CN102723998B - 一种延时干涉仪工作点的控制装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种延时干涉仪工作点的控制装置，其包括依次连接的TIA电路，滤波放大电路，误差信号比较电路，积分电路及驱动放大电路，该驱动放大电路输出端连接延时干涉仪的加热电阻，该控制装置还包括有可调直流电压电路与低频信号发生电路，该可调直流电压电路连接该积分电路的输出端，该低频信号发生电路的两输出端分别连接该积分电路输出端与该误差信号比较电路。本发明解决了由于波长的变化或者光功率的波动以及环境温度变化造成了延时干涉仪的工作点发生漂移而使传递的信号产生错误，实现了对延时干涉仪工作点的反馈控制。

Description

一种延时干涉仪工作点的控制装置及其控制方法

技术领域

 本发明有关一种延时干涉仪工作点的控制装置及其控制方法，特别是指一种能使接收的光信号自适应实时控制在最佳点的延时干涉仪工作点的控制装置及其控制方法。

背景技术

在光纤通信领域的高速长距离的传输***中，采用传统的强度调制技术很难达到要求。目前长距传输中普遍采用了相位调制技术，在发射端一般运用了马赫曾德外调制技术，而在接收端采用延时干涉仪（DLI），通过光的干涉将光的相位信息转化成强度信息，完成光的相位解调。对于当前的相位延时干涉仪，大部分都是通过调节内部的Heater（加热电阻）来控制温度的变化，促使延时干涉仪光中心频率的对齐。但是，由于接收光的波长和功率都会存在波动的变化，而直接影响延时干涉仪的解调性能。同样，器件在运行过程中，外部环境温度的变化也会造成光中心频率的慢慢偏离，从而使得延时干涉仪的理想控制点从预设点处产生漂移。当发生严重漂移时，接收到的光信号甚至无法恢复出原有的强度信息，所以必须实现干涉仪工作点的稳定控制。现有技术寻找延时干涉仪工作点速度较慢，而且需要外部***提供反馈信息来控制工作点，设计复杂。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种防止接收光波长和功率的变化，以及环境温度的影响造成延时干涉仪工作点偏移的延时干涉仪工作点的控制装置及其控制方法。

为达到上述目的，本发明提供一种延时干涉仪工作点的控制装置，其包括依次连接的TIA（跨阻放大器）电路，滤波放大电路，误差信号比较电路，积分电路及驱动放大电路，该驱动放大电路输出端连接延时干涉仪的加热电阻，该控制装置还包括有可调直流电压电路与低频信号发生电路，该可调直流电压电路连接该积分电路的输出端，该低频信号发生电路的两输出端分别连接该积分电路输出端与该误差信号比较电路，其中该TIA电路是将平衡探测器高速PD（光电二极管）输出光生电流转化成电压信号；该滤波放大电路是检测出低频信号f成分并放大；该误差信号比较电路检测误差信号的相位信息，并输出相位误差信号；积分电路对相位的误差信号进行积分调节；该可调直流电压电路为直流电压可调节电路，调节延时干涉仪的加热电阻的电压工作范围；该低频信号发生电路的作用是对低频信号幅度调节；该驱动放大电路是用电流信号驱动延时干涉仪的加热电阻。

所述滤波放大电路主要包括有依次连接的无源低通滤波器、比例运放器、带通滤波器、有源低通滤波器，所述平衡探测器高速PD将光信号转化成电流信号，该信号包含了从延时干涉仪加热电阻端口输入的低频信号f成分，所述TIA电路将电流信号转换成可处理电压信号，再经过该无源低通滤波器滤除高频成分，经过该比例运放器将该信号放大通过该带通滤波器再次进行滤波处理，滤除高频和低频的噪声部分，再经该有源低通滤波器得到所述低频信号f。

所述误差信号比较电路包括反相器与相位误差比较器，该反相器的输出端连接该相位误差比较器的输入端，同时该反相器的输入端还直接连接该相位误差比较器的另一输入端，所述低频信号f经过该反相器反相后输入到该相位误差比较器，同时该低频信号f还直接输入到该相位误差比较器，所述低频信号发生电路产生的低频方波信号控制该相位误差比较器的电容开关，来控制是正相输出还是反相输出，该相位误差比较器输出相位误差信号。

