CN115549800B - 一种马赫－曾德尔调制器自动偏压控制装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种马赫－曾德尔调制器自动偏压控制装置及方法，本发明属于微波光子学领域，装置包括：激光器、马赫－曾德尔电光调制器、射频源、第一功分器、第二功分器、第三功分器、第四功分器、光电探测器、电谱仪、混频器、低通滤波器、运算放大器、示波器、第一比较器和第二比较器、单片机和数‑模转换器，各个部件的具体连接关系；方法包括：基于功率值，得到电光调制器若干个工作点的偏置电压；分别设置第一比较器阈值和第二比较器阈值，得到阈值区间；获取直流分量，输出电平信号，基于阈值区间，对电平信号对应的偏置电压进行检测判断，实现电光调制器工作点稳定。本发明能够实现电光调节器工作点的稳定，提高了自动控制效率。

Description

一种马赫－曾德尔调制器自动偏压控制装置及方法
技术领域
本发明属于微波光子学领域，特别是涉及一种马赫－曾德尔调制器自动偏压控制装置及方法。
背景技术
随着光纤通信和光纤传感的飞速发展，高速光调制成为光纤通信和分布式光纤传感系统中必不可少的部分。马赫－曾德尔电光调制器(Mach-Zehnder modulator，MZM)是将输入光场分为两路，其中一路加以电压信号，材料的折射率将随之变化，进而改变光场传输的光程。最终两路光场干涉叠加，合成的光信号是一个强度变化的干涉信号，相当于把射频信号转化为了光信号的变化，从而实现电光调制。基于LiNbO3波导的MZM因为具有高响应度、调制信号频率啁啾小、低损耗等优点，被广泛的应用于高速光调制。
MZM由于自身双臂对称结构的制约，易受到自身温度、外界环境如温度、机械振动和等因素的影响，传输曲线会发生缓慢漂移，随之工作点发生漂移、导致输出光功率不稳定，从而降低了MZM的调制精度，进而影响到整个通信系统的通信质量。因此，在实际使用过程中，需要对MZM的工作点进行稳定控制。目前，现有技术可以分为两类。第一类是传统的MZM偏压控制技术，通过监测光功率的绝对值来监测MZM工作点的漂移，但容易受到光源本身功率不稳定的影响。第二类是通过检测微扰动信号的调制信号一些物理量的变化，如对称性、频率分量和平均功率等多种方法来监测电光调制器工作点的漂移，但是引入扰动信号的同时也引入了噪声，影响整个系统的信噪比。鉴于此，克服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
本发明的目的是提供一种马赫－曾德尔调制器自动偏压控制装置及方法，以解决上述现有技术存在由于光源本身功率不稳定和整个系统信噪比降低，导致电光调节器的工作点无法稳定控制的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种马赫－曾德尔调制器自动偏压控制装置，包括：激光器1，马赫－曾德尔电光调制器2，射频源3，第一功分器4，第二功分器6，第三功分器11，第四功分器13，光电探测器5，电谱仪7，混频器8，低通滤波器9，运算放大器10，示波器12，第一比较器14和第二比较器15，单片机16，数-模转换器17；
所述激光器1的输出端与电光调制器2的输入端连接；
所述射频源3的输出端与第一功分器4的输出端口连接，第一功分器4的两个输出端分别与电光调制器2的射频输入口、混频器8的LO口相连接；
所述电光调制器2的输出端与光电探测器5连接，将光信号转化为电信号；
所述光电探测器5的输出端与第二功分器6的输入端连接；
所述第二功分器6包括两个输出端，分别与电谱仪7、混频器8的Rf口相连接；
所述混频器8的输出端与低通滤波器9的输入端耦合连接；
所述低通滤波器9的输出端与运算放大器10的输入端连接；
所述运算放大器10的输出端与第三功分器11的输入端连接；
所述第三功分器11包括两个输出端，分别与示波器12、第四功分器13的输入端连接；
所述第四功分器13包括两个输出端，分别与第一比较器14和第二比较器15的输入端连接；
所述第一比较器14和第二比较器15的输出端与单片机16的GPIO口连接耦合；
所述单片机16的输出端与数模转换器17的输入端连接耦合；
所述数模转换器17的输出端与电光调制器2的偏压控制引脚连接耦合。
优选地，所述装置采用闭环控制系统。
优选地，所述装置包括光路和电路。
为了实现上述技术目的，本发明还提供了一种马赫－曾德尔调制器自动偏压控制方法，包括以下步骤：
获取若干个频率分量的功率值；基于所述功率值，得到电光调制器若干个工作点的偏置电压；
分别设置第一比较器阈值和第二比较器阈值，得到阈值区间；
