CN110677196A - 基于双平行马赫-曾德尔调制器的偏压控制方法 - Google Patents

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Abstract

基于双平行马赫‑曾德尔调制器的偏压控制方法涉及微波光子学、光纤传感或光通信领域。本发明通过在DPMZM三个偏置电压控制端上施加固定频率的低频扰动电压，将调制器输出信号选择一定比例反馈进入偏压控制模块，经过光电转换、滤波、放大、采样等硬件电路处理后，再经过MCU中偏置点控制算法计算获得DPMZM所对应支路偏置点电压。将偏置点电压和三个基波与二次谐波不产生重叠的不同频率扰动信号叠加输入到DPMZM偏置电压控制端口。由于三个控制端口使用不同频率的扰动电压，因此将各控制端口的反馈信息在频域分离，实现三个控制端口的独立闭环控制，同时调节DPMZM三个偏置点电压，实现DPMZM对于任意偏置点的稳定控制。

Description

基于双平行马赫-曾德尔调制器的偏压控制方法
技术领域
本发明涉及微波光子技术、光纤传感技术、光通信技术领域，具体涉及基于双平行马赫-曾德尔调制器的偏压控制方法。
背景技术
马赫-曾德尔调制器是由LiNbO3(铌酸锂)材料制成，LiNbO3材料易受所处环境的温度、输入器件光功率和器件自身老化等因素的影响，从而也影响了调制器的稳定性，导致调制器的偏置点发生漂移，输出信号的波形也受到影响，因此实现自动偏置点的控制才能够保证调制器稳定发挥作用。
单边带调制是DPMZM独具特色的一种调制方式，通过对入射激光进行微波调制，调整工作点抑制输出中其他阶次的光频成分，仅保留所需的一阶特定边带，最终获得频移之后高边带抑制的单频信号。运用DPMZM产生单边带调制实际上是调制器工作点控制问题。
目前已存在采用分时循环控制方法，分为三个时隙，依次对上下臂和主臂进行偏置点的控制，但是分时隙控制方法中，首先需要稳定主臂工作点，再稳定上下臂的工作点，所以在稳定上下臂的过程中，主臂工作点又会发生漂移，因此不能达到准确的稳定工作点，特别是在调制器任意点工作状态控制中。
发明内容
本发明提供一种基于双平行马赫-曾德尔调制器的偏压控制方法，通过对三个马赫-曾德尔调制器所加入的不同的频率信号调节实现对于工作点的偏压控制，在此过程中，实现了对三个频率信号的同时控制。
本发明提供一种基于双平行马赫-曾德尔调制器的偏压控制方法，整个***构架为：激光器提供光源信号与双平行马赫-曾德尔调制器相连接，射频信号连接在DPMZM的射频输入端口，将三个不同的扰动频率信号接入到DPMZM的三个子调制器的偏置端口，DPMZM的输出端连接分光器，分光器将5％的信号输入到偏压控制模块，偏压控制模块的输出又连接DPMZM的偏置输入端口，分光器的另一路信号接入光谱仪观察调制后信号的稳定情况。
本发明在工作时包括以下步骤：
1.首先，将激光信号输入到DPMZM的输入端口，DPMZM的输出端口连接一个分光器，选择输出信号的1％～10％送入到控制模块进行后续的处理及反馈控制阶段。
2.进行初始化，直流扫描马赫-曽德尔调制器上下臂和主臂的偏置电压，得到各自的转换曲线，对输出端部分输出信号分析得到基波与二次谐波，将其比值用来判断漂移情况，通过对转换函数具体时刻数值的检测以及和最初转换函数数值的比较，可以得到偏置点的偏移情况。
3.了解到偏置点的偏移情况，我们在三个马赫-曽德尔调制器的偏置输入端分别加入扰动信号，这三个扰动信号的频率满足特定条件，为防止三个不同频率信号的基波和二次谐波出现互相重叠串扰现象，常常选取kHz级频率，在调制器的输出端会输出一个扰动信号，分析输出扰动信号的基波和二次谐波，根据基波与二次谐波的比值来判断偏置点的漂移情况，通过控制反馈将偏置点调节为正常值。
4.判定：对DPMZM的三个马赫-曽德尔调制器加入了三个不同的扰动信号后，每个马赫-曽德尔调制器的转换函数即输出功率为：
