一种mz调制器偏置电压自适应控制方法
【专利摘要】本发明公开了一种MZ调制器偏置电压自适应控制方法，包括如下步骤：(1)在采样时间窗口内的各采样时间点上测量输出光功率，并求其平均光功率，增加一个步进电压大小，得到其对应的平均光功率，进而求得其偏导数，重复采集求取多次偏导数并取平均得到平均偏导数，作为偏置点监测参数；(2)逐渐增大采样时间窗口及偏导数平均次数，直到偏置电压控制误差以及前后两次控制误差差值的绝对值各自满足误差要求，将此时所对应的采样时间窗口及偏导数平均次数作为最佳值；(3)以此最佳采样时间窗口及偏导数平均次数为固定值继续基于平均偏导数进行偏置点监测。通过本发明所述方法，可以在减小噪声影响、提高偏置电压控制精度的同时实现较短的反馈时间。
【专利说明】
一种MZ调制器偏置电压自适应控制方法
技术领域
[0001 ]本发明属于光通信技术领域，更具体地，涉及一种MZ调制器偏置电压自适应控制 方法。
【背景技术】
[0002] 随着高速光通信的发展，马赫-曾德尔(MZ)调制器作为产生各种调制格式光信号 中的关键器件，在该领域的应用越来越广泛。MZ调制器由两个波导臂和两个Y型分支构成， 应用晶体材料的电光效应原理，通过调节两个波导臂上的电场使两臂产生光程差，加载电 场的端口分为射频端和直流偏置端，发生干涉后将相位调制变换成强度调制。MZ调制器在 工作过程中由于受到外界环境的影响，如温度、电场、应力等，实际偏置点会偏离要求偏置 点，原来加载的电压下不能得到设定的调制光信号，即发生偏置点漂移，造成的后果是调制 光信号质量变差、眼图劣化、误码率上升等，影响光通信系统的传输质量。因此，很有必要找 到一种偏置自适应控制方法来解决MZ调制器偏置漂移问题，才能保证光通信系统的通信质 量。
[0003] 现有技术通常采用基于MZ调制器输出光功率与输入光功率比值进行偏置点监测 的方法，其优点是装置简单，缺点是受插入损耗波动影响，控制精度不高。此外，也有基于MZ 调制器输出光功率二阶偏导与一阶偏导比值的偏置电压控制方法，具有不受输入光功率以 及插入损耗变化影响的优点，但其监测参数不只是偏置点的单一函数，还与MZ调制器半波 电压有关，无法校正半波电压变化引入的偏置点漂移，使得控制精度降低。而且，现有技术 没有采取有效措施进一步减小噪声的影响，导致控制精度有所降低。
【发明内容】
[0004] 针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种MZ调制器偏置电压自适 应控制方法，其目的在于减小噪声影响、提高偏置电压控制精度的同时实现较短的反馈时 间，由此解决MZ调制器偏置电压控制中由于噪声引入的控制精度不高的技术问题。
[0005] 为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种MZ调制器偏置电压自适应 控制方法，包括下述步骤：
[0006] (1)初始化:设置MZ调制器偏置电压初值，初始采样时间窗口 T，初始偏导数平均次 数Nd= 1;设定误差值el，用于表征偏置电压控制误差需要满足的误差大小;设定误差值e2， 用于表征随着采样时间窗口及偏导数平均次数增大，前后两次偏置电压控制误差差值的绝 对值需要满足的误差大小；设变量V_ err〇r0用于存储偏置电压控制误差，初值取不小于el 的较大的值;设定采样速率恒定不变；
[0007] (2)求平均光功率:在当前偏置电压下，在采样时间窗口 T内的各采样时间点上测 量MZ调制器输出光功率，并对采样时间点个数求算数平均，得到该偏置电压对应的平均光 功率；
[0008] (3)求偏导数:将偏置电压增加一个步进电压，按步骤(2)得到当前偏置电压对应 的平均光功率，进而求得平均光功率对偏置电压的偏导数;然后将偏置电压减小一个步进 电压;步进电压一般取0.01V~0.2V，根据实际情况而定；
[0009] (4)求平均偏导数:重复步骤(2)、（3)共Nd次，得到Nd个所述偏导数，进而求得平均 偏导数；
