CN117134832A - 一种微环调制器最佳调制点搜寻系统及其反馈控制装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种硅基微环的最佳调制点搜寻系统及其反馈控制装置。该系统包括：伪随机序列生成模块、信号重映射模块、静态传输曲线导入模块、信号调制模块、噪声引入模块、接收带宽限制模块以及误码判决模块。所述的最佳调制点搜寻系统创新性地使用误码率作为衡量标准，结合微环调制器实测静态传输曲线，综合考量多个影响调制效果的因素，确立反馈控制装置需锁定的最佳调制点。反馈控制装置使用光电二极管、数字电位计、电压比较器、微控制器以及电压输出模块。所述搜寻系统确定最佳调制点，计算该点位置信息并发送至微控制器，进而控制数字电位计、电压比较器和电压输出模块完成反馈控制。
Description
技术领域
本发明属于调制器检测和控制领域，涉及一种微环调制器最佳调制点搜寻系统及其反馈控制装置。
背景技术
随着现代信息技术快速发展，数据通信的流量和带宽亟需得到提高。传统的电子技术受到电互连物理层面限制，在功耗、延时、散热和带宽等方面均无法满足高通量数据交换的应用要求。光互连技术的出现突破了电传输的性能瓶颈，但是由于硅基对于温度改变的高敏感性，使得在一个高度集成的大规模光子器件系统中，相邻器件的一个瞬态热负载或者周围环境温度的缓慢升高都可能导致器件工作状态的改变。
微环调制器是硅光子学中实现在光域产生超高频RF信号的重要器件。它同样易受温度影响导致器件特性改变，使得RF信号调制效果恶化。幸运的是，我们可以通过反馈控制的方式控制微环器件的温度，锁定微环的调制工作位置，使其满足使用要求。不过在光链路中，激光器源输出波动以及链路插入损耗变化均会导致监测点平均光功率波动，从而导致反馈控制的锁定点同样不稳定。
另一方面，如何确立微环调制器的最佳调制点在相关研究领域中并无统一标准。现有技术大部分以光调制幅值最大处作为最佳调制点，另还有取微环传输曲线斜率最大处或是依据线性度指标——级别分离不匹配率确立等等。影响微环调制器最终调制效果的因素包括光调制幅值，传输曲线为洛伦兹线型带来的静态非线性失真、动态响应带来的动态非线性失真。现有技术基本只考虑其中的某一方面因素，并无综合考虑所有影响。因此，找到一个衡量标准能综合考量多个因素，并依据其建立一个可搜寻得最佳调制点的模型对于微环调制器的反馈控制系统来说十分关键。
发明内容
针对现有技术缺陷，本发明提供一种微环调制器最佳调制点搜寻系统及其反馈控制装置。所述的最佳调制点搜寻系统创新性地使用误码率作为衡量标准，结合微环调制器实测静态传输曲线，综合考量多个影响调制效果的因素，确立反馈控制系统需锁定的最佳调制点。另外，进一步结合设计的外部反馈控制装置，实现对最佳调制点的锁定。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
本发明首先提供了一种硅基微环的最佳调制点搜寻系统，其包括：
伪随机序列生成模块，用于生成发射端调制信号的数字码流；
信号重映射模块，用于把伪随机序列生成模块生成的数字码流的二阶信号重映射为PAM4四阶信号
静态传输曲线导入模块，用于将微环调制器各阶调制电压下的静态传输曲线导入搜寻系统并进行曲线拟合；
信号调制模块，用于将重映射后的符号序列依据拟合后的静态传输曲线调制为功率信号流；
噪声引入模块，用于向信号调制模块调制后的功率信号流中引入高斯白噪声，干扰信号传输；
接收带宽限制模块，包含数字滤波器，用于限制接收端带宽；
误码判决模块，用于接收端接收并判决接收带宽限制模块输出的信号，得到最终误码率结果；
所述微环调制器最佳调制点搜寻系统扫描搜寻区域内的光载波工作波长，在各工作波长下依次经由上述模块；扫描得到与波长相关的误码率特性曲线，搜寻得到的误码率最小处即为最佳调制点。
本发明还提供了一种基于所述搜寻系统的反馈控制装置，其包括：
