一種mz調制器偏置電壓自適應控制方法
【專利摘要】本發明公開了一種MZ調制器偏置電壓自適應控制方法,包括如下步驟:(1)在采樣時間窗口內的各采樣時間點上測量輸出光功率,并求其平均光功率,增加一個步進電壓大小,得到其對應的平均光功率,進而求得其偏導數,重復采集求取多次偏導數并取平均得到平均偏導數,作為偏置點監測參數;(2)逐漸增大采樣時間窗口及偏導數平均次數,直到偏置電壓控制誤差以及前后兩次控制誤差差值的絕對值各自滿足誤差要求,將此時所對應的采樣時間窗口及偏導數平均次數作為最佳值;(3)以此最佳采樣時間窗口及偏導數平均次數為固定值繼續基于平均偏導數進行偏置點監測。通過本發明所述方法,可以在減小噪聲影響、提高偏置電壓控制精度的同時實現較短的反饋時間。
【專利說明】
一種MZ調制器偏置電壓自適應控制方法
技術領域
[0001 ]本發明屬于光通信技術領域,更具體地,涉及一種MZ調制器偏置電壓自適應控制 方法。
【背景技術】
[0002] 隨著高速光通信的發展,馬赫-曾德爾(MZ)調制器作為產生各種調制格式光信號 中的關鍵器件,在該領域的應用越來越廣泛。MZ調制器由兩個波導臂和兩個Y型分支構成, 應用晶體材料的電光效應原理,通過調節兩個波導臂上的電場使兩臂產生光程差,加載電 場的端口分為射頻端和直流偏置端,發生干涉后將相位調制變換成強度調制。MZ調制器在 工作過程中由于受到外界環境的影響,如溫度、電場、應力等,實際偏置點會偏離要求偏置 點,原來加載的電壓下不能得到設定的調制光信號,即發生偏置點漂移,造成的后果是調制 光信號質量變差、眼圖劣化、誤碼率上升等,影響光通信系統的傳輸質量。因此,很有必要找 到一種偏置自適應控制方法來解決MZ調制器偏置漂移問題,才能保證光通信系統的通信質 量。
[0003] 現有技術通常采用基于MZ調制器輸出光功率與輸入光功率比值進行偏置點監測 的方法,其優點是裝置簡單,缺點是受插入損耗波動影響,控制精度不高。此外,也有基于MZ 調制器輸出光功率二階偏導與一階偏導比值的偏置電壓控制方法,具有不受輸入光功率以 及插入損耗變化影響的優點,但其監測參數不只是偏置點的單一函數,還與MZ調制器半波 電壓有關,無法校正半波電壓變化引入的偏置點漂移,使得控制精度降低。而且,現有技術 沒有采取有效措施進一步減小噪聲的影響,導致控制精度有所降低。
【發明內容】
[0004] 針對現有技術的以上缺陷或改進需求,本發明提供了一種MZ調制器偏置電壓自適 應控制方法,其目的在于減小噪聲影響、提高偏置電壓控制精度的同時實現較短的反饋時 間,由此解決MZ調制器偏置電壓控制中由于噪聲引入的控制精度不高的技術問題。
[0005] 為實現上述目的,按照本發明的一個方面,提供了一種MZ調制器偏置電壓自適應 控制方法,包括下述步驟:
[0006] (1)初始化:設置MZ調制器偏置電壓初值,初始采樣時間窗口 T,初始偏導數平均次 數Nd= 1;設定誤差值el,用于表征偏置電壓控制誤差需要滿足的誤差大小;設定誤差值e2, 用于表征隨著采樣時間窗口及偏導數平均次數增大,前后兩次偏置電壓控制誤差差值的絕 對值需要滿足的誤差大小;設變量V_ err〇r0用于存儲偏置電壓控制誤差,初值取不小于el 的較大的值;設定采樣速率恒定不變;
[0007] (2)求平均光功率:在當前偏置電壓下,在采樣時間窗口 T內的各采樣時間點上測 量MZ調制器輸出光功率,并對采樣時間點個數求算數平均,得到該偏置電壓對應的平均光 功率;
[0008] (3)求偏導數:將偏置電壓增加一個步進電壓,按步驟(2)得到當前偏置電壓對應 的平均光功率,進而求得平均光功率對偏置電壓的偏導數;然后將偏置電壓減小一個步進 電壓;步進電壓一般取0.01V~0.2V,根據實際情況而定;
[0009] (4)求平均偏導數:重復步驟(2)、(3)共Nd次,得到Nd個所述偏導數,進而求得平均 偏導數;
