CN109639363A - Mz光强度调制器任意偏置点控制装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于光通信技术领域，具体公开了一种MZ光强度调制器任意偏置点控制装置及其控制方法，在传统MZ光强度调制器偏置控制理论的基础上，提出一种新型无扰动的MZ光强度调制器偏置点控制方法及装置，可以实现光调制器任意偏置点稳定控制，且适用于多种调制格式，对输入光功率波动以及光路插损变化没有任何影响，控制精度高。利用本发明采用的方法研制的MZ光强度调制器任意偏置点控制装置可以应用于高速光通信传输***中，其对光通信***性能影响非常小。

Description

MZ光强度调制器任意偏置点控制装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及光通信技术领域，特别是指光通信领域外调制技术中MZ光强度调制器任意偏置点控制装置及其控制方法，为光强度调制器偏置点控制提供合适的直流偏置电压。

背景技术

光纤通信***朝高速、长距离、大容量的方向发展，由于MZ光强度调制器具有调制速率高、工作性能稳定、调制信号的频率啁啾小、光损耗较低、适用于多种码型等优势，被广泛应用于高速光通信***、微波光子学链路等相关光传输处理***中。MZ光强度调制器的传输函数为非线形函数，所以在使用MZ光强度调制器时需要给它加载一个直流偏置电压来保证其信号调制时可以工作在其传输函数合适的工作点上。但是MZ光强度调制器在工作中会随时间、环境温度、外电场、应力等因素的变化对调制器稳定性产生影响，至使调制器偏置点发生漂移，造成调制信号质量变差、传输***误码率上升，因此为了保证MZ光强度调制器可以工作在其传输函数合适的工作点上，根据输入和输出光信号情况，及时对由于各种原因导致的工作点漂移进行修正。

为了减小MZ光强度调制器偏置点漂移对光通信***性能影响，科研技术人员做了大量的研究工作，提出各种调制器偏置点控制方法。主要归纳为两种方法：一种是功率法，一种是导频法。前者基于调制器输入和输出的光功率比对其工作点漂移进行反馈控制补偿，然而调制器输出反馈光信号会随输入光功率波动与光路损耗变化而变化，造成偏置点控制精度差。目前工程上大都采用后一种方法，即采用一个低频抖动信号的反馈控制方法来实现调制器偏置点的锁定。

在工程应用中，目前应用的不管是功率法还是导频法的MZ光强度调制器偏置控制产品，或多或少都存在一定的缺陷。对于功率法，更多工程师是基于MZ光强度调制器输入与输出的平均光功率比作为控制变量对其偏置点漂移进行反馈控制补偿，不能避免光路损耗变化的影响，造成偏置点控制精度不高。对于导频法，因为在偏置端加入了导频信号，对于调制信号来说就是给传输***主动引入了噪声信号，至使光调制器输出信号有杂散，在雷达等高精度***中使用受到限制。

发明内容

鉴于现有技术存在的问题，本发明在传统MZ光强度调制器偏置控制理论的基础上，提出一种新型的MZ光强度调制器偏置点控制方法及装置，可以实现MZ光强度调制器任意偏置点稳定控制，对输入光功率波动以及光路插损变化没有任何影响，控制精度高。

本发明公开了一种MZ光强度调制器任意偏置点控制装置及其控制方法，MZ光强度调制器任意偏置点控制装置是一种闭环控制***。如图1所示：

所述任意偏置点控制装置包括DFB激光器、MZ光强度调制器、光耦合器，以及集成于同一电路板内的光探测放大器、A/D转换器、微控制器和D/A转换放大器；所述DFB激光器的输出端连接MZ光强度调制器的光源输入端；所述MZ光强度调制器的输出端连接光耦合器的输入端；所述光耦合器的第二输出端连接光探测放大器的输入端，所述光耦合器的第一输出端连接后续光路；所述光探测放大器的输出端连接A/D转换器的输入端；所述A/D转换器的数据输出端连接微控制器的输入端；所述微控制器的控制输出端连接D/A转换放大器的控制输入端；所述D/A转换放大器输出端连接MZ光强度调制器的偏置电压输入端。