该控制装置还包括有复位电路与监控电路，所述积分电路与该复位电路并联连接，所述积分电路的输出端通过该监控电路连接该复位电路，该复位电路完成对延时干涉仪的加热电阻工作电压管脚重置复位，该监控电路主要是对积分电路的输出电压进行监视，超过其工作电压范围，完成复位。

所述复位电路由相连接的窗口比较器与模拟开关芯片组成，其中该模拟开关芯片的一输入端连接所述积分电路的输入端，该模拟开关芯片的输出端连接所述积分电路的输出端，该监控电路连接该窗口比较器的输入端。

该控制装置还包括有可调直流电压电路，该可调直流电压电路连接所述积分电路的输出端，该可调直流电压电路为直流电压可调节电路，调节延时干涉仪的加热电阻的电压工作范围。

所述低频信号发生电路由相连接的单片机和数字电位器组成，该单片机产生低频方波信号，并可调节方波的频率；该数字电位器可以调节方波信号的幅度。

本发明还提供一种延时干涉仪工作点的控制方法，该方法包括：

（1）延时干涉仪接收相位调制的光信号，通过低频信号发生电路产生一个低频方波信号输入到延时干涉仪的加热电阻的控制管脚；

（2）利用平衡探测器高速PD将光信号转换为光电流信号，该光电流信号里包含了所需要控制的低频信号，还包括高频信号部分；

（3）平衡探测器高速PD输出的光电流经过TIA电路转化成放大的电压信号，该电压信号包括了所需要控制的低频部分还有高频噪声以及直流的成分；

（4）该放大的电压信号经过滤波放大电路滤出低频信号与原输入到延时干涉仪的低频信号f进行相位的比较，通过误差相位比较电路得到一个相位误差信号；

（5）积分电路调节该相位误差信号直到输出一个稳定直流信号就是该延时干涉仪的最佳工作点电压；

（6）在积分调节后一级是驱动放大电路，用以保证延时干涉仪的加热电阻的电压工作范围。

所述方法还包括反馈控制步骤，所述积分电路并联连接一复位电路，所述积分电路的输出端通过一监控电路连接该复位电路，该复位电路由相连接的窗口比较器与模拟开关芯片组成，其中该模拟开关芯片的一输入端连接所述积分电路的输入端，该模拟开关芯片的输出端连接所述积分电路的输出端，该监控电路连接该窗口比较器的输入端，在积分电路的输出端，监控电路对其进行采样并输入到窗口比较器中，设定窗口比较器的门限值，当输出电压超过门限值时窗口比较器输出一个开关信号给模拟开关芯片的控制脚，模拟开关芯片输出一个零电平信号到积分电路的输出端使其归零重置，此时从0电平开始重新积分直到找到最佳工作点。

本发明解决了由于波长的变化或者光功率的波动以及环境温度变化造成了延时干涉仪的工作点发生漂移而使传递的信号产生错误，实现了对延时干涉仪工作点的反馈控制。本发明的控制装置电路简洁，采用模拟电路控制，响应速度极快，优于光功率采样控制方案，无须误码信息反馈控制，对于接收的光信号自适应实时控制在最佳点，应用方便。

附图说明

图1为本发明延时干涉仪工作点的控制装置实施例一结构框图；

图2为本发明延时干涉仪工作点的控制装置实施例二结构框图；

图3（a）与图3（b）分别为延时干涉仪最佳工作点相消口、相长口光眼图；

图4为本发明中滤波放大电路的结构框图；

图5为本发明中误差信号比较电路的结构框图；

图6为滤波放大后的检测信号和其反相信号以及输出相位误差信号图；

图7为本发明控制装置中的积分电路、复位电路及监控电路的原理框图；

图8为本发明中低频信号发生电路的结构框图。

具体实施方式

为便于对本发明的结构、方法及达到的效果有进一步的了解，现结合附图并举较佳实施例详细说明如下。

本发明对延时干涉仪的工作点控制在最佳点以便进行光相位的解调，将一个低频方波扰动信号叠加到干涉仪的Heater电压控制输入脚上，由于在叠加了一个扰动信号，Heater的温度会有个微弱的波动，这个波动可以直接反映到高速的光数据信号中去，再通过平衡探测器的PD（Photo-Diode，光电二极管）对光信号进行解调，该解调信号经过检波，滤波放大，信号误差比较，积分调节,驱动放大输出直流控制信号实时寻找延时干涉仪工作点。如图1所示，本发明的延时干涉仪工作点控制装置包括依次连接的TIA（跨阻放大器）电路10，滤波放大电路20，误差信号比较电路30，积分电路40及驱动放大电路80，驱动放大电路80输出端连接延时干涉仪的Heater，该控制装置还包括有低频信号发生电路70，该低频信号发生电路70的两输出端分别连接积分电路40输出端与误差信号比较电路30。如图2所示，本发明的控制装置还包括有复位电路60、监控电路90及可调直流电压电路50，该积分电路40与复位电路60并联，积分电路40的输出端通过监控电路90连接复位电路60，该可调直流电压电路50连接积分电路40输出端。