[0010] (5)比较平均偏导数与偏导数理论值，判断平均偏导数是否收敛于偏导数理论值， 是则将当前偏置电压与当前偏置电压理论值作差并取绝对值作为控制误差v_ err〇r，转步 骤(6);否则根据比较结果调节偏置电压，转步骤(2);
[0011 ] (6)判断是否同时满足V_error〈el和| V_error_V_errorO | <e2,是则得到最佳采样 时间窗口 T和偏导数平均次数Nd，转步骤(7);否则增加窗口 T宽度，增加偏导数平均次数Nd， 并将V_error值赋给V_error0，转步骤(2);
[0012] (7)固定最佳T和Nd，重复步骤(2)、（3)、（4)，得到当前偏置电压的平均偏导数；
[0013] (8)将步骤(7)得到的平均偏导数与偏导数理论值比较，判断平均偏导数是否收敛 于偏导数理论值，是则完成本次偏置电压自适应控制，转步骤(9);否则根据比较结果调节 偏置电压，转步骤(7);
[0014] (9)每隔一段时间，重复步骤(7)、（8)，对MZ调制器偏置电压进行实时自适应控制； 时间间隔一般取5~30分钟，根据MZ调制器偏置点漂移情况而定。
[0015] 进一步的，所述偏置点为四个常用偏置点，包括一般情况下偏置电压为0、
-所对应的偏置点，分别记为?〇&1^、0皿(1-、灿11、0皿(1+ ;所述￥11为12调制器的半 波电压。
[0016] 进一步的，所述MZ调制器具有射频电压输入端以及直流偏置电压输入端，并且其 传递函数具有余弦函数规律。
[0017] 进一步的，所述输出光功率的采样速率远大于偏置点漂移的速度，以控制方法能 及时校正偏置点漂移为准则。
[0018] 进一步的，所述e2取值范围为10-2-10-5; e2取值越小，精度越高，收敛速度越慢;e2 取值越大，精度越低，收敛速度越快。
[0019] 本发明中，所述偏置点为四个常用偏置点，包括一般情况下偏置电压为0、
，所对应的偏置点，分别记为Peak、Quad-、Nu 11、Quad+;所述V^MZ调制器的半 波电压。
[0020] 本发明中，所述偏导数理论值，对于Peak、Null偏置点为0,对于Quad+、Quad_偏置 点为最大最小值。当偏置点发生漂移后，Quad+、Quad_偏置点对应的所述最大最小值大小有 可能发生变化，但始终为极值点这个特点不变。所述Quad+偏置点的偏导数理论值为最大 值，通过计算偏置电压左右一小段范围内的偏导数，若有绝大多数比此电压对应的偏导数 小，则可认为找到最大值。所述Quad-偏置点的偏导数理论值为最小值，通过计算偏置电压 左右一小段范围内的偏导数，若有绝大多数比此电压对应的偏导数大，则可认为找到最小 值。
[0021]本发明中，所述偏置电压理论值，为MZ调制器偏置点处于最理想情况下所对应的 偏置电压值。所述四个偏置点分别有不同的偏置电压理论值，并且由于存在偏置点漂移现 象，不同时间段对应的偏置电压理论值有所不同。在本发明方法中，偏置电压理论值只在寻 找最佳采样时间窗口 T和偏导数平均次数Nd过程中用于计算偏置电压控制误差，此过程持 续时间很短，可认为此时间段内偏置电压理论值为恒定值。通过调节MZ调制器直流偏置端 的输入电压，并用光功率计监测MZ调制器输出光功率大小，找到光功率最大和最小所对应 的电压值，两者之差为MZ调制器的半波电压值。光功率最大对应的电压值即为Peak偏置点 的偏置电压理论值，光功率最小对应的电压值即为Null偏置点的偏置电压理论值，光功率 最小对应的电压值加上半波电压值的一半即为Quad+偏置点的偏置电压理论值，光功率最 大对应的电压值加上半波电压值的一半即为Quad-偏置点的偏置电压理论值。
