電光調(diào)制器偏壓電源控制對光通信系統(tǒng)雜散的影響

黃亨沛

（合肥正陽光電科技有限責任公司，安徽 合肥 230000）

0 引 言

電光調(diào)制器是寬帶光通信系統(tǒng)中的重要組成部分，鈮酸鋰馬赫-曾德爾（MZ）調(diào)制器具有工作頻率高、波長范圍寬以及插入損耗小等優(yōu)點，是目前寬帶光通信系統(tǒng)中最常用的調(diào)制器[1]。由于鈮酸鋰MZ調(diào)制器的傳輸函數(shù)曲線會隨著環(huán)境溫度、外電場以及應力等的影響而發(fā)生緩慢漂移，因此必須對調(diào)制器的偏壓工作點進行跟蹤控制，從而提高整個通信系統(tǒng)的性能[2]。

鈮酸鋰MZ調(diào)制器的偏壓電源控制有多種方法，其中導頻法具有極高的長期穩(wěn)定性且不受外界輸入光和調(diào)制信號影響，是目前常用的調(diào)制器偏壓電源控制方法[3-6]。然而在模擬光通信場合（例如射頻光傳輸系統(tǒng)），導頻電壓信號會引入額外的雜散，對系統(tǒng)的射頻性能指標產(chǎn)生影響。從理論上研究了導頻偏壓電源控制時調(diào)制器的輸出特性，并通過實物驗證定量分析導頻電壓信號的電源電壓對雜散的影響，針對不同的應用場景分別提出了優(yōu)化導頻電壓的信號電源電壓范圍。

1 導頻偏壓電源控制原理

鈮酸鋰MZ調(diào)制器的傳輸函數(shù)可以表示為

式中：Pout為輸出光功率；Pin為輸入光功率；Ub為偏壓電源電壓；Uπ為調(diào)制器的半波電壓；θ為器件兩臂的固有相位差。

理想的傳輸函數(shù)曲線如圖1所示，其中Null、Peak以及Quad分別是光功率最小、最大和正交點。當調(diào)制器偏置在正交點Quad時，可以獲得最大的增益和最小的非線性失真，這是絕大多數(shù)強度調(diào)制器采用的最佳偏置點。

將式（2）先進行三角函數(shù)展開，再進行泰勒級數(shù)展開。為了盡量保證調(diào)制信號較大時的真實度，展開至5階，整理后得到各頻率分量的具體表達式。偏壓電源控制反饋回路關注基波wd和二次諧波w2d，計算公式為

通過檢測經(jīng)過調(diào)制器后導頻電壓信號的基波和二次諧波分量即可判斷工作點漂移量，并通過反饋回路進行補償。

2 導頻電壓信號對雜散的影響

理想情況下，工作在Quad點的調(diào)制信號主頻兩側(cè)由導頻電壓信號引入的一階雜散wm±wd=0，二階雜散wm±w2d功率與調(diào)制信號峰值功率差主要由導頻電壓信號的電源電壓決定，導頻基波wd功率與調(diào)制信號峰值功率差由兩者信號幅度共同決定，導頻二次諧波w2d分量為0。

假定Uπ=5 V，幾種典型調(diào)制信號功率輸入時，不同導頻電壓信號的電源電壓下輸出信號相對于調(diào)制信號功率的雜散抑制結果如圖2所示。

圖2 不同信號幅度下的雜散抑制結果

從圖2可以看出，導頻電壓信號的電源電壓越小，雜散抑制越好。需要注意的是，導頻電壓信號的電源電壓過小會增加反饋信號的檢測和提取難度。調(diào)制信號邊帶二階雜散wm±w2d隨導頻電壓信號電源電壓變化的仿真結果和實測結果比較如圖3所示。

圖3 理論和實測結果對比

從圖3中可以看出，仿真結果和實測結果非常吻合。

3 導頻偏壓電源控制電路分析

典型的導頻偏壓電源控制系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 典型導頻偏壓電源控制系統(tǒng)框架

單片機通過數(shù)字頻率合成技術生成1 kHz的導頻電壓信號，1 kHz的導頻電壓信號疊加在直流偏置上進入MZ調(diào)制器。調(diào)制器輸出的部分光信號被光電探測器接收經(jīng)過跨阻放大器放大后進入低通濾波器，通過模-數(shù)轉(zhuǎn)換（Analogue-Digital Converter，ADC）后送往單片機進行快速傅里葉變換，分別得到直流分量、1 kHz分量以及二次諧波2 kHz分量。單片機對各分量信號進行判決并通過調(diào)整直流偏置形成反饋閉環(huán)，使偏置始終處于最佳工作點。設置調(diào)制器輸出光功率為10 mW左右，不同調(diào)制信號功率與導頻幅度下探測器的光電流幅值如表1所示。

表1 不同信號幅度下光電流大小

從表1可以看出，當輸入射頻功率不大時（≤15 dBm），50 mV的導頻電壓信號即可滿足工業(yè)級溫度范圍內(nèi)的信號檢測與提取。而當射頻信號功率達到20 dBm時，則至少需要幅度200 mV以上的導頻電壓信號才能有效提取和檢測諧波信號。

4 結 論

通過研究電光調(diào)制器偏壓電源控制對光通信系統(tǒng)雜散的影響，定量分析了不同調(diào)制信號與導頻電壓信號對雜散的影響，結合導頻控制電路給出了不同應用場景的最佳導頻電壓信號的電源電壓。常溫下小信號調(diào)制時，最佳導頻電壓信號的電源電壓半峰值為20 mV；工業(yè)級溫度范圍下小信號調(diào)制時，最佳半峰值為50 mV；大信號調(diào)制時，則需要將導頻電壓信號的電源電壓半峰值提高到200 mV以上。