一種iq光調制器偏置電壓的控制系統及方法
【專利摘要】本發明公開了一種IQ光調制器偏置電壓控制系統及方法，該控制系統包括順次連接的激光光源、偏振控制器、IQ光調制器、光耦合器、光電探測器、數據處理模塊，IQ光調制器的輸出經光耦合器分光后連接到光電探測器，其輸出與數據處理模塊的輸入相連，數據處理模塊的三個輸出分別送至IQ光調制器的三個子調制器的直流偏置電壓輸入端口。該控制方法為首先通過測量輸出光功率的最大值及相鄰最小值，優化子相位調制器的偏壓，然后在此基礎上，依次在兩個子強度調制器上加載一路低頻方波信號搜索光功率最小值來優化兩個子強度調制器的偏壓，最終實現IQ光調制器每個子調制器工作點的控制與鎖定。該發明可以快速、自動控制IQ光調制器最佳偏置點。
【專利說明】-種IQ光調制器偏置電壓的控制系統及方法

【技術領域】
[0001] 本發明屬于光纖通信【技術領域】，更具體地，涉及一種IQ光調制器偏置電壓控制系 統及方法。

【背景技術】
[0002] 隨著諸如移動互聯、云計算、3D電視、高清視頻點播、遠程醫療、虛擬現實等大帶寬 業務的廣泛開展，W及寬帶網絡接入用戶數量和范圍的不斷擴展，作為現代通信網絡骨干 的長距離光纖通信網絡的傳輸容量仍將面臨著巨大的增長壓力，并對光傳輸系統從網絡到 器件都提出了更高的要求。相干光通信能夠提供更高的接收靈敏度、適用各種高階調制碼 型、能夠采用數字信號處理值S巧均衡多種光域傳輸損傷，極大的提高了光通信系統的容 量距離積炬L)，它將取代傳統的強度調制直接探測（IMDD)方案，并成為解決未來網絡容量 需求的必然選擇。
[0003] 但是受到光通信器件（如光纖、調制器、放大器、接收機等）的帶寬限制，單根光纖 的容量是有限的。要提高光通信系統的容量，必須提高單位頻帶上的信息傳輸速率，即頻譜 效率。要提高頻譜效率，有兩種可行思路。其一是減小信道間隔，壓縮信道間隔會引起信道 間串擾，劣化傳輸性能；其二是提高單信道的傳輸速率，但受到電子瓶頸的限制，目前光通 信系統波特率還不能突破100G，因此要提高單信道傳輸速率，只能提高每個符號攜帶的信 息量（比特數）。可見，提高頻譜效率的根本途徑是采用高階碼型，保證在相同波特率時，能 提高容量。隨著l〇〇G、400G甚至1T等高速光通信需求的發展，光正交頻分復用（0-0FDM)， PDM-QPSK，16QAM等高階調制格式將發揮重要作用。
[0004] IQ光調制器作為實現高階調制碼型的關鍵器件，常用于產生各種高級調制碼型如 值)QPSK、MPSK、MQAM等。但是在調制器的使用過程中，通常都需要將IQ光調制器偏置在 合適的工作點，即上下兩臂的兩個子強度調制器需要偏置在MZM傳輸曲線的最低點，W實 現載波抑制，而子相位調制器需要控制在正交點，W產生精確的90°相移，保證IQ兩支路 的正交性。同時，IQ光調制器中的強度調制器和相位調制器在實際使用中很容易受到如溫 度、壓力等環境因素的影響，而導致其靜態工作點產生漂移，影響光調制信號的質量和穩定 性，劣化傳輸系統誤碼性能。為確保光信號質量的穩定，提高光傳輸系統性能，通常需要對 IQ光調制器上每個子調制器的偏置電壓進行監測和控制，使得每個子調制器都工作在最佳 工作點上。
[0005] 目前已有不少關于調制器偏置電壓的控制方法方面的研究，如在每個調制器的直 流偏壓輸入端加上不同頻率的正弦擾動信號，在接收端進行頻譜分析，提取多個頻率分量 再進行相關的數據處理運算，得到各偏置點的控制信息，該種方法需要同時產生多個不同 頻率的正弦擾動信號，同時還需要做較復雜的數據處理運算，對硬件要求高，同時計算延時 大，其實際適用范圍受限。而其它已報導的IQ光調制器偏置點控制方法如基于監測背向 光功率的方法，基于微分相位監測的方法，它們需要加入額外的激光，需要監測復雜的星座 圖，或者需要鎖相放大器，該不僅增加系統復雜度和成本，也有可能干擾其它波長信道。


