一种iq光调制器偏置电压的控制系统及方法
【专利摘要】本发明公开了一种IQ光调制器偏置电压控制系统及方法，该控制系统包括顺次连接的激光光源、偏振控制器、IQ光调制器、光耦合器、光电探测器、数据处理模块，IQ光调制器的输出经光耦合器分光后连接到光电探测器，其输出与数据处理模块的输入相连，数据处理模块的三个输出分别送至IQ光调制器的三个子调制器的直流偏置电压输入端口。该控制方法为首先通过测量输出光功率的最大值及相邻最小值，优化子相位调制器的偏压，然后在此基础上，依次在两个子强度调制器上加载一路低频方波信号搜索光功率最小值来优化两个子强度调制器的偏压，最终实现IQ光调制器每个子调制器工作点的控制与锁定。该发明可以快速、自动控制IQ光调制器最佳偏置点。
【专利说明】-种IQ光调制器偏置电压的控制系统及方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于光纤通信【技术领域】，更具体地，涉及一种IQ光调制器偏置电压控制系 统及方法。
【背景技术】
[0002] 随着诸如移动互联、云计算、3D电视、高清视频点播、远程医疗、虚拟现实等大带宽 业务的广泛开展，W及宽带网络接入用户数量和范围的不断扩展，作为现代通信网络骨干 的长距离光纤通信网络的传输容量仍将面临着巨大的增长压力，并对光传输系统从网络到 器件都提出了更高的要求。相干光通信能够提供更高的接收灵敏度、适用各种高阶调制码 型、能够采用数字信号处理值S巧均衡多种光域传输损伤，极大的提高了光通信系统的容 量距离积炬L)，它将取代传统的强度调制直接探测（IMDD)方案，并成为解决未来网络容量 需求的必然选择。
[0003] 但是受到光通信器件（如光纤、调制器、放大器、接收机等）的带宽限制，单根光纤 的容量是有限的。要提高光通信系统的容量，必须提高单位频带上的信息传输速率，即频谱 效率。要提高频谱效率，有两种可行思路。其一是减小信道间隔，压缩信道间隔会引起信道 间串扰，劣化传输性能；其二是提高单信道的传输速率，但受到电子瓶颈的限制，目前光通 信系统波特率还不能突破100G，因此要提高单信道传输速率，只能提高每个符号携带的信 息量（比特数）。可见，提高频谱效率的根本途径是采用高阶码型，保证在相同波特率时，能 提高容量。随着l〇〇G、400G甚至1T等高速光通信需求的发展，光正交频分复用（0-0FDM)， PDM-QPSK，16QAM等高阶调制格式将发挥重要作用。
[0004] IQ光调制器作为实现高阶调制码型的关键器件，常用于产生各种高级调制码型如 值)QPSK、MPSK、MQAM等。但是在调制器的使用过程中，通常都需要将IQ光调制器偏置在 合适的工作点，即上下两臂的两个子强度调制器需要偏置在MZM传输曲线的最低点，W实 现载波抑制，而子相位调制器需要控制在正交点，W产生精确的90°相移，保证IQ两支路 的正交性。同时，IQ光调制器中的强度调制器和相位调制器在实际使用中很容易受到如温 度、压力等环境因素的影响，而导致其静态工作点产生漂移，影响光调制信号的质量和稳定 性，劣化传输系统误码性能。为确保光信号质量的稳定，提高光传输系统性能，通常需要对 IQ光调制器上每个子调制器的偏置电压进行监测和控制，使得每个子调制器都工作在最佳 工作点上。
[0005] 目前已有不少关于调制器偏置电压的控制方法方面的研究，如在每个调制器的直 流偏压输入端加上不同频率的正弦扰动信号，在接收端进行频谱分析，提取多个频率分量 再进行相关的数据处理运算，得到各偏置点的控制信息，该种方法需要同时产生多个不同 频率的正弦扰动信号，同时还需要做较复杂的数据处理运算，对硬件要求高，同时计算延时 大，其实际适用范围受限。而其它已报导的IQ光调制器偏置点控制方法如基于监测背向 光功率的方法，基于微分相位监测的方法，它们需要加入额外的激光，需要监测复杂的星座 图，或者需要锁相放大器，该不仅增加系统复杂度和成本，也有可能干扰其它波长信道。
【发明内容】
[0006] 针对现有技术的缺陷，本发明提供了一种IQ光调制器偏置电压控制系统及方法， 目的在于通过对IQ光调制器中的每个子调制器的偏置电压进行监测和控制，使得每个子 调制器都工作在最佳偏置电压，从而确保光信号质量的稳定，提高光传输系统性能。
