基于导频法的硅基马赫曾德尔调制器偏压控制装置及系统

技术领域

本发明属于集成光子系统控制领域，更具体地，涉及一种基于导频法的硅基马赫曾德尔调制器偏压控制装置及系统。

背景技术

传统LiNbO3马赫曾德尔调制器作为高带宽、低功耗、低啁啾的高性能电光调制器，在光通信，微波光子，光电振荡器等研究领域具有十分广泛的应用。但是由于环境温度波动，电荷积累与分布不均匀等原因，LiNbO3马赫曾德尔调制器的偏置点常常会发生一定程度的漂移，从而恶化传输特性，影响整体调制系统的功能。为了解决该问题，常采用闭环反馈控制的方案对调制器的偏置点的偏移进行实时追踪并相应地对漂移量进行补偿，从而稳定调制器的工作状态，该过程也称为偏压控制。

导频法作为闭环反馈偏压控制方案的一种，被广泛地应用于LiNbO3马赫曾德尔调制器的偏压控制中，其主要利用马赫曾德尔调制器传输特性曲线在不同偏置点具有不同的线性度。当在当前偏置点处施加一个小的具有固定频率的正弦扰动信号，并在输出处监测扰动信号的各次谐波分量，即可判断当前的偏置点，进而改变当前施加给偏置端的偏置电压，对偏置点的漂移进行补偿。在该方案中，导频信号往往与偏置电压相加之后施加在偏置端。在文献“Q.Jiang and M.Kavehrad,"A subcarrier-multiplexed coherent FSKsystem using a Mach-Zehnder modulator with automatic bias control,"IEEEPhotonics Technology Letters,vol.5,no.8,pp.941-943,1993。”中提供了一种基于导频法的LiNbO3马赫曾德尔调制器偏压控制方案，通过将导频信号与偏置电压相加之后一起施加给偏置端，同时对输出信号中的导频信号的各次谐波分量进行监测，进而追踪当前偏置点的漂移，并实时调节偏置电压，从而稳定马赫曾德尔调制器的性能。

硅基马赫曾德尔调制器相比传统的分立LiNbO3调制器具有体积小，集成度高，功耗低，易于大规模制造等优点，在光通信、微波光子、光电人工智能领域具有广泛应用。硅基马赫曾德尔调制器中同样存在偏置点漂移的问题，现有技术中，往往直接利用基于导频法的针对LiNbO3马赫曾德尔调制器的偏压控制方法实现对硅基马赫曾德尔调制器的偏压控制。例如，文献“H.Chen et al.,"Study on auto bias control of a silicon opticalmodulator in a four-level pulse amplitude modulation format,"Applied Optics,vol.58,no.15,pp.3986-3994,2019/05/20 2019,doi:10.1364/AO.58.003986.”中即采用了针对LiNbO3马赫曾德尔调制器的偏压控制方法对硅基马赫曾德尔调制器的偏压控制。

已有的基于导频法的马赫曾德尔调制器偏压控制方案主要针对分立的LiNbO3马赫曾德尔调制器，其偏置点的改变主要是基于LiNbO3晶体的线性电光效应，偏置电压与其产生的相移成正比。而硅基马赫曾德尔调制器常采用热调相移器进行偏置点的设置，其利用非线性的热光效应来对偏置点进行调节，因此，偏置电压与其产生的相移是非线性的。因此，将已有基于导频法的针对LiNbO3马赫曾德尔调制器的偏压控制方案应用在硅基马赫曾德尔调制器时，导频信号所导致的相移量会产生额外的非线性失真，从而影响整体控制系统的准确性。

发明内容

针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种基于导频法的硅基马赫曾德尔调制器偏压控制装置及系统，其目的在于，减小硅基马赫曾德尔调制器中热调移相器的非线性效应给导频信号带来的失真，提高硅基马赫曾德尔调制器的偏压控制精度。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于导频法的硅基马赫曾德尔调制器偏压控制装置，包括：监测模块和偏压控制电路；