[0010] (5)比較平均偏導數與偏導數理論值,判斷平均偏導數是否收斂于偏導數理論值, 是則將當前偏置電壓與當前偏置電壓理論值作差并取絕對值作為控制誤差v_ err〇r,轉步 驟(6);否則根據比較結果調節偏置電壓,轉步驟(2);
[0011 ] (6)判斷是否同時滿足V_error〈el和| V_error_V_errorO | <e2,是則得到最佳采樣 時間窗口 T和偏導數平均次數Nd,轉步驟(7);否則增加窗口 T寬度,增加偏導數平均次數Nd, 并將V_error值賦給V_error0,轉步驟(2);
[0012] (7)固定最佳T和Nd,重復步驟(2)、(3)、(4),得到當前偏置電壓的平均偏導數;
[0013] (8)將步驟(7)得到的平均偏導數與偏導數理論值比較,判斷平均偏導數是否收斂 于偏導數理論值,是則完成本次偏置電壓自適應控制,轉步驟(9);否則根據比較結果調節 偏置電壓,轉步驟(7);
[0014] (9)每隔一段時間,重復步驟(7)、(8),對MZ調制器偏置電壓進行實時自適應控制; 時間間隔一般取5~30分鐘,根據MZ調制器偏置點漂移情況而定。
[0015] 進一步的,所述偏置點為四個常用偏置點,包括一般情況下偏置電壓為0、
-所對應的偏置點,分別記為?〇&1^、0皿(1-、燦11、0皿(1+ ;所述¥11為12調制器的半 波電壓。
[0016] 進一步的,所述MZ調制器具有射頻電壓輸入端以及直流偏置電壓輸入端,并且其 傳遞函數具有余弦函數規律。
[0017] 進一步的,所述輸出光功率的采樣速率遠大于偏置點漂移的速度,以控制方法能 及時校正偏置點漂移為準則。
[0018] 進一步的,所述e2取值范圍為10-2-10-5; e2取值越小,精度越高,收斂速度越慢;e2 取值越大,精度越低,收斂速度越快。
[0019] 本發明中,所述偏置點為四個常用偏置點,包括一般情況下偏置電壓為0、
,所對應的偏置點,分別記為Peak、Quad-、Nu 11、Quad+;所述V^MZ調制器的半 波電壓。
[0020] 本發明中,所述偏導數理論值,對于Peak、Null偏置點為0,對于Quad+、Quad_偏置 點為最大最小值。當偏置點發生漂移后,Quad+、Quad_偏置點對應的所述最大最小值大小有 可能發生變化,但始終為極值點這個特點不變。所述Quad+偏置點的偏導數理論值為最大 值,通過計算偏置電壓左右一小段范圍內的偏導數,若有絕大多數比此電壓對應的偏導數 小,則可認為找到最大值。所述Quad-偏置點的偏導數理論值為最小值,通過計算偏置電壓 左右一小段范圍內的偏導數,若有絕大多數比此電壓對應的偏導數大,則可認為找到最小 值。
[0021]本發明中,所述偏置電壓理論值,為MZ調制器偏置點處于最理想情況下所對應的 偏置電壓值。所述四個偏置點分別有不同的偏置電壓理論值,并且由于存在偏置點漂移現 象,不同時間段對應的偏置電壓理論值有所不同。在本發明方法中,偏置電壓理論值只在尋 找最佳采樣時間窗口 T和偏導數平均次數Nd過程中用于計算偏置電壓控制誤差,此過程持 續時間很短,可認為此時間段內偏置電壓理論值為恒定值。通過調節MZ調制器直流偏置端 的輸入電壓,并用光功率計監測MZ調制器輸出光功率大小,找到光功率最大和最小所對應 的電壓值,兩者之差為MZ調制器的半波電壓值。光功率最大對應的電壓值即為Peak偏置點 的偏置電壓理論值,光功率最小對應的電壓值即為Null偏置點的偏置電壓理論值,光功率 最小對應的電壓值加上半波電壓值的一半即為Quad+偏置點的偏置電壓理論值,光功率最 大對應的電壓值加上半波電壓值的一半即為Quad-偏置點的偏置電壓理論值。
