CN103595482B - 适用于双偏振iq调制器的偏压控制装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于双偏振IQ调制器的偏压控制装置及方法,涉及光信号调制领域,该偏压控制装置包括顺次相连的光耦合器、光电探测器、ADC和FPGA芯片,FPGA芯片分别与第一DAC、第二DAC、第三DAC、第四DAC、第五DAC、第六DAC相连,通过DAC控制调制器的偏压。本发明提出的方法首先是通过最小化调制器的输出光功率确定IQ偏置电压的初值,然后在IQ的偏置电压上分别叠加低频低幅抖动信号,通过迭代算法实现IQ偏置电压和相差偏置电压的精确控制。
Description
技术领域
本发明涉及光信号调制领域,特别是涉及一种适用于双偏振IQ调制器的偏压控制装置及方法。
背景技术
目前,光通信正朝着更高速率,更大容量的方向不断发展,在高速光发射机中,光信号的调制通常需要采用基于MZM(Mach-ZehnderModulator,马赫-曾德调制器)的双偏振光IQ(In-phaseQuadrature)调制器。然而,光IQ调制器本身容易受一些环境因素例如温度等影响,从而导致其静态工作点发生偏移,使得***性能劣化。为了保证信号质量的稳定,不影响***性能,需要对IQ调制器两个偏振臂的偏压同时进行监测和控制,使两个偏振臂都工作在最佳静态工作点上。目前在这方面已有不少研究,例如,在调制器的两偏振臂外加不同频率微扰信号,在接收端滤出差频信号,调节偏置电压最小化差频信号。对于单载波***还可以采取微分相位信息进行偏压控制。
随着100G、400G乃至更高速光通信需求的发展,O-OFDM(OpticalOrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing,光正交频分复用)技术有更广泛的应用前景。然而,适用于OFDM(OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing,正交频分复用)***的偏压控制研究目前还比较少,而对双偏振调制器的研究几乎没有。在理论上,可以通过检测OFDM调制信号的输出光信号功率来控制偏压,但在实际应用中,最佳静态工作点附近的光功率变化不明显,器件噪声产生的影响足以致使工作点偏离最佳点,导致***性能劣化。
发明内容
本发明的目的是为了克服上述背景技术的不足,提供一种适用于双偏振IQ调制器的偏压控制装置及方法,在IQ的偏置电压上分别叠加低频低幅抖动信号,通过迭代算法实现IQ偏置电压和相差偏置电压的精确控制。
本发明提供一种适用于双偏振IQ调制器的偏压控制装置,所述双偏振IQ调制器包括X偏振臂、Y偏振臂、第一MZM、第二MZM、第三MZM、第四MZM、第一光移相器和第二光移相器,X偏振臂、Y偏振臂均包括I路和Q路,所述X偏振臂的I路上有第一MZM,X偏振臂的Q路上有第二MZM和第一光移相器,Y偏振臂的I路上有第三MZM,Y偏振臂的Q路上有第四MZM和第二光移相器,所述偏压控制装置包括分光比为95:5的光耦合器、光电探测器、ADC、FPGA芯片、第一DAC、第二DAC、第三DAC、第四DAC、第五DAC、第六DAC,光耦合器的输入端与双偏振IQ调制器的输出端相连,光耦合器输出的5%信号进入光电探测器,光电探测器通过ADC与FPGA芯片相连,FPGA芯片分别与第一DAC、第二DAC、第三DAC、第四DAC、第五DAC、第六DAC相连,第一DAC与第一MZM相连,第二DAC与第一光移相器相连,第三DAC与第二MZM相连,第四DAC与第二光移相器相连,第五DAC与第三MZM相连,第六DAC与第四MZM相连,FPGA芯片通过第一DAC、第二DAC、第三DAC、第四DAC、第五DAC、第六DAC控制双偏振IQ调制器的偏压。
本发明还提供基于上述装置的适用于双偏振IQ调制器的偏压控制方法,包括以下步骤:
首先,通过最小化双偏振IQ调制器的输出光功率确定IQ偏置电压的初值,然后在I、Q两路直流偏置上分别引入低频低幅抖动信号Vdithcos(ωditht)和Vdithsin(ωditht),Vdith是抖动信号的电压幅度,ωdith是抖动信号的电压变化的频率,两者都是电压,前者是余弦变化的,后者是正弦变化的,这两个信号相差90度,t是时间变量,采取时分复用的工作方式,在第一时隙将低频抖动加到X偏振臂的I、Q两端进行控制,在第二时隙加到Y偏振臂的I、Q两端进行控制;引入的这两个抖动信号在输出光信号上叠加频率为ωdith和2ωdith的两个分量,当IQ相位差φIQ=π2时,2ωdith分量达到最小值,此时I路信号和Q路信号相互正交;当IQ两路的偏置电压均达到最佳值时,ωdith分量达到最小值;
在通过最小化输出光功率Po获取偏置电压的概值之后,进一步最小化输出信号的ωdith和2ωdith分量来获取偏置电压的精确值:在偏离最佳偏置电压的两侧,ωdith和2ωdith都呈现增大的趋势,在根据输出光功率Po获取了偏置电压的概值之后,以某一步进值先增大后减小偏置电压,对应的ωdith也会呈现先增大后减小,或是先减小后增大这两种变化情况,此时取ωdith减小对应的偏置电压作为新的偏置电压,并反复迭代这一过程,最终得到ωdith最小值对应的偏置电压,即为最佳偏置电压;同样的,采用这种迭代算法最小化2ωdith,得到最佳的IQ相差偏置电压。