[0022]本发明中，所述采样时间窗口T和偏导数平均次数Nd大小，与去噪效果有关，进而 影响控制精度;随着T、Nd增大，控制误差先减小后趋于稳定，而反馈时间逐渐变长，因此需 要通过判断来实现最高的控制精度以及较短的反馈时间。所述最佳采样时间窗口和偏导数 平均次数是指随着采样时间窗口和偏导数平均次数增大，偏置电压控制误差不再减小时所 对应的时间窗口和平均次数，这里用I V_error-V_errorO I <e2来衡量控制误差是否不再减 小，即前后两次控制误差差值的绝对值满足误差要求。为了区分采样时间窗口和平均次数 较小时控制误差变化也呈现平缓的趋势，先用V_ err〇r〈el来衡量其是否处于误差较小的范 围。若同时满足两者，说明此时达到最高的控制精度，同时实现较短的反馈时间。
[0023] 总体而言，基于本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，通过增大MZ调制 器输出光功率采样时间窗口和偏导数平均次数，即重复读取计算输出光功率及其偏导数并 取平均，减小噪声的影响；同时由于随着采样时间窗口和偏导数平均次数增大，控制误差先 减小后趋于稳定，此时进一步增大采样时间窗口和偏导数平均次数会造成反馈时间明显变 长，实时控制效果欠佳;针对这种情况，进一步通过以控制误差以及前后两次控制误差差值 的绝对值各自满足误差要求为判据，优化采样时间窗口和偏导数平均次数作为最佳采样时 间窗口和偏导数平均次数，并固定此窗口和次数继续计算监测偏置点，从而使得本发明在 减小噪声影响、提高偏置电压控制精度的同时实现较短的反馈时间。
【附图说明】
[0024] 图1是本发明实施例提供的MZ调制器偏置电压自适应控制方法的整体流程示意 图；
[0025] 图2是本发明实施例提供的MZ调制器偏置电压自适应控制方法的原理示意图；
[0026] 图3是本发明实施例提供的MZ调制器偏置电压自适应控制装置的结构示意图；
[0027] 图4是本发明实施例提供的Null偏置点的自适应控制算法流程图；
[0028] 图5是本发明实施例提供的Quad+偏置点的自适应控制算法流程图；
[0029] 图6是本发明实施例提供的进行偏置电压自适应控制后误差及调制光信号眼图Q 因子与输出光功率及偏导数平均次数的关系曲线图。
【具体实施方式】
[0030] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对 本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并 不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要 彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0031] 图1是本发明提供的MZ调制器偏置电压自适应控制方法的整体流程示意图。如图1 所示，所述方法包括以下步骤：
[0032] (1)初始化:设置MZ调制器偏置电压初值，初始采样时间窗口 T，初始偏导数平均次 数Nd= 1;设定误差值el，用于表征偏置电压控制误差需要满足的误差大小;设定误差值e2， 用于表征随着采样时间窗口及偏导数平均次数增大，前后两次偏置电压控制误差差值的绝 对值需要满足的误差大小；设变量V_ err〇r0用于存储偏置电压控制误差，初值取不小于el 的较大的值;设定采样速率恒定不变；
[0033] (2)求平均光功率:在当前偏置电压下，在采样时间窗口 T内的各采样时间点上测 量MZ调制器输出光功率，并对采样时间点个数求算数平均，得到该偏置电压对应的平均光 功率；
[0034] (3)求偏导数:将偏置电压增加一个步进电压，按步骤(2)得到当前偏置电压对应 的平均光功率，进而求得平均光功率对偏置电压的偏导数;然后将偏置电压减小一个步进 电压;步进电压一般取〇. 01V~0.2V，根据实际情况而定；
[0035] (4)求平均偏导数:重复步骤(2)、（3)共Nd次，得到Nd个所述偏导数，进而求得平均 偏导数；