[0022]本發明中,所述采樣時間窗口T和偏導數平均次數Nd大小,與去噪效果有關,進而 影響控制精度;隨著T、Nd增大,控制誤差先減小后趨于穩定,而反饋時間逐漸變長,因此需 要通過判斷來實現最高的控制精度以及較短的反饋時間。所述最佳采樣時間窗口和偏導數 平均次數是指隨著采樣時間窗口和偏導數平均次數增大,偏置電壓控制誤差不再減小時所 對應的時間窗口和平均次數,這里用I V_error-V_errorO I <e2來衡量控制誤差是否不再減 小,即前后兩次控制誤差差值的絕對值滿足誤差要求。為了區分采樣時間窗口和平均次數 較小時控制誤差變化也呈現平緩的趨勢,先用V_ err〇r〈el來衡量其是否處于誤差較小的范 圍。若同時滿足兩者,說明此時達到最高的控制精度,同時實現較短的反饋時間。
[0023] 總體而言,基于本發明所構思的以上技術方案與現有技術相比,通過增大MZ調制 器輸出光功率采樣時間窗口和偏導數平均次數,即重復讀取計算輸出光功率及其偏導數并 取平均,減小噪聲的影響;同時由于隨著采樣時間窗口和偏導數平均次數增大,控制誤差先 減小后趨于穩定,此時進一步增大采樣時間窗口和偏導數平均次數會造成反饋時間明顯變 長,實時控制效果欠佳;針對這種情況,進一步通過以控制誤差以及前后兩次控制誤差差值 的絕對值各自滿足誤差要求為判據,優化采樣時間窗口和偏導數平均次數作為最佳采樣時 間窗口和偏導數平均次數,并固定此窗口和次數繼續計算監測偏置點,從而使得本發明在 減小噪聲影響、提高偏置電壓控制精度的同時實現較短的反饋時間。
【附圖說明】
[0024] 圖1是本發明實施例提供的MZ調制器偏置電壓自適應控制方法的整體流程示意 圖;
[0025] 圖2是本發明實施例提供的MZ調制器偏置電壓自適應控制方法的原理示意圖;
[0026] 圖3是本發明實施例提供的MZ調制器偏置電壓自適應控制裝置的結構示意圖;
[0027] 圖4是本發明實施例提供的Null偏置點的自適應控制算法流程圖;
[0028] 圖5是本發明實施例提供的Quad+偏置點的自適應控制算法流程圖;
[0029] 圖6是本發明實施例提供的進行偏置電壓自適應控制后誤差及調制光信號眼圖Q 因子與輸出光功率及偏導數平均次數的關系曲線圖。
【具體實施方式】
[0030] 為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白,以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以解釋本發明,并 不用于限定本發明。此外,下面所描述的本發明各個實施方式中所涉及到的技術特征只要 彼此之間未構成沖突就可以相互組合。
[0031] 圖1是本發明提供的MZ調制器偏置電壓自適應控制方法的整體流程示意圖。如圖1 所示,所述方法包括以下步驟:
[0032] (1)初始化:設置MZ調制器偏置電壓初值,初始采樣時間窗口 T,初始偏導數平均次 數Nd= 1;設定誤差值el,用于表征偏置電壓控制誤差需要滿足的誤差大小;設定誤差值e2, 用于表征隨著采樣時間窗口及偏導數平均次數增大,前后兩次偏置電壓控制誤差差值的絕 對值需要滿足的誤差大小;設變量V_ err〇r0用于存儲偏置電壓控制誤差,初值取不小于el 的較大的值;設定采樣速率恒定不變;
[0033] (2)求平均光功率:在當前偏置電壓下,在采樣時間窗口 T內的各采樣時間點上測 量MZ調制器輸出光功率,并對采樣時間點個數求算數平均,得到該偏置電壓對應的平均光 功率;
[0034] (3)求偏導數:將偏置電壓增加一個步進電壓,按步驟(2)得到當前偏置電壓對應 的平均光功率,進而求得平均光功率對偏置電壓的偏導數;然后將偏置電壓減小一個步進 電壓;步進電壓一般取〇. 01V~0.2V,根據實際情況而定;
[0035] (4)求平均偏導數:重復步驟(2)、(3)共Nd次,得到Nd個所述偏導數,進而求得平均 偏導數;
[0036] (5)比較平均偏導數與偏導數理論值,判斷平均偏導數是否收斂于偏導數理論 值,是則將當前偏置電壓與當前偏置電壓理論值作差并取絕對值作為控制誤差v_err〇r,轉 步驟(6);否則根據比較結果調節偏置電壓,轉步驟(2);