在上述技术方案的基础上,所述偏压控制方法具体包括以下步骤:
首先,双偏振IQ调制器将入射的连续光Ei分为四路,分别送入X偏振臂的I路上的第一MZM、Q路上的第二MZM、Y偏振臂的I路上的第三MZM、Q路上的第四MZM,在每个偏振臂上,通过MZM将电信号的虚部VI和实部VQ加载进光域,然后通过一个光移相器来控制两路光载波之间的IQ相位差φIQ;
X偏振臂上的I路的偏置电压为BiasIX,X偏振臂上的Q路的偏置电压为BiasQX,Y偏振臂上的I路的偏置电压为BiasIY,Y偏振臂上的Q路的偏置电压为BiasQY,X偏振臂的IQ相位偏置电压为BiasIQPhaseX,Y偏振臂的IQ相位偏置电压为BiasIQPhaseY;X偏振臂的I路上的第一MZM的偏置电压由BiasIX控制,X偏振臂的Q路上的第二MZM的偏置电压由BiasQX控制,Y偏振臂的I路上的第三MZM的偏置电压由BiasIY控制,Y偏振臂的Q路上的第四MZM的偏置电压由BiasQY控制;
随后,X偏振臂的Q路上的第二MZM的输出信号经过第一光移相器,I、Q之间的相位偏移角度由BiasIQPhaseX控制;Y偏振臂的Q路上的第四MZM的输出信号经过第二光移相器,I、Q之间的相位偏移角度由BiasIQPhaseY控制;X偏振臂的I路上的第一MZM、Q路上的第一光移相器、Y偏振臂的I路上的第三MZM、Q路上的第二光移相器输出的光信号经过耦合器耦合,形成功率为Po的输出光信号;功率为Po的输出光信号进入光电探测器,光电探测器的输出信号与输出光信号的功率Po成正比,经ADC采样输出,送入FPGA芯片;
FPGA芯片对ADC采样的信号进行处理,并控制第一DAC、第二DAC、第三DAC、第四DAC、第五DAC、第六DAC的输出:
(1)初始化第一DAC、第二DAC、第三DAC、第四DAC、第五DAC、第六DAC的输出,记录ADC的输出即Po的大小,作为初始的光功率;
(1.a)固定第二DAC、第三DAC、第四DAC、第五DAC、第六DAC的输出,保持X偏振臂的BiasQx、BiasIQPhasex、Y偏振臂的BiasIY、BiasQY、BiasIQPhaseY不变,从最小值到最大值改变第一DAC的输出电压值,监测Po的直流部分的功率,取功率最小值对应的电压作为BiasIx的工作电压,即第一DAC的输出电压值;
(1.b)固定第一DAC、第二DAC、第四DAC、第五DAC、第六DAC的输出,保持X偏振臂的BiasIX、BiasQx、Y偏振臂的BiasIY、BiasQY、BiasIQPhaseY不变,从最小值到最大值改变第三DAC的输出电压值,监测Po的直流部分的功率,取功率最小值对应的电压作为BiasQx的工作电压,即第三DAC的输出电压值;
(1.c)固定第一DAC、第二DAC、第三DAC、第四DAC、第六DAC的输出,保持X偏振臂上的BiasIX、BiasQx、BiasIQPhasex、Y偏振臂的BiasQY、BiasIQPhaseY不变,从最小值到最大值改变第五DAC的输出电压值,监测Po的直流部分的功率,取功率最小值对应的电压作为BiasIY的工作电压,即第五DAC的输出电压值;
(1.d)固定第一DAC、第二DAC、第三DAC、第四DAC、第五DAC的输出,保持X偏振臂的BiasIX、BiasQx、BiasIQPhasex、Y偏振臂的BiasIY、BiasQY不变,从最小值到最大值改变第六DAC的输出电压值,监测Po的直流部分的功率,取功率最小值对应的电压作为BiasQY的工作电压,即第六DAC的输出电压值;
迭代进行(1.a)、(1.b)、(1.c)、(1.d)的步骤,直至双偏振IQ调制器的输出功率达到最小值,固定各DAC分别为其当前输出电压值;
(2)采用时分复用的方式加入低频低幅抖动信号:第一时隙时,在第一DAC的输出上加入低频低幅抖动信号Vdithcos(ωditht),在第三DAC的输出上加入低频低幅抖动信号Vdithsin(ωditht),Vdith是抖动信号的电压幅度,ωdith是抖动信号的电压变化的频率,Vdithcos(ωditht)、Vdithsin(ωditht)都是电压,前者是余弦变化的,后者是正弦变化的,两个信号相差90度,t是时间变量;第二时隙时,在第五DAC的输出上加入低频低幅抖动信号Vdithcos(ωditht),在第六DAC的输出上加入低频低幅抖动信号Vdithsin(ωditht);
(3)双偏振IQ调制器的输出信号经过分光比为95:5的光耦合器,95%的光信号为输出,5%的信号进入光电探测器由ADC转化为数字信号,在FPGA中数字信号进行快速傅里叶变换FFT分析,计算频率ωdith和2ωdith的谐波强度值;在第一时隙和第二时隙中,分别对两个偏振臂上的偏置电压进行调整,将各自输出的ωdith和2ωdith谐波强度调到最小;