[0036] (5)比较平均偏导数与偏导数理论值，判断平均偏导数是否收敛于偏导数理论 值，是则将当前偏置电压与当前偏置电压理论值作差并取绝对值作为控制误差v_err〇r，转 步骤(6);否则根据比较结果调节偏置电压，转步骤(2);
[0037] (6)判断是否同时满足V_error〈el和| V_error_V_errorO | <e2,是则得到最佳采样 时间窗口 T和偏导数平均次数Nd，转步骤(7);否则增加窗口 T宽度，增加偏导数平均次数Nd， 并将V_error值赋给V_error0，转步骤(2);
[0038] (7)固定最佳T和Nd，重复步骤(2)、（3)、（4)，得到当前偏置电压的平均偏导数；
[0039] (8)将步骤(7)得到的平均偏导数与偏导数理论值比较，判断平均偏导数是否收敛 于偏导数理论值，是则完成本次偏置电压自适应控制，转步骤(9);否则根据比较结果调节 偏置电压，转步骤(7);
[0040] (9)每隔一段时间，重复步骤(7)、（8)，对MZ调制器偏置电压进行实时自适应控制； 时间间隔一般取5~30分钟，根据MZ调制器偏置点漂移情况而定。
[0041] 图2是本发明提供的MZ调制器偏置电压自适应控制方法的原理示意图。实线表示 偏置点漂移之前的平均输出光功率及其偏导数与偏置相位的关系曲线图，虚线表示偏置点 漂移之后的平均输出光功率及其偏导数与偏置相位的关系曲线图。设置MZ调制器工作在某 个偏置点，对应某个偏置电压，可通过除以半波电压再乘以180度转换到偏置相位，当偏置 点发生漂移后，此偏置电压对应的偏置点会发生变化，因此需要调节偏置电压大小直至找 到并稳定在所设偏置点。由图中可看出，即使偏置点发生漂移，Peak偏置点和Nul 1偏置点对 应的偏导数始终为〇，Quad+偏置点和Quad-偏置点对应的偏导数始终为曲线的最大值和最 小值。说明在MZ调制器偏置点发生漂移的情况下，输出光功率的偏导数对于四个常用偏置 点具有不变的特性，可用于监测偏置点。下面对MZ调制器直流偏置漂移来源进行推导分析， 进一步验证通过监测输出光功率偏导数可以校正所有漂移来源。
[0042] 设MZ调制器输入光场为Ein(t)，则经过MZM后的输出信号为
[0043]
[0044] 其中α为MZ调制器的损耗系数。在外加电压引起的电光效应作用下，MZ调制器两臂 的输出信号相位分别为
[0047]其中分别为MZ调制器上下两臂输入的电压信号，分别为上下两臂的电 极长度，neff为构成MZ调制器的铌酸锂光波导的有效折射率，则有
[0050]将外界或者器件本身因素引入的两臂之间随机相位差记为Φο,两臂的相位差之 和携带的随机量记为Φι，有
[0052]考虑ΜΖ调制器工作在非理想情况下，Φο、(iM为外在或者内在因素导致的不确定 量，设加载于MZ调制器射频端的射频电信号为VRF(t)，直流偏置端的偏置电压为Vbias。将乂^ V2 = Vrf (t) +Vbias，V1+V2 = Vo 代入，有
[0054] 经过MZM后的光信号功率可表示为
[0056]其中k为MZ调制器的插入损耗。从上式可看出，偏置点漂移有两个来源，其中一个 是随机相位差Φ〇,它随外界或器件本身因素的改变而改变;而半波电压的表达式如下
[0058]其中铌酸锂光波导的折射率nr及其电光系数r33都是温度的函数，随温度变化而变 化，而波导长度L以及两电极间长度d也会随温度发生细微的热胀冷缩，因此另一个漂移来 源是随温度发生变化的半波电压νπ。
[0059]通过监测光功率相关参数，可以通过调节Vblas的大小来补偿Φ(^Ρνπ引入的偏差， 例如设置偏置相位为Φ
等于Φ，但由于Φ 〇或^发生随机变化变 成Φ/、V/
不再等于Φ，此时可以通过调节Vblas的大小来使得
，即对两者引入的偏置点漂移进行了校正。而偏置点监测参 数的选取需要满足的条件是，当偏置点发生漂移，偏置点对应的监测参数理论值具有不变 的特性，而平均输出光功率的偏导数对于四个常用偏置点满足此要求。对于Peak和Null点， 无论随机相位差以及半波电压如何变化，平均输出光功率偏导数始终为〇;而对于Quad+和 Quad-点，平均输出光功率偏导数始终为最大最小值。利用平均输出光功率偏导数不随漂移 来源变化而变化的特性，可以很好地进行偏置电压控制。
