CN108491016A - 一种无扰动的电光调制器的最佳工作点控制装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无扰动的电光调制器的最佳工作点控制装置，主要用于基于电光调制器的光学移频，本发明包括激光器、电光调制器、光耦合器、偏置控制模块。其中所述偏置控制模块包括光电转换信号放大模块、模数转换模块、控制器、直流偏置输出电路、混沌信号发生器、正弦信号发生器和信号混合电路；本发明还公开了一种无扰动的电光调制器的最佳工作点控制装置的实现方法。本发明可以实现一步到位的最佳工作点控制，提高了最佳工作点归位速度，使得电光调制器最佳工作点的控制效率更高，进一步提升了该电光调制器所在***的性能。

Description

一种无扰动的电光调制器的最佳工作点控制装置及方法

技术领域

本发明涉及光通信光传感技术领域，特别是一种无扰动的电光调制器的最佳工作点控制装置及方法。

背景技术

电光调制器是利用某些晶体的电光效应对光信号进行调制的器件，在高速光通信、光纤传感等领域应用非常广泛。电光调制根据所施加的电场方向的不同, 可分为纵向电光调制和横向电光调制；根据调制类型的不同，可分为电光相位调制和电光强度调制。典型的电光调制器输出特性曲线见示意图2，电光调制器输出特性曲线是一个余弦函数形状的曲线。对于电光调制器，环境温度、机械扭曲、机械振动以及输入光的偏振态变化都会引起电光调制器工作点的缓慢漂移（示意见图2），从而导致电光调制器的性能变坏，给电光调制器的应用带来了麻烦。因此，对电光调制器工作点进行自动跟踪和控制是十分必要的。

此外，在对电光调制器工作点进行自动跟踪和控制时，传统的电光调制器偏置控制装置如图3所示，工作点控制方案往往采用在直流偏置端输入的低频扰动信号作为反馈信号，这种方法往往会带入大量的噪声，使得在后续频谱处理中出现不必要的噪声。而且控制时多为逐步逼近最佳工作点，因此速度较慢，效率较低。此外，传统电光调制器偏置控制装置采用直接探测反馈光的方式，探测敏感度较低，需要较大的反馈光才能支持整个装置的正确运行。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足而提供一种无扰动的电光调制器的最佳工作点控制装置及方法，本发明可以实现一步到位的最佳工作点控制，提高了最佳工作点归位速度，使得电光调制器最佳工作点的控制效率更高，进一步提升了该电光调制器所在***的性能。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

根据本发明提出的一种无扰动的电光调制器的最佳工作点控制装置，包括激光器、第一光耦合器、电光调制器、声光移频器、第二光耦合器、第三光耦合器、信号发生器和偏置控制模块，所述偏置控制模块包括光电信号转化调理模块、模数转换模块、控制器和直流偏置输出电路；其中，

激光器，用于输出连续的激光至第一光耦合器；

第一光耦合器，用于将连续的激光分成两路：第一路光输入电光调制器，第二路光输入至声光移频器；

信号发生器，用于产生移频正弦信号以及调制信号，移频正弦信号输出至声光移频器，调制信号输出至电光调制器；

电光调制器，用于根据接收到的调制信号，将第一路光进行调制，输出调制后的第一路光至第二光耦合器；

声光移频器，用于根据接收到的移频正弦信号，将第二路光进行移频，移频后的第二路光输出至第三光耦合器；

第二光耦合器，用于将调制后的第一路光分成两路：第一路调制后的光作为探测光，第二路调制后的光输入至第三光耦合器；

第三光耦合器，用于将移频后的第二路光与第二路调制后的光进行拍频，拍频后的光信号输出至光电信号转化调理模块；

光电信号转化调理模块，用于将光信号转化为电信号，并对电信号进行放大滤波，输出调理后的电信号至模数转换模块；

模数转换模块，用于将调理后的电信号转换成数字信号，该数字信号作为反馈信号输出至控制器；

控制器，用于对输入的反馈信号进行处理，得到电光调制器工作点漂移情况，根据该漂移情况控制直流偏置输出电路；

直流偏置输出电路，用于输出直流偏置电压信号至电光调制器的直流偏置输入端口，使得电光调制器的工作点向最佳工作点靠近。

作为本发明所述的一种无扰动的电光调制器的最佳工作点控制装置进一步优化方案，最佳工作点为电光调制器在连续光工作的条件下输出光功率最小时所处的电光调制器输出特性曲线位置。