(3.a)在第一时隙调整X偏振臂上的偏压,首先固定第二DAC和第三DAC的输出,在第一DAC输出的当前值BiasIX上增加一个值,记录更改后的一次谐波ωdith大小,然后在BiasIX上减去一个同样的值,并记录更改后的一次谐波ωdith大小,比较这两种情况下的一次谐波ωdith的大小,取二者中较小值对应的电压更新第一DAC的输出;然后固定第一DAC和第二DAC的输出,在第三DAC输出的当前值BiasQX上增加一个值,记录更改后的一次谐波ωdith大小,然后在BiasQX上减去一个同样的值,并记录更改后的一次谐波ωdith大小,比较这两种情况下的一次谐波ωdith的大小,取二者中较小值对应的电压更新第三DAC的输出;最后,固定第一DAC和第三DAC的输出,在第二DAC当前值上分别加上和减去一个值,比较这两种情况下的二次谐波2ωdith的强度,取二者中较小值对应的电压更新第二DAC的输出;
(3.b)在第二时隙调整Y偏振臂上的偏压,首先固定第四DAC和第六DAC的输出,在第五DAC输出的当前值BiasIY上增加一个值,记录更改后的一次谐波ωdith大小,然后在BiasIX上减去一个同样的值,并记录更改后的一次谐波ωdith大小,比较这两种情况下的一次谐波ωdith的大小,取二者中较小值对应的电压更新第五DAC的输出;然后固定第四DAC和第五DAC的输出,在第六DAC输出的当前值BiasIY上增加一个值,记录更改后的一次谐波ωdith大小,然后在BiasIX上减去一个同样的值,并记录更改后的一次谐波ωdith大小,比较这两种情况下的一次谐波ωdith的大小,取二者中较小值对应的电压更新第六DAC的输出;最后,固定第五DAC和第六DAC的输出,在第四DAC输出的当前值上分别加上和减去相同值,比较这两种情况下的一次谐波2ωdith的强度,取二者中较小值对应的电压更新第四DAC的输出;
(4)反复迭代进行(3.a)和(3.b)的步骤,使一阶谐波分量ωdith,和二次谐波分量2ωdith不断减小;在迭代过程中,每次电压调整的大小根据当前谐波大小变化,当谐波值较大时,增大步进值,随着谐波的减小,再逐步减小步进值,这一迭代过程始终进行,直至双偏振IQ调制器停止工作。
在上述技术方案的基础上,所述抖动信号的电压幅度Vdith和频率ωdith均远小于OFDM信号。
在上述技术方案的基础上,所述抖动信号的电压幅度Vdith为OFDM信号电压幅度的5%。
与现有技术相比,本发明的优点如下:
(1)本发明在IQ的偏置电压上分别叠加低频低幅抖动信号,通过迭代算法实现IQ偏置电压和相差偏置电压的精确控制。由于抖动信号的频率在KHz级别,远低于OFDM信号,并且幅度相对于OFDM信号非常小,其带来的噪声几乎可以忽略。
(2)本发明采用时分复用的方式,分别在不同时隙控制两路偏振臂,互相之间没有干扰。
(3)本发明结构简单,通过低速电器件实现了精确的偏压控制。
附图说明
图1是本发明实施例中适用于双偏振IQ调制器的偏压控制装置的结构框图。
图2是本发明实施例中适用于双偏振IQ调制器的偏压控制装置连续运行36小时的信号质量监控图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细描述。
参见图1所示,本发明实施例提供一种适用于双偏振IQ调制器的偏压控制装置,双偏振IQ调制器包括X偏振臂、Y偏振臂、第一MZM、第二MZM、第三MZM、第四MZM、第一光移相器和第二光移相器,X偏振臂、Y偏振臂均包括I路和Q路,X偏振臂的I路上有第一MZM,X偏振臂的Q路上有第二MZM和第一光移相器,Y偏振臂的I路上有第三MZM,Y偏振臂的Q路上有第四MZM和第二光移相器,偏压控制装置包括分光比为95:5的光耦合器、光电探测器、ADC(Analog-DigitalConverter,模数转换器)、FPGA(FieldProgrammableGateArray,现场可编程门阵列)芯片、第一DAC(Digital-AnalogConverter,数模转换器)、第二DAC、第三DAC、第四DAC、第五DAC、第六DAC,光耦合器的输入端与双偏振IQ调制器的输出端相连,光耦合器输出的5%信号进入光电探测器,光电探测器通过ADC与FPGA芯片相连,FPGA芯片分别与第一DAC、第二DAC、第三DAC、第四DAC、第五DAC、第六DAC相连,第一DAC与第一MZM相连,第二DAC与第一光移相器相连,第三DAC与第二MZM相连,第四DAC与第二光移相器相连,第五DAC与第三MZM相连,第六DAC与第四MZM相连,FPGA芯片通过第一DAC、第二DAC、第三DAC、第四DAC、第五DAC、第六DAC控制双偏振IQ调制器的偏压。
对于OFDM信号,双偏振IQ调制器两偏振臂上的MZM调制器的最佳偏置点应该在载波抑制点,即零点处,因此,理论上可以通过最小化输出光功率Po将偏置电压调节到最佳值,但是,由于Po在最佳偏置点附近的变化比较平缓,加上噪声的影响,很难将偏置电压精确控制在最佳点。
为了进一步精确调节I、Q偏置电压和IQ相位差φIQ,本发明实施例还提供一种基于上述装置的适用于双偏振IQ调制器的偏压控制方法,包括以下步骤:
首先,通过最小化双偏振IQ调制器的输出光功率确定IQ偏置电压的初值,然后在I、Q两路直流偏置上分别引入低频低幅抖动信号Vdithcos(ωditht)和Vdithsin(ωditht),Vdith是抖动信号的电压幅度,ωdith是抖动信号的电压变化的频率,两者都是电压,前者是余弦变化的,后者是正弦变化的,这两个信号相差90度,t是时间变量,抖动信号的电压幅度Vdith和频率ωdith均远小于OFDM信号,抖动信号的电压幅度Vdith控制在OFDM信号电压幅度的5%左右,频率则为KHz级别;为了实现两个偏振臂控制的独立性,采取时分复用的工作方式,在第一时隙将低频抖动加到X偏振臂的I、Q两端进行控制,在第二时隙加到Y偏振臂的I、Q两端进行控制,保证输出信号在光电探测器端互不干扰;引入的这两个抖动信号在输出光信号上叠加频率为ωdith和2ωdith两个分量,当φIQ=π2时,2ωdith分量达到最小值,此时I路信号和Q路信号相互正交;当IQ两路的偏置电压均达到最佳值时,ωdith分量达到最小值。
因此,在通过最小化输出光功率Po获取偏置电压的概值之后,可以进一步最小化输出信号的ωdith和2ωdith分量来获取偏置电压的精确值。在偏离最佳偏置电压的两侧,ωdith和2ωdith都呈现增大的趋势。在根据光功率获取了偏置电压的概值之后,以某一步进值先增大后减小偏置电压,对应的ωdith也会呈现先增大后减小,或是先减小后增大这两种变化情况。此时取ωdith减小对应的偏置电压作为新的偏置电压,并反复迭代这一过程,最终得到ωdith最小值对应的偏置电压,即为最佳偏置电压。同样的,采用这种迭代算法最小化2ωdith,得到最佳的IQ相差偏置电压。
具体实施的偏压控制方法包括以下步骤:
首先,双偏振IQ调制器将入射的连续光Ei分为四路,分别送入X偏振臂的I路上的第一MZM、Q路上的第二MZM、Y偏振臂的I路上的第三MZM、Q路上的第四MZM,在每个偏振臂上,通过MZM将电信号的虚部VI和实部VQ加载进光域,然后通过一个光移相器来控制两路光载波之间的IQ相位差φIQ;
X偏振臂上的I路的偏置电压为BiasIX,X偏振臂上的Q路的偏置电压为BiasQX,Y偏振臂上的I路的偏置电压为BiasIY,Y偏振臂上的Q路的偏置电压为BiasQY,X偏振臂的IQ相位偏置电压为BiasIQPhaseX,Y偏振臂的IQ相位偏置电压为BiasIQPhaseY;X偏振臂的I路上的第一MZM的偏置电压由BiasIX控制,X偏振臂的Q路上的第二MZM的偏置电压由BiasQX控制,Y偏振臂的I路上的第三MZM的偏置电压由BiasIY控制,Y偏振臂的Q路上的第四MZM的偏置电压由BiasQY控制;
随后,X偏振臂的Q路上的第二MZM的输出信号经过第一光移相器,I、Q之间的相位偏移角度由BiasIQPhaseX控制;Y偏振臂的Q路上的第四MZM的输出信号经过第二光移相器,I、Q之间的相位偏移角度由BiasIQPhaseY控制;X偏振臂的I路上的第一MZM、Q路上的第一光移相器、Y偏振臂的I路上的第三MZM、Q路上的第二光移相器输出的光信号经过耦合器耦合,形成功率为Po的输出光信号;功率为Po的输出光信号进入光电探测器,光电探测器的输出信号与输出光信号的功率Po成正比,经ADC采样输出,送入FPGA芯片;
FPGA芯片对ADC采样的信号进行处理,并控制第一DAC、第二DAC、第三DAC、第四DAC、第五DAC、第六DAC的输出:
(1)初始化第一DAC、第二DAC、第三DAC、第四DAC、第五DAC、第六DAC的输出,记录ADC的输出即Po的大小,作为初始的光功率;
(1.a)固定第二DAC、第三DAC、第四DAC、第五DAC、第六DAC的输出,保持X偏振臂的BiasQx、BiasIQPhasex、Y偏振臂的BiasIY、BiasQY、BiasIQPhaseY不变,从最小值到最大值改变第一DAC的输出电压值,监测Po的直流部分的功率,取功率最小值对应的电压作为BiasIx的工作电压,即第一DAC的输出电压值;
(1.b)固定第一DAC、第二DAC、第四DAC、第五DAC、第六DAC的输出,保持X偏振臂的BiasIX、BiasQx、Y偏振臂的BiasIY、BiasQY、BiasIQPhaseY不变,从最小值到最大值改变第三DAC的输出电压值,监测Po的直流部分的功率,取功率最小值对应的电压作为BiasQx的工作电压,即第三DAC的输出电压值;
(1.c)固定第一DAC、第二DAC、第三DAC、第四DAC、第六DAC的输出,保持X偏振臂上的BiasIX、BiasQx、BiasIQPhasex、Y偏振臂的BiasQY、BiasIQPhaseY不变,从最小值到最大值改变第五DAC的输出电压值,监测Po的直流部分的功率,取功率最小值对应的电压作为BiasIY的工作电压,即第五DAC的输出电压值;
(1.d)固定第一DAC、第二DAC、第三DAC、第四DAC、第五DAC的输出,保持X偏振臂的BiasIX、BiasQx、BiasIQPhasex、Y偏振臂的BiasIY、BiasQY不变,从最小值到最大值改变第六DAC的输出电压值,监测Po的直流部分的功率,取功率最小值对应的电压作为BiasQY的工作电压,即第六DAC的输出电压值;