获取直流分量，基于所述直流分量，输出电平信号，基于所述阈值区间，对所述电平信号对应的偏置电压进行检测判断，基于判断结果实现电光调制器工作点稳定。
优选地，获取若干个频率分量的功率值的过程包括：
基于射频源，所述射频源输出频率经过第一功分器，得到频率分量；基于所述频率分量和电光调制器，通过电谱仪探测电光调制器输出微波信号，得到频率分量的功率值。
优选地，电光调制器若干个工作点包括：电光调制器最大工作点、电光调制器最小工作点和电光调制器线性工作点。
优选地，输出电平信号的过程包括：
基于混频器输出的直流量，经过第三功分器和第四功分器，得到直流分量，所述直流分量分别通过第一比较器和第二比较器，输出高电平信号或低电平信号。
优选地，对所述电平信号对应的偏置电压进行检测判断的过程包括：
若所述偏置电压处于所述阈值区间内，则经过数模转换器输出电压，且反馈回电光调制器的偏压控制口；否则继续调节电光调制器的偏置电压。
本发明的技术效果为：
本发明提供了一种马赫－曾德尔调制器自动偏压控制装置及方法，能够解决现有技术中在电光调制器工作点控制上的控制精度低、软件控制响应时间慢以及对外界环境如温度、应力、振动等变化不敏感的问题，本发明通过软、硬件结合的方法实现马赫－曾德尔电光调制器的自动偏压控制，锁定调制器的最佳工作点，本发明具有以下突出优点和积极效果：设计合理，易于实现和集成；解决调制器工作点随温度、时间飘逸的问题；缩短了调制器偏压控制的时间；结构紧凑，提高了操作性；减小元件数目，节约成本。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例中的装置原理图；
图2为本发明实施例中的电光调制器各个工作点调制曲线图，图2(a)为MZM最大工作点调制曲线图，图2(b)为MZM线性工作点调制曲线，图2(c)MZM最小工作点调制曲线图；
图3为本发明实施例中的方法流程图；
其中，1-激光器，2-MZM，3-射频源，4-第一功分器，5-光电探测器，6-第二功分器，7-电谱仪，8-混频器，9-低通滤波器，10-运算放大器，11-第三功分器，12-示波器，13-第四功分器，14-第一比较器，15-第二比较器，16-单片机，17-数-模转换器。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
实施例一
如图1所示，本实施例中提供一种马赫－曾德尔调制器自动偏压控制装置，包括：包括一个激光器1，一个MZM 2，一个射频源3，四个功分器，分别记为第一功分器4，第二功分器6，第三功分器11，第四功分器13，一个光电探测器5，一个电谱仪7，一个混频器8，一个低通滤波器9，一个运算放大器10，一个示波器12，两个比较器，分别为第一比较器14和第二比较器15，一个单片机16，一个数-模转换器17；
所述激光器1的输出端与MZM 2的输入端连接；
所述射频源3的输出端与第一功分器4的输出端口连接，第一功分器的两个输出端分别与MZM 2的射频输入口、混频器8的LO口相连接；
所述MZM 2的输出端与光电探测器5连接，将光信号转化为电信号；
所述光电探测器5的输出端与第二功分器6的输入端连接；
所述第二功分器6的一个输出端与电谱仪7连接，另一个输出端与混频器8的Rf口相连接；
所述混频器8的输出端与低通滤波器9的输入端耦合连接；
所述低通滤波器9的输出端与运算放大器10的输入端连接；
所述运算放大器10的输出端与第三功分器11的输入端连接；
所述第三功分器11有两个输出端，其中一个与示波器12连接，另一个与第四功分器13的输入端连接；
所述第四功分器13的两个输出端分别与第一比较器14和第二比较器15的输入端连接；
所述第一比较器14和第二比较器15的输出端与单片机16的GPIO(General-purpose input/output)口连接耦合；
所述单片机16的输出端与数模转换器17的输入端连接耦合；
所述数模转换器17的输出端与MZM 2的偏压控制引脚连接耦合。
实施例二
如图2-图3所示，MZM最大或最小工作点偏压控制，具体包括以下步骤：
步骤一：打开激光器1和射频源3，设置射频源3输出频率为f0，射频源3输出经过第一功分器4后分成两路，其中一路作为MZM 2的驱动信号，另一路作为混频器8的LO信号，输入至混频器8；
步骤二：MZM 2输出端连接光电探测器5；
步骤三：光电探测器5的输出与第二功分器6的输出连接，第二功分器6的一个输出端与电谱仪7连接，另一个输出端与混频器8的Rf口连接；
步骤四：调节MZM 2的偏压，电压从0V开始调节，观察电谱仪7上各谱线的功率，当第一次出现频率为2f0的信号功率最大时，记录此时最小工作点对应偏压为Vmin，继续调节偏压，当第二次出现频率为2f0的信号功率最大时，记录此时最大工作点对应偏压为Vmax；
