WO2003047143A1 - Procede et appareil pour la modulation de signaux optiques - Google Patents

Description

光通信系统中的光信号调制方法和装置 技术领域

本发明涉及光通信领域， 特别是涉及光通信系统中的光信号调制方 法和装置。 发明背景

随着大容量长距离的密集波分复用 （DWDM )系统的发展， 原有的 采用电吸收（ EA )调制方式的激光发射模块， 因受消光比及啁啾等指标 的限制已不能满足高速长距离的要求。 随着高速马赫 -曾德（MZ )铌酸 锂光调制器的商用， 基于连续波（CW )激光器和 MZ光调制器的光发 射技术已逐渐被广泛应用于光通信系统中。 MZ光调制器的工作原理是 将输入光分成两路相等的信号分别进入调制器的两个光支路。 这两个光 支路采用的材料是电光性材料， 其折射率随外部施加的电信号大小而变 化。 由于光支路的折射率变化会导致信号相位的变化， 当两个支路信号 调制器输出端再次结合在一起时， 合成的光信号将是一个强度大小变化 的干涉信号， 相当于把电信号的变化转换成了光信号的变化， 实现了光 强度的调制。 在这种光发射技术中， 光调制器必须设置在正确的直流偏 置点上， 才能保证高消光比的光调制信号输出， 但光调制器的直流偏置 点艮难稳定， 通常都会随着外界环境的变化而不断变化， 因此需要提供 一种能适时自动控制偏置点的技术。 发明内容

有鉴于此， 本发明的目的是提供一种光通信系统中的光信号调控方 法， 以实现光调制器直流偏置点的实时自动控制， 使其免受外界环境的 影响， 稳定在一点上。

本发明的进一步目的是提供一种光通信系统中的光信号调控装置， 使光调制器的直流偏置点能够稳定在一点上， 输出最大消光比的高速调 制光信号， 以满足高速光通信或模拟光通信对光发射模块的要求。

本发明的一种光通信系统中的光信号调制方法， 包括以下步驟： a. 将微扰信号以调幅形式加载到射频电信号上；

b. 将步驟 a得到的加载 扰的射频电信号加载到光调制器的射频 ( RF )端， 并对光调制器的输入光进行调制， 使输出光增加一个低频微 扰；

c 从光调制器的输出中分离出部分光信号，将其转化成电信号并滤 波放大后， 与步骤 a所述的微扰信号进行同步解调、 滤波积分后转化成 偏置电压；

d. 将步骤 c得到的偏置电压输入至光调制器的偏置电极上， 以使光 调制器的偏置电压稳定在一个偏置点。

该方法步骤 d所述的偏置点取为半功率点。

该方法步骤 d所述的偏置点也可取为零功率点。

本发明的一种光通信系统中的光信号调制装置， 至少包括光调制 器， 其特征在于进一步包括： 调制驱动器、 光功分器和控制电路； 控制 电路产生的微扰电信号在调制驱动器中加载到射频电信号上后从光调 制器的射频端进入， 输入光调制器的信号光经过增加低频扰动的调制处 理后输出至光功分器， 该信号光由光功分器分离出一部分进入控制电 路， 生成光调制器的直流偏置电压， 输入光调制器的偏置电极。

该装置所述的控制电路具体包括：

时钟源， 用于产生微扰信号, 其一个输出端连接调制驱动器， 另一 输出端与同步解调单元的一输入端相连； 微差检测单元， 用于将光功分器输入的光信号转化成电信号并滤波 放大后输入同步解调单元；

同步解调单元， 用于将微差检测单元输入的信号与时钟源发出的微 扰信号进行同步解调后输入偏置形成单元； 直流偏置电压， 送入光调制器的偏置电极。

该装置所述微差检测单元包括检测电路、 预放大电路和滤波放大电 路， 该检测电路、 预放大电路、 滤波放大电路依次顺序连接于光功分器 和同步解调单元之间。

该装置所述偏置形成单元包括滤波电路和积分电路， 该滤波电路的 输出与积分电路的输入相连。

该装置所述同步解调单元为开关电容。

在本发明中， 通过控制电路使光调制器的直流偏置点稳定在一点， 使输出光具有最大的消光比， 由于控制电路能检测出输出光的微差信 号， 并对 ^敫差信号进行积分形成偏置电压， 对调制器的直流偏置点进行 自动调节， 使偏置点稳定在 1/4周期点， 即半功率点上， 因此能使输出 光的消光比稳定在最大。 因为本发明提供的光调制装置的主要功能在于 能自动调节调制器的直流偏置点， 所以该直流偏置点并非一定是指半功 率点， 还可以是零功率点， 或其他任何偏置点。