迭代进行(1.a)、(1.b)、(1.c)、(1.d)的步骤,直至双偏振IQ调制器的输出功率达到最小值,固定各DAC分别为其当前输出电压值。
(2)采用时分复用的方式加入低频低幅抖动信号:第一时隙时,在第一DAC的输出上加入低频低幅抖动信号Vdithcos(ωditht),在第三DAC的输出上加入低频低幅抖动信号Vdithsin(ωditht),Vdith是抖动信号的电压幅度,ωdith是抖动信号的电压变化的频率,Vdithcos(ωditht)、Vdithsin(ωditht)都是电压,前者是余弦变化的,后者是正弦变化的,两个信号相差90度,t是时间变量;第二时隙时,在第五DAC的输出上加入低频低幅抖动信号Vdithcos(ωditht),在第六DAC的输出上加入低频低幅抖动信号Vdithsin(ωditht),抖动信号的电压幅度Vdith和频率ωdith均远小于OFDM信号,抖动信号的电压幅度Vdith为OFDM信号电压幅度的5%左右,频率为KHz级别。
(3)双偏振IQ调制器的输出信号经过分光比为95:5的光耦合器,95%的光信号为输出,5%的信号进入光电探测器由ADC转化为数字信号,在FPGA中数字信号进行FFT(FastFourierTransformation,快速傅里叶变换)分析,计算频率ωdith和2ωdith的谐波强度值;在第一时隙和第二时隙中,分别对两个偏振臂上的偏置电压进行调整,将各自输出的ωdith和2ωdith谐波强度调到最小;
(3.a)在第一时隙调整X偏振臂上的偏压,首先固定第二DAC和第三DAC的输出,在第一DAC输出的当前值BiasIX上增加一个值,记录更改后的一次谐波ωdith大小,然后在BiasIX上减去一个同样的值,并记录更改后的一次谐波ωdith大小,比较这两种情况下的一次谐波ωdith的大小,取二者中较小值对应的电压更新第一DAC的输出;然后固定第一DAC和第二DAC的输出,在第三DAC输出的当前值BiasQX上增加一个值,记录更改后的一次谐波ωdith大小,然后在BiasQX上减去一个同样的值,并记录更改后的一次谐波ωdith大小,比较这两种情况下的一次谐波ωdith的大小,取二者中较小值对应的电压更新第三DAC的输出;最后,固定第一DAC和第三DAC的输出,在第二DAC当前值上分别加上和减去一个值,比较这两种情况下的二次谐波2ωdith的强度,取二者中较小值对应的电压更新第二DAC的输出;
(3.b)在第二时隙调整Y偏振臂上的偏压,首先固定第四DAC和第六DAC的输出,在第五DAC输出的当前值BiasIY上增加一个值,记录更改后的一次谐波ωdith大小,然后在BiasIX上减去一个同样的值,并记录更改后的一次谐波ωdith大小,比较这两种情况下的一次谐波ωdith的大小,取二者中较小值对应的电压更新第五DAC的输出;然后固定第四DAC和第五DAC的输出,在第六DAC输出的当前值BiasIY上增加一个值,记录更改后的一次谐波ωdith大小,然后在BiasIX上减去一个同样的值,并记录更改后的一次谐波ωdith大小,比较这两种情况下的一次谐波ωdith的大小,取二者中较小值对应的电压更新第六DAC的输出;最后,固定第五DAC和第六DAC的输出,在第四DAC输出的当前值上分别加上和减去相同值,比较这两种情况下的一次谐波2ωdith的强度,取二者中较小值对应的电压更新第四DAC的输出;
(4)反复迭代进行(3.a)和(3.b)的步骤,使一阶谐波分量ωdith,和二次谐波分量2ωdith不断减小。在迭代过程中,每次电压调整的大小可根据当前谐波大小变化,当谐波值较大时,增大步进值,随着谐波的减小,再逐步减小步进值,这一迭代过程始终进行,直至双偏振IQ调制器停止工作。
下面举一个实例进行说明。
参数说明:实验选用4QAM(QuadratureAmplitudeModulation,正交幅度调制)调制的OFDM***,使用80个子载波,其中直流分量DC部分的3个子载波空置,OFDM信号由128点IFFT(InverseFastFourierTransform,快速傅立叶反变换)得到,循环前缀为1/16,在两个偏振态上加载的基带信号速率均为10GS/s。在双偏振IQ调制器的偏置电压上加载的低频低幅抖动信号频率为8kHz,幅度占OFDM信号幅度的5%,实验所用双偏振IQ调制器的半波电压为7V。装置按照本发明设计的步骤运行,成功将偏执电压精确控制在最佳点。
为了说明该偏压控制装置的效果,在双偏振IQ调制器的输出端通过50G/s采样率的示波器采集信号并计算SNR,参见图2所示的结果,双偏振IQ调制器连续工作36小时后信号质量依然保持在最佳状态。
本领域的技术人员可以对本发明实施例进行各种修改和变型,倘若这些修改和变型在本发明权利要求及其等同技术的范围之内,则这些修改和变型也在本发明的保护范围之内。
说明书中未详细描述的内容为本领域技术人员公知的现有技术。
Claims (4)
