CN110417475B - 一种电-光转换模块偏置点的无杂散锁定***及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电‑光转换模块偏置点的无杂散锁定***及方法，用于实现对电‑光转换模块偏置点的无杂散稳定控制和跟踪，同时提取光发射部分和电‑光转换部分的光功率，进行逻辑反馈控制，以实现无杂散的调制器工作点稳定控制。与传统的功率法和导频法的控制方式相比，既保证了在光学本征信号上不引入杂散，保障信号具有较高纯度，同时又保障了控制点的精度，不随光源性能变化而引入误差。

Description

一种电-光转换模块偏置点的无杂散锁定***及方法
技术领域
本发明涉及光通信领域、微波光子领域和光载射频领域（ROF），尤其涉及电-光转换模块偏置点的无杂散锁定***及方法。
背景技术
随着光通信和微波光子学的不断发展和光电器件制造技术的日益成熟，大量数据和信息通过光进行传输。电-光转换模块主要作用是将调制的电信号转换为调制的光信号。现有技术中电-光转换模块的基本构成包含光发射部分、电-光转换部分、逻辑控制单元。光发射部分，主要是由作为光源的激光器以及对激光器进行光功率检测的背光探测器构成；电-光转换部分主要是由作为电-光转换的调制器以及对调制器输出光功率进行检测的检测探测器构成；逻辑控制单元主要作用是对光发射部分和电-光转换部分进行逻辑控制。
光调制器作为实现电-光转换的核心器件，只有锁定到正交偏置点，才能使得光调制器工作在稳定调制区间内，从而实现正确、高质量、低失真的光信号。在正交偏置点下，电-光转换基模信号强度最大，2阶信号强度最小，比例达到最大值。但是调制器，尤其是铌酸锂材料调制器，在外加偏置工作点后，调制曲线仍然可能随外界应力、温度、电荷积累等因素发生漂移，影响整个电-光转换模块的精度和稳定性。
现有逻辑控制单元的控制方法，主要有功率法和导频法两种方式。如美国专利US8160456公开了一种利用通过算法记录检测调制器输出光功率而进行调制器稳定控制的功率控制方法，但是此方法无法避免由于调制器部分老化或光发射部分功率变化引入的误差。中国专利CN104639252、美国专利US8175465公开了利用导频法对调制器控制的方法，主要通过外部产生低频调制（dither）信号加载到调制器中，然后利用检测探测器将该信号提取后，进行逻辑实时控制。导频法可以避免光发射部分变化引入的误差，但是由于低频调制信号加入而引入了杂散信号，对调制信号纯度和精度产生影响。
发明内容
为了克服现有技术存在的不足，本发明提出了一种电-光转换模块偏置点的无杂散锁定***及方法，用于实现对电-光转换模块偏置点的无杂散稳定控制和跟踪，同时提取光发射部分和电-光转换部分的光功率，进行逻辑反馈控制，以实现无杂散的调制器工作点稳定控制。
本发明第一方面是提供一种电-光转换模块偏置点的无杂散锁定***，包括：光发射驱动部分、逻辑处理部分和电-光转换驱动部分。所述光发射驱动部分与电-光转换模块的光发射部分相连，实现光发射部分的驱动；所述电-光转换驱动部分主要与电-光转换模块中的电-光转换部分相连，实现电-光转换部分的驱动；逻辑处理部分，根据光发射部分和电-光转换部分的工作状态进行实时反馈控制。
更进一步的，上述电-光转换模块偏置点的无杂散锁定***，其中所述的光发射驱动部分，主要包括激光器驱动和第一电流检测部分。激光器驱动作用是提供激光器的驱动电流，可以是DA电路或相关模拟电路；第一电流检测部分检测光发射部分中背光探测器的光生电流信号，可以是AD电路或相关模拟电路。
其中所述的逻辑处理部分，主要包括微处理器和数据存储器。微处理器作用为实现电-光转换模块的逻辑控制，可以是单片机、FPGA、CPLD等可编程逻辑器件。数据存储器主要实现电-光转换模块的状态数据存储。
其中所述的电-光转换驱动部分，主要包括第二电流检测、调制器驱动和抖动发生器，第二电流检测作用是实现对调制器输出功率检测，可以是AD或相关模拟电路；调制器驱动作用是对调制器的偏置点进行驱动，可以是DA或相关模拟电路，抖动发生器作用是产生微弱低频抖动信号。
本发明第二方面是提供一种电-光转换模块偏置点的无杂散锁定的软件实现方法，包括：初始化自检、本征参数表建立、工作点无杂散控制和控制状态检测与重建。
其中所述的初始化自检部分，分别是实现电-光转换模块光发射部分和电-光转换部分的功能自检，包含光发射部分中激光器电流加载、电-光转换部分中调制器电压扫描、光发射部分中背光探测器检测和电-光转换部分中检测探测器检测。