[0037] (6)判斷是否同時滿足V_error〈el和| V_error_V_errorO | <e2,是則得到最佳采樣 時間窗口 T和偏導數平均次數Nd,轉步驟(7);否則增加窗口 T寬度,增加偏導數平均次數Nd, 并將V_error值賦給V_error0,轉步驟(2);
[0038] (7)固定最佳T和Nd,重復步驟(2)、(3)、(4),得到當前偏置電壓的平均偏導數;
[0039] (8)將步驟(7)得到的平均偏導數與偏導數理論值比較,判斷平均偏導數是否收斂 于偏導數理論值,是則完成本次偏置電壓自適應控制,轉步驟(9);否則根據比較結果調節 偏置電壓,轉步驟(7);
[0040] (9)每隔一段時間,重復步驟(7)、(8),對MZ調制器偏置電壓進行實時自適應控制; 時間間隔一般取5~30分鐘,根據MZ調制器偏置點漂移情況而定。
[0041] 圖2是本發明提供的MZ調制器偏置電壓自適應控制方法的原理示意圖。實線表示 偏置點漂移之前的平均輸出光功率及其偏導數與偏置相位的關系曲線圖,虛線表示偏置點 漂移之后的平均輸出光功率及其偏導數與偏置相位的關系曲線圖。設置MZ調制器工作在某 個偏置點,對應某個偏置電壓,可通過除以半波電壓再乘以180度轉換到偏置相位,當偏置 點發生漂移后,此偏置電壓對應的偏置點會發生變化,因此需要調節偏置電壓大小直至找 到并穩定在所設偏置點。由圖中可看出,即使偏置點發生漂移,Peak偏置點和Nul 1偏置點對 應的偏導數始終為〇,Quad+偏置點和Quad-偏置點對應的偏導數始終為曲線的最大值和最 小值。說明在MZ調制器偏置點發生漂移的情況下,輸出光功率的偏導數對于四個常用偏置 點具有不變的特性,可用于監測偏置點。下面對MZ調制器直流偏置漂移來源進行推導分析, 進一步驗證通過監測輸出光功率偏導數可以校正所有漂移來源。
[0042] 設MZ調制器輸入光場為Ein(t),則經過MZM后的輸出信號為
[0043]
[0044] 其中α為MZ調制器的損耗系數。在外加電壓引起的電光效應作用下,MZ調制器兩臂 的輸出信號相位分別為
[0047]其中分別為MZ調制器上下兩臂輸入的電壓信號,分別為上下兩臂的電 極長度,neff為構成MZ調制器的鈮酸鋰光波導的有效折射率,則有
[0050]將外界或者器件本身因素引入的兩臂之間隨機相位差記為Φο,兩臂的相位差之 和攜帶的隨機量記為Φι,有
[0052]考慮ΜΖ調制器工作在非理想情況下,Φο、(iM為外在或者內在因素導致的不確定 量,設加載于MZ調制器射頻端的射頻電信號為VRF(t),直流偏置端的偏置電壓為Vbias。將乂^ V2 = Vrf (t) +Vbias,V1+V2 = Vo 代入,有
[0054] 經過MZM后的光信號功率可表示為
[0056]其中k為MZ調制器的插入損耗。從上式可看出,偏置點漂移有兩個來源,其中一個 是隨機相位差Φ〇,它隨外界或器件本身因素的改變而改變;而半波電壓的表達式如下
[0058]其中鈮酸鋰光波導的折射率nr及其電光系數r33都是溫度的函數,隨溫度變化而變 化,而波導長度L以及兩電極間長度d也會隨溫度發生細微的熱脹冷縮,因此另一個漂移來 源是隨溫度發生變化的半波電壓νπ。
[0059]通過監測光功率相關參數,可以通過調節Vblas的大小來補償Φ(^Ρνπ引入的偏差, 例如設置偏置相位為Φ
等于Φ,但由于Φ 〇或^發生隨機變化變 成Φ/、V/
不再等于Φ,此時可以通過調節Vblas的大小來使得
,即對兩者引入的偏置點漂移進行了校正。而偏置點監測參 數的選取需要滿足的條件是,當偏置點發生漂移,偏置點對應的監測參數理論值具有不變 的特性,而平均輸出光功率的偏導數對于四個常用偏置點滿足此要求。對于Peak和Null點, 無論隨機相位差以及半波電壓如何變化,平均輸出光功率偏導數始終為〇;而對于Quad+和 Quad-點,平均輸出光功率偏導數始終為最大最小值。利用平均輸出光功率偏導數不隨漂移 來源變化而變化的特性,可以很好地進行偏置電壓控制。