1.一种适用于双偏振IQ调制器的偏压控制装置,所述双偏振IQ调制器包括X偏振臂、Y偏振臂、第一MZM、第二MZM、第三MZM、第四MZM、第一光移相器和第二光移相器,X偏振臂、Y偏振臂均包括I路和Q路,所述X偏振臂的I路上有第一MZM,X偏振臂的Q路上有第二MZM和第一光移相器,Y偏振臂的I路上有第三MZM,Y偏振臂的Q路上有第四MZM和第二光移相器,其特征在于:所述偏压控制装置包括分光比为95:5的光耦合器、光电探测器、ADC、FPGA芯片、第一DAC、第二DAC、第三DAC、第四DAC、第五DAC、第六DAC,光耦合器的输入端与双偏振IQ调制器的输出端相连,光耦合器输出的5%信号进入光电探测器,光电探测器通过ADC与FPGA芯片相连,FPGA芯片分别与第一DAC、第二DAC、第三DAC、第四DAC、第五DAC、第六DAC相连,第一DAC与第一MZM相连,第二DAC与第一光移相器相连,第三DAC与第二MZM相连,第四DAC与第二光移相器相连,第五DAC与第三MZM相连,第六DAC与第四MZM相连,FPGA芯片通过第一DAC、第二DAC、第三DAC、第四DAC、第五DAC、第六DAC控制双偏振IQ调制器的偏压;
所述偏压控制装置进行适用于双偏振IQ调制器的偏压控制时:
首先,双偏振IQ调制器将入射的连续光Ei分为四路,分别送入X偏振臂的I路上的第一MZM、Q路上的第二MZM、Y偏振臂的I路上的第三MZM、Q路上的第四MZM,在每个偏振臂上,通过MZM将电信号的虚部VI和实部VQ加载进光域,然后通过一个光移相器来控制两路光载波之间的IQ相位差φIQ;
X偏振臂上的I路的偏置电压为BiasIX,X偏振臂上的Q路的偏置电压为BiasQX,Y偏振臂上的I路的偏置电压为BiasIY,Y偏振臂上的Q路的偏置电压为BiasQY,X偏振臂的IQ相位偏置电压为BiasIQPhaseX,Y偏振臂的IQ相位偏置电压为BiasIQPhaseY;X偏振臂的I路上的第一MZM的偏置电压由BiasIX控制,X偏振臂的Q路上的第二MZM的偏置电压由BiasQX控制,Y偏振臂的I路上的第三MZM的偏置电压由BiasIY控制,Y偏振臂的Q路上的第四MZM的偏置电压由BiasQY控制;
随后,X偏振臂的Q路上的第二MZM的输出信号经过第一光移相器,I、Q之间的相位偏移角度由BiasIQPhaseX控制;Y偏振臂的Q路上的第四MZM的输出信号经过第二光移相器,I、Q之间的相位偏移角度由BiasIQPhaseY控制;X偏振臂的I路上的第一MZM、Q路上的第一光移相器、Y偏振臂的I路上的第三MZM、Q路上的第二光移相器输出的光信号经过耦合器耦合,形成功率为Po的输出光信号;功率为Po的输出光信号进入光电探测器,光电探测器的输出信号与输出光信号的功率Po成正比,经ADC采样输出,送入FPGA芯片;
FPGA芯片对ADC采样的信号进行处理,并控制第一DAC、第二DAC、第三DAC、第四DAC、第五DAC、第六DAC的输出:
(1)初始化第一DAC、第二DAC、第三DAC、第四DAC、第五DAC、第六DAC的输出,记录ADC的输出即Po的大小,作为初始的光功率;
(1.a)固定第二DAC、第三DAC、第四DAC、第五DAC、第六DAC的输出,保持X偏振臂的BiasQx、BiasIQPhasex、Y偏振臂的BiasIY、BiasQY、BiasIQPhaseY不变,从最小值到最大值改变第一DAC的输出电压值,监测Po的直流部分的功率,取功率最小值对应的电压作为BiasIx的工作电压,即第一DAC的输出电压值;
(1.b)固定第一DAC、第二DAC、第四DAC、第五DAC、第六DAC的输出,保持X偏振臂的BiasIX、BiasQx、Y偏振臂的BiasIY、BiasQY、BiasIQPhaseY不变,从最小值到最大值改变第三DAC的输出电压值,监测Po的直流部分的功率,取功率最小值对应的电压作为BiasQx的工作电压,即第三DAC的输出电压值;
(1.c)固定第一DAC、第二DAC、第三DAC、第四DAC、第六DAC的输出,保持X偏振臂上的BiasIX、BiasQx、BiasIQPhasex、Y偏振臂的BiasQY、BiasIQPhaseY不变,从最小值到最大值改变第五DAC的输出电压值,监测Po的直流部分的功率,取功率最小值对应的电压作为BiasIY的工作电压,即第五DAC的输出电压值;
(1.d)固定第一DAC、第二DAC、第三DAC、第四DAC、第五DAC的输出,保持X偏振臂的BiasIX、BiasQx、BiasIQPhasex、Y偏振臂的BiasIY、BiasQY不变,从最小值到最大值改变第六DAC的输出电压值,监测Po的直流部分的功率,取功率最小值对应的电压作为BiasQY的工作电压,即第六DAC的输出电压值;
迭代进行(1.a)、(1.b)、(1.c)、(1.d)的步骤,直至双偏振IQ调制器的输出功率达到最小值,固定各DAC分别为其当前输出电压值;
(2)采用时分复用的方式加入低频低幅抖动信号:第一时隙时,在第一DAC的输出上加入低频低幅抖动信号Vdithcos(ωditht),在第三DAC的输出上加入低频低幅抖动信号Vdithsin(ωditht),Vdith是抖动信号的电压幅度,ωdith是抖动信号的电压变化的频率,Vdithcos(ωditht)、Vdithsin(ωditht)都是电压,前者是余弦变化的,后者是正弦变化的,两个信号相差90度,t是时间变量;第二时隙时,在第五DAC的输出上加入低频低幅抖动信号Vdithcos(ωditht),在第六DAC的输出上加入低频低幅抖动信号Vdithsin(ωditht);