其中所述的本征参数表建立，作用是对调制器输出光功率、激光器光功率、检测探测抖动信号1阶强度、抖动信号2阶强度随调制器加载扫描电压值对应数据表的建立。
其中所述的工作点无杂散控制，是指在抖动信号关闭状态下，根据光发射部分中背光探测器和电-光转换部分中检测探测器数据比值，通过本征参数表计算出偏置电压调整量，对调制器偏置电压进行修正，然后形成电-光转换模块的实时电压反馈控制。
其中所述的控制状态检测与重建，主要是对电-光转换模块工作偏压是否工作在最优点进行阶段性检测，主要包括抖动信号启动，对调制器输出光功率、激光器光功率、抖动信号1阶强度、抖动信号2阶强度进行检测，并与本征数据表进行参数对比，如超出阈值进行数据刷新，未超出阈值则保持原始数据不变。
本发明涉及的电-光转换模块偏置点的无杂散锁定***及方法，用于实现电-光转换模块中偏置点的实时无杂散反馈控制。与传统的功率法和导频法的控制方式相比，既保证了在光学本征信号上不引入杂散，保障信号具有较高纯度，同时又保障了控制点的精度，不随光源性能变化而引入误差。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1 ：本发明的电-光转换模块偏置点的无杂散锁定***
图2 ：本发明的电-光转换模块偏置点的无杂散锁定的软件实现方法流程图
图3 ：本发明的电-光转换模块的初始化自检流程图
图4 ：本发明的电-光转换模块的本征数据表建立流程图
图5 ：本发明的电-光转换模块的工作点无杂散控制流程图
图6 ：本发明的电-光转换模块的控制状态检测与重建流程图
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实例中的附图，对本发明实例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明实施例中，为使电-光转换模块中Mach-Zenhnder强度光调制的直流偏置的偏置点位于调制曲线上正交偏置点，并随外界环境条件变化能够实现稳定的跟踪锁定，需要找到与调制点曲线上偏置点对应量，并形成对应数据表，通过计算得到偏移电压，将偏移电压叠加到偏置电压，实现对正交偏置点的反馈调控。为保障长时间工作稳定性以及信号纯度，所选择的偏置点的对应量，应与光发射部分输出功率以及注入射频信号功率无关，且在偏置控制时不引入抖动信号。
如图1所示，为一种电-光转换模块偏置点的无杂散锁定***的基本构成，其中包括逻辑处理部分1，光发射驱动部分2，电-光转换驱动部分3。
逻辑处理部分1为核心控制单元，利用微处理器101，如利用单片机实现对光发射和电-光转换部分工作状态进行反馈控制，形成控制闭环；数据存储器102，对光发射和电-光转换的状态数据进行存储，主要存储偏置点的对应量数据表。
光发射驱动部分2用于对光发射部分形成反馈控制，包含激光器驱动201和第一电流检测202。其作用分别是利用AD和运放实现对激光器注入电流大小控制和利用DA实现对光发射部分中背光探测器输出电流的检测，从而实现激光器输出光功率的检测和保障光功率输出稳定。
电-光转换驱动部分3，用于对电-光转换部分形成反馈闭环控制。调制器偏置电压利用调制器驱动302通过DA来实现，并与抖动发生器303产生的抖动信号一起经过合波器加载到调制器输入端。第二电流检测301通过AD实现对检测探测器的输出电流进行实时检测，检测调制器输出光功率。
电-光转换模块偏置点的无杂散锁定方法的设计原理思路为：以激光器和Mach-Zenhnder调制器组成为例，调制器输出光功率Po与光发射输出光功率PLD，半波电压Vπ，偏置电压VB关系为：
Figure 386023DEST_PATH_IMAGE001
当外加抖动发生器303加载微扰信号与调制器驱动302的偏置信号一起加载后，从第二电流检测301中可以得到电-光转换后的光强度包含0频率光强度Po、1阶信号强度Pmod以及2阶信号强度PNL2为：
Figure 379387DEST_PATH_IMAGE002
Figure 868137DEST_PATH_IMAGE003
Figure 605149DEST_PATH_IMAGE004