[0060] 綜上所述,通過本發明所述方法,可以校正隨機相位差以及半波電壓變化引入的 偏置點漂移,從而提高偏置電壓控制精度。
[0061] 圖3為本發明一個優選實施例構建的MZ調制器偏置電壓自適應控制裝置的結構示 意圖。所述自適應控制裝置主要包括激光器1、MZ調制器2、耦合器3、射頻信號源4、數模轉換 器5、探測器6、單片機7、放大器8。
[0062] 具體的,所述激光器1的輸出端連接至所述MZ調制器2的第一輸入端,所述MZ調制 器2的輸出端連接至所述耦合器3的輸入端,所述耦合器3的第一輸出端連接至所述探測器6 的輸入端,所述探測器6的輸出端連接至所述放大器8的輸入端,所述放大器8的輸出端連接 至所述單片機7的輸入端,所述單片機7的輸出端連接至所述數模轉換器5的輸入端,所述數 模轉換器5的輸出端連接至所述MZ調制器2的第二輸入端,所述射頻信號源4的輸出端連接 至所述MZ調制器2的第三輸入端。
[0063] 利用本發明裝置進行MZ調制器偏置電壓自適應控制的過程如下:所述射頻信號源 4通過所述MZ調制器2的射頻端加載到所述激光器2產生的連續光上,產生調制光信號。輸出 光通過所述耦合器3分一部分光進入所述探測器6轉化成電流信號,電流信號再經過所述放 大器8轉變成電壓信號進入所述單片機7,模擬電壓信號經過所述單片機7自帶的模數轉換 器轉化成數字信號,接著在所述單片機7中進行數據處理,包括平均光功率、平均偏導數的 計算,平均偏導數與所設偏置點相對應的偏導數理論值的比較,以及偏置控制穩定后偏置 電壓與偏置電壓理論值的誤差計算比較等。根據偏導數比較結果確定直流偏置電壓的調節 方向,通過所述數模轉換器5將電壓輸入到所述MZ調制器2的直流偏置端,形成反饋控制鏈 路,直到平均偏導數收斂于偏導數理論值。通過所述單片機7計算偏置控制穩定后偏置電壓 與偏置電壓理論值的差值并取絕對值,與設定控制誤差要求el比較,若小于el,則進一步將 前后兩次控制誤差作差并取絕對值與設定誤差要求e2比較,若小于e2,將此時對應的采樣 時間窗口和偏導數平均次數作為固定值繼續計算監測偏置點;否則增加光功率的采樣時間 窗口以及偏導數平均次數,直到控制誤差以及前后兩次控制誤差差值的絕對值各自滿足誤 差要求。
[0064] 下面就本發明實施例給出一些器件選型及參數的設定辦法。所用探測器帶寬大小 并不影響需要采集的平均光功率大小,而帶寬過大會增加成本,帶寬過小響應時間增加,會 使得反饋時間變長,因此折中選擇一個合適的帶寬即可,本實施例采用的型號為G_H)910_ FC,其工作波長范圍為800~1700nm,帶寬約為10MHz;本實施例所用MZ調制器輸出光信號的 動態范圍為30dB左右,因此需要選擇動態范圍30dB以上的放大器,一般的線性放大器動態 范圍較小,單個放大器難以達到30dB的要求,因此選用對數放大器AD8304,輸入動態范圍可 達80dB;單片機用于完成模數轉換、計算監測偏導數與理論值的偏差并作出調整,以及偏 置控制穩定后偏置電壓與偏置電壓理論值的誤差計算比較等,選型上需要考慮其自帶模數 轉換器的輸入采樣頻率、轉換速率以及轉換精度能否滿足方案需求,是否能完成本發明需 求的數據計算以及SPI同步通信、USRT異步通信等;所用模數轉換器主要考慮輸出電壓范圍 以及分辨率是否滿足需求,本實施例選擇ADI公司的12位數模轉換芯片AD5501,輸出電壓范 圍有0~30V及0~60V兩檔可選,滿足MZ調制器偏置電壓需求。MZ調制器選定所述四個偏置 點之一作為工作點時,要選擇其對應的初始化參數及反饋控制細節。下面以Quad+偏置點處 00K信號的偏置電壓自適應控制為例,給出具體參數。偏置電壓初始值為5.5V,初始采樣時 間窗口設為當前采樣率下采集100次光功率對應的時間,初始偏導數平均次數設為1,誤差 值el設為0.2,e2設為0.01,V_error0初值設為10,步進電壓設為0.2V,偏導數理論值為最大 值,當前時間段偏置電壓理論值為6.69V,采樣時間窗口增加步長為當前采樣率下采集50個 光功率對應的時間,偏導數平均次數增加步長為1,偏置電壓自適應控制時間間隔為10分 鐘。