Po＝(Pi/2)[1+cos(Vd(t)+π(Vb+Vpiao)/Vπ)]，其中Po为调制器的输出强度，Pi是调制器的输入强度，Vb是输入偏置电压，Vπ是半波电压，Vpiao为产生的漂移电压，Vd(t)为加入的扰动信号，令Vd(t)＝V0cosωt，V0是一常数，为半波电压的1％～5％，频率为输入信号频率的1％左右。
我们将其转换函数进行归一化后为：
Figure BDA0002211274780000021
其中
Figure BDA0002211274780000031
将上式通过泰勒级数展开为：
Figure BDA0002211274780000032
因为扰动信号幅值为半波电压的1％～5％左右，故信号处于小信号调制，即扰动信号的波峰到波谷的幅值远小于Vπ时，三阶及以上阶数的分量已经较为微弱，因此可以忽略不计，选取上式泰勒展开式中的一阶和二阶分量，计算他们的比值。
一阶和二阶分量分别为：
Figure BDA0002211274780000033
Figure BDA0002211274780000034
其比值为：
其中
Figure BDA0002211274780000036
V0为一个常数，我们可以看出一二阶分量比值R和相关，得到DPMZM 的偏置工作点和一阶与二阶谐波分量的比值有关，故R满足余切关系，因此可以知道R在半波电压Vπ范围内单调，因此，可以将R作为反馈变量。
5.反馈控制
在控制电路中，对三个子调制器各自进行一个反馈控制，由于各子调制器在初始化时分别对应不同的转换函数，且在初始化时已得知转换函数和R值的对应关系，因此得知偏置工作点所对应的R值，在每次的循环控制中，与上一次R值进行比较。根据R值的变化可以分析得到各路的电压漂移情况，经过R 值计算公式可以得到Vpiao的大小，即调制器所产生的漂移电压量，这个值就是我们要反馈的电压值大小，将得到的漂移电压输入偏置电压控制端口，进行电压的补偿，将偏置点控制到偏移前的状态，通过这样的不断循环比较R值的大小以及进行一个电压的补偿来稳定偏置工作点。
本发明提供了一种对DPMZM的任意工作点偏置控制的方法，该方法利用输入端加入的扰动频率信号通过DPMZM后的谐波信号比值来判断偏置点的漂移情况并实时控制偏置点在最佳位置。
与现有技术相比，本发明的优点如下：
(1)相比较现有的分时隙控制偏置点的方法，本方法通过同时控制加到三个马赫-曽德尔调制器的扰动频率信号，避免了分时隙时每个时隙之间的漂移；
(2)该方法只受加入的扰动频率信号的影响，而不受其他因素的影响。
(3)该方法实现了对三个马赫-曽德尔调制器的同时控制，相对于分时隙控制来说，每一个马赫-曽德尔调制器的控制都不和其他相关联，故对其中一个马赫-曽德尔调制器的控制不会使其他两个调制器产生漂移。
附图说明
图1是本发明利用偏压控制模块进行偏压控制的结构图；
图2是双平行马赫-曾德尔调制器的偏压控制流程图；
图3是马赫曾德尔调制器的转换曲线在正常情况下和产生漂移情况下与R 值的对应关系图。
具体实施方式
图1为本发明通过偏压控制电路进行偏压控制的原理图，可以看出采用了反馈闭环***，首先由将偏置控制电压和扰动频率信号从DC Bias输入端输入，调制到1550nm激光上，在调制器的输出端通过分光器分离出一小部分信号，后又经过光电探测器进行解调处理，将光信号转换为电信号，作为偏置点控制电路模块的输入信号。
如图1所示，本发明中的装置包括：激光源、马赫-曾德尔调制器、射频信号源、分光器、光电探测器以及偏压控制模块，将射频信号加载到激光上通过调制器输出，后将5％的输出信号通过光电探测器转换为电信号，再进行后续的偏压控制模块处理，图2为偏压控制模块，在偏压控制电路中，因为反馈信号包含直流、高频等干扰成分，因此首先对信号进行隔直、滤波，再进行放大，然后通过模数转换后进入数字信号处理器，对信号进行分析处理，之后经过数模转换电路将处理后的数字信号转换为模拟电压信号，分别加载在双平行马赫-曾德尔调制器两个子调制器和主调制器的DC Bias输入端口控制实现三个工作点的稳定。