其中TIA电路10主要是将平衡探测器高速PD输出光生电流转化成电压信号；滤波放大电路20主要是检测出低频信号f成分并放大；误差信号比较电路30检测误差信号的相位信息；积分电路40是对相位的误差信号进行积分调节；可调直流电压电路50：其为直流电压可调节电路，调节Heater电压工作范围；复位电路60完成对Heater工作电压管脚重置复位；低频信号发生电路70的作用是对低频信号幅度调节；驱动放大电路80：由于Heater是加热电阻型，必须用电流信号驱动；监控电路90：主要是对积分电路40的输出电压进行监视，超过其工作电压范围，完成复位。

本发明中，滤波放大电路20主要包括有依次连接的无源低通滤波器201、比例运放器202、带通滤波器203、有源低通滤波器204。如图4所示。其中无源低通滤波器201采用RC电路，根据所要滤波的频率，设计合适的RC值；比例运放器202是由合适的电阻、放大器组成比例放大电路；带通滤波器203是由合适的电阻、电容、放大器组成带通滤波电路；有源低通滤波器204是由合适的电阻、电容、放大器组成低通滤波电路。

滤波放大电路20的具体工作方式为：平衡探测器高速PD将光信号转化成电流信号，该信号包含了从延时干涉仪Heater端口输入的低频信号f成分，TIA电路10将电流信号转换成可处理电压信号，再经过RC无源低通滤波器201滤除高频成分，为了得到较为干净的低频信号，经过比例运放器202将该信号放大通过带通滤波器203再次进行滤波处理，滤除高频和低频的噪声部分，计算出合适的放大增益，放大的信号不能超过运放饱和值，最后再经一级有源低通滤波器204得到低频信号f。

本发明中的误差信号比较电路30包括反相器301与相位误差比较器302。如图5所示，该反相器301的输出端连接相位误差比较器302的输入端，同时反相器301的输入端还直接连接相位误差比较器的另一输入端。其中反相器301是直接选取带宽频率合适的反相器芯片；相位误差比较器302是用开关电容芯片设计。

本发明中的误差信号比较电路30的具体工作方式：经过滤波放大以后的信号是一个干净低频信号f，为了得到该低频信号f与低频信号发生电路70产生的低频信号之间相位差的信息，该低频信号f经过反相器301反相后输入到相位误差比较器302，同时该低频信号f直接输入到相位误差比较器302，此时低频信号发生电路70产生的低频方波信号控制相位误差比较器302的电容开关，来控制是正相输出还是反相输出。如图6所示，示波器反映了相位相反的两路信号输入到相位误差比较器302中，最下方是相位的误差信号输出。

如图7所示，本发明中的积分电路、复位电路、监控电路及可调直流电压电路的原理框图，完成控制电压的输出。其中积分电路40：选取合适放大器、电容组成积分电路；可调直流电压电路50：电位器调节直流电压的大小；复位电路60由相连接的窗口比较器601与模拟开关芯片602组成，其中模拟开关芯片602的一输入端连接积分电路401的输入端，模拟开关芯片602的输出端连接积分电路40的输出端，监控电路90连接窗口比较器601的输入端。监控电路90：选择合适的取样电阻、放大器组成监控电路。

本发明中上述电路的具体工作流程：通过相位误差比较器302输出相位误差信号，该相位误差信号随着延时干涉仪Heater电压变化而变化，当该相位误差信号输入到积分电路40中，积分电路40的输出始终朝某趋势变化直到延时干涉仪处于最佳工作点，此时积分电路40的输入信号趋近为0时，对应积分电路40的输出为一个稳定的直流电压即延时干涉仪最佳工作点。由于延时干涉仪的工作状态随环境变化而变化，它的工作点Heater控制电压也随着变化，但是通过积分电路40的输出电压存在饱和的限制，当达到饱和电压值时就维持不变，另外积分电路40可能先于延时干涉仪的工作，此时平衡探测器高速PD并没有信号输出，积分电路40会积分到它的饱和电压而不再变化，所以设计了复位电路60，首先在积分电路40的输出端，监控电路90对其进行采样并输入到窗口比较器601中，设定窗口比较器601的门限值，当输出电压超过门限值时窗口比较器601输出一个开关信号给模拟开关芯片602的控制脚，模拟开关芯片602输出一个零电平信号到积分电路40的输出端使其归零重置，此时从0电平开始重新积分直到找到最佳工作点，为了确保延时干涉仪的Heater安全电压工作范围，要对积分输出电压进行一定范围的直流偏置，这个要依据Heater可承受的最大功率进行计算。