[0065] 在本發明實施例中,噪聲是影響偏置自適應反饋控制精度的一個重要因素,MZ調 制器偏置電壓自適應控制模塊中各個部分都會引入噪聲,除了可在硬件設計上采用濾波電 路,還可以在自適應控制算法中采取多點取平均的方法進一步減小噪聲的影響,即在同一 個偏置電壓下采集多個輸出光功率值并取平均作為此電壓對應的功率值,對于某個電壓下 的監測參數即偏導數也通過多次計算取平均值。通過對輸出光功率及其偏導數作平均減小 噪聲干擾后,需要將計算得到的平均偏導數與理論值作比較,再通過不斷調節直流偏置電 壓的大小使得實際偏導數逐漸逼近理論值,最后收斂在其附近。對于Peak和Null偏置點,理 論值為〇,而對于Quad+和Quad-偏置點,理論值為最大最小值。去噪效果與輸出光功率及其 偏導數的平均次數有關,而輸出光功率的平均次數在采樣率一定的前提下可用采樣時間窗 口表征,因此控制精度受輸出光功率采樣時間窗口及偏導數平均次數影響。隨著采樣時間 窗口及偏導數平均次數增大,控制誤差先減小后趨于穩定,而反饋時間逐漸變長,說明隨著 采樣時間窗口及偏導數平均次數增大,控制精度逐漸增大至最大值并穩定在最大值,控制 精度恰好增大到最大值時所對應的采樣時間窗口及偏導數平均次數為最佳窗口及次數,此 時可以獲得最高的控制精度,而在所有可以獲得最高控制精度所對應的窗口及次數中,此 窗口及次數最小,反饋時間最短。因此在此最佳采樣時間窗口及偏導數平均次數下,可以達 到最高控制精度的同時實現較短的反饋時間。將此最佳采樣時間窗口及偏導數平均次數作 為固定值繼續計算監測偏置點。由于Peak和Nul 1、Quad+和Quad-偏置點的反饋控制過程分 別具有相似性,因此只分析Null和Quad+情況下偏導數D1的比較與判斷。
[0066] 圖4為本發明實施例提供的Null偏置點的自適應控制算法流程圖。首先需要通過 判斷找到最佳采樣時間窗口及偏導數平均次數,然后繼續偏置點的監測及校正。MZM的偏導 數隨直流偏置電壓呈余弦規律變化,Null偏置點的偏導數值為0,且在半個周期內是單調變 化的,左側為負值,右側為正值。若計算所得偏導數大于0,則減小偏置電壓,若小于0,則增 大偏置電壓,直到找到過零點,即為找到所設偏置點,并且計算偏置電壓誤差。逐漸增大采 樣時間窗口及偏導數平均次數,直到控制誤差以及前后兩次控制誤差差值的絕對值各自滿 足誤差要求時,則說明控制精度不再隨著采樣時間窗口及偏導數平均次數增大而提高,此 時可將此采樣時間窗口及偏導數平均次數作為最佳值繼續按照上面所說步驟監測鎖定偏 置點。
[0067]圖5為本發明實施例提供的Quad+偏置點的自適應控制算法流程圖。Quad+偏置點 的情況比Null偏置點稍微復雜一點,Quad+的偏導數為最大值,反饋控制的目標是使得偏置 電壓穩定在最大值對應的電壓附近。由于噪聲的干擾,整個偏導數曲線有抖動,因此計算偏 置電壓左右一小段范圍內的平均偏導數值,若有絕大多數值比此電壓對應的平均偏導數值 小,則可認為找到最大值。首先計算當前偏置電壓對應的平均偏導數Dl_mean,然后計算其 右側若干個平均偏導數值,若有大部分比Dl_mean小,則繼續計算左側若干個平均偏導數 值,若也有大部分比Dljnean小則可認為找到最大值,即找到Quad+偏置點;若當前偏置電壓 對應的平均偏導數Dl_mean右側若干個偏導數值不滿足大部分比其小,則增大一個步進電 壓,重復上述計算及判斷;若當前偏置電壓對應的平均偏導數Dljnean右側若干個偏導數值 滿足大部分比其小,而左側若干個偏導數值不滿足大部分比其小,則減小一個步進電壓,重 復上述計算及判斷,直到找到符合條件的偏置電壓,即找到所設偏置點。