监测模块，其输入端连接至硅基马赫曾德尔调制器的输出端，其用于获取硅基马赫曾德尔调制器的部分输出光信号，并转换为表征光功率信息的电信号；

偏压控制电路包括：导频信号生成模块和偏置电压调节模块；

导频信号生成模块，其输出端连接至硅基马赫曾德尔调制器的第一热调器，其用于生成导频信号并施加于第一热调器；

偏置电压调节模块，其输入端连接至监测模块的输出端，其输出端连接至硅基马赫曾德尔调制器的第二热调器，其用于从电信号提取出导频信号的各次谐波分量，以确定当前的偏置点信息，并生成相应的偏置电压，施加于第二热调器，从而对偏置点的漂移进行补偿；

其中，第一热调器和第二热调器为硅基马赫曾德尔调制器中两个不同的热调器。

进一步地，导频信号为方波信号。

进一步地，方波信号的最小值为0电平。

进一步地，偏置电压调节模块包括：模拟前端单元、数字控制单元和输出驱动单元；

模拟前端单元，其输入端作为偏置电压调节模块的输入端，其用于从电信号中提取出导频信号的各次谐波分量并转换为数字信号；

数字控制单元，其输入端连接至模拟前端单元的输出端，其用于依据导频信号的各次谐波分量判断硅基马赫曾德尔调制器所处的偏置点，并确定用于对偏置点的漂移进行补偿的偏置电压大小；

输出驱动单元，其输入端连接至数字控制单元，其输出端作为偏置电压调节模块的输出端，其用于根据偏置电压大小向第二热调器施加相应大小的偏置电压。

进一步地，偏压控制电路由片上的集成电路实现，或者由板级电路实现，或者由分立器件实现。

进一步地，模拟前端单元为锁相放大器。

进一步地，输出驱动单元为功率数模转换器。

进一步地，监测模块为光电二极管或无接触集成光子探头。

按照本发明的另一个方面，提供了一种硅基马赫曾德尔调制器系统，包括：硅基马赫曾德尔调制器和本发明提供的基于导频法的硅基马赫曾德尔调制器偏压控制装置。

按照本发明的又一个方面，提供了一种基于硅基马赫曾德尔调制器的光学IQ调制器系统，包括基于硅基马赫曾德尔调制器的光学IQ调制器，光学IQ调制器包括第一硅基马赫曾德尔调制器、第二硅基马赫增德尔调制器和第三热调器；第四热调器和第五热调器为第一硅基马赫曾德尔调制器中两个不同的热调器，第六热调器和第七热调器为第二硅基马赫曾德尔调制器中两个不同的热调器；

光学IQ调制器系统还包括：基于导频法的硅基马赫曾德尔调制器偏压控制装置；

偏压控制装置包括：监测模块和偏压控制电路；

监测模块，其输入端连接至光学IQ调制器的输出端，其用于获取光学IQ调制器的部分输出光信号，并转换为表征光功率信息的电信号；

偏压控制电路包括：导频信号生成模块和偏置电压调节模块；

导频信号生成模块，其输出端与第四热调器和第六热调器分别相连，其用于生成导频信号并施加于第四热调器和第六热调器；

偏置电压调节模块，其输入端连接至监测模块的输出端，其输出端与第三热调器、第五热调器以及第七热调器分别相连，其用于从电信号提取出导频信号的各次谐波分量，以确定第一硅基马赫曾德尔调制器、第二硅基马赫曾德尔调制器以及第三热调器当前的偏置点信息，并生成相应的偏置电压，施加于第三热调器、第五热调器以及第七热调器，从而对偏置点的漂移进行补偿。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：

(1)本发明基于导频法的硅基马赫曾德尔调制器偏压控制装置，基于硅基马赫曾德尔调制器输出光信号的功率信息确定硅基马赫曾德尔调制器当前的偏置点信息，并由此确定用于对偏置点的漂移进行补偿的偏置电压后，将偏置电压和导频信号分别施加于硅基马赫曾德尔调制器中两个不同的热调器，使得导频信号所产生的移相量仅与导频信号自身相关，而不受当前偏置电压的影响，因此，本发明能够有效地减小由于热调器的非线性效应给导频信号带来的失真，且不受当前偏置电压的影响，提高硅基马赫曾德尔调制器的偏压控制精度。

