级联MZM任意点自动偏压控制装置和方法与流程

本发明涉及光通信技术以及自动控制领域，特别涉及一种利用单个导频信号实现对两个级联马赫-曾德尔调制器(MZM)进行任意点偏压控制的装置和方法。

背景技术：

光载射频通信(RoF)技术利用光纤和高频无线电波各自的优点，实现低成本、大容量的射频信号光纤传输以及无线接入，是未来宽带接入发展的必然趋势。基于铌酸锂材料的MZM作为RoF系统的核心器件，因其具有调制带宽大、损耗小、零啁啾等优点，而被广泛应用于光通信领域，其性能对整个系统信号传输质量起决定性作用。

由于调制材料以及结构的限制，热电效应、光折变效应、光电导效应、外部环境变化、结构形变等因素都会使得MZM的直流工作点发生漂移。理想情况下MZM的传输函数是非线性函数，当调制器的传输曲线发生缓慢的漂移后，输出信号的波形会发生显著变化，如信号产生非线性失真，严重影响到整个通信系统信号质量。

为解决上述问题，可以采用偏压控制系统，实时监控MZM工作点的变化，自动调节直流偏置电压，对直流工作点的漂移予以补偿，从而锁定直流工作点。目前主要的方法有导频信号法和直流功率检测法两种。

导频信号法一般选用低频的正弦或者类正弦信号，将其与直流偏置电压一同输入到MZM的直流电压端口上。经过MZM调制，输出的光信号便带有导频信号的谐波分量，提取相关谐波信号之后将其和理论计算的结果进行比较，通过理论和实际的差别来对直流电压漂移量进行判别，然后进行相应的直流电压补偿，最终使得直流工作点稳定，达到偏压控制的目的。

直流功率检测法的主要原理是通过检测经过MZM之后的输出光电流的直流分量，然后通过计算理论值和实际值的差别，进而对直流漂移进行判断以及补偿。

在RoF系统中，经常面临两个MZM级联的应用。如两个级联的MZM分别调制时钟和NRZ/RZ数据，实现NRZ/RZ的高速光调制；利用两个级联的MZM分别对低频信号进行调制，光电检测后得到更高频率的毫米波；采用两个级联的MZM分别调制射频与本振信号，实现微波光子变频；采用两个级联的MZM分别对两种频率相差整数倍的本振信号进行调制，进而产生多线平坦光梳等。随着RoF技术研究的深入、应用的推广，两个MZM级联的系统会越来越多。

目前对于级联MZM主要偏压控制方式研究并不多。主流的做法采用两个独立的单MZM的偏压控制系统分别控制两个MZM，分别稳定每个MZM直流工作点。但这样做会增加整个通信系统的复杂度、提高系统的功耗和增大系统封装的体积，以及导频信号交调分量的存在会增加系统维护、调试的难度等。另一种方案是利用时分复用的方法，用单一的偏压控制算法，比如导频法，在每个周期的两个时隙内分别对两个MZM进行分别的判定以及补偿，这样做的问题在于需要利用时分复用技术对导频信号进行处理，导致偏压控制算法的复杂度增加。因此研究简单、高效的级联MZM偏压控制系统来稳定每个MZM的直流工作点是十分有必要的，也是在将RoF相关技术转化成系统产品的过程中迫切需要解决的问题。

技术实现要素：

为了解决背景技术中所存在的技术问题，本发明提出了一种新型的利用单个导频信号实现级联MZM偏压控制装置和方法。该方案通过分析级联MZM的联合传输函数特性，用不同算法的先后实现了对两个MZM进行分析以及补偿，实现对级联MZM的任意点偏压控制。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：所述装置包括光源、射频信号源、直流电压源、MZM、光电探测器、偏压控制模块。光源的输出端口经过光纤和第一个MZM相连，该MZM的输出端级联第二个MZM；两路射频信号源分别接入级联的两个MZM的射频输入端口；第二个MZM的输出端口10:90分光器相连，分光器90％的输出端口可以后续进行进一步的信号处理，也可以通过光电探测器和频谱分析仪相连进行分析，10％的输出端口和光电探测器相连；光电探测器的输出进入偏压控制模块中，偏压控制模块输两个输出端口分别和级联MZM的直流电压输入端口连接。