两个光电二极管PD，两个光电二极管分别设置在微环调制器的输入端和输出端，分别用于提取微环调制器在传输曲线平带和调制点处光功率信息；其中，输入端提取得的光功率信息进入通道1，输出端提取得的光功率信息进入通道2；两处光功率之比可用于确定当前调制点位置，且比值免疫光功率波动；
数字电位计DP，用于把光电二极管PD输出的电流形式的监测信号转为电压形式；用于设置反馈电路锁定的工作波长位置；
电压比较器VC，用于采样两路通道的监测信号，当通道1电压大于通道2电压时，电压比较器输出的增量变化信息为1；当通道1电压小于通道2电压时，电压比较器输出的增量变化信息为0；
微控制器MCU，用于控制数字电位计的增益倍数，控制电源输出模块的输出电压；
电压输出模块，根据微控制器输出的调控信号，输出稳定的驱动电压信号施加于集成在微环调制器内的热电极上。
作为本发明的优选方案，所述微控制器接收到电压比较器输出的增量变化信息后，相应地增加或减小反馈调控信号，并以数字信号形式输出至电压输出模块；
微控制器接收来自搜寻系统的最佳调制点搜寻结果，最佳调制点位置可用微环调制器在传输曲线平带和最佳调制点处光功率之比进行描述；微控制器将两个通道上数字电位计阻值之比R2/R1设置为前述的光功率之比，同时输出时钟信号至电压比较器进行采样；电压输出模块根据微控制器输出的调控信号，输出稳定的驱动电压信号施加于集成在微环调制器内的热电极上，所述热电极用于调谐微环调制器的调制点位置。
作为本发明的优选方案，所述的比较器采用时控比较器，时钟信号由微控制器输出，时钟频率与采样速率相关；所述的微控制器为单片机或用FPGA实现；所述的电压输出模块包含一个数模转换器DAC，DAC输出电压经过整流和放大电路后输出。
与现有技术相比，本发明所述搜寻系统相较以往研究方案，最佳调制点搜寻结果会随实测微环、偏置电压、调制幅值和数据传输速率变化而进行调整，是具备更强适应性的个性化考量方案。除此之外，系统搜寻结果可结合反馈控制装置实现在最佳调制点的锁定。所述的反馈控制装置可抵抗由激光器源输出波动以及链路插入损耗变化带来的光功率波动，提高反馈控制的稳定性。整体系统及装置独立于微环调制器以外，可以做成电芯片，与光芯片共封装，实时监测调整微环调制器的工作位置。
附图说明
图1是本发明硅基微环的最佳调制点搜寻系统的原理框图。
图2是搜寻模型中接收带宽限制模块具体流程图。
图3是本发明整体反馈控制装置的原理框图和测试框图。
图4是系统基于某个微环，在光载波输入功率为0dBm时加入-35dBW高斯白噪声的最佳调制点搜寻结果。
具体实施方式
下面结合附图和实例对本发明做进一步阐述和说明。
如图1所示为本发明硅基微环的最佳调制点搜寻系统的原理框图，该系统采用误码率作为衡量指标，用以实现本发明的最佳调制点搜寻方法。本发明系统建立思路取自实际信号调制、传输、接收过程。本发明系统包括伪随机序列生成模块、信号重映射模块、静态传输曲线导入模块、信号调制模块、噪声引入模块、接收带宽限制模块以及误码判决模块。
其中伪随机序列生成模块用于生成发射端调制信号的数字码流。该数字码流的具体码型为伪随机比特序列(PRBS)，这种码型与真实链路的数据传输情况最为接近，具备生成接近“随机数据”的特性。数字码流的序列长度需进行先验测试确认，具体测试流程：随机设置序列长度，在该序列长度下重复生成多个PRBS，将每次生成结果通过本发明的硅基微环的最佳调制点搜寻系统进行单次误码率计算(搜寻系统的所有参数均不变)，误码率计算结果间进行比对，若测试结果偏差在1e-3量级以内则该序列长度满足实验要求，可作为数字码流的序列长度。
信号重映射模块用于把伪随机序列生成模块生成的数字码流的二阶信号重映射为PAM4四阶信号。本发明中硅基微环(微环调制器)选择PAM4调制方式，PAM4采用四个不同的信号电平来进行信号传输，四个信号电平分别表征0、1、2、3四个PAM4符号，每个符号包含2bit的数字码流逻辑信息，因此需对伪随机序列生成模块生成的数字码流进行重映射。数字码流以2bit为一组进行分配，共存在四种2bit分配情况：00、01、10、11。2bit配对与PAM4符号的对应关系为00-0、01-1、10-2、11-3，信号重映射模块中，配对序列依据上述对应关系完成重映射得到符号序列。