(2)本发明所提供的基于导频法的硅基马赫曾德尔调制器偏压控制装置，在将偏置电压和导频信号分别施加于不同热调器的基础上，以方波信号为导频信号，由于热调相移器产生的相移与施加在其上的电压的平方成正比，以方波信号作为导频信号时，导频信号所产生的相移波形一定程度上能维持原状，因此本发明能够最大程度上减小由于热调器的非线性效应给导频信号带来的失真，进一步提高硅基马赫曾德尔调制器的偏压控制精度；在其优选方案中，方波信号的最小值为0电平，此方波信号与数字信号相近，便于生成，从而在保证偏压控制精度的基础上，简化导频信号的生成。

(3)本发明所提供的基于导频法的硅基马赫曾德尔调制器偏压控制装置，可以实现对任意一种包含两个及以上热调器的硅基马赫曾德尔调制器的精确偏压控制，适用性强。

附图说明

图1为现有的硅基马赫曾德尔调制器的结构示意图；

图2为现有的热调器的非线性传输特性示意图；

图3为采用传统的偏压控制方法所导致的导频信号非线性失真示意图；

图4为本发明实施例提供的基于导频法的硅基马赫曾德尔调制器偏压控制装置示意图；

图5为本发明实施例中未失真的导频信号示意图；

图6为图4所示的基于导频法的硅基马赫曾德尔调制器偏压控制装置的具体实现示意图；

图7为本发明实施例提供的基于硅基马赫曾德尔调制器的光学IQ调制器系统示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

在本发明中，本发明及附图中的术语“第一”、“第二”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。

在详细解释本发明的技术方案之前，先对现有的硅基马赫曾德尔调制器相关的基本原理进行如下简要介绍：

硅基马赫曾德尔调制器的基本结构如图1所示，主要包括光波导、光耦合器、高速相位调制器、热调器等模块；工作时，输入光信号从第一个耦合器的输入端口输入后，分为两路，分别经硅基马赫曾德尔调制器的上、下两臂传输；第一个耦合器的上侧输出光经过热调器及相位调制器后与下侧输出光经热调器及相位调制器后一起输入至第二个耦合器的两个输入端实现合束；第二个耦合器的一路输出作为整各系统的输出光信号，另一路作为反馈信号输出偏压控制装置，以实现偏压控制。

硅基马赫曾德尔调制器中的热调器用于调节上下两臂的相位差，从而调节当前偏置点，其利用非线性的热光效应来实现电压到相位的转换；一般而言，对于电阻类型的热调相移器来说，其产生的相移与施加电压的功率成正比，即与施加电压的平方成正比，其传输特性曲线如图2所示。在传统的针对LiNbO3马赫曾德尔调制器的偏压控制方案中，通常将偏置电压与导频信号通过电路手段相加之后施加到偏置端，直接将此偏压控制方法应用在硅基马赫曾德尔调制器时，导频信号部分所产生的相移量则会出现一定程度的非线性失真，且该失真与偏置电压的大小相关，如图3所示；该非线性失真会影响基于导频法的偏压控制系统对于当前偏置点的判断，从而影响锁定的准确性与精确度。

为了解决现有的直接将针对LiNbO3马赫曾德尔调制器的偏压控制方法应用在硅基马赫曾德尔调制器时，导频信号所导致的相移量会产生额外的非线性失真，从而影响整体控制系统的准确性的技术问题，本发明提供了一种基于导频法的硅基马赫曾德尔调制器偏压控制装置及系统，其整体思路在于：将用于补偿偏置点漂移的偏置电压和导频信号分别施加于硅基马赫曾德尔调制器的两个不同的热调器中，以减小由于热调器的非线性效应给导频信号带来的失真，提高偏压控制精度；在此基础上，以方波信号作为导频信号，以最大程度上减小由于热调器的非线性效应给导频信号带来的失真。