找到偏置點后計算 實時偏置電壓與理論電壓的誤差,若相對于前一個采樣時間窗口及偏導數平均次數,控制 誤差以及前后兩次控制誤差差值的絕對值各自滿足誤差要求,則將此時采樣時間窗口及偏 導數平均次數固定為最佳值,否則增大采樣時間窗口及偏導數平均次數繼續計算控制誤 差,直到找到最佳值,則可以此最佳值作為固定窗口及次數繼續監測偏置點。
[0068]下面結合本發明實施例開展的部分實驗結果具體說明。MZ調制器采用Eospace公 司的強度調制器,其輸入光信號功率為_2dBm,耦合器分光比為1:9,90%的調制光信號進入 光電探測器轉化為電信號后使用采樣示波器測試其眼圖,并可從示波器面板上讀出眼圖Q 因子,下面以Quad+偏置點處開關鍵控(00K)信號的偏置點自適應控制為例進行說明。
[0069]圖6為本發明實施例提供的進行偏置電壓自適應控制后誤差及調制光信號眼圖Q 因子與輸出光功率及偏導數平均次數的關系曲線圖。為了進一步論證本發明提出的通過增 大輸出光功率采樣時間窗口和偏導數平均次數來提高控制精度的方法,用控制誤差或眼圖 Q因子來表征控制精度的高低,控制誤差越小,表明控制精度越高;眼圖Q因子越大,表明控 制精度越高。選取了平均輸出光功率及其偏導數平均次數為100x1、100x2、100χ5、200χ5、 200x10五種情況進行實驗,分別記錄各個平均次數下進行偏置自適應控制后的誤差及眼 圖Q因子,作出曲線如圖6所示。由圖可見,隨著平均次數增大,控制誤差逐漸減小,最終會趨 于一個穩定值;眼圖的Q因子隨著平均次數的增大逐漸增大,最終趨于一個穩定值。分析其 機理是:隨著輸出光功率采樣時間窗口和偏導數平均次數增加,噪聲會通過作平均減小,控 制誤差減小,眼圖質量提高,精度提高;當采樣時間窗口和偏導數平均次數增大到一定程 度,噪聲的影響已經可以忽略,此時的誤差主要由步進電壓決定,再增大時間窗口及平均次 數對誤差減小已沒有意義。而平均次數太大會使得反饋控制時間過長,因此需要通過判斷 選取最佳采樣時間窗口和偏導數平均次數,判斷依據是控制誤差以及前后兩次控制誤差差 值的絕對值各自滿足誤差要求時所對應的采樣時間窗口及偏導數平均次數即為最佳值,可 以得到最高的控制精度以及較短的反饋時間。從此實驗結果可看出,當輸出光功率及偏導 數平均次數分別為200和5的情況下,控制精度達到最高,并且反饋時間較短,此時200次對 應的時間窗口以及5次為輸出光功率的最佳米樣時間窗口及偏導數平均次數。在一定范圍 內,增大輸出光功率采樣時間窗口及偏導數平均次數可以減小控制誤差,提高ΜΖ調制器信 號眼圖質量,也就是提高控制精度。并且通過逐漸增大采樣時間窗口及偏導數平均次數,直 到控制誤差以及前后兩次控制誤差差值的絕對值各自滿足誤差要求時,將對應的采樣時間 窗口及偏導數平均次數作為最佳值,此時可以提高控制精度,獲得現有參數條件下的最高 精度,并且實現較短的反饋時間。
[0070] 基于以上敘述,本發明提供的偏置電壓自適應控制方法通過優化輸出光功率采樣 時間窗口以及偏導數平均次數,在減小噪聲影響、提高偏置電壓控制精度的同時實現較短 的反饋時間。
[0071] 綜合以上所述,本發明提供了一種MZ調制器偏置電壓自適應控制方法,將MZ調制 器輸出光功率的平均偏導數作為偏置點監測參數,通過增大輸出光功率采樣時間窗口和偏 導數平均次數,即重復讀取計算輸出光功率及其偏導數并取平均,減小噪聲的影響;同時 由于隨著采樣時間窗口和偏導數平均次數增大,控制誤差先減小后趨于穩定,此時進一步 增大采樣時間窗口和偏導數平均次數會造成反饋時間明顯變長,實時控制效果欠佳;針對 這種情況,進一步通過以控制誤差以及前后兩次控制誤差差值的絕對值各自滿足誤差要求 為判據,優化采樣時間窗口和偏導數平均次數作為最佳采樣時間窗口和偏導數平均次數, 并固定此窗口和次數繼續計算監測偏置點,從而使得本發明在減小噪聲影響、提高偏置電 壓控制精度的同時實現較短的反饋時間。
