基于Sagnac環(huán)的電光調(diào)制器偏壓控制裝置和方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用于控制電光調(diào)制器偏置電壓的系統(tǒng)裝置和方法，提出了一種基于薩格奈克(Sagnac)環(huán)和直流功率檢測算法的自動偏壓控制系統(tǒng)。該發(fā)明主要涉及光通信技術(shù)以及自動控制領(lǐng)域。該發(fā)明在光源輸出端通過偏振控制器、偏振分束器將光載波分成兩路進(jìn)入到Sagnac環(huán)，其中順時(shí)針光載波進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制，而逆時(shí)針光載波因?yàn)殡姽庹{(diào)制器反向調(diào)制特性而沒有被射頻信號調(diào)制。Sagnac環(huán)輸出光信號通過偏振控制器和偏振分束器使得未經(jīng)過調(diào)制光信號經(jīng)過光電探測器進(jìn)入到偏壓控制模塊中，利用直流功率檢測法可以對直流漂移進(jìn)行判斷和補(bǔ)償，從而對調(diào)制器的直流工作點(diǎn)進(jìn)行鎖定。本方案通過Sagnac環(huán)克服了直流功率檢測法受射頻信號影響的缺陷，實(shí)現(xiàn)了射頻信號無關(guān)的自動偏壓控制。
【專利說明】
基于Sagnac環(huán)的電光調(diào)制器偏壓控制裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及光通信技術(shù)以及自動控制領(lǐng)域，特別涉及一種基于薩格奈克(Sagnac)環(huán)實(shí)現(xiàn)電光調(diào)制器偏壓控制的裝置和方法。
【背景技術(shù)】
[0002]光載射頻通信(RoF)技術(shù)利用光纖和高頻無線電波各自的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)低成本、大容量的射頻信號光纖傳輸以及無線接入，是未來寬帶接入發(fā)展的必然趨勢?；阝壦徜嚥牧系碾姽庹{(diào)制器，因其具有調(diào)制帶寬大、損耗小、零啁啾等優(yōu)點(diǎn)，而被廣泛應(yīng)用于RoF系統(tǒng)，其性能對整個(gè)系統(tǒng)信號傳輸質(zhì)量起決定性作用。
[0003]電光調(diào)制器的傳輸函數(shù)一般是正弦函數(shù)，由于調(diào)制材料以及結(jié)構(gòu)的限制，熱電效應(yīng)、光折變效應(yīng)、光電導(dǎo)效應(yīng)、外部環(huán)境變化、結(jié)構(gòu)形變等因素都會使得調(diào)制器的直流工作點(diǎn)發(fā)生漂移，輸出信號的波形不符合預(yù)期，嚴(yán)重影響到整個(gè)通信系統(tǒng)信號質(zhì)量。
[0004]為解決上述問題，當(dāng)前的主流方案是通過偏壓控制系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)控調(diào)制器直流工作點(diǎn)的變化，自動調(diào)節(jié)直流偏置電壓，從而鎖定直流工作點(diǎn)。主要的方法有導(dǎo)頻信號法和直流功率檢測法兩種。
[0005]導(dǎo)頻法一般選用低頻的正弦或者類正弦信號，將其與直流偏置電壓一同輸入到調(diào)制器的直流電壓端口上。經(jīng)過電光調(diào)制器調(diào)制，輸出的光信號便帶有導(dǎo)頻信號的諧波分量，提取相關(guān)諧波信號之后計(jì)算二階諧波和一階諧波的比值，通過增大或減小直流電壓保持諧波比不變，以此來穩(wěn)定直流工作點(diǎn)，達(dá)到偏壓控制的目的。導(dǎo)頻法的優(yōu)勢是通過分析一、二階諧波比可以消除射頻信號變化對偏壓控制算法的影響，但是缺點(diǎn)也很明顯。首先，導(dǎo)頻信號的大小需要很小，否則會和射頻信號產(chǎn)生交調(diào)，產(chǎn)生非線性失真，影響信號調(diào)制質(zhì)量;其次，經(jīng)過調(diào)制后導(dǎo)頻的諧波分量，尤其是二次以上諧波分量很小，對偏壓點(diǎn)的判定會有一定的影響，降低控制精度。