(3)双偏振IQ调制器的输出信号经过分光比为95:5的光耦合器,95%的光信号为输出,5%的信号进入光电探测器由ADC转化为数字信号,在FPGA中数字信号进行快速傅里叶变换FFT分析,计算频率ωdith和2ωdith的谐波强度值;在第一时隙和第二时隙中,分别对两个偏振臂上的偏置电压进行调整,将各自输出的ωdith和2ωdith谐波强度调到最小;
(3.a)在第一时隙调整X偏振臂上的偏压,首先固定第二DAC和第三DAC的输出,在第一DAC输出的当前值BiasIX上增加一个值,记录更改后的一次谐波ωdith大小,然后在BiasIX上减去一个同样的值,并记录更改后的一次谐波ωdith大小,比较这两种情况下的一次谐波ωdith的大小,取二者中较小值对应的电压更新第一DAC的输出;然后固定第一DAC和第二DAC的输出,在第三DAC输出的当前值BiasQX上增加一个值,记录更改后的一次谐波ωdith大小,然后在BiasQX上减去一个同样的值,并记录更改后的一次谐波ωdith大小,比较这两种情况下的一次谐波ωdith的大小,取二者中较小值对应的电压更新第三DAC的输出;最后,固定第一DAC和第三DAC的输出,在第二DAC当前值上分别加上和减去一个值,比较这两种情况下的二次谐波2ωdith的强度,取二者中较小值对应的电压更新第二DAC的输出;
(3.b)在第二时隙调整Y偏振臂上的偏压,首先固定第四DAC和第六DAC的输出,在第五DAC输出的当前值BiasIY上增加一个值,记录更改后的一次谐波ωdith大小,然后在BiasIX上减去一个同样的值,并记录更改后的一次谐波ωdith大小,比较这两种情况下的一次谐波ωdith的大小,取二者中较小值对应的电压更新第五DAC的输出;然后固定第四DAC和第五DAC的输出,在第六DAC输出的当前值BiasIY上增加一个值,记录更改后的一次谐波ωdith大小,然后在BiasIX上减去一个同样的值,并记录更改后的一次谐波ωdith大小,比较这两种情况下的一次谐波ωdith的大小,取二者中较小值对应的电压更新第六DAC的输出;最后,固定第五DAC和第六DAC的输出,在第四DAC输出的当前值上分别加上和减去相同值,比较这两种情况下的一次谐波2ωdith的强度,取二者中较小值对应的电压更新第四DAC的输出;
(4)反复迭代进行(3.a)和(3.b)的步骤,使一阶谐波分量ωdith,和二次谐波分量2ωdith不断减小;在迭代过程中,每次电压调整的大小根据当前谐波大小变化,当谐波值较大时,增大步进值,随着谐波的减小,再逐步减小步进值,这一迭代过程始终进行,直至双偏振IQ调制器停止工作。
2.基于权利要求1所述装置的适用于双偏振IQ调制器的偏压控制方法,其特征在于,包括以下步骤:
首先,双偏振IQ调制器将入射的连续光Ei分为四路,分别送入X偏振臂的I路上的第一MZM、Q路上的第二MZM、Y偏振臂的I路上的第三MZM、Q路上的第四MZM,在每个偏振臂上,通过MZM将电信号的虚部VI和实部VQ加载进光域,然后通过一个光移相器来控制两路光载波之间的IQ相位差φIQ;
X偏振臂上的I路的偏置电压为BiasIX,X偏振臂上的Q路的偏置电压为BiasQX,Y偏振臂上的I路的偏置电压为BiasIY,Y偏振臂上的Q路的偏置电压为BiasQY,X偏振臂的IQ相位偏置电压为BiasIQPhaseX,Y偏振臂的IQ相位偏置电压为BiasIQPhaseY;X偏振臂的I路上的第一MZM的偏置电压由BiasIX控制,X偏振臂的Q路上的第二MZM的偏置电压由BiasQX控制,Y偏振臂的I路上的第三MZM的偏置电压由BiasIY控制,Y偏振臂的Q路上的第四MZM的偏置电压由BiasQY控制;
随后,X偏振臂的Q路上的第二MZM的输出信号经过第一光移相器,I、Q之间的相位偏移角度由BiasIQPhaseX控制;Y偏振臂的Q路上的第四MZM的输出信号经过第二光移相器,I、Q之间的相位偏移角度由BiasIQPhaseY控制;X偏振臂的I路上的第一MZM、Q路上的第一光移相器、Y偏振臂的I路上的第三MZM、Q路上的第二光移相器输出的光信号经过耦合器耦合,形成功率为Po的输出光信号;功率为Po的输出光信号进入光电探测器,光电探测器的输出信号与输出光信号的功率Po成正比,经ADC采样输出,送入FPGA芯片;
FPGA芯片对ADC采样的信号进行处理,并控制第一DAC、第二DAC、第三DAC、第四DAC、第五DAC、第六DAC的输出:
(1)初始化第一DAC、第二DAC、第三DAC、第四DAC、第五DAC、第六DAC的输出,记录ADC的输出即Po的大小,作为初始的光功率;
(1.a)固定第二DAC、第三DAC、第四DAC、第五DAC、第六DAC的输出,保持X偏振臂的BiasQx、BiasIQPhasex、Y偏振臂的BiasIY、BiasQY、BiasIQPhaseY不变,从最小值到最大值改变第一DAC的输出电压值,监测Po的直流部分的功率,取功率最小值对应的电压作为BiasIx的工作电压,即第一DAC的输出电压值;
