后对应的采样值的虚部，di表示虚部的方向系数。
需要说明的是，所属本领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，上述描述的装置和各单元的具体工作过程，可以参考前述光IQ调制器自动偏压控制方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
上述实施例提供的装置可以实现为一种计算机程序的形式，该计算机程序可以在如图4所示的光IQ调制器自动偏压控制设备上运行。
本申请实施例还提供了一种光IQ调制器自动偏压控制设备，包括：通过系统总线连接的存储器、处理器和网络接口，存储器中存储有至少一条指令，至少一条指令由处理器加载并执行，以实现前述的光IQ调制器自动偏压控制方法的全部步骤或部分步骤。
其中，网络接口用于进行网络通信，如发送分配的任务等。本领域技术人员可以理解，图4中示出的结构，仅仅是与本申请方案相关的部分结构的框图，并不构成对本申请方案所应用于其上的计算机设备的限定，具体的计算机设备可以包括比图中所示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者具有不同的部件布置。
处理器可以是CPU，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital SignalProcessor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现场可编程逻辑门阵列(Field Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器，或者该处理器也可以是任何常规的处理器等，处理器是计算机装置的控制中心，利用各种接口和线路连接整个计算机装置的各个部分。
存储器可用于存储计算机程序和/或模块，处理器通过运行或执行存储在存储器内的计算机程序和/或模块，以及调用存储在存储器内的数据，实现计算机装置的各种功能。存储器可主要包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需的应用程序(比如视频播放功能、图像播放功能等)等；存储数据区可存储根据手机的使用所创建的数据(比如视频数据、图像数据等)等。此外，存储器可以包括高速随存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如硬盘、内存、插接式硬盘、智能存储卡(SmartMedia Card，SMC)，安全数字(Secure digital，SD)卡、闪存卡(Flash Card)、至少一个磁盘存储器件、闪存器件或其他易失性固态存储器件。
本申请施例还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现前述的光IQ调制器自动偏压控制方法的全部步骤或部分步骤。
本申请实施例实现前述的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法的步骤。其中，计算机程序包括计算机程序代码，计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。计算机可读介质可以包括：能够携带计算机程序代码的仼何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(Read-Only memory，ROM)、随机存取存储器(Random Accessmemory，RAM)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。需要说明的是，计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不包括电载波信号和电信信号。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、服务器或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器和光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
需要说明的是，在本文中，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、物品或者系统不仅包括那些要素，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、物品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者系统中还存在另外的相同要素。
以上所述仅是本申请的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (9)
1.一种光IQ调制器自动偏压控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
分别对光IQ调制器中各路最佳工作点进行扫描，根据扫描得到的输出光功率的最大值和最小值确定各路最佳工作点的偏置电压初始值；
基于幅度相同且频率不同的第一预设扰动信号和第二预设扰动信号以及偏置电压初始值分别以基频方式和拍频方式确定各路最佳工作点的偏置电压初调值；
基于幅度相同且频率不同的第三预设扰动信号和第四预设扰动信号分别以基频方式和拍频方式确定各路最佳工作点的调节步长，第三预设扰动信号的幅度小于第一预设扰动信号的幅度；
根据偏置电压初调值和调节步长计算得到各路最佳工作点的最佳偏置电压值；
其中，所述基于幅度相同且频率不同的第一预设扰动信号和第二预设扰动信号以及偏置电压初始值分别以基频方式和拍频方式确定各路最佳工作点的偏置电压初调值，包括：