作为本发明所述的一种无扰动的电光调制器的最佳工作点控制装置进一步优化方案，第一光耦合器和第三光耦合器均为50:50光耦合器，第二光耦合器为90:10光耦合器。

基于上述的一种无扰动的电光调制器的最佳工作点控制装置的实现方法，控制器采用最佳工作点控制算法对输入的反馈信号的功率值信号和相位信号直接进行运算处理，得到电光调制器工作点漂移情况；控制器根据当前工作点的漂移情况，计算得到一个控制电压，该电压控制直流偏置输出电路输出一个电光调制器驱动信号，使得电光调制器工作点直接回到最佳工作点。

基于上述的一种基于拍频的电光调制器偏置控制装置的实现电光调制器偏置点自动锁定的方法，具体如下：

A、首先通过反馈信号对电光调制器的输出特性曲线进行采集，并将输出特性曲线的相位与功率信息存储于控制器中；

B、利用拍频的原理判别电光调制器的工作点的漂移方向，通过光功率直接探测器得到反馈信号的光功率，并将反馈信号的相位信息与功率信息经过模数转换模块处理后，输入控制器进行计算处理；

C、在控制器内部，通过确认反馈信号的相位信息的正负，并将其光功率大小与控制器预先采集的电光调制器输出特性曲线进行对比；设直流偏置电压与电光调制器光波导长度为同相，然后进行如下判断：

若反馈信号的相位差为0，则表明此时的工作点为最佳工作点；

若反馈信号的相位差为负，则表明最佳工作点向高电压方向漂移，此时将反馈信号的光功率大小与电光调制器的输出特性曲线对比计算出工作点偏移量，直接将电光调制器的直流偏置端输入的电压减去该偏移量后重新输出至电光调制器的直流偏置端，从而实现对电光调制器最佳工作点的控制；

若反馈信号的相位差为正，则表明最佳工作点向低电压方向漂移，此时将光功率大小与电光调制器输出的特性曲线对比计算出工作点偏移量，直接将电光调制器的直流偏置端输入的电压加上该偏移量后输出至电光调制器的直流偏置端，从而实现对电光调制器最佳工作点的控制。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

（1）本发明不会在探测光中引入扰动信号，减少了噪声，有利于后续的频谱处理。

（2）本发明可以实现一步到位的最佳工作点控制，提高了最佳工作点归位速度，使得电光调制器最佳工作点的控制效率更高，进一步提升了该电光调制器所在***的性能。

（3）外差相干探测灵敏度高，所需反馈光功率降低，进而实现更小的功率反馈比率。

附图说明

图1是本发明的***结构图。

图2是现有技术中基于光耦合器的电光调制器偏置电压控制示意图。

图3是现有的电光调制器调控制装置结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本发明所设计的结构利用声光移频器（AFM）输出的移频后的光信号与电光调制器（EOM）输出的用于反馈的光信号进行拍频，从而实现EOM的偏置控制。

为了方便计算，假设EOM输出的用于反馈的光功率的初始偏移相位为0，则光功率如下所示：

上式中，V是EOM外加直流偏置电压；代表EOM的半波电压，是初始偏移相位。

AFM输出的用于移频的光信号功率如下所示：

上式中为AFM引入的频率差，t为AFM输出的音频后的光信号的时间，为AFM输出的移频后的光信号的相位。

最终拍频得到的反馈光信号功率公式如下所示：

从公式中可以看到该反馈光通过光电转换以及低通滤波后，若得到的相位差为负时，则光功率E为负，此时即意味着最佳工作点向高电压方向漂移；反之若得到的相位差为正时，则光功率E为正，此时即意味着最佳工作点向低电压方向漂移。此外再通过对EOM输出的探测光功率与最佳工作点时EOM的输出光功率的对比，进而即可得到EOM工作点所处位置情况。

