DD-MZM 單邊帶調制系統偏置電壓優化控制方案

黃鳴柳，余 駿，李迎春，宋英雄

（上海大學通信與信息工程學院，上海 200072）

DD-MZM 單邊帶調制系統偏置電壓優化控制方案

黃鳴柳，余 駿，李迎春，宋英雄

（上海大學通信與信息工程學院，上海 200072）

為了獲得更加穩定的梳狀譜發生器，對基于DD（雙平行）-MZM（馬赫-曾德爾調制器）的單邊帶調制系統偏置電壓控制方案進行了研究，著重分析了非理想消光比對MZM以及調制器偏置電壓控制標準的影響，并在此基礎上提出了優化的偏置電壓判別標準。研究證明，在非理想消光比條件下，選取MZM傳輸曲線的最高點作為系統偏置電壓的判別標準具有更高的精確性。

馬赫-曾德爾調制器；單邊帶調制；偏壓控制；消光比

0　引 言

梳狀譜發生器在現代微波系統中有著廣泛的應用，通過其倍頻功能可制成毫米波頻率源，在儀器設備中也是展寬頻帶的關鍵，常應用于微波通信、EMC（電磁兼容性）測試以及微波電子戰等方面［1］。隨著通信技術的快速發展，高效率、高穩定性的梳狀譜發生器成為提升系統性能的關鍵因素。早期采用鎖模方式產生的梳狀譜在實際應用中由于系統復雜、難以保持良好的穩定性而被電光調制的方式取代［2］。采用DD（雙平行）-MZM（馬赫-曾德爾調制器）產生單邊帶并通過循環移頻生成梳狀譜的方式，以其低驅動電壓、控制靈活以及精確的頻譜間隔等優勢而被廣泛利用［3］。

盡管采用電光調制方式產生的梳狀譜擁有高帶寬、高平坦度和低成本等優勢，但由于MZM的內部波導結構和材料等原因，其直流偏置電壓的靜態工作點會隨溫度等外界因素的變化而發生偏移，會對其工作特性造成極大影響［4-5］。因此，高精度的偏置電壓控制系統在梳狀譜發生器中顯得尤為重要。文獻［6-7］分析了在DD-MZM結構下偏壓控制的理論及方案，但均未考慮消光比和功率反饋標準下IQ（同相正交）-MZM偏置電壓多極值的因素。本文在研究DD-MZM單邊帶調制系統及其偏壓控制方式的基礎上，針對實際中存在的非理想消光比進行了理論分析，提出了一種高精度的偏壓控制方案并對其進行驗證。

1　基于DD-MZM的單邊帶調制及偏壓控制方案

圖1　DD-MZM單邊帶調制系統及偏壓控制系統

圖1所示為產生單邊帶調制信號的系統結構圖。MZM 1與MZM 2的兩臂所加調制信號與直流偏置信號均為對稱形式，即在調制器上下兩臂所加的驅動信號均為相反數，這樣既節省了資源又簡化了控制策略的復雜度。MZM1在1處添加射頻調制信號（低調制度），該信號的頻率決定了單邊帶信號頻譜搬移的程度；同時將該射頻調制信號經90°的相移后輸入至MZM2的5處，形成IQ調制。此時，當MZM1、MZM2的直流偏置相位在調制器傳輸曲線的最低點Vπ處，IQ兩路的直流偏置相位差在Vπ/2處，即在MZM1的3處與MZM2的7處添加直流偏置信號Vπ/2，IQ兩路的9處添加直流偏置信號Vπ/4時，在系統的輸出端產生單邊帶調制信號。

常見的偏壓控制方案是在MZM1與MZM2上分別配置頻率較低的導頻信號（一般采用余弦信號），并將輸出端的光信號通過分光器一分為二，絕大部分光信號繼續傳輸供后級使用；其余少部分光信號用于反饋分析：將這部分光注入PIN（光電二極管）轉化為電信號，在分析器中通過分析反饋信號中一次諧波與二次諧波的關系，確定I路、Q路與IQ兩路相位差三處的直流偏置狀態從而實現偏壓控制。然而，這種方案在分析時有一個重要因素即MZM的分配比例γ沒有考慮，在系統的實際工作中，γ會嚴重影響系統的調節精度。因此，本文將針對這一問題進行分析。

2　調制器的消光比分析

MZM消光比被定義為調制器在激光功率邏輯1與邏輯0的平均功率的比值［8］。理想狀態下該值應為無窮大，但由于調制器本身的工藝缺陷，Y型結構處光功率分配不均勻導致該比值成為有限值。設MZM的消光比為ε，調制器Y型結構處光功率分配比例為1∶γ，則有

在未考慮消光比的前提下，系統輸出端的信號可以表示為

在不加調制信號的情況下，通過PIN后信號的直流功率表達式為

通過分析式（3）可以得出，當φI與φQ為π/2的奇數倍時，MZM1與MZM2的上下兩臂直流偏置造成的相位差為π，在PIN輸出端檢測到的信號直流功率最小［9］。

在上述理論的基礎上，考慮消光比因素。本文設MZM1的光功率分配比例為1∶γ1，MZM2的光功率分配比例為1∶γ2，IQ兩路相位差的光功率分配比例為1∶γ3，系統輸出端的信號表達式為

