为MACH-ZEHNDER调制器控制偏置电压转让专利
申请号 : CN200880022084.1
文献号 : CN101688985A
文献日 : 2010-03-31
发明人 : G·纳哈佩蒂安 , C-H·陈 , T·J·焦万尼尼
申请人 : 英特尔公司
摘要 :
权利要求 :
1、一种设备，包括：
光学调制器，所述光学调制器利用光源信号调制数据信号，所述数据 信号包括抖动信号；以及耦合到所述光学调制器的控制器，以从所述光学调制器的输出信号接 收所述抖动信号，确定所述抖动信号和先前抖动信号之间的差异，确定所 述差异相对于第一偏置电压和第二偏置电压之间偏置电压的差异的导数， 并基于所确定的导数控制用于所述光学调制器的偏置电压的产生。
2、根据权利要求1所述的设备，其中所述控制器通过将所述导数驱动 到零值而使所述抖动信号的幅值最大化。
3、根据权利要求2所述的设备，其中在所述偏置电压处于零点时发生 所述抖动信号的最大幅值。
4、根据权利要求1所述的设备，其中所述光学调制器包括双二进制 Mach-Zehnder调制器(MZM)。
5、根据权利要求1所述的设备，其中所述控制器还包括滤波器，以根 据可编程滤波器权重对所述抖动信号进行滤波。
6、根据权利要求5所述的设备，其中如果所述偏置电压差异小于预定 阈值，则所述控制器对所述偏置电压差异值进行箝位。
7、根据权利要求1所述的设备，其中所述控制器包括微控制器，所述 微控制器包括：同步探测器，所述同步探测器用于将所接收的抖动信号与提供到所述 光学调制器的对应抖动信号混合，以产生所接收的抖动信号的幅值和符号；
数字滤波器，所述数字滤波器用于对所接收的抖动信号的所述幅值的 绝对值进行滤波；
误差计算器，所述误差计算器用于计算所述导数；以及比例积分器微分(PID)控制器，所述控制器用于将所述导数驱动到零 值。
8、根据权利要求7所述的设备，其中所述PID控制器包括可编程增益 元件，以将所述导数驱动到所述零值，其中所述PID控制器的输出对应于 所述偏置电压。
9、一种方法，包括：
从光学调制器的光输出恢复插入到数据信号中的抖动信号，所述数据 信号输入到所述光学调制器中；
探测所恢复的抖动信号的幅值和符号；
对所探测到的幅值进行滤波；
计算所滤波幅值和先前所滤波幅值之间的差异，并计算与所述抖动信 号相关联的第一偏置电压和与先前抖动信号相关联的第二偏置电压之间的 差异；
确定所述幅值相对于偏置电压的导数；以及
基于所确定的导数控制提供到所述光学调制器的所述偏置电压。
10、根据权利要求9所述的方法，其中控制所述偏置电压包括将所确 定的导数驱动到零值。
11、根据权利要求10所述的方法，其中控制所述偏置电压包括使所恢 复的抖动信号的所述幅值最大化。
12、根据权利要求9所述的方法，还包括根据可编程滤波器权重对所 探测到的幅值进行滤波。
13、根据权利要求9所述的方法，还包括如果所述偏置电压差异小于 预定阈值，则对所述偏置电压差异进行箝位。
14、根据权利要求9所述的方法，还包括利用所述偏置电压控制双二 进制Mach-Zehnder调制器(MZM)在零点处工作。
15、一种系统，包括：
提供数据信号的数据源；
提供抖动信号的抖动发生器；
双二进制Mach-Zehnder调制器(MZM)，耦合所述调制器以接收包括所 述数据信号和所述抖动信号的射频(RF)信号和光信号，并在零点处工作 以输出光学数据；以及用于向所述双二进制MZM提供偏置电压的偏置电路，所述偏置电路包 括控制器，所述控制器用于从所输出的光学数据接收所恢复的抖动信号， 确定所恢复的抖动信号和先前所恢复的抖动信号之间的差异，基于所述差 异和第一偏置电压与第二偏置电压之间的偏置电压差异确定误差信号，并 且基于所述误差信号控制用于所述双二进制MZM的偏置电压的产生。