从以上公式看出，通过Pmod/ PNL2查找最大值这个方法可以精确找到正交偏置点，实现高线性度的电-光转换效率，通过Pmod/ PNL2与偏置电压VB的对应关系参数表计算出对应偏移电压Vb，然后叠加至偏置电压VB上。但是该方法需要引入抖动信号，对调制器的调制谱引入杂散，影响电-光转换信号质量和纯度，同时Pmod/ PNL2与调制输入信号强度VRF有关，在外界量变化情况下会影响调控精度。
在本发明中，我们采用加载抖动信号，精确找到正交偏置点并建立Pmod/ PNL2与Po/PLD 以及偏置电压VB三者之间本征关系表，并在抖动信号关闭的情况下，利用Po/PLD与偏置电压VB的本征参数表，计算出偏移电压Vb将其叠加到偏置电压VB上，实现对偏置电压的反馈闭环调节，达到无抖动反馈调控的目的，可以实现电-光转换模块偏置点的无杂散锁定。
从公式看出，Po/PLD=1-cos（πVB/Vπ）能直接反映调制器本征参数，与激光器输出光功率PLD和输入射频电压VRF均无关，可以实现更精准的反馈调控。
如图2所示，为一种电-光转换模块偏置点的无杂散锁定的软件流程，流程为：步骤1，初始化自检，对电-光转换模块各部分进行状态检测；步骤2，本征数据表建立，在抖动信号启动和加载情况下，扫描和采集Po、PLD、Pmod、PNL2与偏置电压，并建立表格；步骤3，工作点无杂散控制，在抖动信号关闭状态下，利用Po/PLD与偏置电压VB的本征表对电-光转换模块形成反馈控制；步骤4，控制状态检测与重建，对电-光转换模块的控制状态是否准确进行监控，若发生变化，进行本征数据表的重新扫描和建立。若判断本征值发生较大改变则执行步骤2，若判断本征值发生较小改变则执行步骤3。
如图3所示，为电-光转换模块软件初始化自检流程图，目的是对其中激光器、背光探测器、调制器、检测探测器的工作状态进行状态检测，判断是否工作正常。主要包含以下步骤：步骤1，激光器电流加载，利用激光器驱动201对激光器加载预定的驱动电流，产生电-光转换模块的本征光信号；步骤2，背光探测器光电流检测，利用第一电流检测202对背光探测器的光电流进行检测，判断激光器和背光探测器是否工作正常；步骤3，调制器电压扫描，利用调制器驱动302对调制器进行偏压电压扫描；步骤4，检测探测器光电流检测，利用第二电流检测301对检测探测器光电流进行检测，判断调制器和检测探测器工作状态。
如图4所示，为电-光转换模块软件本征表建立流程图，目的是建立各参量与偏置电压VB的对应本征参数表。主要步骤如下：步骤1，启动抖动发生器，产生抖动信号，具体地产生1 kHz的抖动信号，并与调制器偏置电压VB一起加载到调制器输入端；步骤2，调制器偏置电压扫描，扫描调制器偏置电压VB从最小值到最大值；步骤3，第二电流检测301和第一电流检测202进行数据采集，采集光发射部分背光探测器和电-光转换部分检测探测器的电流值；步骤4，提取激光器功率PLD，调制器输出功率Po、基模信号Pmod（1 kHz）、2阶信号PNL2（2kHz）的数值；步骤5，建立PLD、Po、Pmod、PNL2、Po/PLD、Pmod/PNL2与偏置电压VB对应表，存储本征数据表至数据存储器102中。
如图5所示，电-光转换模块工作点无杂散控制流程图，是实现电-光转换模块偏置点反馈闭环控制，将计算的偏移电压加载到偏置电压VB上，使其一直工作在正交偏置点电压位置。具体步骤如下：步骤1，关闭抖动信号，避免对信号引入杂散，影响信号质量；步骤2，根据本征表设定正交偏置点对应偏置电压值，通过调制器驱动302加载到调制器；步骤3，根据第一电流检测202和第二电流检测301，检测光发射部分背光探测器和电-光转换部分检测探测器电流值，求得光发射部分激光器输出功率PLD和调制器输出功率Po，进而求得当前状态比例Po/PLD；步骤4，根据本征数据求得偏移电压Vb；步骤5，将偏移电压Vb叠加在偏置电压VB，使调制器工作状态至正交偏置点。
如图6所示，为电-光转换模块本征参数表检测流程图，目的为对本征参数表的准确度进行定时检测，并判断是否需要更新本征参数表中本征参数值。软件流程步骤如下：步骤1，接收本征参数表触发信号；步骤2，启动抖动发生器303，产生抖动信号，并将抖动信号加载到调制器中；步骤3，提取激光器功率PLD，调制器输出功率Po、基模信号Pmod、2阶信号PNL2的数值，并计算出Po/PLD和Pmod/PNL2的数值；步骤4，与本征数据表中数据对比，将得到Po/PLD和Pmod/PNL2数值与本征参数表数值进行对比，并判断是否超出设定阈值，若未超出阈值，则判断结论为不需重新建立本征数据表，并进行工作点无杂散控制，若判断超出阈值，则判断结论为需要进行重新建立本征数据表，并进行本征数据表建立。