【發明內容】

[0006] 針對現有技術的缺陷，本發明提供了一種IQ光調制器偏置電壓控制系統及方法， 目的在于通過對IQ光調制器中的每個子調制器的偏置電壓進行監測和控制，使得每個子 調制器都工作在最佳偏置電壓，從而確保光信號質量的穩定，提高光傳輸系統性能。
[0007] 本發明提供了一種IQ光調制器偏置電壓的控制系統，包括激光光源、偏振控制 器、IQ光調制器、光禪合器、光電探測器、數據處理模塊、第一模塊和第二模塊；所述IQ光調 制器包括I支路和Q支路，I支路上設置有第一子強度調制器a, Q支路上設置有依次連接 的第二子強度調制器b和子相位調制器C ;所述第一子強度調制器a的輸入端和所述第二 子強度調制器b的輸入端均連接至所述偏振控制器的輸出端，所述偏振控制器的輸入端連 接所述激光光源；所述光禪合器的輸入端連接所述第一子強度調制器a的輸出端和所述子 相位調制器C的輸出端；所述光電探測器的輸入端連接至所述光禪合器的輸出端，所述數 據處理模塊的輸入端連接至所述光電探測器的輸出端；所述第一模塊的直流輸入端和所述 第二模塊的直流輸入端連接至所述數據處理模塊的第一輸出端，所述第一模塊的交流輸入 端和所述第二模塊的交流輸入端連接至所述數據處理模塊的第二輸出端，所述第一模塊的 輸出端連接至所述第一子強度調制器a的偏置電壓控制端；所述第二模塊的輸出端連接至 所述第二子強度調制器b的偏置電壓控制端，所述數據處理模塊的第H輸出端連接至所述 子相位調制器C的偏置電壓控制端。
[0008] 更進一步地，工作時，通過所述數據處理模塊的第H輸出端調節所述子相位調制 器C的偏置電壓，所述IQ光調制器輸出的光功率也隨之變化，所述數據處理模塊監測經過 光電探測器進行光電轉換后的光功率的大小并進行反饋控制，得到所述子相位調制器C的 最佳偏置電壓，實現I、Q兩路正交；設定所述子相位調制器C的偏置電壓為最優值，通過數 據處理模塊的第二輸出端給所述第一子強度器a發送低頻方波信號，并且通過所述數據處 理模塊的第一輸出端調節所述第一子強度調制器a的偏置電壓，所述數據處理模塊監測經 過光電探測器進行光電轉換后的光功率的大小并進行反饋控制，得到所述第一子強度調制 器a的最佳偏置電壓；設定所述第一子強度調制器a的偏置電壓為最優值，調節通過數據處 理模塊的第二輸出端給第二子強度器b發送低頻方波信號，并且通過其第一輸出端調節第 二子強度調制器b的偏置電壓，數據處理模塊監測經過光電探測器進行光電轉換后的光功 率的大小并進行反饋控制，得到第二子強度調制器b的最佳偏置電壓，最終完成IQ光調制 器偏置電壓的控制。
[0009] 更進一步地，所述數據處理模塊包括；依次連接的模數轉換器、數字低通濾波器、 數字處理單元、數字方波發生器和數模轉換器，連接在所述數字處理單元的另一個輸出端 的直流可調電壓源，W及用于為所述數據處理模塊供電且與所述數字處理單元連接的供電 電路；所述模數轉換器的輸入端用于連接至所述光電探測器的輸出端，對經過所述光電探 測器光電轉換后的光電流進行采集和數字化，所述數字低通濾波器對數模轉換后的光電流 進行低通濾波，提取所需低頻分量，所述數字處理單元對收集到的數據進行處理并產生控 制信號；所述數字方波發生器用于給兩個子強度調制器（a和b)提供低頻方波信號，便于提 取反饋信號；所述數模轉換器用于將數字方波信號轉化成模擬的方波信號輸出，所述可調 直流電壓源用于給IQ光調制器提供可調的偏置電壓，供電電路則為整個數據處理模塊供 電，w保證正常工作。