以下为实施例。

实施例1：

一种基于导频法的硅基马赫曾德尔调制器偏压控制装置，如图4所示，包括：监测模块和偏压控制电路；

监测模块，其输入端连接至硅基马赫曾德尔调制器的输出端，其用于获取硅基马赫曾德尔调制器的部分输出光信号，并转换为表征光功率信息的电信号；

偏压控制电路包括：导频信号生成模块和偏置电压调节模块；

导频信号生成模块，其输出端连接至硅基马赫曾德尔调制器的第一热调器，其用于生成导频信号并施加于第一热调器；

偏置电压调节模块，其输入端连接至监测模块的输出端，其输出端连接至硅基马赫曾德尔调制器的第二热调器，其用于从电信号提取出导频信号的各次谐波分量，以确定当前的偏置点信息，并生成相应的偏置电压，施加于第二热调器，从而对偏置点的漂移进行补偿；

其中，第一热调器和第二热调器为硅基马赫曾德尔调制器中两个不同的热调器；

由于热调相移器产生的相移与施加在其上的电压的平方成正比，当偏置电压和导频信号相加之后施加于偏置端后，所产生的相移量中导频分量的大小不仅与导频信号本身相关，与当前偏置电压值相关；本实施例基于导频法的硅基马赫曾德尔调制器偏压控制装置，基于硅基马赫曾德尔调制器输出光信号的功率信息确定硅基马赫曾德尔调制器当前的偏置点信息，并由此确定用于对偏置点的漂移进行补偿的偏置电压后，将偏置电压和导频信号分别施加于硅基马赫曾德尔调制器中两个不同的热调器，使得导频信号所产生的移相量仅与导频信号自身相关，而不受当前偏置电压的影响，因此，本实施例能够有效地减小由于热调器的非线性效应给导频信号带来的失真，且不受当前偏置电压的影响，提高硅基马赫曾德尔调制器的偏压控制精度。

由于热调相移器产生的相移与施加在其上的电压的平方成正比，当导频信号为正弦信号时，其所产生相移波形会产生明显的畸变，如图3所示；为了最大程度上减小由于热调器的非线性效应给导频信号带来的失真，作为一种优选的实施方式，如图4所示，本实施例中，导频信号为方波信号，且为了便于导频信号的生成，本实施例中，方波信号的最小值为0电平；以方波信号作为导频信号，其所产生的相移波形在一定程度上能够维持原状，该方波信号所产生的相移量如图5所示，基于图5可知，该相位该变量中不包含非线性失真，因此，能够最大程度上减小导频信号的非线性失真，有效提高偏压控制精度。

作为一种可选的实施方式，如图4所示，本实施例中，偏置电压调节模块包括：模拟前端单元、数字控制单元和输出驱动单元；

模拟前端单元，其输入端作为偏置电压调节模块的输入端，其用于从电信号中提取出导频信号的各次谐波分量并转换为数字信号；可选地，如图6所示，本实施例中，模拟前端单元为锁相放大器，应当说明的是，此处仅为示例性的说明，不应理解为对本发明的唯一限定；

数字控制单元，其输入端连接至模拟前端单元的输出端，其用于依据导频信号的各次谐波分量判断硅基马赫曾德尔调制器所处的偏置点，并确定用于对偏置点的漂移进行补偿的偏置电压大小；

输出驱动单元，其输入端连接至数字控制单元，其输出端作为偏置电压调节模块的输出端，其用于根据偏置电压大小向第二热调器施加相应大小的偏置电压；可选地，如图6所示，本实施例中，输出驱动单元为功率数模转换器，应当说明的是，此处仅为示例性的说明，不应理解为对本发明的唯一限定；

本实施例中，偏压控制电路由片上的集成电路实现，或者由板级电路实现，或者由分立器件实现；

本实施例中，监测模块可为光电二极管、无接触集成光子探头(CLIPP)等任意一种能够表征光功率大小的器件，可选地，如图6所示，本实施例中，监测模块具体为光电二极管。