[0072]本領域的技術人員容易理解,以上所述僅為本發明的較佳實施例而已,并不用以 限制本發明,凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等,均應包含 在本發明的保護范圍之內。
【主權項】
1. 一種MZ調制器偏置電壓自適應控制方法,其特征在于,包括下述步驟: (1) 初始化:設置MZ調制器偏置電壓初值,初始采樣時間窗口 T,初始偏導數平均次數Nd =1;設定誤差值el,用于表征偏置電壓控制誤差需要滿足的誤差大小;設定誤差值e2,用于 表征隨著采樣時間窗口及偏導數平均次數增大,前后兩次偏置電壓控制誤差差值的絕對值 需要滿足的誤差大小;設變量V_ err〇rO用于存儲偏置電壓控制誤差,初值取不小于el的較 大的值;設定采樣速率恒定不變; (2) 求平均光功率:在當前偏置電壓下,在采樣時間窗口T內的各采樣時間點上測量MZ 調制器輸出光功率,并對采樣時間點個數求算數平均,得到該偏置電壓對應的平均光功率; (3) 求偏導數:將偏置電壓增加一個步進電壓,按步驟(2)得到當前偏置電壓對應的平 均光功率,進而求得平均光功率對偏置電壓的偏導數;然后將偏置電壓減小一個步進電壓; 步進電壓一般取0.01V~0.2V,根據實際情況而定; (4) 求平均偏導數:重復步驟(2)、(3)共Nd次,得到Nd個所述偏導數,進而求得平均偏導 數; (5) 比較平均偏導數與偏導數理論值,判斷平均偏導數是否收斂于偏導數理論值,是則 將當前偏置電壓與當前偏置電壓理論值作差并取絕對值作為控制誤差v_ err〇r,轉步驟 (6);否則根據比較結果調節偏置電壓,轉步驟(2); (6) 判斷是否同時滿足V_error<e 1和| V_error_V_errorO | <e2,是則得到最佳采樣時間 窗口T和偏導數平均次數Nd,轉步驟(7);否則增加窗口T寬度,增加偏導數平均次數Nd,并將 V_error值賦給V_errorO,轉步驟(2); (7) 固定最佳T和Nd,重復步驟(2)、(3)、(4),得到當前偏置電壓的平均偏導數; (8) 將步驟(7)得到的平均偏導數與偏導數理論值比較,判斷平均偏導數是否收斂于偏 導數理論值,是則完成本次偏置電壓自適應控制,轉步驟(9);否則根據比較結果調節偏置 電壓,轉步驟(7); (9) 每隔一段時間,重復步驟(7)、(8),對MZ調制器偏置電壓進行實時自適應控制;時間 間隔一般取5~30分鐘,根據MZ調制器偏置點漂移情況而定。2. 如權利要求1所述的控制方法,其特征在于,所述的所述偏置點為四個常用偏置點, 包括一般情況下偏置電壓為〇 、-f所對應的偏置點,分別記為Peak、Quad-、Nul 1、 Quad+;所述νπ*ΜΖ調制器的半波電壓。3. 如權利要求1所述的控制方法,其特征在于,所述MZ調制器具有射頻電壓輸入端以及 直流偏置電壓輸入端,并且其傳遞函數具有余弦函數規律。4. 如權利要求1所述的控制方法,其特征在于,所述輸出光功率的采樣速率遠大于偏置 點漂移的速度,以控制方法能及時校正偏置點漂移為準則。5. 如權利要求1所述的控制方法,其特征在于,所述e2取值范圍為10-2-10-5; e2取值越 小,精度越高,收斂速度越慢;e2取值越大,精度越低,收斂速度越快。
【文檔編號】G05B13/02GK105867497SQ201610325197
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年5月17日
【發明人】柯昌劍, 譚芷瑩, 羅志祥, 劉德明
【申請人】華中科技大學