进一步的，所述DFB激光器用于输出稳定的激光光功率；所述MZ光强度调制器用于将高频载波信号调制到光波上；所述光耦合器用于将输入光按分光比分路输出光到后续光路；所述光探测放大器用于将光耦合器输出的1％光信号转化为电信号并放大；所述A/D转换器用于将模拟电压信号转换为数字信号；所述微控制器用于监视反馈MZ光强度调制器输出平均光功率变化情况，并相应通过D/A转换放大器输出偏置电压加载到MZ光强度调制器的偏置电压输入端，实现MZ光强度调制器的偏置点稳定；所述D/A转换及放大器用于将数字信号转换成模拟信号并放大。

进一步的，所述光耦合器的第一输出端和第二输出端的分光比为99：1，其中，第一输出端输出99％的光信号，第二输出端输出1％的光信号。

其中，装置各部分的功能如下：

(1)DFB激光器，输出稳定的激光光功率。

(2)MZ光强度调制器，用于将高频载波信号调制到光波上。

(3)99：1光耦合器，其99％的光输出到后续光路，1％的光被探测器转化为电信号经放大器放大，监测光调制器偏置点漂移情况。

(4)光探测放大器，将光调制器输出1％的光信号转化为电信号并放大到一定数值。

(5)A/D转换器，用于将模拟电压信号转换为数字信号。

(6)微控制器，作为微控制中央处理单元，通过监视反馈光调制器输出平均光功率变化情况并相应通过数模转换器输出偏置电压加载到调制器偏置端，即MZ光强度调制器的偏置电压输入端；实现光调制器偏置点稳定。

(7)D/A转换及放大器，用于将数字信号转换成模拟信号并放大。

在本发明的MZ光强度调制器任意偏置点控制装置的基础上，本发明的一种用于控制该装置的方法，具体为一种MZ光强度调制器任意偏置点控制装置的控制方法，

如图2所示，本发明的方法包括以下步骤：

S1、微控制器进行预处理，设置工程应用初始偏置控制点；

S2、微控制器获取该偏置点对应的平均光功率值；

S3、微控制器获取该偏置点对应平均光功率的二阶导数值和其一阶导数值的比值；

S4、微控制器通过监测MZ光强度调制器输出平均光功率值是否改变，若改变，则进行步骤S5，否则重复步骤S4；

S5、微控制器判断平均光功率的二阶导数值和其一阶导数值的比值是否改变，若改变，则进行步骤S6，否则重复步骤S4；

S6、微控制器通过预测算法与变步长算法输出合适偏置电压，并加载到MZ光强度调制器的偏置控制端，实现偏置点稳定控制，然后重复步骤S4。

进一步的，所述控制变量值的获取方法包括：

S101、将初始的偏置电压加载到MZ光强度调制器的偏置电压输入端，微控制器测出该初始的偏置电压对应的平均光功率值；

S102、通过两次合适小步长连续改变偏置电压，获取另两个平均光功率值，根据这三个平均光功率值计算出两个初始的一阶导数值和一个初始的二阶导数值；

S103、将该二阶导数值和第一个一阶导数值之间的比值作为控制变量值。

进一步的，所述步骤S4具体包括：

判断MZ光强度调制器实时输出的平均光功率值与初始的偏置电压对应的平均光功率值是否相同，若一致，则重复该步骤，否则进行步骤S5。

进一步的，所述步骤S5具体包括：

通过两次合适小步长连续改变偏置电压，获取另两个平均光功率值，根据这三个平均光功率值计算出两个一阶导数值和一个二阶导数值；将该二阶导数值和第一个一阶导数值之间的比值作为控制变量值与初始值比较是否相同，若一致则返回S4，否则进行步骤S6。

进一步的，所述步骤S6包括微控制器根据预测算法判断出MZ光强度调制器偏置点漂移的方向；所述微控制器通过变步长算法快速调整偏置驱动电压，实现偏置点高精度稳定控制。

进一步的，所述预测算法包括预先给偏置电压在一个方向增加或者减少一定数值作为尝试电压，通过对反馈信号的检测来判断该尝试电压是否应该保留，如果反馈信号逼近目标值，则保留该尝试电压；否则反馈信号远离目标值，则将该尝试电压退回到初始偏置电压值，接下来向相反方向改变偏置电压值。