静态传输曲线导入模块，用于将微环调制器各阶调制电压下的静态传输曲线导入本发明的最佳调制点搜寻系统，并进行曲线拟合。所述的静态传输曲线为微环调制器实测结果，共需导入四条静态传输曲线，分别为在实际调制过程中四阶电压下工作的微环静态传输曲线。四条微环静态传输曲线导入后各自进行拟合平滑化，得到四条拟合后的静态传输曲线，拟合曲线类型为洛伦兹线型。
信号调制模块用于将重映射后的符号序列依据拟合后的静态传输曲线调制为功率信号流。信号调制模块的输入参数为重映射后的PAM4信号流和拟合后的四条静态传输曲线。在该模块中，本发明的最佳调制点搜寻系统确立该次误码率计算的调制点，并完成将PAM4信号转换为静态传输曲线在该点处对应的功率大小，模拟调制过程，最终输出结果为调制后的功率信号流。
噪声引入模块，用于向信号调制模块调制后的功率信号流中引入高斯白噪声，干扰信号传输。叠加高斯白噪声的作用在于体现各调制点下调制信号的抗干扰能力，最终使用误码率指标量化其强弱。高斯白噪声功率设置同样需要先验测试确认：随机设置加入噪声的功率，生成叠加噪声后的功率信号流并通过本发明的最佳调制点搜寻系统对搜寻区域内所有采样点(各调制点)均进行误码率仿真，若搜寻区域内各处误码率测试结果均大于0则该功率强度满足实验要求。
接收带宽限制模块包含数字滤波器，用于限制接收端带宽。接收带宽限制模块具体流程如图2所示，接收带宽存在限制会对不同传输速率下的调制效果产生差异化影响，进而本发明的最佳调制点搜寻系统可根据速率信息找到不同位置的最佳调制点。叠加噪声后的功率信号流为序列信号，不附带速率信息，因此在该模块中需先将每一比特位扩展为长码元，若传输速率为Rb(bit/s)，采样率为fs，则每个码元扩展点数N为：
扩展后信号流中已加入速率信息，通过限制带宽的数字滤波器后得到滤波结果。信号经过数字滤波器后必然会发生时域上的相位滞后，因此需舍弃开头Na个采样点，Na数值依据数字滤波器的阶数Nord确定。
滤波结果实现对齐后，将长码元信号进行降采样还原为序列信号，得到接收端最终接收到的信号。
误码判决模块用于接收端接收并判决接收带宽限制层输出的信号，得到最终误码率结果。误码判决模块为模型末层，是本发明的最佳调制点搜寻系统中调制信号的接收端。其首先计算接收信号的判断阈值。接收带宽限制模块输出的序列信号单位为毫瓦，判断阈值为每两阶相邻符号对应功率的平均值，例如：符号0与符号1对应功率分别为P0和P1，则判决阈值Pth1＝(P0+P1)/2。计算得三个判决阈值Pth1、Pth2、Pth3后，接收端判决功率序列信号的逻辑如下：当接收信号功率PRX<Pth1，则此PAM4符号为0；当Pth1<PRX<Pth2，此PAM4符号为1；当Pth2<PRX<Pth3，此PAM4符号为2；；当Pth3<PRX，此PAM4符号为3。接收并判决后得到的PAM4信号流依据信号重映射模块的映射规则，还原为数字码流后与发送端的码流进行比对，计算得误码率。
完成误码判决计算得误码率后，本发明的最佳调制点搜寻系统改变调制点位置进行下一个调制点的仿真计算，最终轮扫完定义的搜寻区域后，确定误码率最小值处为最佳调制点。
本发明结合最佳调制点搜寻模型实现的抗功率波动锁定的反馈控制系统，具体如图3所示：
主体控制部分包括两个光电二极管PD、数字电位计DP、电压比较器VC、微控制器MCU、上位机以及电压输出模块。
其中，两个光电二极管分别设置在微环调制器的输入端和输出端，两处均由光耦合器耦合出1％光功率进入光电二极管，分别用于提取微环调制器在传输曲线平带和调制点处光功率信息。其中，输入端提取得的光功率信息进入通道1，输出端提取得的光功率信息进入通道2。两处光功率之比可用于确定当前调制点位置，且比值免疫光功率波动。