[0006]直流功率檢測法的主要原理是通過檢測經(jīng)過調(diào)制器之后的輸出光電流的直流功率，然后通過計(jì)算理論值和實(shí)際值的差別，進(jìn)而通過調(diào)整直流電壓維持直流分量不變，以此鎖定直流工作點(diǎn)。這種方法的優(yōu)點(diǎn)在于不需要導(dǎo)頻信號、直接檢測，因此結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，而且直流分量值較大，理論上可以實(shí)現(xiàn)較高精度的控制。但其最主要的缺點(diǎn)是直流分量受射頻信號影響，特別是工作在最小工作點(diǎn)附近，當(dāng)射頻信號變化時(shí)，直流分量會隨之發(fā)生明顯變化，使得當(dāng)保持直流分量不變時(shí)，不能鎖定直流工作點(diǎn)，影響偏壓控制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]為了解決【背景技術(shù)】中所存在的技術(shù)問題，本發(fā)明提出了一種新型的基于Sagnac環(huán)的電光調(diào)制器偏壓控制裝置和方法。其中偏壓控制模塊基于直流功率檢測算法，同時(shí)利用Sagnac環(huán)的特性配合偏振分束器使得進(jìn)入偏壓控制模塊的光信號和射頻信號無關(guān)，從而使得直流功率檢測法對偏壓自動控制不受射頻信號大小變化的影響。
[0008]本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:基于Sagnac環(huán)的電光調(diào)制器偏壓控制裝置，包括可調(diào)激光器、偏振控制器、電光調(diào)制器、射頻信號源、三光口環(huán)形器、Sagnac環(huán)、偏振分束器、光電探測器、偏壓控制模塊。光源的輸出端口與偏振控制器相連，該偏振控制器的另一端通過環(huán)形器進(jìn)入Sagnac環(huán);射頻信號的輸出端與Sagnac環(huán)中電光調(diào)制器的射頻輸入端口相連;Sagnac環(huán)的輸出端通過環(huán)形器后接另一個(gè)偏振控制器;該偏振控制器輸出端口和另一個(gè)偏振分束器的輸入端口連接，該偏振分束器輸出端口的一路連接光電探測器，光電探測器的輸出進(jìn)入偏壓控制模塊，偏壓控制模塊的輸出和Sagnac環(huán)中調(diào)制器的直流輸入端口相連;而上述偏振分束器的另一路則另一光電探測器相連，輸出端可以接頻譜儀進(jìn)行測試或者進(jìn)行后續(xù)信號處理。
[0009]所述Sagnac環(huán)由偏振分束器、電光調(diào)制器、光纖構(gòu)成。
[0010]所述偏壓控制模塊由前置放大電路、低通濾波器、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、MCU處理單元、數(shù)模轉(zhuǎn)換電路、驅(qū)動電路構(gòu)成。
[0011]本發(fā)明在工作時(shí)包括以下步驟:
1)從激光器發(fā)出波長為λ的光波注入到偏振控制器中；
2)調(diào)節(jié)偏振控制器，將入射光信號調(diào)整為與偏振分束器的Χ、Υ軸夾角分別為V4的線偏振光。進(jìn)入Sagnac環(huán)的入射光通過偏振分束器將偏振態(tài)分開，形成兩路功率相等、偏振態(tài)正交的光信號，一路沿順時(shí)針方向通過保偏光纖傳輸?shù)诫姽庹{(diào)制器，另一路沿逆時(shí)針方向通過保偏光纖傳輸?shù)诫姽庹{(diào)制器；
3)將頻率為f的射頻本振信號輸入電光調(diào)制器中。此時(shí)沿著順時(shí)針方向傳輸?shù)墓庑盘枌⒌玫秸{(diào)制，同時(shí)也會發(fā)生偏壓漂移，而由于調(diào)制器的固有特性，反向傳輸不受高頻信號調(diào)制，因此沿著逆時(shí)針方向傳輸?shù)墓庑盘枦]有得到調(diào)制，光信號的變化完全由直流工作點(diǎn)的漂移引起，和射頻信號無關(guān)，因此該偏振態(tài)光信號的變化就可以反映直流工作點(diǎn)漂移情況；