[0007] 本发明提供了一种IQ光调制器偏置电压的控制系统，包括激光光源、偏振控制 器、IQ光调制器、光禪合器、光电探测器、数据处理模块、第一模块和第二模块；所述IQ光调 制器包括I支路和Q支路，I支路上设置有第一子强度调制器a, Q支路上设置有依次连接 的第二子强度调制器b和子相位调制器C ;所述第一子强度调制器a的输入端和所述第二 子强度调制器b的输入端均连接至所述偏振控制器的输出端，所述偏振控制器的输入端连 接所述激光光源；所述光禪合器的输入端连接所述第一子强度调制器a的输出端和所述子 相位调制器C的输出端；所述光电探测器的输入端连接至所述光禪合器的输出端，所述数 据处理模块的输入端连接至所述光电探测器的输出端；所述第一模块的直流输入端和所述 第二模块的直流输入端连接至所述数据处理模块的第一输出端，所述第一模块的交流输入 端和所述第二模块的交流输入端连接至所述数据处理模块的第二输出端，所述第一模块的 输出端连接至所述第一子强度调制器a的偏置电压控制端；所述第二模块的输出端连接至 所述第二子强度调制器b的偏置电压控制端，所述数据处理模块的第H输出端连接至所述 子相位调制器C的偏置电压控制端。
[0008] 更进一步地，工作时，通过所述数据处理模块的第H输出端调节所述子相位调制 器C的偏置电压，所述IQ光调制器输出的光功率也随之变化，所述数据处理模块监测经过 光电探测器进行光电转换后的光功率的大小并进行反馈控制，得到所述子相位调制器C的 最佳偏置电压，实现I、Q两路正交；设定所述子相位调制器C的偏置电压为最优值，通过数 据处理模块的第二输出端给所述第一子强度器a发送低频方波信号，并且通过所述数据处 理模块的第一输出端调节所述第一子强度调制器a的偏置电压，所述数据处理模块监测经 过光电探测器进行光电转换后的光功率的大小并进行反馈控制，得到所述第一子强度调制 器a的最佳偏置电压；设定所述第一子强度调制器a的偏置电压为最优值，调节通过数据处 理模块的第二输出端给第二子强度器b发送低频方波信号，并且通过其第一输出端调节第 二子强度调制器b的偏置电压，数据处理模块监测经过光电探测器进行光电转换后的光功 率的大小并进行反馈控制，得到第二子强度调制器b的最佳偏置电压，最终完成IQ光调制 器偏置电压的控制。
[0009] 更进一步地，所述数据处理模块包括；依次连接的模数转换器、数字低通滤波器、 数字处理单元、数字方波发生器和数模转换器，连接在所述数字处理单元的另一个输出端 的直流可调电压源，W及用于为所述数据处理模块供电且与所述数字处理单元连接的供电 电路；所述模数转换器的输入端用于连接至所述光电探测器的输出端，对经过所述光电探 测器光电转换后的光电流进行采集和数字化，所述数字低通滤波器对数模转换后的光电流 进行低通滤波，提取所需低频分量，所述数字处理单元对收集到的数据进行处理并产生控 制信号；所述数字方波发生器用于给两个子强度调制器（a和b)提供低频方波信号，便于提 取反馈信号；所述数模转换器用于将数字方波信号转化成模拟的方波信号输出，所述可调 直流电压源用于给IQ光调制器提供可调的偏置电压，供电电路则为整个数据处理模块供 电，w保证正常工作。
[0010] 更进一步地，所述数字低通滤波器化2)、所述数字处理单元化3)和所述数字方 波发生器化4)由FPGA实现；所述数字方波发生器化4)输出的低频方波信号的频率低于 IMHz，幅度小于0. 5V。
[0011] 更进一步地，所述激光光源（1)为半导体激光器，所述半导体激光器的线宽小于 20MHz〇
[0012] 更进一步地，所述光禪合器（4)的分光比为95 ;5。
[0013] 更进一步地，所述光电探测器巧）为窄带宽的光电探测器，其3地带宽不大于 lOMHzo
[0014] 本发明还提供了一种IQ光调制器偏置电压的控制方法，包括下述步骤：
[0015] (1)对第一子强度调制器a的直流偏压值Vci、第二子强度调制器b的直流偏压值 Vb2和子相位调制器C的直流偏压值V B3进行初始化，使得V Bl= V bi。，Vb2= V b2。，Vb3= V b3。；
[0016] (2)打开激光光源，并w-定步长扫描子相位调制器C的直流偏置电压Ve3,测量IQ 光调制器的输出光功率，获得一个周期内与所述输出光功率最大值对应的第一直流偏置电 压Vim，与所述输出光功率最小值对应的第二直流偏置电压Vm2;