进一步的，所述变步长算法包括：若反馈信号远离目标值，则加大尝试步长，以便快速达到目标值，如果反馈信号接近目标值，则减小步长，以便提高控制精度。

本发明的有益效果：

本发明采用新型的功率控制方法(功率法)，在该技术中，通过检测MZ光强度调制器输出平均光功率的变化初步判断偏置点是否漂移，再利用输出平均光功率的二阶导数与一阶导数的比值是否变化来最终确定MZ光强度调制器偏置点漂移情况，通过预测算法判断出光调制器偏置点漂移的方向，通过变步长算法快速、高精度调整偏置驱动电压加载到光调制器偏置控制端，从而快速实现光传输***中光调制器偏置点的锁定，该装置具备以下独特的优点：

该装置可以消除输入光功率的波动以及在不同温度情况下光路插损的变化带来的影响。该装置在-55℃～+80℃温度范围内可以实现MZ光强度调制器任意偏置点锁定，并具有偏置控制电路体积小便于集成、控制精度高等特点。这种高精度调制器任意偏置点控制装置可以批量应用于高速光通信传输***中、雷达、微波光子学或分布式光纤传感***。

附图说明

图1为本发明的控制装置的结构图；

图2为本发明的控制方法的***流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

实施例1

本实施例提供了一种MZ光强度调制器任意偏置点控制装置：参照图1，该装置由DFB激光器、MZ光强度调制器、99：1光耦合器、光探测放大器、A/D转换器、微控制器、D/A转换放大器组成。其中光探测放大器、A/D转换器、微控制器、D/A转换放大器集成在同一个电路板内，为基本控制电路模块，其输入为99：1光耦合器1％端输出光信号，其输出为电压信号，加载到MZ光强度调制器偏置电压输入端。其连接关系如图1所示。

作为一种可选方式，本实施例中，所采用的DFB激光器为emcore公司生产的MODEL1782，工作波长为1550nm，输出光功率为12dBm。

本实施例中，所采用的MZ光强度调制器为oclaro公司生产的AM20，工作波长为1550nm，调制带宽为20GHz，半波电压为5V，偏置电压输入调节范围为±20V。

本实施例中，光耦合器是分光比为99:1的1×2光耦合器，输入输出光纤均为保偏光纤；其99％部分为主输出，1％部分输入到光探测器经转换为电信号得以放大作为闭环反馈控制输入信号。

本实施例中，光探测放大器包括光电探测器、电流电压转换放大电路，其响应速度要求不高。

首先根据工程应用要求设置一初始偏置电压加载到光调制器偏置端，并记录下相应输出的平均光功率值，以该值为初始点并连续两次以合适小步长相继改变偏置电压，获取相继的另外两个平均光功率值，然后恢复到改变前偏置电压。利用这三个平均光功率值计算出两个初始一阶导数值与一个初始二阶导数值，利用初始二阶导数值与第一个初始一阶导数值的比值作为该发明装置的控制变量初始值。获取控制变量初始值之后，该控制装置微控制器单元监视光调制器输出平均光功率变化，当光调制器输出平均光功率发生变化后，将再次获取二阶导数值与一阶导数值的比值，当该比值与初始比值比较发生改变则表示MZ光强度调制器偏置点发生漂移，通过预测算法判断偏置电压调整方向，通过变步长算法调整偏置电压大小，从而快速、高精度实现光调制器偏置点稳定。