应当说明的是，任意一种包含两个及以上热调器的硅基马赫曾德尔调制器，都可以利用本实施例提供的基于导频法的硅基马赫曾德尔调制器偏压控制装置实现精确的偏压控制。在实际应用中，从硅基马赫曾德尔调制器中选取两个不同的热调器，分别施加偏置电压和导频信号即可；在导频信号施加给热调器之后，监测模块可获取部分输出光信号并将其转换为电信号，传输给偏压控制电路中的模拟前端；通过模拟前端以及数字控制模块的处理与分析，可以获取当前时刻输出信号中导频信号的各次谐波分量大小，从而得知当前偏置点信息，进而通过输出驱动对当前偏置电压进行实时调整；随着偏置电压的不断变化，热调器的相移量也随之发生改变，最终使得调制器的偏置点稳定在所需的偏置点处，实现稳定的反馈控制环路。

实施例2：

一种硅基马赫曾德尔调制器系统，如图4和图6所示，包括：硅基马赫曾德尔调制器和上述实施例1提供的基于导频法的硅基马赫曾德尔调制器偏压控制装置；

可选地，本实施例中，硅基马赫曾德尔调制器的相位调制器由硅基材料构成；在本发明其他的一些实施例中，硅基马赫曾德尔调制器的相位调制器也可由LiNbO3、InP等能与硅基平台进行异质集成的材料构成；

可选地，本实施例中，马赫曾德尔调制器中用于分光以及合束的耦合器可由Y型耦合器以及3dB耦合器构成；在本发明其他的一些实施例中，也可由多模干涉仪等任意具有分光与合光的光子模块构成；

为了便于将部分输出光信号作为反馈信号输入至偏压控制电路，硅基马赫曾德尔调制器中，第二个耦合器之后可连接一个分光器，用于将上、下两臂合束后的光信号分为两路，大部分光作为输出光信号进行输出，小部分光输入至监测模块。

由于上述实施例1所提供的基于导频法的硅基马赫曾德尔调制器偏压控制装置能够实现对硅基马赫曾德尔调制器的精确偏压控制，本实施例提供的一种硅基马赫曾德尔调制器系统中，硅基马赫曾德尔调制器的偏置点漂移能够得到有效补偿，具有良好的传输性能。

实施例3：

一种基于硅基马赫曾德尔调制器的光学IQ调制器系统，如图7所示，包括：基于硅基马赫曾德尔调制器的光学IQ调制器和基于导频法的硅基马赫曾德尔调制器偏压控制装置。

如图7所示，基于硅基马赫曾德尔调制器的光学IQ调制器，由两个硅基马赫曾德尔调制器以及额外的热调器(即图7中的热调器1)及耦合器构成；其中一个硅基马赫曾德尔调制器包括两个不同的热调器，即图7中的热调器2和热调器3；另一个硅基马赫增德尔调制器也包括两个不同的热调器，即图7中的热调器4和热调器5；

与上述实施例1类似，本实施例中，偏压控制装置包括：监测模块和偏压控制电路；

监测模块，其输入端连接至光学IQ调制器的输出端，其用于获取光学IQ调制器的部分输出光信号，并转换为表征光功率信息的电信号；

偏压控制电路包括：导频信号生成模块和偏置电压调节模块；

导频信号生成模块，其输出端与热调器2和热调器4分别相连，其用于生成导频信号并施加于这两个热调器；

偏置电压调节模块，其输入端连接至监测模块的输出端，其输出端与热调器1、热调器3和热调器5，其用于从电信号提取出导频信号的各次谐波分量，以确定两个硅基马赫曾德尔调制器以及热调器1当前的偏置点信息，并生成相应的偏置电压，施加于热调器1、热调器3以及热调器5，从而对偏置点的漂移进行补偿；

可选地，如图7所示，本实施例中，导频信号也为方波信号；

本实施例中，偏压控制装置中的各模块的具体实施方式，可参考上述实施例1中的描述。

本实施例可完成对光学IQ调制器的精准偏压控制，其偏置点能够得到有效补偿，具有良好传输性能。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。