图 1 光信号调制装置的原理框图；

图 2 光信号调制装置的传输特性曲线；

图 3 鼓差信号产生原理图；

图 4 本发明的光信号调制装置系统框图 图 5 本发明的微差检测单元电路图；

图 6 本发明的偏置形成单元电路图。 实施本发明的方式

下面结合附图及具体实施例对本发明再作进一步详细的说明。 图 1为本发明的一种应用于光发射模块的外调制装置的原理框图， 如图所示， 该外调制装置包括： 光调制器 101、 控制电路 102、 调制驱 动器 103和光功分器 104。 控制电路 102通过产生一个微扰信号并加在 调制驱动器 103的增益控制端上， 使输出光信号产生一低频扰动， 光功 分器 104将输出光分出 3-5%的光功率送至控制电路 102,由控制电路 102 产生一控制偏置点的直流偏置信号， 从而实现调制装置的自动控制。

才艮据不同的应用需求， 可以把直流偏置点控制在 1/4周期点即半功 率点，或零周期点即零功率点上。下面以将偏置点控制在 1/4周期点（半 功率点） 为例进行具体说明。

如图 2所示， 4巴直流偏置点稳定在曲线斜率最陡的 1/4周期点即图 中的 A点上， 从而在输入 RF电信号变化幅度给定的情况下， 可获得最 大峰值的输出光信号。 本发明的基本工作原理是用一个低频微扰信号控 制调制驱动器 103的输出幅度， 并加入到光调制器 101的 RF端， 这样 就对光调制器 101的输入信号加上了一个低频微弱的幅度调制 （AM )。

参见图 3 , 图 3中包络为低频微扰信号， Al、 A2、 Bl、 B2对应图 2中调制器的传输特性曲线上的点 Al、 A2、 Bl、 B2。 在正确偏置的情 况下， 即偏置点稳定在 A点时， 检测出的低频信号的平均值应该是随时 间保持恒定的， 如图 3中的 a图所示， 光输出平均值为一条直线。 而当 偏置点偏离 A点，例如处于图 2中的 B点时，输出光的均值则不再是直 线而成为一个与包络频率一致的误差信号， 如图 3中的 b图所示。 在一 定范围内偏置点偏离 A点越远，误差信号摆幅越大， 也就是说产生的误 差信号的幅度变化反映了调制器偏置点相对于控制点 A点的变化。误差 信号中携带的偏置点偏离 A点的信息在本发明中称为微差信号， 这样， 误差信号可以看作微差信号调幅波， 其载频与加入的 扰信号相同。 用 控制电路 102从误差信号中提出微差信号， 并对微差信号进行积分产生 适当的偏置反馈到光调制器 101的偏置电极上， 从而使偏置点移动， 直 到微差信号为零， 达到偏置点自动稳定的目的。

本发明装置的系统框图如图 4所示， 包括： 调制驱动器 103、 光调 制器 101、 光功分器、 微差检测单元 401、 同步解调单元 402、 偏置形成 单元 403以及时钟源 404。 由图 4可知， 差检测单元 401、 同步解调 单元 402、 偏置形成单元 403和时钟源 404, 共同组成了图 1 中的控制 电路 102。

该装置对光信号的调制过程是： 从时钟源 404发出的 9,6KHz的时 钟信号既作为调制器的微扰， 同时也作为同步解调时钟信号， 微扰信号 从调制驱动器 103的增益控制端进入调制驱动器 103， 与进入调制驱动 器 103的射频电信号混合， 并以调幅的形式调制在 lOGbps的射频电信 号上，然后输出并加载到光调制器 101的 RF端，对进入到光调制器 101 的连续光信号进行调制， 使光信号产生一低频扰动。 输出的光信号通过 一个 3- 5%的光功分器 104分离一部分作为探测光， 其中光功分器 104 可以采用 5: 95的光纤耦合器。 微差检测单元 401将探测光转换成电流 信号并进行滤波放大， 然后在同步解调单元 402中与时钟源 404发送来 的同步解调时钟信号， 即微扰信号进行同步解调， 转化成微差信号， 偏 置形成单元 403再对微差信号进行滤波并积分形成偏置电压， 最后反馈 到光调制器 101的偏置电极， 对光调制器 101的偏置点进行调整， 使其 稳定在半功率点上， 直到微差信号输出为零， 偏置电压则稳定在 1/4周 期点， 即图 1的 A点上。

在本实施例中， 同步解调单元 402可以采用熟知的开关电容， 通过 交替地将信号传递到该开关电容上， 使直流失调量降低到可以忽略。

微差检测单元 401的结构如图 5所示， 包括检测电路 501、 预放大 电路 502和滤波放大电路 503, 检测电路 501由一个 PIN管 504和电阻 R1组成，其作用是将光信号转化成电信号。预放大电路 502是由一个放 大器 Fl、 四个电阻 R2、 R3、 R4、 R5和两个电容 Cl、 C2组成的电流电 压转换高阻预放大电路， 其对电信号进行预放大。 经预放大后的电信号 送至滤波放大电路 503, 进行滤波和进一步放大， 滤波主要是滤去干扰 噪声， 滤波放大电路 503由放大器 F2、 电阻 R7、 R8和电容 C3、 C4組 成。 本实施例中的滤波放大电路 503为一级带通滤波放大电路， 中心滤 波频率取时钟源频率为 9.6KHz,放大倍数可以根据需要确定，本实施例 取 20倍。 根据需要， 还可以采取二级或更多级的带通滤波， 每一级的 中心滤波频率均取时钟源频率为 9.6KHz。经过带通滤波后，干扰噪声等 已去除， 得到了充分放大的携带有偏置点 差信号的调幅波。