[0060] 综上所述，通过本发明所述方法，可以校正随机相位差以及半波电压变化引入的 偏置点漂移，从而提高偏置电压控制精度。
[0061] 图3为本发明一个优选实施例构建的MZ调制器偏置电压自适应控制装置的结构示 意图。所述自适应控制装置主要包括激光器1、MZ调制器2、耦合器3、射频信号源4、数模转换 器5、探测器6、单片机7、放大器8。
[0062] 具体的，所述激光器1的输出端连接至所述MZ调制器2的第一输入端，所述MZ调制 器2的输出端连接至所述耦合器3的输入端，所述耦合器3的第一输出端连接至所述探测器6 的输入端，所述探测器6的输出端连接至所述放大器8的输入端，所述放大器8的输出端连接 至所述单片机7的输入端，所述单片机7的输出端连接至所述数模转换器5的输入端，所述数 模转换器5的输出端连接至所述MZ调制器2的第二输入端，所述射频信号源4的输出端连接 至所述MZ调制器2的第三输入端。
[0063] 利用本发明装置进行MZ调制器偏置电压自适应控制的过程如下:所述射频信号源 4通过所述MZ调制器2的射频端加载到所述激光器2产生的连续光上，产生调制光信号。输出 光通过所述耦合器3分一部分光进入所述探测器6转化成电流信号，电流信号再经过所述放 大器8转变成电压信号进入所述单片机7,模拟电压信号经过所述单片机7自带的模数转换 器转化成数字信号，接着在所述单片机7中进行数据处理，包括平均光功率、平均偏导数的 计算，平均偏导数与所设偏置点相对应的偏导数理论值的比较，以及偏置控制稳定后偏置 电压与偏置电压理论值的误差计算比较等。根据偏导数比较结果确定直流偏置电压的调节 方向，通过所述数模转换器5将电压输入到所述MZ调制器2的直流偏置端，形成反馈控制链 路，直到平均偏导数收敛于偏导数理论值。通过所述单片机7计算偏置控制稳定后偏置电压 与偏置电压理论值的差值并取绝对值，与设定控制误差要求el比较，若小于el，则进一步将 前后两次控制误差作差并取绝对值与设定误差要求e2比较，若小于e2,将此时对应的采样 时间窗口和偏导数平均次数作为固定值继续计算监测偏置点；否则增加光功率的采样时间 窗口以及偏导数平均次数，直到控制误差以及前后两次控制误差差值的绝对值各自满足误 差要求。
[0064] 下面就本发明实施例给出一些器件选型及参数的设定办法。所用探测器带宽大小 并不影响需要采集的平均光功率大小，而带宽过大会增加成本，带宽过小响应时间增加，会 使得反馈时间变长，因此折中选择一个合适的带宽即可，本实施例采用的型号为G_H)910_ FC，其工作波长范围为800~1700nm，带宽约为10MHz;本实施例所用MZ调制器输出光信号的 动态范围为30dB左右，因此需要选择动态范围30dB以上的放大器，一般的线性放大器动态 范围较小，单个放大器难以达到30dB的要求，因此选用对数放大器AD8304,输入动态范围可 达80dB;单片机用于完成模数转换、计算监测偏导数与理论值的偏差并作出调整，以及偏 置控制稳定后偏置电压与偏置电压理论值的误差计算比较等，选型上需要考虑其自带模数 转换器的输入采样频率、转换速率以及转换精度能否满足方案需求，是否能完成本发明需 求的数据计算以及SPI同步通信、USRT异步通信等;所用模数转换器主要考虑输出电压范围 以及分辨率是否满足需求，本实施例选择ADI公司的12位数模转换芯片AD5501，输出电压范 围有0~30V及0~60V两档可选，满足MZ调制器偏置电压需求。MZ调制器选定所述四个偏置 点之一作为工作点时，要选择其对应的初始化参数及反馈控制细节。下面以Quad+偏置点处 00K信号的偏置电压自适应控制为例，给出具体参数。偏置电压初始值为5.5V，初始采样时 间窗口设为当前采样率下采集100次光功率对应的时间，初始偏导数平均次数设为1，误差 值el设为0.2，e2设为0.01，V_error0初值设为10，步进电压设为0.2V，偏导数理论值为最大 值，当前时间段偏置电压理论值为6.69V，采样时间窗口增加步长为当前采样率下采集50个 光功率对应的时间，偏导数平均次数增加步长为1，偏置电压自适应控制时间间隔为10分 钟。