数字电位计用于把光电二极管输出的电流形式的监测信号转为电压形式，同时还用于设置反馈电路锁定的工作波长位置，锁定原理的具体公式如下所示：
其中γavg为锁定点处微环传输响应，I1和I2分别是通道1和通道2的光电流，R1和R2分别是通道1和通道2上数字电位计设置的阻值大小。光电流比值表示当前调制点位置，数字电位计阻值反比则表示目标调制点位置，两者相等时，反馈电压保持稳定且锁定成功。
电压比较器用于采样两路通道的监测信号，当通道1电压大于通道2电压时，电压比较器输出的增量变化信息为1；当通道1电压小于通道2电压时，电压比较器输出的增量变化信息为0。
微控制器接收到电压比较器输出的增量变化信息后，相应地增加或减小反馈调控信号，并以数字信号形式输出至电压输出模块。另外，微控制器接收来自搜寻系统的最佳调制点搜寻结果，最佳调制点位置可用微环调制器在传输曲线平带和最佳调制点处光功率之比进行描述。微控制器将两个数字电位计阻值之比R2/R1设置为前述的光功率之比，同时输出时钟信号至电压比较器进行采样。电压输出模块根据微控制器输出的调控信号，输出稳定的驱动电压信号施加于集成在微环调制器内的热电极上(热电极用于调谐微环调制器的调制点位置)。
图3所示的整体反馈控制系统还包括测试链路部分。微环调制器使用时输出至实际应用光网络，测试验证最佳调制点搜寻模型及其反馈控制系统时则输出至测试系统。测试端首先接至低噪放掺铒光纤放大器补偿分光后损失的光功率，随后接至高速光电探测器将光载波上的调制信号下变频解调为电信号，最后接至采样示波器或误码仪，测量实际经历调制、传输、接收得到的信号质量或是误码率。测试结果可验证本发明搭建的最佳调制点搜寻模型的准确性。
图3虚线框外部链路为实际应用中发送端的高速信号调制光载波链路。码型发生器用于产生高速码型信号，信号经过微波放大器放大至合适的调制幅值后，在直流偏置器处与直流电压源输出的直流电压相加，最后通过探针作为调制信号施加于微环调制器。光链路部分激光源输出激光，偏振控制器控制激光在单模光纤中的偏振态，随后激光输入微环调制器作为光载波。信号调制在光载波上后，输出至测试系统或是实际应用光网络。
图4是本发明所述模型的仿真结果，图中的四条洛伦兹线型是微环调制器在四阶电压下工作的拟合后的静态传输曲线，带有注释的两条曲线分别为误码率(BER)结果曲线与误符号率(SER)结果曲线。从图中可以看到模型轮扫搜寻区域后得到误码率在微环谐振侧先单调下降后急速上升，在区域内存在最小值，该点即为仿真得到的最佳调制点。根据该点位置，设置两个数字电位计阻值之比为前述最佳调制点处光功率之比即可实现在最佳调制点处锁定。
过往已有技术基本以输出端平均光功率最小值处作为最佳调制点进行锁定，该点处于微环静态传输曲线的谐振波长附近，偏移量限制于数皮米内，然而实际应用中存在微环调制器最佳调制点位于该范围之外的情况。本发明的最佳调制点搜寻系统将搜寻范围扩大至谐振波长一侧偏移纳米量级至谐振波长处，通过调制信号接收误码率作为衡量标准寻得此范围内的最佳调制点，以确保微环调制器工作在该点为实际应用时调制效果最佳。另外，平均光功率最小值位置不会随调制信号的速率变化而变化，因此已有技术锁定的目标调制位置也不受调制信号速率影响，这与接收端存在带宽限制的实际应用情况相悖。本发明的最佳调制点搜寻系统的接收带宽限制层包含数字滤波器，以对接收带宽进行限制，因此模型搜寻的最佳调制点会根据实际应用中的信号速率改变，使得微环调制器在不同信号速率下都可工作在最佳调制点。
以上所述实例了本方案的一种实施方式，此外，通过改变MCU的控制算法和DAC的输出量，结合其他调制器如串联并联MZM调制器，也可以采用本方案。需要注意，本方案的一些细节在实际应用中可能会有所改变，基于该发明的大体框架下，做出的改进或者调整仍属于本发明专利的限制之中。本发明的保护范围以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种微环调制器最佳调制点搜寻系统，其特征在于包括：