步骤五：当MZM 2工作在最大或最小工作点时，光电探测器5输出的微波信号频率为2f0，调制曲线如图2(a)和2(c)所示，但实际中，工作在最大点或最小点时的MZM 2输出微波信号的频率分量仍然有f0，此时f0和2f0的频率分量作为混频器8的Rf信号，输入至混频器8，频率分量为f0的信号与LO口的信号混频出直流量，频率分量为2f0的信号与LO口的信号混频出f0，即混频器8的输出信号是直流量和频率为f0的叠加信号；
步骤六：混频器8的输出与低通滤波器9的输入连接耦合，去掉高频分量f0，当MZM2工作点发生漂移时，MZM 2输出微波信号的相位会发生改变，混频器8输出的直流量将随之变化，通过稳定直流量实现MZM 2工作点的稳定；
步骤七：低通滤波器9的输出与运算放大器10的输入连接耦合；
步骤八：运算放大器10的输出与第三功分器11的输入端连接耦合，第三功分器11输出的其中一个端口与示波器12连接，观察直流量的数值，另一个端口与第四功分器13连接；
步骤九：第四功分器13的两个输出端分别与第一比较器14和第二比较器15连接；
步骤十：设置第一比较器14的阈值，记为V1；
步骤十一：设置第二比较器15的阈值，记为V2；
步骤十二：当控制MZM 2的偏压稳定在最小工作点时，需设置第一和第二比较器的阈值满足如下条件：V1≤Vmin≤V2；
步骤十三：当控制MZM 2的偏压稳定在最大工作点时，需设置第一和第二比较器的阈值满足如下条件：V1≤Vmax≤V2；
步骤十四：第一比较器14和第二比较器15的输出与单片机16的GPIO口连接；
步骤十五：单片机16根据GPIO口的电平状态，决定数模转换器17的输出电压，并反馈回MZM 2的偏压控制口；
步骤十六：通过系统反馈调节数模转换器17的输出电压，通过示波器12显示的电压值，使运算放大器10的输出电压稳定在V1和V2数值之间，实现MZM 2的最大或最小工作点稳定。
实施例三
MZM线性工作点偏压控制，具体包括以下步骤：
步骤一：打开激光器1射频源3，设置射频源输出频率为f0，射频源输出经过第一功分器4后分成两路，其中一路作为MZM 2的驱动信号，另一路作为混频器8的LO信号，输入至混频器8；
步骤二：MZM 2输出端连接光电探测器5；
步骤三：光电探测器5的输出与第二功分器6的输出连接，第二功分器6的一个输出端与电谱仪7连接，另一个输出端与混频器8的Rf口连接；
步骤四：调节MZM 2的偏压，电压从0V开始调节，观察电谱仪7上各谱线的功率，当第一次出现频率为f0的信号功率最大时，记录此时线性工作点对应偏压为VNull；
步骤五：当MZM 2工作在线性点时，光电探测器5输出的微波信号的频率分量主要包含f0，2f0，其中频率为f0的信号强度最大，MZM线性工作点调制曲线如图2(b)所示，光电探测器5的输出作为混频器8的Rf信号，输入至混频器8，频率分量为f0的信号与LO口的信号混频出直流量，频率分量为2f0的信号与LO口的信号混频出f0，即混频器8的输出信号是直流量和频率为f0的叠加信号；
步骤六：混频器8的输出与低通滤波器9的输入连接耦合，去掉高频分量f0，当MZM2工作点发生漂移时，MZM 2输出微波信号的相位会发生改变，混频器8输出的直流量将随之变化，通过稳定直流量实现MZM 2工作点的稳定；
步骤七：低通滤波器9的输出与运算放大器10的输入连接耦合；
步骤八：运算放大器10的输出与第三功分器11的输入端连接耦合，第三功分器11输出的其中一个端口与示波器12连接，观察直流量的数值，另一个端口与第四功分器13连接；
步骤九：第四功分器13的两个输出端分别与第一比较器14和第二比较器15连接；
步骤十：设置第一比较器14的阈值，记为V3；
步骤十一：设置第二比较器15的阈值，记为V4；
步骤十二：当控制MZM 2的偏压稳定在线性工作点时，需设置第一和第二比较器的阈值满足如下条件：V3≤VNull≤V4；
步骤十三：第一比较器14和第二比较器15的输出与单片机16的GPIO口连接；
步骤十四：单片机16根据GPIO口的电平状态，决定数模转换器17的输出电压，并反馈回MZM 2的偏压控制口；
步骤十五：通过系统反馈调节数模转换器17的输出电压，通过示波器12显示的电压值，使运算放大器10的输出电压稳定在V3和V4数值之间，实现MZM 2的线性工作点稳定。
本实施例的技术效果为：