[0065] 在本发明实施例中，噪声是影响偏置自适应反馈控制精度的一个重要因素，MZ调 制器偏置电压自适应控制模块中各个部分都会引入噪声，除了可在硬件设计上采用滤波电 路，还可以在自适应控制算法中采取多点取平均的方法进一步减小噪声的影响，即在同一 个偏置电压下采集多个输出光功率值并取平均作为此电压对应的功率值，对于某个电压下 的监测参数即偏导数也通过多次计算取平均值。通过对输出光功率及其偏导数作平均减小 噪声干扰后，需要将计算得到的平均偏导数与理论值作比较，再通过不断调节直流偏置电 压的大小使得实际偏导数逐渐逼近理论值，最后收敛在其附近。对于Peak和Null偏置点，理 论值为〇,而对于Quad+和Quad-偏置点，理论值为最大最小值。去噪效果与输出光功率及其 偏导数的平均次数有关，而输出光功率的平均次数在采样率一定的前提下可用采样时间窗 口表征，因此控制精度受输出光功率采样时间窗口及偏导数平均次数影响。随着采样时间 窗口及偏导数平均次数增大，控制误差先减小后趋于稳定，而反馈时间逐渐变长，说明随着 采样时间窗口及偏导数平均次数增大，控制精度逐渐增大至最大值并稳定在最大值，控制 精度恰好增大到最大值时所对应的采样时间窗口及偏导数平均次数为最佳窗口及次数，此 时可以获得最高的控制精度，而在所有可以获得最高控制精度所对应的窗口及次数中，此 窗口及次数最小，反馈时间最短。因此在此最佳采样时间窗口及偏导数平均次数下，可以达 到最高控制精度的同时实现较短的反馈时间。将此最佳采样时间窗口及偏导数平均次数作 为固定值继续计算监测偏置点。由于Peak和Nul 1、Quad+和Quad-偏置点的反馈控制过程分 别具有相似性，因此只分析Null和Quad+情况下偏导数D1的比较与判断。
[0066] 图4为本发明实施例提供的Null偏置点的自适应控制算法流程图。首先需要通过 判断找到最佳采样时间窗口及偏导数平均次数，然后继续偏置点的监测及校正。MZM的偏导 数随直流偏置电压呈余弦规律变化，Null偏置点的偏导数值为0,且在半个周期内是单调变 化的，左侧为负值，右侧为正值。若计算所得偏导数大于0,则减小偏置电压，若小于0,则增 大偏置电压，直到找到过零点，即为找到所设偏置点，并且计算偏置电压误差。逐渐增大采 样时间窗口及偏导数平均次数，直到控制误差以及前后两次控制误差差值的绝对值各自满 足误差要求时，则说明控制精度不再随着采样时间窗口及偏导数平均次数增大而提高，此 时可将此采样时间窗口及偏导数平均次数作为最佳值继续按照上面所说步骤监测锁定偏 置点。
[0067]图5为本发明实施例提供的Quad+偏置点的自适应控制算法流程图。Quad+偏置点 的情况比Null偏置点稍微复杂一点，Quad+的偏导数为最大值，反馈控制的目标是使得偏置 电压稳定在最大值对应的电压附近。由于噪声的干扰，整个偏导数曲线有抖动，因此计算偏 置电压左右一小段范围内的平均偏导数值，若有绝大多数值比此电压对应的平均偏导数值 小，则可认为找到最大值。首先计算当前偏置电压对应的平均偏导数Dl_mean，然后计算其 右侧若干个平均偏导数值，若有大部分比Dl_mean小，则继续计算左侧若干个平均偏导数 值，若也有大部分比Dljnean小则可认为找到最大值，即找到Quad+偏置点;若当前偏置电压 对应的平均偏导数Dl_mean右侧若干个偏导数值不满足大部分比其小，则增大一个步进电 压，重复上述计算及判断;若当前偏置电压对应的平均偏导数Dljnean右侧若干个偏导数值 满足大部分比其小，而左侧若干个偏导数值不满足大部分比其小，则减小一个步进电压，重 复上述计算及判断，直到找到符合条件的偏置电压，即找到所设偏置点。找到偏置点后计算 实时偏置电压与理论电压的误差，若相对于前一个采样时间窗口及偏导数平均次数，控制 误差以及前后两次控制误差差值的绝对值各自满足误差要求，则将此时采样时间窗口及偏 导数平均次数固定为最佳值，否则增大采样时间窗口及偏导数平均次数继续计算控制误 差，直到找到最佳值，则可以此最佳值作为固定窗口及次数继续监测偏置点。