基于第一预设扰动信号和偏置电压初始值以基频方式确定出I路最佳工作点的偏置电压初调值和Q路最佳工作点的偏置电压初调值；
基于幅度相同且频率不同的第一预设扰动信号和第二预设扰动信号以及偏置电压初始值以拍频方式确定出P路最佳工作点的偏置电压初调值。
2.如权利要求1所述的光IQ调制器自动偏压控制方法，其特征在于，所述分别对光IQ调制器中各路最佳工作点进行扫描，根据扫描得到的输出光功率的最大值和最小值确定各路最佳工作点的偏置电压初始值，包括：
分别对光IQ调制器中的I路和Q路的最佳工作点进行扫描，得到I路输出光功率和Q路输出光功率；
将I路的偏置电压设置为I路输出光功率中最大值对应的电压值以及Q路的偏置电压设置为Q路输出光功率中最大值对应的电压值后，对P路的最佳工作点进行扫描，得到P路输出光功率；
根据P路输出光功率中最大值对应的电压值以及最小值对应的电压值确定Quad点的电压值；
将Quad点的电压值设置为P路最佳工作点的偏置电压初始值，将I路输出光功率中最小值对应的电压值设置为I路最佳工作点的偏置电压初始值，将Q路输出光功率中最大值对应的电压值设置为Q路最佳工作点的偏置电压初始值。
3.如权利要求1所述的光IQ调制器自动偏压控制方法，其特征在于，所述基于第一预设扰动信号和偏置电压初始值以基频方式确定出I路最佳工作点的偏置电压初调值和Q路最佳工作点的偏置电压初调值，包括：
在I路上叠加第一预设扰动信号后，对I路上偏置电压初始值两侧预设个数的偏置电压进行扫描并采样，得到第一采样值；
对第一采样值的实部和虚部分别进行线性拟合并计算出I路最佳工作点的偏置电压初调值；
在Q路上叠加第一预设扰动信号后，对Q路上偏置电压初始值两侧预设个数的偏置电压进行扫描并采样，得到第二采样值；
对第二采样值的实部和虚部分别进行线性拟合并计算出Q路最佳工作点的偏置电压初调值。
4.如权利要求1所述的光IQ调制器自动偏压控制方法，其特征在于，所述基于幅度相同且频率不同的第一预设扰动信号和第二预设扰动信号以及偏置电压初始值以拍频方式确定出P路最佳工作点的偏置电压初调值，包括：
在I路上叠加第一预设扰动信号以及在Q路上叠加与第一预设扰动信号幅度相同且频率不同的第二预设扰动信号后，对P路上偏置电压初始值两侧预设个数的偏置电压进行扫描和采样，得到第一预设扰动信号与第二预设扰动信号的差频或和频对应的第三采样值；
对第三采样值的实部和虚部分别进行线性拟合并计算出P路最佳工作点的偏置电压初调值。
5.如权利要求1所述的光IQ调制器自动偏压控制方法，其特征在于，所述基于幅度相同且频率不同的第三预设扰动信号和第四预设扰动信号分别以基频方式和拍频方式确定各路最佳工作点的调节步长，包括：
基于第三预设扰动信号以基频方式确定出I路最佳工作点的调节步长和Q路最佳工作点的调节步长；
基于幅度相同且频率不同的第三预设扰动信号和第四预设扰动信号以拍频方式确定出P路最佳工作点的调节步长。
6.如权利要求5所述的光IQ调制器自动偏压控制方法，其特征在于，所述最佳工作点的调节步长的计算公式为：
式中，表示调节步长，/>表示加权系数，/>表示幅度系数，/>表示叠加第三预设扰动信号和第四预设扰动信号后对应的采样值的实部，/>表示实部的方向系数，/>表示叠加第三预设扰动信号和第四预设扰动信号后对应的采样值的虚部，/>表示虚部的方向系数。
7.一种光IQ调制器自动偏压控制装置，其特征在于，包括：
初始值确定单元，其用于分别对光IQ调制器中各路最佳工作点进行扫描，根据扫描得到的输出光功率的最大值和最小值确定各路最佳工作点的偏置电压初始值；
初调值确定单元，其用于基于幅度相同且频率不同的第一预设扰动信号和第二预设扰动信号以及偏置电压初始值分别以基频方式和拍频方式确定各路最佳工作点的偏置电压初调值；
步长确定单元，其用于基于幅度相同且频率不同的第三预设扰动信号和第四预设扰动信号分别以基频方式和拍频方式确定各路最佳工作点的调节步长，第三预设扰动信号的幅度小于第一扰动预设信号的幅度；
最佳值确定单元，其用于根据偏置电压初调值和调节步长计算得到各路最佳工作点的最佳偏置电压值；
其中，所述初调值确定单元具体用于：
基于第一预设扰动信号和偏置电压初始值以基频方式确定出I路最佳工作点的偏置电压初调值和Q路最佳工作点的偏置电压初调值；
基于幅度相同且频率不同的第一预设扰动信号和第二预设扰动信号以及偏置电压初始值以拍频方式确定出P路最佳工作点的偏置电压初调值。
8.一种光IQ调制器自动偏压控制设备，其特征在于，包括：存储器和处理器，所述存储器中存储有至少一条指令，所述至少一条指令由所述处理器加载并执行，以实现权利要求1至6中任一项所述的光IQ调制器自动偏压控制方法。
9.一种计算机可读存储介质，其特征在于：所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，当所述计算机指令被计算机执行时，使得所述计算机执行权利要求1至6中任一项所述的光IQ调制器自动偏压控制方法。
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| Title |
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| 一种新型光IQ调制器自动偏压控制方法;孟令恒;电力系统通信;20121210(12);全文 * |
| 并联MZI型IQ调制器的直流偏置特性实验研究;张广博;黄钊;马卫东;;光通信研究;20160229(02);全文 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN115459853A (zh) | 2022-12-09 |
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