[0010] 更進一步地，所述數字低通濾波器化2)、所述數字處理單元化3)和所述數字方 波發生器化4)由FPGA實現；所述數字方波發生器化4)輸出的低頻方波信號的頻率低于 IMHz，幅度小于0. 5V。
[0011] 更進一步地，所述激光光源（1)為半導體激光器，所述半導體激光器的線寬小于 20MHz〇
[0012] 更進一步地，所述光禪合器（4)的分光比為95 ;5。
[0013] 更進一步地，所述光電探測器巧）為窄帶寬的光電探測器，其3地帶寬不大于 lOMHzo
[0014] 本發明還提供了一種IQ光調制器偏置電壓的控制方法，包括下述步驟：
[0015] (1)對第一子強度調制器a的直流偏壓值Vci、第二子強度調制器b的直流偏壓值 Vb2和子相位調制器C的直流偏壓值V B3進行初始化，使得V Bl= V bi。，Vb2= V b2。，Vb3= V b3。；
[0016] (2)打開激光光源，并w-定步長掃描子相位調制器C的直流偏置電壓Ve3,測量IQ 光調制器的輸出光功率，獲得一個周期內與所述輸出光功率最大值對應的第一直流偏置電 壓Vim，與所述輸出光功率最小值對應的第二直流偏置電壓Vm2;
[0017] 做根據所述第一直流偏置電壓心1和所述第二直流偏置電壓V 獲得所述子相 位調制器C的最佳偏置電壓+ ;將所述子相位調制器C的最佳偏置電壓 VbSDpt輸入至所述相位調制器C的直流偏壓端并使之保持不變；
[0018] (4)通過先在第一子強度調制器a的偏壓輸入端施加低頻方波信號，且所述第二 子強度調制器b的直流偏壓值維持初始值不變，再W-定步長掃描所述第一子強度調制器 a的直流偏置電壓Vci，測量IQ光調制器的輸出光功率，獲得與所述輸出光功率最小時對應 的第H直流偏壓Vbw。；
[0019] (5)將所述第H直流偏壓作為所述第一子強度調制器a的最佳偏置電壓Vbiwt = Vbimi。，將所述第一子強度調制器a的最佳偏置電壓VbiDpt輸入至所述第一子強度調制器a的 直流偏壓端并使之保持不變；
[0020] (6)通過在第二子強度調制器b的偏壓輸入端施加低頻方波信號，W-定步長掃 描所述第二子強度調制器b的直流偏置電壓Vc2,測量IQ光調制器的輸出光功率，獲得與所 述輸出光功率最小時對應的第四直流偏壓Vb2mi。；
[0021] (7)將所述第四直流偏壓Vb2mi。作為所述第二子強度調制器b的最佳偏置電壓Vb2Dpt =Vb2mi。，將所述第二子強度調制器b的最佳偏置電壓Vb2Dpt輸入至所述第二子強度調制器b 的直流偏壓端并使之保持不變。
[0022] 更進一步地，所述低頻方波信號頻率低于IMHz，幅度小于0.5V。
[0023] 更進一步地，掃描的步長不超過0. 02V。
[0024] 由于本發明采用逐步優化的方法，將復雜的H維優化問題簡化為分步優化問題， 首先優化子相位調制器C的偏置電壓W保證IQ光調制器上下兩支路光場的正交性（相位 為90度），然后保持子相位調制器的偏置電壓不變，再依次優化兩個子強度調制器的偏置 電壓，每次只優化一個變量，使得反饋控制更簡單。其次，本發明無需用到額外的有源光器 件，結構簡單，既不會對原有通信系統帶來影響，也不會大幅增加成本。另外，在控制算法方 面，僅需要完成平均值計算，極大值、極小值搜索等簡單操作，運算復雜度低，能方便準確將 IQ光調制器控制在其最佳工作點上。