为了实现一步到位的偏置控制，则在本装置中另外增加一个声光移频器（移频信号频率为40MHz）回路产生拍频信号。将EOM输出的信号与AFM输出的信号经由光耦合器进行拍频，输出的信号经过光电信号转化调理模块变为电压信号。在控制器内部，通过确认相位信息的正负，并将光功率大小与控制器预先采集的电光调制器输出特性曲线进行对比，然后进行如下判断：若相位信息为0，则表明此时的工作点为最佳工作点；若相位信息为负，则表明最佳工作点向低电压方向漂移，此时将光功率大小与电光调制器输出特性曲线对比计算出工作点偏移量，直接将直流偏置加上该偏移量进行输出；若相位信息为正，则表明最佳工作点向高电压方向漂移，此时将光功率大小与电光调制器输出特性曲线对比计算出工作点偏移量，直接将直流偏置减去该偏移量进行输出；从而实现对EOM最佳工作点的控制。

一个优秀的电光调制器工作点控制方案，要使得电光调制器工作在最佳工作点且能输出所需的信号光，且具有高效率，引入噪声小，所需反馈信号尽量小的优势。

本发明是一个针对连续光调制的电光调制器进行偏置电压控制的闭环控制装置。如图1所示，主要包含三大模块：分光模块、功率相位探测模块、电光调制器偏置控制模块。

分光模块主要为光耦合器。

电光调制器偏置控制模块如图1所示包括：光电信号转化调理模块、模数转换模块、控制器、直流偏置输出电路。

光电信号转化调理模块主要是将光的相位信号转换为电信号，包括了光电探测器以及低通滤波电路。这里需要将光信号转换为电信号，所以使用的光电探测器的型号为GD3560J，它是一种近红外光电探测器，光谱***在1550nm 处；驱动电压5V 时，该光电探测器的暗电流最大为1nA ；响应度0.85A/W，满足装置要求。低通滤波电路用以将输出的与相位相关的电信号。这里使用电容电阻组成合适的低通电路。

模数转换模块主要就是将光电转换信号放大模块产生的模拟电压信号转换为数字信号。这里使用的A/D转换器型号为Microchip公司的MCP37D31-200，它是一款具有16位精度最高200MHz采样率的模数转换器，完全可以满足本发明40MHz移频信号以及消光比约有30dB的要求。

在这里用的控制器为Lattice 公司的非易失性无限重构可编程逻辑器件MachXOPLD 系列的LCMXO1200。该可编程逻辑器件提供嵌入式存储器，方便数据的缓冲；同时它还具有内置的PLL 与振荡器，可以进行集成的时钟管理。该控制器接收A/D 生成的数字信号，对此数字量进行运算处理，得到电光调制器当前的工作状态，根据电光调制器的这个工作状态，调整输出驱动电路的输出。

直流偏置输出电路包括了D/A 转换器及放大器。数模转换的精度决定了最后电光调制器偏置电压控制***锁定的工作点与电光调制器最佳工作点的接近程度，所以D/A 转换器的精度可以取得大一点，这里使用的数模转换器为TI 公司的DAC8552，它是16 位精度电压输出型的D/A 转换器。放大器主要是增大输出驱动电路的负载驱动能力以及电光调制器直流偏置端输入电压的范围，使其大于一个半波电压。由于要匹配D/A 输出电压，这里的放大器位AD8000具有轨对轨输出高供电电压的特点，带宽达到1.58GHz。

结合器件参数的具体步骤如下：

步骤一、通过50:50光耦合器将声光移频器产生的光信号以及电光调制器产生的光信号进行拍频。

步骤二、光信号进入相位探测模块，首先通过光电探测器GD3560J转换为电信号，并经过低通滤波电路，得到一个能够反映光功率大小以及相位方向的电信号，并进入电光调制器偏置控制模块。

步骤四、电信号进入电光调制器偏置控制模块后，首先通过模数转换器MCP3428将相位信号以及强度信号进行调理并转换成数字信号，数字信号作为反馈信号经控制器LCMXO1200运算处理得出电光调制器工作点漂移情况；根据当前工作点的漂移情况，控制器LCMXO1200计算得到一个控制电压，该电压通过一个数模转换器DAC8552变为模拟信号，并经由运放AD8000进行调理，最终输出一个恰当的直流控制电压。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替代，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种无扰动的电光调制器的最佳工作点控制装置，其特征在于，包括激光器、第一光耦合器、电光调制器、声光移频器、第二光耦合器、第三光耦合器、信号发生器和偏置控制模块，所述偏置控制模块包括光电信号转化调理模块、模数转换模块、控制器和直流偏置输出电路；其中，