如图8所示，本发明中的低频信号发生电路70由单片机702和数字电位器701组成，单片机702产生低频方波信号，根据电路设计方案可以调节方波的频率；数字电位器701可以调节方波信号的幅度。本发明中对于方波信号有一定要求：（1）对于抖动信号幅度的大小不能太小，保证其经过PD能够检测出来，也不能太大会影响Heater温度上下波动，造成工作点不稳定；（2）低频信号的频率要保证很小，使延时干涉仪有充分热光响应时间。

利用本发明的控制装置对延时干涉仪工作点控制的方法如下所述：

（1）延时干涉仪接收相位调制的光信号，要在较短时间里寻找到工作点并完成反馈控制，延时干涉仪工作点的寻找是通过低频信号发生电路70产生一个低频方波信号输入到延时干涉仪的Heater控制管脚，当延时干涉仪处于最佳工作点时，对应的干涉输出口光功率处于极值。如图3所示。

（2）包络在光数据信号的低频信号可以实时反映延时干涉仪光中心频率的偏移情况，该控制***就是要对此低频信号进行反馈控制达到稳定工作点的目的，平衡探测器高速PD检测出光电流信号，该光电流信号里包含了所需要控制的低频信号，还包括高频信号部分；

（3）平衡探测器高速PD出来的光电流经过TIA电路10转化成放大的电压信号，该电压信号包括了所需要控制的低频部分还有高频噪声以及直流的成分，所以首先要求搁置直流的成分，滤出所需要的低频部分；

（4）该放大的电压信号经过滤波放大电路20滤出低频信号与原输入到延时干涉仪的低频信号f进行相位的比较，通过误差相位比较电路30得到一个相位误差信号；

（5）积分电路40调节该相位误差信号直到输出一个稳定直流信号就是该延时干涉仪的最佳工作点电压。

（6）在积分调节后一级是驱动放大电路80，保证Heater电压工作范围。

本发明中稳定延时干涉仪工作点的控制装置，是对干涉仪的两个干涉输出口进行光功率监控，通过寻找光功率的极值点来设定干涉仪的控制电压，再通过***反馈的误码信息来实时调节干涉仪的工作点。本发明解决了由于波长的变化或者光功率的波动以及环境温度变化造成了延时干涉仪的工作点发生漂移而使传递的信号产生错误，实现了对延时干涉仪工作点的反馈控制。

本发明的控制装置可以用于相位延时干涉仪工作点的寻找，包括位于干涉相消口和相长口最大点和最小点的控制，整个装置采用硬件电路控制，能及时有效的对光路中的信号进行反馈控制，在上电的同时就可以完成对延时干涉仪工作点的控制，并且在环境变化的情况下保持光信号相对相位不变，达到稳定控制的目的。本发明的控制装置电路简洁，采用模拟电路控制，响应速度极快，优于光功率采样控制方案，无须误码信息反馈控制，对于接收的光信号自适应实时控制在最佳点，应用方便。

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 (9)

1.一种延时干涉仪工作点的控制装置，其特征在于，其包括依次连接的跨阻放大器电路，滤波放大电路，误差信号比较电路，积分电路及驱动放大电路，该驱动放大电路输出端连接延时干涉仪的加热电阻，该控制装置还包括有低频信号发生电路，该低频信号发生电路的两输出端分别连接该积分电路输出端与该误差信号比较电路，其中该跨阻放大器电路是将平衡探测器高速光电二极管输出光生电流转化成电压信号；该滤波放大电路是检测出低频信号f成分并放大；该误差信号比较电路检测误差信号的相位信息，并输出相位误差信号；积分电路对相位的误差信号进行积分调节；该低频信号发生电路的作用是对低频信号幅度调节；该驱动放大电路是用电流信号驱动延时干涉仪的加热电阻；