16、根据权利要求15所述的系统，其中所述偏置电路通过将所述误差 信号驱动到零值使所述抖动信号的幅值最大化，其中在所述偏置电压处于 所述零点时发生所述抖动信号的最大幅值。
17、根据权利要求15所述的系统，还包括：
同步探测器，所述同步探测器用于将所恢复的抖动信号与提供到所述 光学调制器的对应抖动信号混合，以产生所恢复的抖动信号的幅值和符号；
数字滤波器，所述数字滤波器用于对所恢复的抖动信号的所述幅值的 绝对值进行滤波；
用于计算所述误差信号的误差计算器；以及
用于将所述误差信号驱动到零值的控制器。
18、根据权利要求17所述的系统，其中所述控制器包括比例积分器微 分(PID)控制器，所述控制器包括可编程增益元件，以将所述误差信号驱 动到所述零值，其中所述PID控制器的输出对应于所述偏置电压。
说明书 :
背景技术
光网络用于电信和企业网中以传送数据和通信。光信号提供了高速优 质信号质量以及来自外界电磁能的最小干扰。利用密集波分复用(DWDM) 系统的光网络提供了可调谐的多信道光链路。
光网络常常包括光调制器，例如Mach-Zehnder调制器(MZM)。光调制 器的性能受到众多因素的影响，例如环境温度的变化。很多当前的光调制 器缺少控制系统来使调制器性能最大化。
对于双二进制MZM来说，在MZM工作在零点时光学性能得到优化。为 了将工作维持在这一零点，可以利用所谓的DC偏置抖动法控制提供给MZM 的直流(DC)偏置电压。在这种控制系统中，将低频信号添加至DC偏置电 压中，然后恢复并处理低频信号以通过使误差信号最小化来控制DC偏置电 压，实现在零点工作。然而，在这种控制方法中有很多缺点。首先，必需 要很好地控制用于输入数据信号的射频(RF)信号幅值，因为根据RF信号 的幅值，误差信号将相位改变180度。此外，在RF幅值处于特定值时，控 制方法是无效的。再者，在RF数据模式与插进的低频信号一致时，控制回 路会受到显著干扰。
附图说明
图2是示出了根据本发明一个实施例的光学调制器传递函数的图示。
图3是根据本发明一个实施例的方法的流程图。
图4是示出了根据本发明一个实施例的偏置电压控制系统的方框图。
图5是示出了根据本发明一个实施例的包括光学调制器控制系统的系 统的方框图。
具体实施方式
MZM 102包括光输入端114和提供给光学纤维106的光输出端116。可 以对光输入端114进行光学耦合以从光源104接收光输入信号132。光源 104可以包括半导体激光器、外腔激光器等。
返回图1，MZM 102包括接收RF输入信号的RF输入端108。在一个实 施例中，RF输入信号可以导致光输入信号132的调制。RF输入信号包括要 调制到光输入信号132上的数据信号，如下所述，还可以包括低频抖动信 号。从数据源122向RF放大器/功率探测器404提供数据。RF放大器404 向RF输入端108输入RF输入信号。
MZM 102耦合到用于优化MZM 102性能的控制系统。如下文进一步论述 的，控制系统可以包括直流(DC)偏置电压控制器、MZM 102的光电探测器 112等电路以为MZM 102提供偏置电压控制系统。具体而言，除了各种探测 器和滤波器之外，控制系统可以包括微控制器410，微控制器410可以包括 由总线(未示出)耦合的处理器、存储器和闪存存储器。闪存存储器可以 存储机器可读指令，可以在存储器中加载指令以供处理器执行。在替代实 施例中，可以使用其他类型的非易失性存储器，例如只读存储器(ROM)来 存储机器可读指令。
参考图2，示出了MZM传递函数300。竖直轴示出了MZM输出功率，水 平轴示出了偏置电压。图2示出了Vpi，Vpi是MZM传递函数300的峰值和 零值之间的偏置电压差。也可以将Vpi称为MZM 102的驱动电压，这是诱 发光输出的“1”和“0”的电压差。在一个实施例中，Vpi可以介于500毫 伏和8伏之间。