在不注入調制信號時，PIN輸出端信號的直流功率表達式為

從式（5）中可以看出，在消光比的影響下，信號的直流功率在原有項的基礎上出現了與I路和Q路流偏置相互混合干擾項，以至于當MZM1與MZM2的直流偏置相位達到MZM傳輸曲線最低點時，PIN輸出端的信號直流功率并沒有達到最小。本文在VPI仿真軟件中對該結論進行了仿真驗證，圖2為在VPI下的仿真平臺，仿真參數設置如下：激光器的波長窗口為1 550 nm，功率為0 dB；I路上的第一個MZM用于調制I路信號，相當于本文中的MZM1，插入損耗為6 dB；Q路上的第一個MZM用于調制Q路信號，相當于本文中的MZM2，插入損耗為6 dB；I、Q兩路的第二個MZM用于調節IQ兩路的相位，消光比為100 d B，插入損耗為6 dB。

圖2　DD-MZM單邊帶調制系統仿真框圖

設MZM1、MZM2的消光比分別為εI、εQ，在不同的IQ兩路相位偏轉角度φI，Q下，測得PIN輸出信號直流功率最小時MZM1上下兩臂的相位差與MZM2上下兩臂的相位差分別為φΔI、φΔQ，如表1所示。

表1　非理想與理想消光比下輸出信號直流功率達到最小值時的φΔI、φΔQ和φIQ

從表1中可以看出，在理想消光比的條件下，當PIN輸出的信號直流功率達到最低時，I路與Q路的直流偏置相位差均為180°；而在非理想消光比的條件下，該相位差會出現偏差，且偏差與IQ兩路的相位差有關。因此，在非理想消光比的條件下，當IQ兩路的相位差未知時，采用不斷調整I路與Q路的直流偏置電壓使PIN輸出信號的直流功率達到最小，從而確定I路MZM1的相位差與Q路MZM2的相位差為（180°，180°）的方法存在很大的偏差。

為了克服該偏差，在非理想消光比的條件下，本文提出一種通過搜尋PIN輸出信號直流功率最大值來精確確定I路與Q路相位差的方法。首先，固定φΔQ與φI，Q；然后遍歷φΔI，記錄在遍歷過程中輸出信號直流功率達到最大值時φΔI的值。

本文分別從公式推導以及系統仿真兩個角度來進行驗證。用式（5）計算PIN輸出信號的直流功率，設φI，Q=80°，在不同φQ的條件下，隨φI變化，輸出信號的直流功率變化如圖3（a）所示。圖3（b）為在VPI仿真平臺下，上述離線實驗的仿真結果。圖3（c）為φI，Q在一個周期內，φQ為不同值時，輸出信號達到最大值時φΔI的取值。

從圖3（a）中可以看出，功率達到最大值時φΔI的取值為0°或180°；圖3（b）的仿真數據也反映出了相同的情況。綜合圖3（a）與（b），可以確定在IQ兩路相位差φI，Q固定時，輸出信號直流功率達到最大值時，φΔI=kπ，同時，也證明了理論與仿真條件下該規律的一致性。圖3（c）顯示了在φΔQ與φI，Q均為變量時，輸出信號直流功率達到最大值時φΔI的取值均落在0°與180°，證明了通過調節φΔI使輸出信號直流功率達到最大值時，φI，Q的取值并不會影響φI的位置集合。綜上所述，在φΔQ與φI，Q固定時，只要滿足φΔI=kπ，輸出信號的直流功率總處于最大值。同理，在φΔI與φI，Q固定時，只要滿足φΔQ=kπ，輸出信號的直流功率也處于最大值。

因此，可以通過搜尋PIN輸出信號直流功率的最大值來精確地定位φΔI與φΔQ的值，再根據調制器直流偏置相位的周期性來確定周期，最終將φΔI與φΔQ定位在需要的相位上。

圖3　非理想消光比偏壓控制策略理論及仿真驗證

3　結束語

本文研究了DD-MZM單邊帶調制系統偏置電壓反饋控制的性能，對在實際運用中出現的消光比非理想的情況進行了理論分析，驗證了在非理想消光比情況下MZM的偏置電壓處于傳輸功率最低點時，輸出信號的直流功率并未達到最低。提出了通過檢測PIN輸出信號直流功率的最大值作為確定MZM的偏置電壓處于功率傳輸最高點的標準，并對此加以分析與驗證，結果證明該標準具有更高的控制精度。

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Research on Bias Control for Single-Side Modulation Based on DD-MZM

HUANG Ming-liu，YU Jun，LI Ying-chun，SONG Ying-xiong
（School of Communication and Information Engineering，Shanghai University，Shanghai 200072，China）

In order to generate more stable comb，the bias control strategy based on DD-MZM for single side-band modulation is extensively studied.The effect of the criterion for bias control under non-ideal extinction ratio is analyzed theoretically and an optimum criterion for bias control is proposed.The result shows that it is more accurate using the max point of the transmitter curve as the criterion for monitoring the bias of MZM.

Mach-Zehnder modulator；single side-band modulation；bias control；extinction ratio

TN929.11

A

1005-8788（2016）04-0034-03

10.13756/j.gtxyj.2016.04.011

2016-03-25

國家自然科學基金資助項目（61420106011，61132004，61275073）；上海市科學發展基金資助項目（13JC1402600，14511100100，15511105400，15530500600）

黃鳴柳（1989-），男，河南鄭州人。碩士研究生，研究方向為光通信中的梳狀譜發生器。