4)從Sagnac環(huán)輸出一對偏振態(tài)正交的光信號，經(jīng)過光纖依次進(jìn)入到偏振控制器和偏振分束器中，通過調(diào)整偏振控制器將這一對光信號分開，其中經(jīng)過高頻調(diào)制的光信號(即Sagnac環(huán)中順時(shí)針傳輸信號)通過光電探測器轉(zhuǎn)換后進(jìn)行后續(xù)的信號處理;而沒有調(diào)制的光信號(即Sagnac環(huán)中逆時(shí)針傳輸信號)通過電探測器轉(zhuǎn)換成光電流之后，進(jìn)入到偏壓控制豐旲塊;
5)在偏壓控制模塊中，對信號做放大、濾波等預(yù)處理之后，利用直流功率檢測法對實(shí)際信號的直流分量進(jìn)行計(jì)算并和理論設(shè)定的值進(jìn)行比較，通過增大或者減小直流電壓來保持直流分量不變，以此來對調(diào)制器的直流工作點(diǎn)進(jìn)行鎖定；
6)偏壓控制模塊輸出的直流電壓進(jìn)入到Sagnac環(huán)中調(diào)制器的直流輸入端口，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定直流工作點(diǎn)的目的。
[0012]本發(fā)明提出了一種新型的對電光調(diào)制器進(jìn)行偏壓控制的方法，該方案利用光信號的偏振特性以及調(diào)制器的反向調(diào)制特性，通過Sagnac環(huán)結(jié)構(gòu)、直流功率檢測算法實(shí)現(xiàn)了射頻信號無關(guān)的高精度偏壓控制。
[0013]與現(xiàn)有技術(shù)相比較，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)如下:
1)利用了直流功率檢測算法，和導(dǎo)頻信號法比較，檢測的直流分量較大，可以實(shí)現(xiàn)較高精度的偏壓控制，同時(shí)不需要導(dǎo)頻信號，算法簡單，成本較低、不會對有用信號添加干擾；
2)與常規(guī)直流功率檢測方法相比，本方法不受射頻信號變化影響。
【附圖說明】
[0014]圖1為本發(fā)明利用Sagnac環(huán)和偏壓控制模塊進(jìn)行偏壓控制的原理圖，圖2為偏壓控制模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)組成，圖3為電光調(diào)制器輸出特性曲線漂移示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0015]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說明:本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例:
圖1為本發(fā)明利用Sagnac環(huán)和偏壓控制模塊進(jìn)行偏壓控制的系統(tǒng)鏈路原理圖。其中電光調(diào)制器用于對光載波信號進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制；Sagnac環(huán)將光載波分為兩路，將正向調(diào)制的光信號和反向未調(diào)制的光載波進(jìn)行偏振復(fù)用后輸出；隨后的偏振控制器和偏振分束器用來分離正向經(jīng)過調(diào)制器調(diào)制的光信號和反向未調(diào)制的光載波。