【專利附圖】

【附圖說明】
[00巧]圖1為本發明IQ光調制器偏置電壓控制系統結構框圖；
[0026] 圖2為本發明IQ光調制器偏置電壓控制系統中數據處理模塊主要功能框圖；
[0027] 圖3為本發明IQ光調制器偏置電壓控制系統控制方法流程圖；
[002引 1為激光光源，2為偏振控制器，3為IQ光調制器，4為光禪合器，5為光電探測器， 6為數據處理模塊；7為第一模塊，8為第二模塊，a為第一子強度調制器，b為第二子強度調 制器，C為子相位調制器，Biasl、Bias2、Bias3分別為H個子調制器的直流偏置電壓。

【具體實施方式】
[0029] 為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，W下結合附圖及實施例，對 本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用W解釋本發明，并 不用于限定本發明。
[0030] 本發明提供了一種快速、簡便控制IQ光調制器偏置電壓的系統和方法，先通過掃 描相位調制器的偏壓，優化子相位調制器的直流偏置點，再依次在兩個子強度調制器上加 載一路低頻方波信號搜索光功率最小值來優化兩個子強度調制器的偏置點，最終實現IQ 光調制器每個子調制器工作點的控制與鎖定。
[0031] 本發明提供一種適用于IQ光調制器偏置電壓控制系統，IQ光調制器3分為I、Q 兩個支路，I路上包括第一子強度調制器a, Q路上包括第二子強度調制器b和子相位調制 器C ;偏置電壓控制系統還包括半導體激光器1、偏振控制器2、95 ;5的光禪合器4、光電探 測器5、數據處理模塊6、第一模塊7和第二模塊8。
[0032] 激光光源1輸出的光經偏振控制器2調整其偏振態后與IQ光調制器輸入相連，光 調制器的輸出與光禪合器4輸入相連，光禪合器4輸出的5%的光被送至光電探測器5,光 電探測器5與數據處理模塊6輸入相連，數據處理模塊6的H個輸出分別連接到IQ光調制 器的H個子調制器的直流偏壓輸入端。
[0033] 在本發明實施例中，激光光源1可W為半導體激光器，半導體激光器的線寬小于 20MHz ;半導體激光器為目前光通信系統普遍采用激光器，而未來高速光通信中，采用高階 調制格式時，線寬不能太大，否則激光器相位噪聲將引入較大代價。
[0034] 在本發明實施例中，光禪合器4可W米用分光比為95 ;5的光禪合器，由于本發明 的目的是為IQ光調制器提供正確的偏置電壓進而保證光通信質量，因而大部分調制后的 光信號應當用于光通信，僅需小部分用于反饋控制95 ;5分光比的禪合器已經商業成熟，價 格便宜。在本發明實施例中，光電探測器可W為窄帶寬的光電探測器，其3地帶寬不大于 lOMHz，由于本系統中所用的方波頻率較低，因而探測時僅需使用低帶寬的探測器即可，可 W有效節約成本同時提高探測器的靈敏度（一般器件的帶寬和靈敏度是矛盾的關系）。 [00巧]在本發明實施例中，第一模塊7和第二模塊8結構相同，第一模塊7可W由bias tee實現，它有H個端口，其中直流輸入端有一個電感，只允許直流通過，而交流輸入端口串 聯有一個電容，僅允許交流信號通過，第H個端口輸出直流和交流合成信號。它一般用于將 直流和交流信號合路。
[0036] 本發明還提供基于W上所述系統的適用于IQ光調制器的偏置電壓控制方法，包 括W下步驟：