[0017] 做根据所述第一直流偏置电压心1和所述第二直流偏置电压V 获得所述子相 位调制器C的最佳偏置电压+ ;将所述子相位调制器C的最佳偏置电压 VbSDpt输入至所述相位调制器C的直流偏压端并使之保持不变；
[0018] (4)通过先在第一子强度调制器a的偏压输入端施加低频方波信号，且所述第二 子强度调制器b的直流偏压值维持初始值不变，再W-定步长扫描所述第一子强度调制器 a的直流偏置电压Vci，测量IQ光调制器的输出光功率，获得与所述输出光功率最小时对应 的第H直流偏压Vbw。；
[0019] (5)将所述第H直流偏压作为所述第一子强度调制器a的最佳偏置电压Vbiwt = Vbimi。，将所述第一子强度调制器a的最佳偏置电压VbiDpt输入至所述第一子强度调制器a的 直流偏压端并使之保持不变；
[0020] (6)通过在第二子强度调制器b的偏压输入端施加低频方波信号，W-定步长扫 描所述第二子强度调制器b的直流偏置电压Vc2,测量IQ光调制器的输出光功率，获得与所 述输出光功率最小时对应的第四直流偏压Vb2mi。；
[0021] (7)将所述第四直流偏压Vb2mi。作为所述第二子强度调制器b的最佳偏置电压Vb2Dpt =Vb2mi。，将所述第二子强度调制器b的最佳偏置电压Vb2Dpt输入至所述第二子强度调制器b 的直流偏压端并使之保持不变。
[0022] 更进一步地，所述低频方波信号频率低于IMHz，幅度小于0.5V。
[0023] 更进一步地，扫描的步长不超过0. 02V。
[0024] 由于本发明采用逐步优化的方法，将复杂的H维优化问题简化为分步优化问题， 首先优化子相位调制器C的偏置电压W保证IQ光调制器上下两支路光场的正交性（相位 为90度），然后保持子相位调制器的偏置电压不变，再依次优化两个子强度调制器的偏置 电压，每次只优化一个变量，使得反馈控制更简单。其次，本发明无需用到额外的有源光器 件，结构简单，既不会对原有通信系统带来影响，也不会大幅增加成本。另外，在控制算法方 面，仅需要完成平均值计算，极大值、极小值搜索等简单操作，运算复杂度低，能方便准确将 IQ光调制器控制在其最佳工作点上。
【专利附图】
【附图说明】
[00巧]图1为本发明IQ光调制器偏置电压控制系统结构框图；
[0026] 图2为本发明IQ光调制器偏置电压控制系统中数据处理模块主要功能框图；
[0027] 图3为本发明IQ光调制器偏置电压控制系统控制方法流程图；
[002引 1为激光光源，2为偏振控制器，3为IQ光调制器，4为光禪合器，5为光电探测器， 6为数据处理模块；7为第一模块，8为第二模块，a为第一子强度调制器，b为第二子强度调 制器，C为子相位调制器，Biasl、Bias2、Bias3分别为H个子调制器的直流偏置电压。
【具体实施方式】
[0029] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，W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W解释本发明，并 不用于限定本发明。
[0030] 本发明提供了一种快速、简便控制IQ光调制器偏置电压的系统和方法，先通过扫 描相位调制器的偏压，优化子相位调制器的直流偏置点，再依次在两个子强度调制器上加 载一路低频方波信号搜索光功率最小值来优化两个子强度调制器的偏置点，最终实现IQ 光调制器每个子调制器工作点的控制与锁定。
[0031] 本发明提供一种适用于IQ光调制器偏置电压控制系统，IQ光调制器3分为I、Q 两个支路，I路上包括第一子强度调制器a, Q路上包括第二子强度调制器b和子相位调制 器C ;偏置电压控制系统还包括半导体激光器1、偏振控制器2、95 ;5的光禪合器4、光电探 测器5、数据处理模块6、第一模块7和第二模块8。
[0032] 激光光源1输出的光经偏振控制器2调整其偏振态后与IQ光调制器输入相连，光 调制器的输出与光禪合器4输入相连，光禪合器4输出的5%的光被送至光电探测器5,光 电探测器5与数据处理模块6输入相连，数据处理模块6的H个输出分别连接到IQ光调制 器的H个子调制器的直流偏压输入端。