伪随机序列生成模块，用于生成发射端调制信号的数字码流；
信号重映射模块，用于把伪随机序列生成模块生成的数字码流的二阶信号重映射为PAM4四阶信号
静态传输曲线导入模块，用于将微环调制器各阶调制电压下的静态传输曲线导入搜寻系统并进行曲线拟合；
信号调制模块，用于将重映射后的符号序列依据拟合后的静态传输曲线调制为功率信号流；
噪声引入模块，用于向信号调制模块调制后的功率信号流中引入高斯白噪声，干扰信号传输；
接收带宽限制模块，包含数字滤波器，用于限制接收端带宽；
误码判决模块，用于接收端接收并判决接收带宽限制模块输出的信号，得到最终误码率结果；
所述微环调制器最佳调制点搜寻系统扫描搜寻区域内的光载波工作波长，在各工作波长下依次经由上述模块；扫描得到与波长相关的误码率特性曲线，搜寻得到的误码率最小处即为最佳调制点。
2.根据权利要求1所述的微环调制器最佳调制点搜寻系统，其特征在于，所述的伪随机序列生成模块生成的数字码流的码型为伪随机比特序列(PRBS)；。
数字码流的序列长度需进行先验测试确认，具体测试流程为：随机设置序列长度，在该序列长度下重复生成多个PRBS，将每次生成结果通过所述微环调制器最佳调制点搜寻系统进行单次误码率计算，其中，所述搜寻系统的所有参数均不变；误码率计算结果间进行比对，若测试结果偏差在1e-3量级以内则该序列长度满足要求，可作为数字码流的序列长度。
3.根据权利要求1所述的微环调制器最佳调制点搜寻系统，其特征在于，所述硅基微环选择PAM4调制方式，PAM4采用四个不同的信号电平来进行信号传输，四个信号电平分别表征0、1、2、3四个PAM4符号，每个符号包含2bit的数字码流逻辑信息，因此需对伪随机序列生成层生成的数字码流进行重映射；数字码流以2bit为一组进行分配，共存在四种2bit分配情况：00、01、10、11；2bit配对与PAM4符号的对应关系为00-0、01-1、10-2、11-3，信号重映射模块中，配对序列依据所述对应关系完成重映射得到符号序列。
4.根据权利要求1所述的微环调制器最佳调制点搜寻系统，其特征在于，所述静态传输曲线导入模块导入的静态传输曲线为硅基微环实测结果，共需导入四条静态传输曲线，分别为在实际调制过程中四阶电压下工作的微环静态传输曲线；四条微环静态传输曲线导入后各自进行拟合平滑化，得到四条拟合后的静态传输曲线，拟合曲线类型为洛伦兹线型。
5.根据权利要求1所述的微环调制器最佳调制点搜寻系统，其特征在于，所述信号调制模块的输入参数为重映射后的PAM4信号流和拟合后的四条静态传输曲线，在该模块中，搜寻系统确立该次误码率计算的调制点，并完成将PAM4信号转换为静态传输曲线在该点处对应的功率大小，模拟调制过程，最终输出结果为调制后的功率信号流。
6.根据权利要求1所述的微环调制器最佳调制点搜寻模型，其特征在于，所述的噪声引入模块引入的高斯白噪声的功率需要先验测试确认：随机设置加入噪声的功率，生成叠加噪声后的功率信号流并通过搜寻系统对搜寻区域内所有采样点均进行误码率仿真，若搜寻区域内各处误码率测试结果均大于0则该功率强度满足要求。
7.根据权利要求1所述的微环调制器最佳调制点搜寻系统，其特征在于，所述接收带宽限制模块具体流程为：
由于叠加噪声后的功率信号流为序列信号，不附带速率信息，因此在接收带宽限制模块中，先将每一比特位扩展为长码元，若传输速率为Rb，采样率为fs，则每个码元扩展点数N为：
扩展后信号流中已加入速率信息，通过限制带宽的数字滤波器后得到滤波结果；信号经过数字滤波器后必然会发生时域上的相位滞后，因此需舍弃开头Na个采样点，Na数值依据数字滤波器的阶数Nord确定：
滤波结果实现对齐后，将长码元信号进行降采样还原为序列信号，得到接收端最终接收到的信号。
8.一种基于权利要求1所述搜寻系统的反馈控制装置，其特征在于包括：