[0068]下面结合本发明实施例开展的部分实验结果具体说明。MZ调制器采用Eospace公 司的强度调制器，其输入光信号功率为_2dBm，耦合器分光比为1:9,90%的调制光信号进入 光电探测器转化为电信号后使用采样示波器测试其眼图，并可从示波器面板上读出眼图Q 因子，下面以Quad+偏置点处开关键控(00K)信号的偏置点自适应控制为例进行说明。
[0069]图6为本发明实施例提供的进行偏置电压自适应控制后误差及调制光信号眼图Q 因子与输出光功率及偏导数平均次数的关系曲线图。为了进一步论证本发明提出的通过增 大输出光功率采样时间窗口和偏导数平均次数来提高控制精度的方法，用控制误差或眼图 Q因子来表征控制精度的高低，控制误差越小，表明控制精度越高；眼图Q因子越大，表明控 制精度越高。选取了平均输出光功率及其偏导数平均次数为100x1、100x2、100χ5、200χ5、 200x10五种情况进行实验，分别记录各个平均次数下进行偏置自适应控制后的误差及眼 图Q因子，作出曲线如图6所示。由图可见，随着平均次数增大，控制误差逐渐减小，最终会趋 于一个稳定值;眼图的Q因子随着平均次数的增大逐渐增大，最终趋于一个稳定值。分析其 机理是:随着输出光功率采样时间窗口和偏导数平均次数增加，噪声会通过作平均减小，控 制误差减小，眼图质量提高，精度提高；当采样时间窗口和偏导数平均次数增大到一定程 度，噪声的影响已经可以忽略，此时的误差主要由步进电压决定，再增大时间窗口及平均次 数对误差减小已没有意义。而平均次数太大会使得反馈控制时间过长，因此需要通过判断 选取最佳采样时间窗口和偏导数平均次数，判断依据是控制误差以及前后两次控制误差差 值的绝对值各自满足误差要求时所对应的采样时间窗口及偏导数平均次数即为最佳值，可 以得到最高的控制精度以及较短的反馈时间。从此实验结果可看出，当输出光功率及偏导 数平均次数分别为200和5的情况下，控制精度达到最高，并且反馈时间较短，此时200次对 应的时间窗口以及5次为输出光功率的最佳米样时间窗口及偏导数平均次数。在一定范围 内，增大输出光功率采样时间窗口及偏导数平均次数可以减小控制误差，提高ΜΖ调制器信 号眼图质量，也就是提高控制精度。并且通过逐渐增大采样时间窗口及偏导数平均次数，直 到控制误差以及前后两次控制误差差值的绝对值各自满足误差要求时，将对应的采样时间 窗口及偏导数平均次数作为最佳值，此时可以提高控制精度，获得现有参数条件下的最高 精度，并且实现较短的反馈时间。
[0070] 基于以上叙述，本发明提供的偏置电压自适应控制方法通过优化输出光功率采样 时间窗口以及偏导数平均次数，在减小噪声影响、提高偏置电压控制精度的同时实现较短 的反馈时间。
[0071] 综合以上所述，本发明提供了一种MZ调制器偏置电压自适应控制方法，将MZ调制 器输出光功率的平均偏导数作为偏置点监测参数，通过增大输出光功率采样时间窗口和偏 导数平均次数，即重复读取计算输出光功率及其偏导数并取平均，减小噪声的影响；同时 由于随着采样时间窗口和偏导数平均次数增大，控制误差先减小后趋于稳定，此时进一步 增大采样时间窗口和偏导数平均次数会造成反馈时间明显变长，实时控制效果欠佳;针对 这种情况，进一步通过以控制误差以及前后两次控制误差差值的绝对值各自满足误差要求 为判据，优化采样时间窗口和偏导数平均次数作为最佳采样时间窗口和偏导数平均次数， 并固定此窗口和次数继续计算监测偏置点，从而使得本发明在减小噪声影响、提高偏置电 压控制精度的同时实现较短的反馈时间。