[0037] (一）初始狀態下，設定立個子調制器的直流偏壓初始值Vbi= V bl。，Vb2= V b2。，Vb3 =Vb3。，打開激光光源，數據處理模塊W-定步長掃描相位調制器的直流偏置電壓Vc3,測量 IQ光調制器輸出光功率，獲得一個周期內的分別與輸出光功率最大值和最小值對應的第一 直流偏置電壓VlW和第二直流偏置電壓V 102。此過程的相關理論推導如下：
[0038] IQ光調制器的輸出光場表達式可W寫為：

【權利要求】
1. 一種IQ光調制器偏置電壓的控制系統，其特征在于，包括激光光源（1)、偏振控制器 (2)、IQ光調制器（3)、光耦合器（4)、光電探測器（5)、數據處理模塊（6)、第一模塊（7)和 第二模塊⑶； 所述IQ光調制器（3)包括I支路和Q支路，I支路上設置有第一子強度調制器a，Q支 路上設置有依次連接的第二子強度調制器b和子相位調制器c; 所述第一子強度調制器a的輸入端和所述第二子強度調制器b的輸入端均連接至所述 偏振控制器（2)的輸出端，所述偏振控制器（2)的輸入端連接所述激光光源（1); 所述光耦合器（4)的輸入端連接所述第一子強度調制器a的輸出端和所述子相位調制 器c的輸出端；所述光電探測器（5)的輸入端連接至所述光耦合器（4)的輸出端，所述數據 處理模塊（6)的輸入端連接至所述光電探測器（5)的輸出端； 所述第一模塊（7)的直流輸入端和所述第二模塊（8)的直流輸入端連接至所述數據處 理模塊（6)的第一輸出端，所述第一模塊（7)的交流輸入端和所述第二模塊（8)的交流輸 入端連接至所述數據處理模塊（6)的第二輸出端，所述第一模塊（7)的輸出端連接至所述 第一子強度調制器a的偏置電壓控制端；所述第二模塊（8)的輸出端連接至所述第二子強 度調制器b的偏置電壓控制端，所述數據處理模塊（6)的第三輸出端連接至所述子相位調 制器c的偏置電壓控制端。
2. 如權利要求1所述的控制系統，其特征在于，工作時，通過所述數據處理模塊（6)的 第三輸出端調節所述子相位調制器c的偏置電壓，所述IQ光調制器（3)輸出的光功率也隨 之變化，所述數據處理模塊（6)監測經過光電探測器（5)進行光電轉換后的光功率的大小 并進行反饋控制，得到所述子相位調制器c的最佳偏置電壓，實現I、Q兩路正交；設定所述 子相位調制器c的偏置電壓為最優值，通過數據處理模塊（6)的第二輸出端給所述第一子 強度器a發送低頻方波信號，并且通過所述數據處理模塊（6)的第一輸出端調節所述第一 子強度調制器a的偏置電壓，所述數據處理模塊（6)監測經過光電探測器（5)進行光電轉 換后的光功率的大小并進行反饋控制，得到所述第一子強度調制器a的最佳偏置電壓；設 定所述第一子強度調制器a的偏置電壓為最優值，調節通過數據處理模塊（6)的第二輸出 端給第二子強度器b發送低頻方波信號，并且通過其第一輸出端調節第二子強度調制器b 的偏置電壓，數據處理模塊（6)監測經過光電探測器（5)進行光電轉換后的光功率的大小 并進行反饋控制，得到第二子強度調制器b的最佳偏置電壓，最終完成IQ光調制器偏置電 壓的控制。
3. 如權利要求1所述的控制系統，其特征在于，所述數據處理模塊（6)包括：依次連接 的模數轉換器（61)、數字低通濾波器（62)、數字處理單元（63)、數字方波發生器（64)和數 模轉換器（65)，連接在所述數字處理單元（63)的另一個輸出端的直流可調電壓源（66)，以 及用于為所述數據處理模塊（6)供電且與所述數字處理單元（63)連接的供電電路（67); 所述模數轉換器（61)的輸入端用于連接至所述光電探測器（5)的輸出端，對經過所述 光電探測器（5)光電轉換后的光電流進行采集和數字化，所述數字低通濾波器（62)對數模 轉換后的光電流進行低通濾波，提取所需低頻分量，所述數字處理單元（63)對收集到的數 據進行處理并產生控制信號； 所述數字方波發生器（64)用于給所述第一子強度調制器a和所述第二子強度調制器b提供低頻方波信號，便于提取反饋信號； 所述數模轉換器（65)用于將數字方波信號轉化成模擬的方波信號輸出，所述可調直 流電壓源（66)用于給IQ光調制器提供可調的偏置電壓，供電電路（67)則為整個數據處理 模塊（6)供電，以保證正常工作。