为了最佳的光学性能，应当在零点处施加RF输入信号309。可以由偏 置电压控制应用RF输入信号309的MZM传递函数300的位置。然而，MZM 传递函数300可能由于环境温度变化或MZM老化而向左或向右偏移。这可 能导致光输出质量差，因为不再在零点处施加RF输入信号309了。
在一个实施例中，使用幅值调制(AM)抖动来控制偏置电压。在AM抖 动技术中，由低频信号使RF输入信号309的幅值发生抖动。如图1所示， 抖动源403向RF放大器404提供输入以产生抖动。抖动幅值比RF输入信 号108的幅值小得多，因此将不会对光输出信号106产生不利影响。在一 个实施例中，抖动的频率大约为2千赫(kHz)。
由光电探测器112恢复抖动，光点探测器抽取了小百分比的光输出信 号106，以用在偏置电压控制回路中。在一个实施例中，光电探测器112抽 取2-5％的光输出信号106。通过一个或多个带通滤波器408和可编程增益 放大器409传递所恢复的抖动并输入到微控制器410的同步探测器407中。 还耦合同步探测器407以接收用于抖动源403的控制信号(即，原始抖动 音调(tone))。将从带通滤波器408接收的所恢复的抖动与来自抖动源403 的抖动混合，如下文进一步所述，使用该结果来产生用于偏置电压的误差 信号。在一个实施例中，所恢复的抖动幅值越大，MZM越接近零点。亦即， 可以使幅值最大化，以使得能够在零点工作。
同步探测器407向比例积分器微分(PID)控制器411发送误差信号， 控制器411控制施加到偏置电压输入端110的偏置电压。偏置电压控制器 411基于从同步探测器407所接收的误差信号对偏置电压输入信号进行调 节。
系统100中可以有额外的控制部件。例如，可以控制抖动信号的幅值 以维持RF输入信号的幅值和抖动幅值之间恒定比例。为了更好的工作，抖 动幅值与RF输入信号幅值相比应当非常小，否则抖动可能会影响光输出信 号的质量。RF放大器/功率探测器406可以测量RF输入信号的幅值并使用 RF放大器404来调节抖动信号的幅值，以维持期望的比例。在一个实施例 中，RF输入信号幅值与抖动幅值的期望比例大约为100∶1。微控制器410 的滤波器424确定抖动的增益并将其提供给抖动源403，使得抖动源403可 以做出适当校正。在一个实施例中，滤波器424通过将标称抖动增益乘以 被除以当前抖动幅值的标称抖动幅值来计算抖动增益。基于RF输入幅值调 节抖动增益以维持期望的(抖动幅值)/(RF输入幅值)比例。如果增大 RF输入信号的幅值，那么抖动的幅值按比例地增大。类似地，如果减小抖 动的幅值，那么相应地降低RF输入幅值。类似地，可以由PID控制器422 控制RF功率水平。
类似地，可以计算光输出信号功率的变化。偏置电压控制回路的响应 时间与光输出功率相关。如上所述，通过抽取小部分光输出信号获得恢复 的抖动。所恢复的抖动幅值与光输出信号功率成正比。如果光输出信号的 幅值减小，那么所恢复的抖动幅值也将按比例地减小。在一个范例中，光 输出信号的功率可能由于光源104输出功率变化而变化。
如果所恢复的抖动的幅值不一致，偏置电压控制回路的响应时间将会 不一致。例如，在第一种情况下，光输出功率为1毫瓦，所恢复的抖动的 幅值为1伏。在第二种情况下，光输出功率为0.5毫瓦，所恢复的抖动的 幅值为0.5伏。在第二种情况下校正偏置电压的时间将比第一种情况下更 长，因为感知到的第二种情况下的偏置误差是第一种情况的一半。
使用可编程增益放大器409调节所恢复的抖动的增益，以补偿光输出 信号输出功率的变化。在一个实施例中，可以在低通滤波器412中探测平 均光输出功率。使用这种平均光输出功率确定可编程增益放大器409上的 增益设置，使得同步探测器407接收具有基于平均光输出功率的幅值的恢 复抖动，从而为偏置电压控制回路产生一致的恢复时间。可以利用来自低 通滤波器412输入到微控制器410的滤波器436的平均光输出功率确定对 可编程增益放大器409的增益设置的调节。在滤波器436中，确定用于可 编程增益放大器409的增益设置。在一个实施例中，通过将标称增益乘以 被除以当前输出功率的标称输出功率来计算增益设置。将滤波器436确定 的增益设置发送到可编程增益放大器409。