实施例2

本发明提供一种快速、高精度控制MZ光强度调制器任意偏置点控制装置的控制方法。如图2所示，包括以下步骤：

S1、微控制器进行预处理，设置工程应用初始偏置控制点；

S2、微控制器获取该偏置点对应的平均光功率值；

S3、微控制器获取该偏置点对应平均光功率的二阶导数值和其一阶导数值的比值；

S4、微控制器通过监测MZ光强度调制器输出平均光功率值是否改变，若改变，则进行步骤S5，否则重复步骤S4；

S5、微控制器判断平均光功率的二阶导数值和其一阶导数值的比值是否改变，若改变，则进行步骤S6，否则重复步骤S4；

S6、微控制器通过预测算法与变步长算法输出合适偏置电压，并加载到MZ光强度调制器的偏置控制端，实现偏置点稳定控制，然后重复步骤S4。

所述控制变量值的获取方法包括：

S101、将初始的偏置电压加载到MZ光强度调制器的偏置电压输入端，微控制器测出该初始的偏置电压对应的平均光功率值；

S102、通过两次合适小步长连续改变偏置电压，获取另两个平均光功率值，根据这三个平均光功率值计算出两个初始的一阶导数值和一个初始的二阶导数值；

S103、将该二阶导数值和第一个一阶导数值之间的比值作为控制变量值。

所述步骤S4具体包括：

判断MZ光强度调制器实时输出的平均光功率值与初始的偏置电压对应的平均光功率值是否相同，若一致，则重复该步骤，否则进行步骤S5。

其中，步骤S5具体包括通过两次合适小步长连续改变偏置电压，获取另两个平均光功率值，根据这三个平均光功率值计算出两个一阶导数值和一个二阶导数值；将该二阶导数值和第一个一阶导数值之间的比值作为控制变量值与初始值比较是否相同，若一致则返回S4，否则进行步骤S6。

所述步骤S6包括微控制器根据预测算法判断出MZ光强度调制器偏置点漂移的方向；所述微控制器通过变步长算法快速调整偏置驱动电压，实现偏置点高精度稳定控制。

所述预测算法包括：通过预先尝试的办法，预先给偏置电压在一个方向增加或者减少一定数值作为尝试电压，通过对反馈信号的检测来判断该尝试电压是否应该保留，如果反馈信号逼近目标值，则保留该尝试电压，否则反馈信号远离目标值，则将尝试电压退回到初始偏置电压值，接下来向相反方向改变偏置电压值。

可以理解的是，本领域常规技术人员可根据实际情况设置出偏置电压的方向和数值，例如，偏置电压输入调节范围可以为±20V。

所述变步长算法包括：在控制中，如果使用固定步长模式，假设步长很大，则控制精度比较低，当然使用步长过小，那么需要很长周期才能达到目标控制要求，使得控制速度很慢，为此采用变步长算法，可以解决两者之间的矛盾，其基本思想就是反馈信号远离目标值，则加大尝试电压的步长，以便快速达到目标值，如果反馈信号接近目标值，则减小步长，以便提高控制精度。

作为一种可选方式，若尝试电压与目标值的差值为[0,1]V，则表示该尝试电压接近目标值，否则表示为远离目标值，若接近目标值，则减小步长，即此时的尝试电压的步长可为从之前的0.2V减低到0.05V。

实施例3

本实施例主要是本发明所描述的MZ光调制器任意偏置点控制装置及其控制方法工作原理进行描述，如下：

首先MZ光强度调制器、99：1光耦合器、光探测放大器、A/D转换器、微控制器、D/A转换及放大器形成一闭环反馈控制***，微控制器经扫描搜索到工程应用要求对应直流偏置电压，并通过D/A转换放大器输出固定的直流偏置电压到MZ光强度调制器偏置端口(偏置电压输入端)，并记录下相应输出的平均光功率值，以该值为初始点并连续两次以合适小步长相继改变偏置电压，获取相继的另外两个平均光功率值，然后恢复到改变前偏置电压。利用这三个平均光功率值计算出两个初始一阶导数值与一个初始二阶导数值，利用初始二阶导数值与第一个初始一阶导数值的比值作为该发明装置的控制变量初始值。获取控制变量初始值之后，该控制装置微控制器单元监视光调制器输出平均光功率变化。当MZ光强度调制器输出平均光功率发生变化后，将再次获取二阶导数值与一阶导数值的比值，当该比值改变则表示MZ光强度调制器偏置点发生漂移，通过预测算法找准偏置电压调整方向，通过变步长算法快速调整偏置电压，实现光调制器偏置点稳定。

为避免赘述，以上控制方法以及装置实施例之间的相应特征可以相互引用。

本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：ROM、RAM、磁盘或光盘等。

以上所举实施例，对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所举实施例仅为本发明的优选实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种MZ光强度调制器任意偏置点控制装置，其特征在于，所述任意偏置点控制装置包括DFB激光器、MZ光强度调制器、光耦合器，以及集成于同一电路板内的光探测放大器、A/D转换器、微控制器和D/A转换放大器；所述DFB激光器的输出端连接MZ光强度调制器的光源输入端；所述MZ光强度调制器的输出端连接光耦合器的输入端；所述光耦合器的第二输出端连接光探测放大器的输入端，所述光耦合器的第一输出端连接后续光路；所述光探测放大器的输出端连接A/D转换器的输入端；所述A/D转换器的数据输出端连接微控制器的输入端；所述微控制器的控制输出端连接D/A转换放大器的控制输入端；所述D/A转换放大器输出端连接MZ光强度调制器的偏置电压输入端。