如圖1所示，本實(shí)施例中，裝置包括:光源、射頻信號源、偏振控制器1、環(huán)形器、Sagnac環(huán)、偏振控制器2、偏振分束器2、光電探測器1、光電探測器2、偏壓控制模塊。其中Sagnac環(huán)由電光調(diào)制器以及偏振分束器I構(gòu)成。偏壓控制模塊如圖2所示，由前置放大電路、低通濾波器、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、MCU處理單元、數(shù)模轉(zhuǎn)換電路、驅(qū)動電路等電路模塊構(gòu)成。光源的輸出端口與偏振控制器I相連，偏振控制器I的輸出端口通過環(huán)形器接入Sagnac環(huán)，射頻信號源的輸出端與Sagnac環(huán)中調(diào)制器的射頻輸入端相連，從Sagnac環(huán)輸出的光信號通過環(huán)形器后通過偏振控制器2輸入到偏振分束器2中，偏振分束器2的其中一個(gè)端口輸出未經(jīng)過調(diào)制的光載波，連接光電探測器I;偏振分束器2的另一個(gè)端口輸出經(jīng)過調(diào)制的光信號，和光電探測器2連接，進(jìn)行后續(xù)處理;光電探測器I的輸出端口和偏壓控制模塊相連，信號進(jìn)入偏壓控制模塊，通過前置放大、低通濾波、模數(shù)轉(zhuǎn)換后進(jìn)入MCU處理單元，利用直流功率檢測法進(jìn)行偏壓判斷，再通過數(shù)模轉(zhuǎn)換、驅(qū)動電路后通過輸出端口輸出補(bǔ)償電壓以及直流偏置電壓到Sagnac環(huán)中調(diào)制器的直流電壓輸入端口，實(shí)現(xiàn)自動偏壓控制。
[0016]本實(shí)例中，方法的具體實(shí)施步驟是:
步驟一:光源產(chǎn)生工作波長為1550nm、功率為Pin的連續(xù)光波，連續(xù)光波輸入到偏振控制器I中，經(jīng)過偏振控制器I后輸入環(huán)形器。調(diào)節(jié)偏振控制器I，使光載波以與偏振分束器兩軸分別成45度角入射，從而使得偏振分束器的兩路輸出光功率相等。
步驟二:偏振分束器輸出的順時(shí)針的光信號通過保偏光纖正向進(jìn)入到電光調(diào)制器中，該路光載波得到強(qiáng)度調(diào)制，同時(shí)也會發(fā)生直流工作點(diǎn)漂移。偏振分束器輸出的逆時(shí)針的光信號通過保偏光纖反向進(jìn)入到電光調(diào)制器中，根據(jù)電光調(diào)制器的特性，該路光載波不會被射頻信號調(diào)制，因此反向偏振態(tài)的光信號經(jīng)過MZM后，和射頻信號大小無關(guān)，能夠真實(shí)反映調(diào)制器直流工作點(diǎn)。正反向的兩路光信號再次到達(dá)偏振分束器I后合成一路光信號，經(jīng)過環(huán)形器之后通過端口 3輸出到傳輸鏈路上。
步驟三:從環(huán)形器端口 3輸出的光信號通過偏振控制器2以及偏振分束器2，使光信號以與偏振分束器兩軸分別成45度角入射，從而得到Sagnac環(huán)中正向和反向經(jīng)過調(diào)制器的光信號。
步驟四:從偏振分束器2輸出的正向經(jīng)過調(diào)制器、得到有效調(diào)制的光信號，經(jīng)過光電探測器I之后可以進(jìn)行后續(xù)的處理。
步驟五:從偏振分束器2輸出的反向經(jīng)過調(diào)制器、未得到調(diào)制的光載波，經(jīng)過光電探測器2之后，進(jìn)入到偏壓控制模塊中進(jìn)行工作點(diǎn)判斷以及偏壓輸出。具體步驟如下:
1)光電轉(zhuǎn)化之后的微弱光信號首先經(jīng)過前置放大器；
2)放大后信號進(jìn)入低通濾波器，濾除高頻噪聲；
3)濾波后的信號通過模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號；
4)數(shù)字信號進(jìn)入MCU處理單元中，采用直流功率檢測算法，通過增大或者減小直流電壓保持直流分量不變，以此鎖定直流工作點(diǎn)；
5)模數(shù)轉(zhuǎn)換之后，利用驅(qū)動電路向調(diào)制器的直流端口輸出經(jīng)過偏壓控制后的直流電壓，實(shí)現(xiàn)調(diào)制器自動偏壓控制。
[0017]綜上，本發(fā)明針對直流功率檢測法和直流功率檢測法這兩種偏壓控制方法的局限，提出了一種基于Sagnac環(huán)中電光調(diào)制器雙向調(diào)制的偏壓控制鏈路系統(tǒng)，使得進(jìn)入偏壓控制模塊的光功率不受射頻信號影響，只和直流偏壓有關(guān)，從而利用直流功率檢測法可以進(jìn)行自動偏壓控制。