本实施例提供了一种马赫－曾德尔调制器自动偏压控制装置，能够解决现有技术中在电光调制器工作点控制上的控制精度低、软件控制响应时间慢以及对外界环境如温度、应力、振动等变化不敏感的问题，本发明通过软、硬件结合的方法实现马赫－曾德尔电光调制器的自动偏压控制，锁定调制器的最佳工作点，本发明具有以下突出优点和积极效果：设计合理，易于实现和集成；解决调制器工作点随温度、时间飘逸的问题；缩短了调制器偏压控制的时间；结构紧凑，提高了操作性；减小元件数目，节约成本。
本实施例提供了最大工作点、最小工作点及线性工作点偏压控制的具体步骤，能够解决现有技术中由于光源本身功率不稳定和整个系统信噪比降低，导致电光调节器的工作点无法稳定控制的技术问题；同时本实施例提供的技术方案，通过稳定直流量实现电光调节器工作点的稳定，达到自适应稳定工作点的效果，提高了自动控制效率。
以上所述，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请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申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种马赫－曾德尔调制器自动偏压控制装置，其特征在于，包括：激光器（1），马赫－曾德尔电光调制器（2），射频源（3），第一功分器（4），第二功分器（6），第三功分器（11），第四功分器（13），光电探测器（5），电谱仪（7），混频器（8），低通滤波器（9），运算放大器（10），示波器（12），第一比较器（14）和第二比较器（15），单片机（16），数-模转换器（17）；
所述激光器（1）的输出端与电光调制器（2）的输入端连接；
所述射频源（3）的输出端与第一功分器（4）的输出端口连接，第一功分器（4）的两个输出端分别与电光调制器（2）的射频输入口、混频器（8）的LO口相连接；
所述电光调制器（2）的输出端与光电探测器（5）连接，将光信号转化为电信号；
所述光电探测器（5）的输出端与第二功分器（6）的输入端连接；
所述第二功分器（6）包括两个输出端，分别与电谱仪（7）、混频器（8）的Rf口相连接；
所述混频器（8）的输出端与低通滤波器（9）的输入端耦合连接；
所述低通滤波器（9）的输出端与运算放大器（10）的输入端连接；
所述运算放大器（10）的输出端与第三功分器（11）的输入端连接；
所述第三功分器（11）包括两个输出端，分别与示波器（12）、第四功分器（13）的输入端连接；
所述第四功分器（13）包括两个输出端，分别与第一比较器（14）和第二比较器（15）的输入端连接；
所述第一比较器（14）和第二比较器（15）的输出端与单片机（16）的GPIO口连接耦合；
所述单片机（16）的输出端与数模转换器（17）的输入端连接耦合；
所述数模转换器（17）的输出端与电光调制器（2）的偏压控制引脚连接耦合；
基于所述马赫－曾德尔调制器自动偏压控制装置的控制方法，包括以下步骤：
获取若干个频率分量的功率值；基于所述功率值，得到电光调制器若干个工作点的偏置电压；
分别设置第一比较器阈值和第二比较器阈值，得到阈值区间；
获取直流分量，基于所述直流分量，输出电平信号，基于所述阈值区间，对所述电平信号对应的偏置电压进行检测判断，基于判断结果实现电光调制器工作点稳定。
2.根据权利要求1所述的马赫－曾德尔调制器自动偏压控制装置，其特征在于，所述装置采用闭环控制系统。
3.根据权利要求1所述的马赫－曾德尔调制器自动偏压控制装置，其特征在于，所述装置包括光路和电路。
4.根据权利要求1所述的马赫－曾德尔调制器自动偏压控制装置，其特征在于，获取若干个频率分量的功率值的过程包括：
基于射频源，所述射频源输出频率经过第一功分器，得到频率分量；基于所述频率分量和电光调制器，通过电谱仪探测电光调制器输出微波信号，得到频率分量的功率值。
5.根据权利要求1所述的马赫－曾德尔调制器自动偏压控制装置，其特征在于，电光调制器若干个工作点包括：电光调制器最大工作点、电光调制器最小工作点和电光调制器线性工作点。
6.根据权利要求1所述的马赫－曾德尔调制器自动偏压控制装置，其特征在于，输出电平信号的过程包括：
基于混频器输出的直流量，经过第三功分器和第四功分器，得到直流分量，所述直流分量分别通过第一比较器和第二比较器，输出高电平信号或低电平信号。
7.根据权利要求1所述的马赫－曾德尔调制器自动偏压控制装置，其特征在于，对所述电平信号对应的偏置电压进行检测判断的过程包括：
若所述偏置电压处于所述阈值区间内，则经过数模转换器输出电压，且反馈回电光调制器的偏压控制口；否则继续调节电光调制器的偏置电压。
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