如图 5所示， 微差检测单元 401 中最关键的器件是运算放大器 F1 和 F2, 要求具有高输入阻抗， 低失调电压， 低噪声等特点。 特别是电路 中的第一级高阻预放大电路 502中的运算放大器 F1很重要， 选用的运 算放大器 F1要求具有低偏置电流、 低噪声特性； 同时 PIN管 504负载 电阻 R1 的选择要根据流过的平均光电流产生的热噪声来计算， 这里推 荐选用 1K欧姆。 为了抑制交流噪声， 带通滤波放大电路 503采用窄带 滤波， 同时为保证微差与参考时钟的同步， 带通的 Q值选择使聚集在交 流通路上的相差最小， 本电路的设计增益为 20， Q值为 5。 另外， 为了 避免参考时钟信号串入滤波放大电路 503, 可以采用单独的电源供电， 如图 5所示，同时还要保证 PI 管 504与电阻 R1的正确位置，这样 PIN 管 504可起到隔离电源串扰的作用。

经同步解调单元 402解调出的微差信号再经过偏置形成单元 403积 分形成偏置电压。 本实施例中的偏置形成单元 403由滤波电路 601和一 个积分电路 602组成，如图 6所示。滤波电路 601为二阶低通滤波电路， 包括两个接地的电容 C5、 C6和电阻 R9， 积分电路 602包括一个放大器 F3、 电容 C7和两个电阻 R10、 Rll。 经同步解调单元 402解调出的微差 信号， 在偏置形成单元 403中， 经滤波电路 601滤除高频噪声， 然后送 入积分电路 602， 4巴 差信号转换为调制器直流偏置电压。积分电路 602 需要很高的灵敏度， 同时积分时间常数不宜过大， 因此积分电容 C7选 为 O.luF较为合适。 此外， 积分电路 602决定了整个环路的带宽， 控制 部分的带宽 4艮窄， 在通常情况下不超过 l.OHz, 因为过高的环路带宽将 在控制点增加均方才艮 ( RMS )噪声， 但当环路的带宽低于 l.OHz时就要 很长的时间才能稳定在偏置点， 因此如果环路带宽过低， 响应过于缓慢 将无法有效控制偏置点的变化。

以上所述， 仅为本发明的较佳实施例而已 , 并非用于限定本发明的 保护范围。

Claims

权利要求书

1、 一种光通信系统中的光信号调制方法， 其特征在于包括以下步 骤：

a. 将微扰信号以调幅形式加载到射频电信号上；

b. 将步骤 a得到的加载微扰的射频电信号加载到光调制器的射频 ( RF )端， 并对光调制器的输入光进行调制， 使输出光增加一个低频微 扰；

c 从光调制器的输出中分离出部分光信号，将其转化成电信号并滤 波放大后， 与步驟 a所述的微扰信号进行同步解调、 滤波积分后转化成 偏置电压；

d. 将步骤 c得到的偏置电压输入至光调制器的偏置电极上， 以使光 调制器的偏置电压稳定在一个偏置点。

2、 根据权利要求 1所述方法， 其特征在于： 步骤 d所述的偏置点 取为半功率点。

3、 根据权利要求 1所述方法， 其特征在于： 步骤 d所述的偏置点 取为零功率点。

4、 一种光通信系统中的光信号调制装置， 至少包括光调制器， 其 特征在于进一步包括： 调制驱动器、 光功分器和控制电路； 控制电路产 生的微扰电信号在调制驱动器中加载到射频电信号上后从光调制器的 射频端进入， 输入光调制器的信号光经过增加 <频扰动的调制处理后输 出至光功分器， 该信号光由光功分器分离出一部分进入控制电路， 生成 光调制器的直流偏置电压， 输入光调制器的偏置电极。

5、 根据权利要求 4所述的装置， 其特征在于所述的控制电路包括: 时钟源， 用于产生微扰信号， 其一个输出端连接调制驱动器， 另一 输出端与同步解调单元的一输入端相连； 微差检测单元， 用于将光功分器输入的光信号转化成电信号并滤波 放大后输入同步解调单元；

同步解调单元， 用于将微差检测单元输入的信号与时钟源发出的微 扰信号进行同步解调后输入偏置形成单元；

偏置形成单元， 用于将同步解调单元的滤波积分转化为光调制器的 直流偏置电压， 送入光调制器的偏置电极。

6、 根据权利要求 5 所述的光信号调制装置， 其特征在于所述微差 检测单元包括检测电路、 预放大电路和滤波放大电路， 该检测电路、 预 放大电路、 滤波放大电路依次顺序连接于光功分器和同步解调单元之 间。

7、 根据权利要求 5 所述的光信号调制装置， 其特征在于： 所述偏 置形成单元包括滤波电路和积分电路， 该滤波电路的输出与积分电路的 输入相连。

8、 根据权利要求 5 所述的光信号调制装置， 其特征在于： 所述同 步解调单元为开关电容。