所述控制装置还包括有可调直流电压电路，该可调直流电压电路为直流电压可调节电路，调节延时干涉仪的加热电阻的电压工作范围。

2.如权利要求1所述的延时干涉仪工作点的控制装置，其特征在于，所述滤波放大电路主要包括有依次连接的无源低通滤波器、比例运放器、带通滤波器、有源低通滤波器，所述平衡探测器高速光电二极管将光信号转化成电流信号，该信号包含了从延时干涉仪加热电阻端口输入的低频信号f成分，所述跨阻放大器电路将电流信号转换成可处理电压信号，再经过该无源低通滤波器滤除高频成分，经过该比例运放器将该信号放大通过该带通滤波器再次进行滤波处理，滤除高频和低频的噪声部分，再经该有源低通滤波器得到所述低频信号f。

3.如权利要求1所述的延时干涉仪工作点的控制装置，其特征在于，所述误差信号比较电路包括反相器与相位误差比较器，该反相器的输出端连接该相位误差比较器的输入端，同时该反相器的输入端还直接连接该相位误差比较器的另一输入端，所述低频信号f经过该反相器反相后输入到该相位误差比较器，同时该低频信号f还直接输入到该相位误差比较器，所述低频信号发生电路产生的低频方波信号控制该相位误差比较器的电容开关，来控制是正相输出还是反相输出，该相位误差比较器输出相位误差信号。

4.如权利要求1所述的延时干涉仪工作点的控制装置，其特征在于，该控制装置还包括有复位电路与监控电路，所述积分电路与该复位电路并联连接，所述积分电路的输出端通过该监控电路连接该复位电路，该复位电路完成对延时干涉仪的加热电阻工作电压管脚重置复位，该监控电路主要是对积分电路的输出电压进行监视，超过其工作电压范围，完成复位。

5.如权利要求4所述的延时干涉仪工作点的控制装置，其特征在于，所述复位电路由相连接的窗口比较器与模拟开关芯片组成，其中该模拟开关芯片的一输入端连接所述积分电路的输入端，该模拟开关芯片的输出端连接所述积分电路的输出端，该监控电路连接该窗口比较器的输入端。

6.如权利要求4所述的延时干涉仪工作点的控制装置，其特征在于所述可调直流电压电路连接所述积分电路的输出端。

7.如权利要求1所述的延时干涉仪工作点的控制装置，其特征在于，所述低频信号发生电路由相连接的单片机和数字电位器组成，该单片机产生低频方波信号，并可调节方波的频率；该数字电位器可以调节方波信号的幅度。

8.一种延时干涉仪工作点的控制方法，其特征在于，该方法包括：

（1）延时干涉仪接收相位调制的光信号，通过低频信号发生电路产生一个低频方波信号输入到延时干涉仪的加热电阻的控制管脚；

（2）利用平衡探测器高速光电二极管将光信号转换为光电流信号，该光电流信号里包含了所需要控制的低频信号，还包括高频信号部分；

（3）平衡探测器高速光电二极管输出的光电流经过跨阻放大器电路转化成放大的电压信号，该电压信号包括了所需要控制的低频部分还有高频噪声以及直流的成分；

（4）该放大的电压信号经过滤波放大电路滤出低频信号与原输入到延时干涉仪的低频信号f进行相位的比较，通过误差相位比较电路得到一个相位误差信号；

（5）积分电路调节该相位误差信号直到输出一个稳定直流信号就是该延时干涉仪的最佳工作点电压；

（6）在积分调节后一级是驱动放大电路，用以保证延时干涉仪的加热电阻的电压工作范围。

9.如权利要求8所述的延时干涉仪工作点的控制方法，其特征在于，所述方法还包括反馈控制步骤，所述积分电路并联连接一复位电路，所述积分电路的输出端通过一监控电路连接该复位电路，该复位电路由相连接的窗口比较器与模拟开关芯片组成，其中该模拟开关芯片的一输入端连接所述积分电路的输入端，该模拟开关芯片的输出端连接所述积分电路的输出端，该监控电路连接该窗口比较器的输入端，在积分电路的输出端，监控电路对其进行采样并输入到窗口比较器中，设定窗口比较器的门限值，当输出电压超过门限值时窗口比较器输出一个开关信号给模拟开关芯片的控制脚，模拟开关芯片输出一个零电平信号到积分电路的输出端使其归零重置，此时从0电平开始重新积分直到找到最佳工作点。