现在参考图3，示出的是根据本发明实施例的方法的流程图。如图3所 示，可以使用方法10根据本发明的实施例执行DC偏置电压控制。方法10 可以从恢复所恢复的抖动音调的幅值和符号开始(方框20)。如上所述，可 以从在MZM的光电探测器处探测到的能量获得这种抖动音调。在探测幅值 和符号之前，可以在例如带通滤波器中对与所恢复的抖动音调对应的信号 进行滤波并转换成数字值。然后可以对可以在同步探测器中探测到的所恢 复的信息进行滤波(方框30)。例如，可以执行低通滤波操作以利用一个或 多个先前采样对新恢复的信息加权。
仍然参考图3，可以在当前采样和先前采样之间计算出幅值差异(方框 40)。此外，在方框40，还可以计算这两个采样之间的DC偏置电压的类似 差异。基于该信息，可以确定误差信号。更具体而言，可以确定幅值相对 于DC偏置电压的导数(方框50)。例如，在误差方框中，可以计算所恢复 的音调的幅值导数。然后，可以基于所确定的导数控制DC偏置电压信号(方 框60)。例如，可以向诸如PID控制器的控制器提供误差信号，PID控制器 具有可编程增益以维持误差信号的零值(即幅值的导数)。然后可以提供来 自PID控制器的控制信号以控制DC偏置电压，从而使所恢复的抖动音调的 幅值最大化。于是，不是使所恢复的音调的幅值最小化，各实施例实际上 通过将其导数驱动到零而使该值最大化。此外，实施例由此可以使用信号 的该导数来控制DC偏置电压，而不是使用所恢复的音调本身。
在一些实施例中，如果RF输入信号或光输入信号低于阈值，则可以使 用偏置电压的当前状态。于是，如果光输入功率或RF输入功率低于预定阈 值，那么PID控制器411可以继续向偏置电压输入端110发送当前的偏置 电压设置。类似地，如果没有数据源，则可以使用用于RF放大器上的增益 的默认设置。例如，可以使用状态机416来为MZM 102提供各种控制机构。 在一个实施例中，如果状态机416探测到RF输入信号或光输入信号低于对 应阈值，那么状态机416将偏置电压控制回路保持在其当前状态。通过这 种方式，在恢复RF输入信号或光输入信号时，系统迅速恢复。
现在参考图4，示出的是根据本发明实施例的偏置电压控制器的方框 图。如图4所示，偏置控制器200可以实现于处理器、微控制器或其他可 编程逻辑器件中的，可以耦合偏置控制器200以接收输入信息，即对应于 所恢复的抖动音调的模拟信号。具体而言，如图4所示，可以通过例如图1 的MZM调制器102的光电探测器112恢复抖动音调。信号然后可以在增益 方框194中得到增益。然后可以在乘法器196中执行乘法操作，以获得根 据例如来自微控制器或其他这种源的控制信号(OptGain)控制的值。更具 体而言，乘法器196可以基于控制信号调节所恢复的音调的幅值以确保没 有饱和。然后可以由带通滤波器408对得到增益的信号进行滤波。带通滤 波器408可以从所恢复的信号消除所有RF内容。然后可以将该信息提供到 偏置电压控制器200，更具体而言提供到模数转换器(ADC)205，模数转换 器205可以将信息转换成提供到采样器阵列208的数字信号，采样器阵列 208可以存储例如十个这种采样。可以将所采样的数据提供到同步探测器 210，同步探测器210可以恢复所恢复的抖动音调的幅值和符号。于是，同 步探测器210可以将所恢复的信息与原始低频音调混合以提供音调的幅值 及其符号。注意，各实施例可以使用幅值的绝对值(Yk)。