激光器，用于输出连续的激光至第一光耦合器；

第一光耦合器，用于将连续的激光分成两路：第一路光输入电光调制器，第二路光输入至声光移频器；

信号发生器，用于产生移频正弦信号以及调制信号，移频正弦信号输出至声光移频器，调制信号输出至电光调制器；

电光调制器，用于根据接收到的调制信号，将第一路光进行调制，输出调制后的第一路光至第二光耦合器；

声光移频器，用于根据接收到的移频正弦信号，将第二路光进行移频，移频后的第二路光输出至第三光耦合器；

第二光耦合器，用于将调制后的第一路光分成两路：第一路调制后的光作为探测光，第二路调制后的光输入至第三光耦合器；

第三光耦合器，用于将移频后的第二路光与第二路调制后的光进行拍频，拍频后的光信号输出至光电信号转化调理模块；

光电信号转化调理模块，用于将光信号转化为电信号，并对电信号进行放大滤波，输出调理后的电信号至模数转换模块；

模数转换模块，用于将调理后的电信号转换成数字信号，该数字信号作为反馈信号输出至控制器；

控制器，用于对输入的反馈信号进行处理，得到电光调制器工作点漂移情况，根据该漂移情况控制直流偏置输出电路；

直流偏置输出电路，用于输出直流偏置电压信号至电光调制器的直流偏置输入端口，使得电光调制器的工作点向最佳工作点靠近。

2.根据权利要求1所述的一种无扰动的电光调制器的最佳工作点控制装置，其特征在于，最佳工作点为电光调制器在连续光工作的条件下输出光功率最小时所处的电光调制器输出特性曲线位置。

3.根据权利要求1所述的一种无扰动的电光调制器的最佳工作点控制装置，其特征在于，第一光耦合器和第三光耦合器均为50:50光耦合器，第二光耦合器为90:10光耦合器。

4.基于权利要求1-3中任一项所述的一种无扰动的电光调制器的最佳工作点控制装置的实现方法，其特征在于，控制器采用最佳工作点控制算法对输入的反馈信号的功率值信号和相位信号直接进行运算处理，得到电光调制器工作点漂移情况；控制器根据当前工作点的漂移情况，计算得到一个控制电压，该电压控制直流偏置输出电路输出一个电光调制器驱动信号，使得电光调制器工作点直接回到最佳工作点。

5.基于权利要求1-3中任一项所述的一种基于拍频的电光调制器偏置控制装置的实现电光调制器偏置点自动锁定的方法，其特征在于，具体如下：

A、首先通过反馈信号对电光调制器的输出特性曲线进行采集，并将输出特性曲线的相位与功率信息存储于控制器中；

B、利用拍频的原理判别电光调制器的工作点的漂移方向，通过光功率直接探测器得到反馈信号的光功率，并将反馈信号的相位信息与功率信息经过模数转换模块处理后，输入控制器进行计算处理；

C、在控制器内部，通过确认反馈信号的相位信息的正负，并将其光功率大小与控制器预先采集的电光调制器输出特性曲线进行对比；设直流偏置电压与电光调制器光波导长度为同相，然后进行如下判断：

若反馈信号的相位差为0，则表明此时的工作点为最佳工作点；

若反馈信号的相位差为负，则表明最佳工作点向高电压方向漂移，此时将反馈信号的光功率大小与电光调制器的输出特性曲线对比计算出工作点偏移量，直接将电光调制器的直流偏置端输入的电压减去该偏移量后重新输出至电光调制器的直流偏置端，从而实现对电光调制器最佳工作点的控制；

若反馈信号的相位差为正，则表明最佳工作点向低电压方向漂移，此时将光功率大小与电光调制器输出的特性曲线对比计算出工作点偏移量，直接将电光调制器的直流偏置端输入的电压加上该偏移量后输出至电光调制器的直流偏置端，从而实现对电光调制器最佳工作点的控制。