[0033] 在本发明实施例中，激光光源1可W为半导体激光器，半导体激光器的线宽小于 20MHz ;半导体激光器为目前光通信系统普遍采用激光器，而未来高速光通信中，采用高阶 调制格式时，线宽不能太大，否则激光器相位噪声将引入较大代价。
[0034] 在本发明实施例中，光禪合器4可W米用分光比为95 ;5的光禪合器，由于本发明 的目的是为IQ光调制器提供正确的偏置电压进而保证光通信质量，因而大部分调制后的 光信号应当用于光通信，仅需小部分用于反馈控制95 ;5分光比的禪合器已经商业成熟，价 格便宜。在本发明实施例中，光电探测器可W为窄带宽的光电探测器，其3地带宽不大于 lOMHz，由于本系统中所用的方波频率较低，因而探测时仅需使用低带宽的探测器即可，可 W有效节约成本同时提高探测器的灵敏度（一般器件的带宽和灵敏度是矛盾的关系）。 [00巧]在本发明实施例中，第一模块7和第二模块8结构相同，第一模块7可W由bias tee实现，它有H个端口，其中直流输入端有一个电感，只允许直流通过，而交流输入端口串 联有一个电容，仅允许交流信号通过，第H个端口输出直流和交流合成信号。它一般用于将 直流和交流信号合路。
[0036] 本发明还提供基于W上所述系统的适用于IQ光调制器的偏置电压控制方法，包 括W下步骤：
[0037] (一）初始状态下，设定立个子调制器的直流偏压初始值Vbi= V bl。，Vb2= V b2。，Vb3 =Vb3。，打开激光光源，数据处理模块W-定步长扫描相位调制器的直流偏置电压Vc3,测量 IQ光调制器输出光功率，获得一个周期内的分别与输出光功率最大值和最小值对应的第一 直流偏置电压VlW和第二直流偏置电压V 102。此过程的相关理论推导如下：
[0038] IQ光调制器的输出光场表达式可W写为：
【权利要求】
1. 一种IQ光调制器偏置电压的控制系统，其特征在于，包括激光光源（1)、偏振控制器 (2)、IQ光调制器（3)、光耦合器（4)、光电探测器（5)、数据处理模块（6)、第一模块（7)和 第二模块⑶； 所述IQ光调制器（3)包括I支路和Q支路，I支路上设置有第一子强度调制器a，Q支 路上设置有依次连接的第二子强度调制器b和子相位调制器c; 所述第一子强度调制器a的输入端和所述第二子强度调制器b的输入端均连接至所述 偏振控制器（2)的输出端，所述偏振控制器（2)的输入端连接所述激光光源（1); 所述光耦合器（4)的输入端连接所述第一子强度调制器a的输出端和所述子相位调制 器c的输出端；所述光电探测器（5)的输入端连接至所述光耦合器（4)的输出端，所述数据 处理模块（6)的输入端连接至所述光电探测器（5)的输出端； 所述第一模块（7)的直流输入端和所述第二模块（8)的直流输入端连接至所述数据处 理模块（6)的第一输出端，所述第一模块（7)的交流输入端和所述第二模块（8)的交流输 入端连接至所述数据处理模块（6)的第二输出端，所述第一模块（7)的输出端连接至所述 第一子强度调制器a的偏置电压控制端；所述第二模块（8)的输出端连接至所述第二子强 度调制器b的偏置电压控制端，所述数据处理模块（6)的第三输出端连接至所述子相位调 制器c的偏置电压控制端。
2. 如权利要求1所述的控制系统，其特征在于，工作时，通过所述数据处理模块（6)的 第三输出端调节所述子相位调制器c的偏置电压，所述IQ光调制器（3)输出的光功率也随 之变化，所述数据处理模块（6)监测经过光电探测器（5)进行光电转换后的光功率的大小 并进行反馈控制，得到所述子相位调制器c的最佳偏置电压，实现I、Q两路正交；设定所述 子相位调制器c的偏置电压为最优值，通过数据处理模块（6)的第二输出端给所述第一子 强度器a发送低频方波信号，并且通过所述数据处理模块（6)的第一输出端调节所述第一 子强度调制器a的偏置电压，所述数据处理模块（6)监测经过光电探测器（5)进行光电转 换后的光功率的大小并进行反馈控制，得到所述第一子强度调制器a的最佳偏置电压；设 定所述第一子强度调制器a的偏置电压为最优值，调节通过数据处理模块（6)的第二输出 端给第二子强度器b发送低频方波信号，并且通过其第一输出端调节第二子强度调制器b 的偏置电压，数据处理模块（6)监测经过光电探测器（5)进行光电转换后的光功率的大小 并进行反馈控制，得到第二子强度调制器b的最佳偏置电压，最终完成IQ光调制器偏置电 压的控制。