所述偏压控制模块由模拟前置放大电路、低通滤波器、模数转换电路、FPGA、数模转换电路、正弦波发生器、输出驱动电路等模块构成。

本发明的实施包括以下步骤：

1)从激光器发出波长为λ的光波通过保偏光纤注入到链路中，将两个射频信号分别到两个MZM的射频输入端口，然后通过调整偏压控制模块的驱动电路，将两个MZM的直流偏置电压确定。

2)第二个MZM输出的调制光信号通过一个10:90的分光器，分光器90％的输出端口可以和后续处理链路连接，进行进一步的信号处理，也可以通过光电探测器连接到频谱仪上进行分析，分光器10％的输出端口输出的光信号经过光电探测器，将光信号转换为光电流，进入到偏压控制模块。

3)在偏压控制模块中，对微弱光电流信号进行前置放大、低通滤波、数模转换等预处理之后，得到的数字信号进入到MCU进行分析。

4)偏压控制模块上电，首先进入调整模式。通过微控制单元(MCU)控制驱动电路输出步进电压分别对两个MZM进行扫描，记录步进电压值以及对应的直流分量大小、导频信号二阶和一阶比，从而得到当前直流分量以及二阶、一阶比值，以及直流偏置偏压V_DC1，V_DC2、衰减系数K等参数。

5)随后偏压控制模块进入偏压控制模式。首先通过快速傅里叶变换(FFT)得到直流、导频信号一、二阶分量的大小，然后计算出当前二阶和一阶分量的比值，若和之前记录的值不同，则说明第一个MZM直流工作点发生漂移。根据导频法，通过增大或者减小步进电压值使得比值保持不变，以此来稳定第一个MZM的直流工作点。在第一个MZM直流工作点稳定之后，直流分量的大小只和第二个MZM的直流工作点有关，通过增大或者减小步进电压值保持直流分量不变，以此实现第二个MZM直流工作点的稳定。

6)接下来偏置电压通过模数转换转换成模拟信号，第一个MZM的偏置电压通过驱动电路和导频信号一起输出到第一个MZM的直流电压输入端口，第二个MZM的偏置电压和直流电压直接输入到第二个MZM的直流电压输入端口，完成级联MZM的偏压控制，达到稳定级联MZM直流工作点的目的。

本发明提出了一种新型的对级联MZM进行偏压控制的方法，该方案分析级联MZM的联合传输函数特性，综合利用了导频法和直流分量检测法两种偏压控制算法来分别对两个MZM进行分析以及补偿，实现了利用单个导频信号实现对级联MZM的偏压控制功能。

与现有技术相比较，本发明的优点如下：

1)用单个偏压控制系统完成了对两个级联MZM的偏压控制，与分别利用单MZM偏压控制系统的方案相比，成本、复杂度大幅度降低；

2)通过分析级联MZM的联合函数特性，先后实现了对两个MZM的偏压控制，与传统时分复用的方案相比，控制算法复杂度相对简单，控制的实时性更好。

附图说明

图1为本发明单个导频信号实现级联MZM偏压控制的原理图，图2为偏压控制模块的内部功能模块组成图，图3为MCU中的偏压控制算法流程框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例：

图1为本发明在级联MZM中偏压控制的结构图。其中级联的MZM用于对光载波进行强度调制；分光器用于将输出调制光信号的小部分用作偏压控制，从而不影响光信号的正常后续处理分析；光电探测器用于将分光器的光信号转化为光电流；偏压控制模块用于检测、锁定级联MZM直流工作点，达到偏压控制的目的。

如图1所示，本实施例中，装置包括：光源、MZM1、射频信号源1、MZM2、射频信号源2、分光器、光电探测器、偏压控制模块。其中，偏压控制模块如图2所示，由前置放大器、低通滤波器、模数转换模块、MCU、数模转换模块、正弦波生成模块以驱动电路构成。光源的输出端口和MZM1相连，MZM1的输出端口级联MZM2，射频信号源1接入MZM1的射频输入端，射频信号源2接入MZM2的射频输入端，MZM2输出的调制光信号经过10:90分光器，90％的光信号可以进行后续处理，而10％的光信号经过光电探测器将光信号转换成光电流，进入到偏压控制模块，通过如图3所示的偏压控制算法流程对两个MZM的直流工作点漂移进行检测，输出的偏置电压、导频信号相加后分别进入级联MZM的直流输入端口，进行直流电压补偿实现工作点锁定。