[0072]本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以 限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含 在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种MZ调制器偏置电压自适应控制方法，其特征在于，包括下述步骤： (1) 初始化:设置MZ调制器偏置电压初值，初始采样时间窗口 T，初始偏导数平均次数Nd =1;设定误差值el，用于表征偏置电压控制误差需要满足的误差大小;设定误差值e2，用于 表征随着采样时间窗口及偏导数平均次数增大，前后两次偏置电压控制误差差值的绝对值 需要满足的误差大小;设变量V_ err〇rO用于存储偏置电压控制误差，初值取不小于el的较 大的值;设定采样速率恒定不变； (2) 求平均光功率:在当前偏置电压下，在采样时间窗口T内的各采样时间点上测量MZ 调制器输出光功率，并对采样时间点个数求算数平均，得到该偏置电压对应的平均光功率； (3) 求偏导数:将偏置电压增加一个步进电压，按步骤(2)得到当前偏置电压对应的平 均光功率，进而求得平均光功率对偏置电压的偏导数;然后将偏置电压减小一个步进电压； 步进电压一般取0.01V~0.2V，根据实际情况而定； (4) 求平均偏导数:重复步骤(2)、（3)共Nd次，得到Nd个所述偏导数，进而求得平均偏导 数； (5) 比较平均偏导数与偏导数理论值，判断平均偏导数是否收敛于偏导数理论值，是则 将当前偏置电压与当前偏置电压理论值作差并取绝对值作为控制误差v_ err〇r，转步骤 (6);否则根据比较结果调节偏置电压，转步骤(2); (6) 判断是否同时满足V_error<e 1和| V_error_V_errorO | <e2，是则得到最佳采样时间 窗口T和偏导数平均次数Nd，转步骤(7);否则增加窗口T宽度，增加偏导数平均次数Nd，并将 V_error值赋给V_errorO,转步骤(2); (7) 固定最佳T和Nd，重复步骤(2)、（3)、（4)，得到当前偏置电压的平均偏导数； (8) 将步骤(7)得到的平均偏导数与偏导数理论值比较，判断平均偏导数是否收敛于偏 导数理论值，是则完成本次偏置电压自适应控制，转步骤(9);否则根据比较结果调节偏置 电压，转步骤(7); (9) 每隔一段时间，重复步骤(7)、（8)，对MZ调制器偏置电压进行实时自适应控制；时间 间隔一般取5~30分钟，根据MZ调制器偏置点漂移情况而定。2. 如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述的所述偏置点为四个常用偏置点， 包括一般情况下偏置电压为〇 、-f所对应的偏置点，分别记为Peak、Quad-、Nul 1、 Quad+;所述νπ*ΜΖ调制器的半波电压。3. 如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述MZ调制器具有射频电压输入端以及 直流偏置电压输入端，并且其传递函数具有余弦函数规律。4. 如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述输出光功率的采样速率远大于偏置 点漂移的速度，以控制方法能及时校正偏置点漂移为准则。5. 如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述e2取值范围为10-2-10-5; e2取值越 小，精度越高，收敛速度越慢;e2取值越大，精度越低，收敛速度越快。
【文档编号】G05B13/02GK105867497SQ201610325197
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年5月17日
【发明人】柯昌剑, 谭芷莹, 罗志祥, 刘德明
【申请人】华中科技大学