两个光电二极管PD，两个光电二极管分别设置在微环调制器的输入端和输出端，分别用于提取微环调制器在传输曲线平带和调制点处光功率信息；其中，输入端提取得的光功率信息进入通道1，输出端提取得的光功率信息进入通道2；两处光功率之比可用于确定当前调制点位置，且比值免疫光功率波动；
数字电位计DP，用于把光电二极管PD输出的电流形式的监测信号转为电压形式；用于设置反馈电路锁定的工作波长位置；
电压比较器VC，用于采样两路通道的监测信号，当通道1电压大于通道2电压时，电压比较器输出的增量变化信息为1；当通道1电压小于通道2电压时，电压比较器输出的增量变化信息为0；
微控制器MCU，用于控制数字电位计的增益倍数，控制电源输出模块的输出电压；
电压输出模块，根据微控制器输出的调控信号，输出稳定的驱动电压信号施加于集成在微环调制器内的热电极上。
9.根据权利要求8所述的反馈控制装置，其特征在于，所述微控制器接收到电压比较器输出的增量变化信息后，相应地增加或减小反馈调控信号，并以数字信号形式输出至电压输出模块；
微控制器接收来自搜寻系统的最佳调制点搜寻结果，最佳调制点位置可用微环调制器在传输曲线平带和最佳调制点处光功率之比进行描述；微控制器将两个通道上数字电位计阻值之比R2/R1设置为前述的光功率之比，同时输出时钟信号至电压比较器进行采样；电压输出模块根据微控制器输出的调控信号，输出稳定的驱动电压信号施加于集成在微环调制器内的热电极上，所述热电极用于调谐微环调制器的调制点位置。
10.根据权利要求9所述的反馈控制装置，其特征在于，所述的比较器采用时控比较器，时钟信号由微控制器输出，时钟频率与采样速率相关；所述的微控制器为单片机或用FPGA实现；所述的电压输出模块包含一个数模转换器DAC，DAC输出电压经过整流和放大电路后输出。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310971094.6A CN117134832A (zh) | 2023-08-03 | 2023-08-03 | 一种微环调制器最佳调制点搜寻系统及其反馈控制装置 |
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| CN202310971094.6A CN117134832A (zh) | 2023-08-03 | 2023-08-03 | 一种微环调制器最佳调制点搜寻系统及其反馈控制装置 |
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| CN117134832A true CN117134832A (zh) | 2023-11-28 |
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ID=88851883
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| CN (1) | CN117134832A (zh) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117452175A (zh) * | 2023-12-20 | 2024-01-26 | 国科大杭州高等研究院 | 一种用于半导体光电器件微区带宽测试系统及方法 |
| CN118138141A (zh) * | 2024-05-06 | 2024-06-04 | 浙江大学 | 一种微环调制器在pam4调制下的波长搜索及锁定系统 |
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2023
- 2023-08-03 CN CN202310971094.6A patent/CN117134832A/zh active Pending
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