本实例中，具体偏压控制实施方法和原理包括以下步骤：

步骤一：光源产生工作波长为1550nm、功率为P_IN的连续光波，连续光波输入到MZM1。

步骤二：将射频信号源1输出的射频信号输入到MZM1的射频输入端口，然后通过调整偏压控制模块的驱动电路，将MZM1的直流偏置电压以及导频信号输入MZM1的直流端口。其中射频信号源1输出的射频信号大小为V_RF1、频率为ω_RF1，直流偏置为V_DC1，偏压控制模块输出的导频信号为大小V_dither，频率为ω，则经过MZM1调制的光信号输出功率P_OUT1可表示为其中K₁是和MZM1插入损耗有关的系数。

步骤三：光信号进入到MZM2中进行二次调制，其中射频信号源2输出的射频信号大小为V_RF2、频率为ω_RF2，直流偏置电压为V_DC2，则输出功率P_OUT2可以表示为其中K₂是和MZM2插入损耗有关的系数。

步骤四：第二个MZM输出的调制光信号通过一个10:90的分光器，分光器90％的输出端口可以和后续处理链路连接，进行进一步的信号处理，也可以通过光电探测器连接到频谱仪上进行分析，分光器10％的输出端口输出的光信号经过响应度为η的光电探测器，将光信号转换为光电流，进入到偏压控制模块。

步骤五：光电流信号进入如图2所示的偏压控制模块之后先通过前置放大模块对经过光电转化后微小的谐波信号进行放大，随后进入模拟低通滤波器中对导频信号二阶谐波以上的分量进行滤除，各个谐波分量表达式如下所示，其中K是衰减系数：

直流分量：I₀＝K[1+J₀(α)J₀(β)cosφ₁][1+J₀(γ)cosφ₂]

一阶谐波：I_1st＝K[-2J₀(β)·J₁(α)sin(φ₁)(1+J₀(γ)cosφ₂)]sin(ωt)

二阶谐波：I_2nd＝K[2J₀(β)J₂(α)cos(φ₁)(1+J₀(γ)cosφ₂)]cos(2ωt)

经过模数转换后进入MCU中进行如图3所示的偏压控制算法处理。

步骤六：首先进入调整模式。通过微控制单元(MCU)控制驱动电路输出步进电压分别对两个MZM进行扫描，记录步进电压值以及对应的直流分量大小、导频信号二阶和一阶比，从而得到当前直流分量以及二阶、一阶比值，以及直流偏置偏压V_DC1，V_DC2、衰减系数K等参数。

步骤七：随后进入偏压控制模式：

1)加入射频后对调制信号进行FFT，得到直流以及一、二阶谐波分量的大小；计算出二阶谐波和一阶谐波大小的比值为可以看出，谐波的比值是MZM1直流偏置相移φ₁的余切函数，单调递减，对相位变化敏感，通过增大或者减小步进电压值来保持比值不变，以此实现MZM1直流工作点的稳定，并给予相应的偏置电压输出V₁；

2)MZM1稳定之后，可以看出直流分量I₀＝K[1+J₀(α)J₀(β)cosφ₁][1+J₀(γ)cosφ₂]在射频信号不变的情况下直流分量只有关于φ₂，通过改变步进电压值使得直流分量不变，进而锁定直流工作点，并输出相应的直流电压V₂。

步骤八：经过数模转换之后，V₁和正弦信号生成模块产生的正弦信号通过输出电压驱动电路输入到MZM1中，一方面稳定直流工作点，另一方面利用导频信号再一次通过以上步骤，实现实时的偏压控制；V₂直接输出到MZM2中，稳定其直流工作点。

综上，本发明分析级联MZM的联合传输函数特性，综合利用了导频信号法和直流分量检测法两种偏压控制算法思想来分别对两个MZM进行分析以及补偿，实现了利用单个导频信号实现对级联MZM任意点的偏压控制功能，结构简单易于实现，价格低廉。

总之，以上所述实施方案仅为本发明的实施例而已，并非仅用于限定本发明的保护范围，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在本发明公开的内容上，还可以做出若干等同变形和替换，这些等同变形和替换以及频率范围的调整也应视为本发明保护的范围。