3. 如权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述数据处理模块（6)包括：依次连接 的模数转换器（61)、数字低通滤波器（62)、数字处理单元（63)、数字方波发生器（64)和数 模转换器（65)，连接在所述数字处理单元（63)的另一个输出端的直流可调电压源（66)，以 及用于为所述数据处理模块（6)供电且与所述数字处理单元（63)连接的供电电路（67); 所述模数转换器（61)的输入端用于连接至所述光电探测器（5)的输出端，对经过所述 光电探测器（5)光电转换后的光电流进行采集和数字化，所述数字低通滤波器（62)对数模 转换后的光电流进行低通滤波，提取所需低频分量，所述数字处理单元（63)对收集到的数 据进行处理并产生控制信号； 所述数字方波发生器（64)用于给所述第一子强度调制器a和所述第二子强度调制器b提供低频方波信号，便于提取反馈信号； 所述数模转换器（65)用于将数字方波信号转化成模拟的方波信号输出，所述可调直 流电压源（66)用于给IQ光调制器提供可调的偏置电压，供电电路（67)则为整个数据处理 模块（6)供电，以保证正常工作。
4. 如权利要求3所述的控制系统，其特征在于，所述数字低通滤波器（62)、所述数字处 理单元（63)和所述数字方波发生器（64)由FPGA实现；所述数字方波发生器（64)输出的 低频方波信号的频率低于1MHz，幅度小于0. 5V。
5. 如权利要求1-4任一项所述的控制系统，其特征在于，所述激光光源（1)为半导体激 光器，所述半导体激光器的线宽小于20MHz。
6. 如权利要求1-4任一项所述的控制系统，其特征在于，所述光耦合器⑷的分光比为 95 :5〇
7. 如权利要求1-4任一项所述的控制系统，其特征在于，所述光电探测器（5)为窄带宽 的光电探测器，其3dB带宽不大于10MHz。
8. -种IQ光调制器偏置电压的控制方法，其特征在于，包括下述步骤： (1) 对第一子强度调制器a的直流偏压值VB1、第二子强度调制器b的直流偏压值VB2和 子相位调制器c的直流偏压值VB3进行初始化，使得VB1 =VblQ，VB2=Vb2Q，VB3=Vb3Q; (2) 打开激光光源，并以一定步长扫描子相位调制器c的直流偏置电压VB3,测量IQ光 调制器的输出光功率，获得一个周期内与所述输出光功率最大值对应的第一直流偏置电压 VIQ1，与所述输出光功率最小值对应的第二直流偏置电压VIQ2; (3) 根据所述第一直流偏置电压VIQ1和所述第二直流偏置电压VIQ2获得所述子相位调 制器c的最佳偏置电压
；将所述子相位调制器c的最佳偏置电压Vb3_ 输入至所述相位调制器c的直流偏压端并使之保持不变； (4) 通过先在第一子强度调制器a的偏压输入端施加低频方波信号，且所述第二子强 度调制器b的直流偏压值维持初始值不变，再以一定步长扫描所述第一子强度调制器a的 直流偏置电压VB1，测量IQ光调制器的输出光功率，获得与所述输出光功率最小时对应的第 二直流偏压Vblmin; (5) 将所述第三直流偏压作为所述第一子强度调制器a的最佳偏置电压Vbl_=Vblmin， 将所述第一子强度调制器a的最佳偏置电压Vbl()pt输入至所述第一子强度调制器a的直流 偏压端并使之保持不变； (6) 通过在第二子强度调制器b的偏压输入端施加低频方波信号，以一定步长扫描所 述第二子强度调制器b的直流偏置电压VB2，测量IQ光调制器的输出光功率，获得与所述输 出光功率最小时对应的第四直流偏压Vb2min; (7) 将所述第四直流偏压Vb2min作为所述第二子强度调制器b的最佳偏置电压Vb2()pt = Vb2min，将所述第二子强度调制器b的最佳偏置电压Vb2()pt输入至所述第二子强度调制器b的 直流偏压端并使之保持不变。
9. 如权利要求8所述的控制方法，其特征在于，所述低频方波信号频率低于1MHz，幅度 小于0. 5V。
10. 如权利要求8所述的控制方法，其特征在于，扫描的步长不超过0. 02V。
【文档编号】H04B10/25GK104485997SQ201410750918
【公开日】2015年4月1日 申请日期:2014年12月9日 优先权日:2014年12月9日
【发明者】付松年, 冯振华, 唐明, 刘德明 申请人:华中科技大学