4. 如權利要求3所述的控制系統，其特征在于，所述數字低通濾波器（62)、所述數字處 理單元（63)和所述數字方波發生器（64)由FPGA實現；所述數字方波發生器（64)輸出的 低頻方波信號的頻率低于1MHz，幅度小于0. 5V。
5. 如權利要求1-4任一項所述的控制系統，其特征在于，所述激光光源（1)為半導體激 光器，所述半導體激光器的線寬小于20MHz。
6. 如權利要求1-4任一項所述的控制系統，其特征在于，所述光耦合器⑷的分光比為 95 :5〇
7. 如權利要求1-4任一項所述的控制系統，其特征在于，所述光電探測器（5)為窄帶寬 的光電探測器，其3dB帶寬不大于10MHz。
8. -種IQ光調制器偏置電壓的控制方法，其特征在于，包括下述步驟： (1) 對第一子強度調制器a的直流偏壓值VB1、第二子強度調制器b的直流偏壓值VB2和 子相位調制器c的直流偏壓值VB3進行初始化，使得VB1 =VblQ，VB2=Vb2Q，VB3=Vb3Q; (2) 打開激光光源，并以一定步長掃描子相位調制器c的直流偏置電壓VB3,測量IQ光 調制器的輸出光功率，獲得一個周期內與所述輸出光功率最大值對應的第一直流偏置電壓 VIQ1，與所述輸出光功率最小值對應的第二直流偏置電壓VIQ2; (3) 根據所述第一直流偏置電壓VIQ1和所述第二直流偏置電壓VIQ2獲得所述子相位調 制器c的最佳偏置電壓
；將所述子相位調制器c的最佳偏置電壓Vb3_ 輸入至所述相位調制器c的直流偏壓端并使之保持不變； (4) 通過先在第一子強度調制器a的偏壓輸入端施加低頻方波信號，且所述第二子強 度調制器b的直流偏壓值維持初始值不變，再以一定步長掃描所述第一子強度調制器a的 直流偏置電壓VB1，測量IQ光調制器的輸出光功率，獲得與所述輸出光功率最小時對應的第 二直流偏壓Vblmin; (5) 將所述第三直流偏壓作為所述第一子強度調制器a的最佳偏置電壓Vbl_=Vblmin， 將所述第一子強度調制器a的最佳偏置電壓Vbl()pt輸入至所述第一子強度調制器a的直流 偏壓端并使之保持不變； (6) 通過在第二子強度調制器b的偏壓輸入端施加低頻方波信號，以一定步長掃描所 述第二子強度調制器b的直流偏置電壓VB2，測量IQ光調制器的輸出光功率，獲得與所述輸 出光功率最小時對應的第四直流偏壓Vb2min; (7) 將所述第四直流偏壓Vb2min作為所述第二子強度調制器b的最佳偏置電壓Vb2()pt = Vb2min，將所述第二子強度調制器b的最佳偏置電壓Vb2()pt輸入至所述第二子強度調制器b的 直流偏壓端并使之保持不變。
9. 如權利要求8所述的控制方法，其特征在于，所述低頻方波信號頻率低于1MHz，幅度 小于0. 5V。
10. 如權利要求8所述的控制方法，其特征在于，掃描的步長不超過0. 02V。
【文檔編號】H04B10/25GK104485997SQ201410750918
【公開日】2015年4月1日 申請日期:2014年12月9日 優先權日:2014年12月9日
【發明者】付松年, 馮振華, 唐明, 劉德明 申請人:華中科技大學