本实例中，方法的具体实现步骤为：
步骤一：由激光器提供光载波加载到调制器中，同时输入射频信号进行调制。
步骤二：进行初始化，直流扫描上下臂和主臂的偏置电压，记录下初始状态下DPMZM的上下臂和主臂的转换函数。
步骤二：在DPMZM的三个马赫-曽德尔调制器的DC Bias输入端输入三个频率特定的不同扰动频率信号，我们选用上臂扰动频率信号的频率为 1.15kHz，下臂扰动频率信号频率为1.55kHz，主臂扰动频率信号频率为 1.9kHz，这三个扰动信号频率基波与二次谐波互不串扰，保证误差信号在频域各分量的纯净。
步骤三：经过调制器获得调制的光域扰动信号，再经过光纤耦合器，分离出5％的光信号，通过光电探测器转换为电信号后，再经过放大及低通滤波器滤除高频分量，最后通过数字处理单元部分，分别对三个子调制器进行控制，由得到的反馈信号对三个输入的扰动信号进行同时的反馈控制，使偏置点稳定，具体步骤如下：
(1)首先，进行初始化，扫描三个子调制器的偏置电压，初始化时的转换函数如下：
Po＝(Pi/2)[1+cos(πVb/Vπ)]
归一化为：P＝1+cos(πVb/Vπ)，因此可以得到相应初始化转换曲线，如图3中的上半部分。
(2)对DPMZM的三个子调制器分别加三个不同频率的扰动信号，选取上臂扰动信号频率为1.15kHz，下臂扰动信号频率为1.55kHz，主臂扰动信号频率为1.9kHz，满足它们的基波与二次谐波不产生重叠现象。输出光信号的 5％通过后续处理进入控制模块的DSP部分，得到扰动信号的一阶和二阶谐波分量。
(3)子调制器对应的输出信号的基波与二阶谐波分量比值为：
Figure BDA0002211274780000061
可以得到这个比值是一个余切函数，R是关于
Figure BDA0002211274780000062
的余切函数，所以
Figure BDA0002211274780000063
的值在0到π之间为单调递减状态，在不产生漂移的状态下，即当Vpiao＝0，
Figure BDA0002211274780000071
时，可得到
Figure BDA0002211274780000072
和偏置电压Vb是呈正相关，因此就能得到转换函数P和R值函数的一一对应关系，即R值函数在半波电压范围内单调状态。
对R值进行不断的检测，已知：
当R值发生变化，根据 R和偏置电压Vb的关系，通过控制模块的算法计算出漂移情况，得到一个反馈电压即子调制器所产生的漂移电压，来进行自动控制偏置点，使偏置点保持在稳定状态。
(3)其余两个子调制器同上一步骤一样根据基波与二阶谐波分量比值R 的变化，来实现偏置点的稳定控制。
(4)将上述过程中得到的反馈电压反馈输入到DPMZM的三个偏置输入端口，以此往复循环控制，使任意工作点得到控制。
步骤四：将调制后的信号连接在光谱仪上，观察信号的变化情况，通过同时控制加在偏置端口的三个扰动频率信号，使调制后的信号能够保持稳定状态。

Claims (1)

1.一种基于双平行马赫-曾德尔调制器的偏置点电压控制方法，其特征在于，在DPMZM的上、下、主三个子调制器分别加三个不同频率的扰动信号，使这三个扰动信号的基波和二次谐波满足无重叠现象，输出端的一部分信号经过光电转换、滤波、放大以及数字信号处理后，获得三个子调制器各自扰动频率的一阶、二阶频率信息，经过一阶和二阶的比值判断漂移情况并得到对应的反馈电压值即调制器所产生的漂移电压值，加到三个子调制器的偏置电压输入端口，同时反馈各子调制器的工作状态，控制调制器工作于任意工作点；
在偏置电压控制电路模块中，根据扰动频率输出信号的一阶分量和二阶分量比值R与DPMZM的三个子调制器的初始转换函数及对应转换曲线的关系，判断出各自的漂移情况，得到反馈电压反馈输入到子调制器的偏置输入端口，通过对偏移电压的补偿，实现子调制器的电压反馈控制。
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