電光調制器線性工作點查找與自動跟蹤設計與實現

中國電子科技集團公司第四十一研究所 汪 磊 韓順利 呂子敬 尹炳琪

0.引言

激光通信是以激光作為信息載體的通信，實際上是將有線通信的電信號處理技術、激光調制技術和激光傳輸技術相結合，可用于空間及地面通信，其首先要解決的問題是如何將被傳輸的信號加載到激光上[1]。

高速鈮酸鋰（LiNbO3）電光調制器（EOM）因具有光譜工作范圍寬、驅動電壓低和插入損耗小等優點[2]，已成為目前應用于高速長距離光通信中的主流調制器。為保證調制器的工作性能，需EOM的輸入半波電壓不受外界影響，使晶體在信號調制時可以工作在線性區，從而保證調制信號不失真。但EOM工作在高速率調制狀態下，由于介質的熱積累效應和環境溫度的變化會使電光調制晶體的半波電壓發生漂移，如果給晶體提供固定的偏置電壓，則使EOM偏離了其線形區中點（QUAD+/QUAD-），使調制信號變差[3]。本文采用三點定位判別法，精確查找并定位線性工作點，實時監測調制器半波電壓漂移，使偏置電壓跟隨半波電壓的變化，保證EOM靜態工作點保持在線性區的中點[4-5]。

1.三點定位法原理

工作點查找與定位中，為保證偏置控制有最大掃描動態范圍，將初始電壓設置為零點，因此，首先需要確定偏壓零點的位置。采用三點定位判別法對偏壓零點的位置進行判定，其判定示意圖如圖1所示。三點定位判別法的具體實施如下，當電光調制器輸入輸出穩定后，小步長調節D/A控制輸出偏壓，并經連續采樣間隔采集此時電光調制器輸出光信號轉化而來的電信號，經過平均處理后取三點數據，對應電壓值分別為：V-、V0、V+，假設V0表示偏壓零點處電光調制器輸出光功率轉換成的電壓值，則可以根據以下關系判定偏壓零點所在位置區域：

圖1 三點定位判別法示意圖

（1）當V-＞V0＞V+時，V0位于下降區，可通過減小偏壓來獲得輸出峰值；

（2）當V-＜V0＜V+時，V0位于上升區，可通過增大偏壓來獲得輸出峰值；

（3）當V0＜V-且V0＜V+時，V0位于波谷點，增大或減小直流偏壓來獲得輸出峰值；

（4）當V0＞V-且V0＞V+時，V0已位于峰值點，無需調節直流偏壓。

通過上述過程將EOM的輸出光功率調節到最大值后，將模擬開關打向端點2，選通2通道，開始控制調節該通路上的數字式可調電位器，具體過程如下：首先調節控制點2，使信號采集2點電壓接近V2，然后調節控制點3使信號采集2點的電壓達到V2；再調節控制點4、控制點5使信號采集3點的電壓達到V1= V2/2。此時EOM輸入光功率Pi和輸出光功率Po的關系為：Pi=Po。

當信號采集2點的電壓和信號采集3點的電壓達到上述關系后，通過控制偏壓向查找峰值點時調節方向相反的方向調節，直到滿足V1=V2，此時EOM輸入光功率與輸出光功率的關系變為：Po=Pi/2，EOM工作在線性點上。

2.工作點自動跟蹤硬件電路設計

工作點自動跟蹤電路如圖2所示，調制器的輸入、輸出光信號分別經過兩個10：90的光耦合器分出10%的光信號，經PIN探測后將光信號進行I-V變換，再經前置放大、信號調理電路進行處理得到直流電壓，再將直流電壓經過差動放大電路后變成誤差信號（當EOM工作在線性工作區中點時，誤差信號基本等于零；當EOM靜態工作點因溫度等原因發生漂移時，誤差信號不等于零），A/D轉換電路采集該誤差信號并將其送入CPU控制單元進行調節，然后反復調節直流偏置電壓（通過不斷調節D/A來實現），直到誤差為零，這時EOM的工作點又回到了線性區的中點。

3.自動跟蹤算法軟件設計及實現

在上述硬件實現的基礎上，用C語言完成三點定位判別算法程序的編寫和調試工作，工作點定位結果如圖3所示。

圖3 工作點查找結果

圖4 調制輸出光穩定度測試結果

4.自動跟蹤實現

要使EOM的輸出光功率保持穩定，必須保證驅動EOM的偏置電壓可以跟隨反饋光功率的大小以動態調整偏壓大小，可通過監測EOM輸出光功率的穩定度來檢驗其是否工作在調制特性曲線的中點。以Photline公司的40G EOM為測試對象，以1550nm保偏光源做為輸入光，硬件電路輸出偏置控制電壓控制EOM工作，通過測試EOM輸出光的穩定性來測試調制光的傳輸性能。因此，利用美國Keysight公司的8163B+81634B標準光功率計的Stability功能對儀器控制EOM后的輸出調制光穩定度進行了測試，測試時間為20min，測試結果如圖4所示。

5.結束語

本文提出的三點定位法實現EOM偏置電壓線性工作點的自動查找與定位，并可根據反饋光功率大小實時調整偏壓的大小，使輸出偏壓始終保持在線性區域的中點，保證EOM輸出的調制光不失真，解決了調制器QUAD+、QUAD-工作點隨溫度漂移的難題。

[1]孫鑒,牟海維,劉世清.電光調制中半波電壓測量方法的研究[J].大學物理,2008,27(10):40-43．

[2]巫建坤.電光調制技術在激光通信中的應用[J].北京機械工業學院學報,2003,18(1):10-15．

[3]郭明磊,韓新風,章毛連.電光調制晶體半波電壓倍頻測量方法的討論[J].應用光學,2010,31(1):105-109.

[4]李莉,齊曉慧,劉秉琦等.晶體電光調制實驗模擬激光通信[J].實驗室科學,2009,12(5):73-76．

[5]李克武,王志斌,張瑞等.沿光軸通光的LiNbO3的橫向電光調制特性[J].光學精密工程,2015,23(5):1227-1232．