[0018]總之，以上所述實(shí)施方案僅為本發(fā)明的實(shí)施例而已，并非僅用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在本發(fā)明公開的內(nèi)容上，還可以做出若干等同變形和替換，這些等同變形和替換以及頻率范圍的調(diào)整也應(yīng)視為本發(fā)明保護(hù)的范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種基于直流功率檢測法，利用薩格奈克(Sagnac)環(huán)實(shí)現(xiàn)電光調(diào)制器自動偏壓控制裝置，包括光源、射頻信號源、環(huán)形器、Sagnac環(huán)、偏振控制器、偏振分束器、光電探測器、偏壓控制模塊。其特征在于:Sagnac環(huán)設(shè)置在光源的出射光路上，且與光路之間連接有一個(gè)偏振控制器以及環(huán)形器，Sagnac環(huán)輸出端依次連接一個(gè)偏振控制器和偏振分束器，偏振分束器的一路輸出可以進(jìn)行后續(xù)的信號處理，偏振分束器的另一路輸出進(jìn)入偏壓控制模塊，利用直流功率檢測法進(jìn)行直流工作點(diǎn)的鎖定，偏壓控制模塊的輸出端和Sagnac環(huán)中的調(diào)制器直流輸入端相連。 所述Sagnac環(huán)由偏振分束器，電光調(diào)制器構(gòu)成。Sagnac環(huán)中的偏振分束器將從環(huán)形器輸出的光載波分為兩路，其中一路在Sagnac環(huán)內(nèi)通過保偏光纖沿順時(shí)針方向傳輸，另一路在環(huán)內(nèi)通過保偏光纖沿逆時(shí)針方向傳輸，由于電光調(diào)制器的固有的調(diào)制特性，沿順時(shí)針方向進(jìn)入調(diào)制器的光載波得到調(diào)制，而逆時(shí)針方向進(jìn)入的光載波沒有得到調(diào)制，只受到直流漂移的影響，兩路信號在偏振分束器處合成一路光信號從Sagnac環(huán)輸出。 所述Sagnac環(huán)后連接有偏振控制器和偏振分束器，通過調(diào)節(jié)偏振控制器，使得偏振分束器其中一個(gè)端口輸出的是經(jīng)過調(diào)制光信號，而另一個(gè)輸出端口輸出未經(jīng)過調(diào)制光信號。調(diào)制光信號進(jìn)行后續(xù)處理分析，而只受到直流漂移影響的未經(jīng)調(diào)制的光信號通過光電探測器進(jìn)行光電轉(zhuǎn)化后進(jìn)入偏壓控制模塊。 所述偏壓控制模塊由前置放大器、低通濾波器、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、MCU處理單元、數(shù)模轉(zhuǎn)換器、驅(qū)動電路構(gòu)成。微弱電信號進(jìn)入偏壓控制模塊中先通過前置放大電路進(jìn)行放大處理，隨后通過低通濾波電路除去高頻噪聲，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊將模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信后后進(jìn)入至IjM⑶進(jìn)行處理，利用直流功率檢測法，通過調(diào)整直流電壓來穩(wěn)定直流分量的大小，以此鎖定調(diào)制器的直流工作點(diǎn)，并經(jīng)過驅(qū)動電路輸出當(dāng)前直流偏置電壓。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自動偏壓控制裝置，其特征在于:Sagnac環(huán)中連接偏振分束器與電光調(diào)制器的光纖為保偏光纖。
【文檔編號】G02F1/03GK105911723SQ201610379245
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年5月27日
【發(fā)明人】潘豪, 文愛軍, 高永勝
【申請人】西安電子科技大學(xué)