2.根据权利要求1所述的一种MZ光强度调制器任意偏置点控制装置，其特征在于，所述DFB激光器用于输出稳定的激光光功率；所述MZ光强度调制器用于将高频载波信号调制到光波上；所述光耦合器用于将输入光按分光比分路输出光到后续光路；所述光探测放大器用于将光耦合器输出的1％光信号转化为电信号并放大；所述A/D转换器用于将模拟电压信号转换为数字信号；所述微控制器用于监视反馈MZ光强度调制器输出平均光功率变化情况，并相应通过D/A转换放大器输出偏置电压加载到MZ光强度调制器的偏置电压输入端，实现MZ光强度调制器的偏置点稳定；所述D/A转换及放大器用于将数字信号转换成模拟信号并放大。

3.根据权利要求2所述的一种MZ光强度调制器任意偏置点控制装置，其特征在于，所述光耦合器的第一输出端和第二输出端的分光比为99：1，其中，第一输出端输出99％的光信号，第二输出端输出1％的光信号。

4.一种用于如权利要求1～3所述的一种MZ光强度调制器任意偏置点控制装置的控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

S1、微控制器进行预处理，设置工程应用初始偏置控制点；

S2、微控制器获取该偏置点对应的平均光功率值；

S3、微控制器获取该偏置点对应平均光功率的二阶导数值和其一阶导数值的比值；

S4、微控制器通过监测MZ光强度调制器输出平均光功率值是否改变，若改变，则进行步骤S5，否则重复步骤S4；

S5、微控制器判断平均光功率的二阶导数值和其一阶导数值的比值是否改变，若改变，则进行步骤S6，否则重复步骤S4；

S6、微控制器通过预测算法与变步长算法输出合适偏置电压，并加载到MZ光强度调制器的偏置控制端，实现偏置点稳定控制，然后重复步骤S4。

5.根据权利要求4所述一种MZ光强度调制器任意偏置点控制装置的控制方法，其特征在于，所述控制变量值的获取方法包括：

S101、将初始的偏置电压加载到MZ光强度调制器的偏置电压输入端，微控制器测出该初始的偏置电压对应的平均光功率值；

S102、通过两次合适小步长连续改变偏置电压，获取另两个平均光功率值，根据这三个平均光功率值计算出两个初始的一阶导数值和一个初始的二阶导数值；

S103、将该二阶导数值和第一个一阶导数值之间的比值作为控制变量值。

6.根据权利要求5所述一种MZ光强度调制器任意偏置点控制装置的控制方法，其特征在于，所述步骤S4具体包括：

判断MZ光强度调制器实时输出的平均光功率值与初始的偏置电压对应的平均光功率值是否相同，若一致，则重复该步骤，否则进行步骤S5。

7.根据权利要求4所述一种MZ光强度调制器任意偏置点控制装置的控制方法，其特征在于，所述步骤S5具体包括：

通过两次合适小步长连续改变偏置电压，获取另两个平均光功率值，根据这三个平均光功率值计算出两个一阶导数值和一个二阶导数值；将该二阶导数值和第一个一阶导数值之间的比值作为控制变量值与初始值比较是否相同，若一致则返回S4，否则进行步骤S6。

8.根据权利要求4所述一种MZ光强度调制器任意偏置点控制装置的控制方法，其特征在于，所述步骤S6包括微控制器根据预测算法判断出MZ光强度调制器偏置点漂移的方向；所述微控制器通过变步长算法快速调整偏置驱动电压，实现偏置点高精度稳定控制。

9.根据权利要求8所述一种MZ光强度调制器任意偏置点控制装置的控制方法，其特征在于，所述预测算法包括预先给偏置电压在一个方向增加或者减少一定数值作为尝试电压，通过对反馈信号的检测来判断该尝试电压是否应该保留，如果反馈信号逼近目标值，则保留该尝试电压；否则反馈信号远离目标值，则将尝试电压退回到初始偏置电压值，接下来向相反方向改变偏置电压值。

10.根据权利要求8所述一种MZ光强度调制器任意偏置点控制装置的控制方法，其特征在于，所述变步长算法包括若反馈信号远离目标值，则加大尝试步长，以快速达到目标值，如果反馈信号接近目标值，则减小步长，以提高控制精度。