Claims (6)

1.一种电-光转换模块偏置点的无杂散锁定方法，其特征在于：采用电-光转换模块偏置点无杂散锁定***，上述***包括光发射驱动部分、逻辑处理部分和电-光转换驱动部分，其中，所述光发射驱动部分与电-光转换模块的光发射部分相连，所述电-光转换驱动部分与电-光转换模块中的电-光转换部分相连，所述光发射驱动部分包括激光器驱动和第一电流检测，所述第一电流检测是对光发射部分背光探测器的光生电流信号进行检测，所述逻辑处理部分，同时提取光发射部分和电-光转换部分的输出光功率，进行实时反馈控制，所述电-光转换驱动部分包括第二电流检测、调制器驱动和抖动发生器，所述第二电流检测是对调制器输出功率进行检测；上述方法包括如下步骤：初始化自检，对电-光转换模块各部分进行状态检测；本征数据表建立，在抖动信号启动和加载的情况下，扫描和采集调制器输出功率Po、激光器输出功率PLD、基模信号Pmod、2阶信号PNL2与偏置电压VB，并建立各参量与偏置电压VB的对应本征数据表；工作点无杂散控制，在抖动信号关闭状态下，利用Po/PLD与VB的本征数据表对电-光转换模块形成反馈控制；控制状态检测与重建，对电-光转换模块的控制状态是否准确进行监控，若超出设定阈值，进行本征数据表的重新扫描和建立；其中，本征数据表建立，步骤如下：启动抖动发生器，产生1 kHz的抖动信号，并与调制器偏置电压VB一起加载到调制器输入端；调制器偏置电压扫描，扫描调制器偏置电压VB从最小值到最大值；采集光发射部分背光探测器和电-光转换部分检测探测器的电流值；提取激光器输出功率PLD，调制器输出功率Po、基模信号Pmod、2阶信号PNL2的数值；建立PLD、Po、Pmod、PNL2、Po/PLD、Pmod/PNL2与偏置电压VB的对应本征数据表，存储至数据存储器中；实现工作点无杂散控制的步骤如下：关闭抖动信号，避免对信号引入杂散；根据本征数据表设定正交偏置点对应偏置电压值，通过调制器驱动加载到调制器；检测光发射部分背光探测器和电-光转换部分检测探测器的电流值，求得激光器输出功率PLD和调制器输出功率Po，进而求得当前状态比例Po/PLD；根据本征数据表求得偏移电压Vb；将偏移电压Vb 叠加到偏置电压VB，使调制器工作状态至正交偏置点。
2.如权利要求1所述的电-光转换模块偏置点的无杂散锁定方法，其特征在于：初始化自检包含以下步骤：光发射部分中激光器电流加载，利用光发射驱动部分中激光器驱动对光发射部分中激光器加载预定的驱动电流，产生电-光转换模块的本征光信号；光发射部分中背光探测器的光电流检测，判断光发射部分中激光器和背光探测器是否工作正常；电-光转换部分中调制器电压扫描，利用电-光转换驱动部分的调制器驱动对电-光转换部分中调制器进行偏压电压扫描；对电-光转换部分中检测探测器的光电流进行检测，判断电-光转换部分中调制器和检测探测器的工作状态。
3.如权利要求1所述的电-光转换模块偏置点的无杂散锁定方法，其特征在于：控制状态检测与重建的步骤如下：接收本征数据表触发信号；启动电-光转换驱动部分中抖动发生器，产生抖动信号，并将抖动信号加载到电-光转换部分调制器中；提取光发射部分的激光器输出功率PLD，电-光转换部分调制器输出功率Po、基模信号Pmod、2阶信号PNL2的数值，并计算出Po/PLD和Pmod/PNL2的数值；将得到的Po/PLD和Pmod/PNL2的数值与本征数据表的数值进行对比，并判断是否超出设定阈值，若未超出阈值，则不需重新建立本征数据表，并进行工作点无杂散控制，若判断超出阈值，则需要重新建立本征数据表。
4.如权利要求1所述的电-光转换模块偏置点的无杂散锁定方法，其特征在于：所述逻辑处理部分包括微处理器和数据存储器；所述微处理器，对光发射部分和电-光转换部分的工作状态进行反馈控制，形成控制闭环；所述数据存储器，对光发射部分和电-光转换部分的状态数据进行存储。
5.如权利要求1所述的电-光转换模块偏置点的无杂散锁定方法，其特征在于：微处理器采用单片机、FPGA或CPLD。
6.如权利要求1所述的电-光转换模块偏置点的无杂散锁定方法，其特征在于：其中的光发射驱动部分中激光器驱动采用DA电路或相关模拟电路；电-光转换驱动部分中抖动发生器用于产生微弱低频抖动信号。
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