(1.b)固定第一DAC、第二DAC、第四DAC、第五DAC、第六DAC的输出,保持X偏振臂的BiasIX、BiasQx、Y偏振臂的BiasIY、BiasQY、BiasIQPhaseY不变,从最小值到最大值改变第三DAC的输出电压值,监测Po的直流部分的功率,取功率最小值对应的电压作为BiasQx的工作电压,即第三DAC的输出电压值;
(1.c)固定第一DAC、第二DAC、第三DAC、第四DAC、第六DAC的输出,保持X偏振臂上的BiasIX、BiasQx、BiasIQPhasex、Y偏振臂的BiasQY、BiasIQPhaseY不变,从最小值到最大值改变第五DAC的输出电压值,监测Po的直流部分的功率,取功率最小值对应的电压作为BiasIY的工作电压,即第五DAC的输出电压值;
(1.d)固定第一DAC、第二DAC、第三DAC、第四DAC、第五DAC的输出,保持X偏振臂的BiasIX、BiasQx、BiasIQPhasex、Y偏振臂的BiasIY、BiasQY不变,从最小值到最大值改变第六DAC的输出电压值,监测Po的直流部分的功率,取功率最小值对应的电压作为BiasQY的工作电压,即第六DAC的输出电压值;
迭代进行(1.a)、(1.b)、(1.c)、(1.d)的步骤,直至双偏振IQ调制器的输出功率达到最小值,固定各DAC分别为其当前输出电压值;
(2)采用时分复用的方式加入低频低幅抖动信号:第一时隙时,在第一DAC的输出上加入低频低幅抖动信号Vdithcos(ωditht),在第三DAC的输出上加入低频低幅抖动信号Vdithsin(ωditht),Vdith是抖动信号的电压幅度,ωdith是抖动信号的电压变化的频率,Vdithcos(ωditht)、Vdithsin(ωditht)都是电压,前者是余弦变化的,后者是正弦变化的,两个信号相差90度,t是时间变量;第二时隙时,在第五DAC的输出上加入低频低幅抖动信号Vdithcos(ωditht),在第六DAC的输出上加入低频低幅抖动信号Vdithsin(ωditht);
(3)双偏振IQ调制器的输出信号经过分光比为95:5的光耦合器,95%的光信号为输出,5%的信号进入光电探测器由ADC转化为数字信号,在FPGA中数字信号进行快速傅里叶变换FFT分析,计算频率ωdith和2ωdith的谐波强度值;在第一时隙和第二时隙中,分别对两个偏振臂上的偏置电压进行调整,将各自输出的ωdith和2ωdith谐波强度调到最小;
(3.a)在第一时隙调整X偏振臂上的偏压,首先固定第二DAC和第三DAC的输出,在第一DAC输出的当前值BiasIX上增加一个值,记录更改后的一次谐波ωdith大小,然后在BiasIX上减去一个同样的值,并记录更改后的一次谐波ωdith大小,比较这两种情况下的一次谐波ωdith的大小,取二者中较小值对应的电压更新第一DAC的输出;然后固定第一DAC和第二DAC的输出,在第三DAC输出的当前值BiasQX上增加一个值,记录更改后的一次谐波ωdith大小,然后在BiasQX上减去一个同样的值,并记录更改后的一次谐波ωdith大小,比较这两种情况下的一次谐波ωdith的大小,取二者中较小值对应的电压更新第三DAC的输出;最后,固定第一DAC和第三DAC的输出,在第二DAC当前值上分别加上和减去一个值,比较这两种情况下的二次谐波2ωdith的强度,取二者中较小值对应的电压更新第二DAC的输出;
(3.b)在第二时隙调整Y偏振臂上的偏压,首先固定第四DAC和第六DAC的输出,在第五DAC输出的当前值BiasIY上增加一个值,记录更改后的一次谐波ωdith大小,然后在BiasIX上减去一个同样的值,并记录更改后的一次谐波ωdith大小,比较这两种情况下的一次谐波ωdith的大小,取二者中较小值对应的电压更新第五DAC的输出;然后固定第四DAC和第五DAC的输出,在第六DAC输出的当前值BiasIY上增加一个值,记录更改后的一次谐波ωdith大小,然后在BiasIX上减去一个同样的值,并记录更改后的一次谐波ωdith大小,比较这两种情况下的一次谐波ωdith的大小,取二者中较小值对应的电压更新第六DAC的输出;最后,固定第五DAC和第六DAC的输出,在第四DAC输出的当前值上分别加上和减去相同值,比较这两种情况下的一次谐波2ωdith的强度,取二者中较小值对应的电压更新第四DAC的输出;
(4)反复迭代进行(3.a)和(3.b)的步骤,使一阶谐波分量ωdith,和二次谐波分量2ωdith不断减小;在迭代过程中,每次电压调整的大小根据当前谐波大小变化,当谐波值较大时,增大步进值,随着谐波的减小,再逐步减小步进值,这一迭代过程始终进行,直至双偏振IQ调制器停止工作。
3.如权利要求2所述的适用于双偏振IQ调制器的偏压控制方法,其特征在于:所述抖动信号的电压幅度Vdith和频率ωdith均远小于OFDM信号。
4.如权利要求3所述的适用于双偏振IQ调制器的偏压控制方法,其特征在于:所述抖动信号的电压幅度Vdith为OFDM信号电压幅度的5%。
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