仍然参考图4，可以将该绝对值提供到滤波器215，滤波器215可以根 据方程1提供低通操作：
Zk＝W*Yk/100+(1-W/100)*Yk-1 [方程1]
其中，可以将滤波器的权重(W)编程为所期望的以实现一定性能水平，经 滤波的幅值对应于Zk。于是，可以通过数字滤波器215对所测量的音调幅 值进行滤波，在一些实施例中，数字滤波器215可以具有介于1和100之 间的权重集。然后可以向抖动微分器220提供经滤波的幅值信息，抖动微 分器220可以根据以下方程2确定当前采样Zk和先前采样Zk-1之间的幅值差：
DZk＝Zk-Zk-1 [方程2]。
在确定抖动差异的同时，类似地，偏置电压微分器230可以根据以下 方程3确定当前偏置电压值Xk和先前偏置电压值Xk-1之间的差异：
DXk＝Xk-Xk-1 [方程3]
这些偏置电压对应于抖动采样时的偏置电压。注意，偏置电压微分器230 的其他输入(MinClamp)可以将DXk的最小绝对值限制在例如1和255之间， 以防止被零除。注意，可以由箝位电路231对偏置电压差异进行箝位，以 防止其值为零。例如，箝位电路可以确保至少大约为0.1的值以避免在误 差计算器225中除以零的操作。基于这两个差值，可以确定误差信号。更 具体而言，如图4所示，误差计算器225可以相对于DC偏置电压计算所恢 复的音调幅值的导数，即，
DZk/DXk [方程4]
仍然参考图4，可以向具有可编程增益的PID控制器250提供误差信号， 以维持误差信号的零值。接着，数模转换器(DAC)270可以接收PID控制 器250的输出，由此转换控制信号以提供DC偏置电压，可以经由增益方框 192将DC偏置电压提供回MZM 102。
如图4所示，PID控制器250可以包括乘法器252，根据需要在零值还 是峰值操作，乘法器252将输入误差信号乘以正或负一值。然后可以将误 差偏移信号添加到组合器254中的乘法器252的所得输出。可以将组合的 信号既提供给求和方框256，也提供给乘法器258。可以由暂停和复位信号 控制求和方框256。可以通过箝位电路260向乘法器262提供所得值，在乘 法器262中可以将信号乘以给定增益值Ki。可以在箝位电路264中对所得 增益信号进行箝位并提供到加法器266，加法器266可以向其增加乘法器 258的输出，以获得控制值，可以由箝位电路268对控制值进行箝位。注意， PID控制器250的输出可以有开关51，以控制开放回路和闭合回路实施之 间的操作。
也可以如图4所示以数字方式产生抖动音调。可以将逻辑“1”值输入 到乘法器202，乘法器202将具有幅值控制信号的信号乘以在DAC 203中被 转换成模拟信号的所得信号，所得信号可以是方波。然后可以将所得信号 耦合到提供给MZM 102的RF输入信号中。尽管以图4的实施例中的这一特 别实施示出，但本发明的范围不受此限制。
于是，各实施例利用诸如微处理器或微控制器的数字控制器为双二进 制MZM实现RF幅值抖动，以便控制MZM在零值处工作。因此，各实施例通 过改变系统操作条件而工作在自动方式下。此外，各实施例可以使用在RF 幅值变化时不改变相位的RF幅值抖动，使其可用于可调谐波长系统。此外， 在MZM偏置电压处于零值时，所恢复的音调幅值处于最大值，于是使所恢 复的音调幅值最大化。因此，各实施例可以使所恢复的抖动音调幅值最大 化并能够锁定到MZM的零值或峰值。各实施例还可以在控制回路中提供可 变增益，以维持相同的时间响应并防止所恢复的音调的饱和/削波，允许在 可调谐电源系统中使用。
参考图5，示出了根据本发明一个实施例的系统500。系统500包括经 由光链路505耦合到光网络502的应答器(transponder)508。在一个实 施例中，光链路505包括光学纤维。应答器508还耦合到客户端506，并可 以包括可以根据本发明的实施例执行DC偏置控制的MZM/控制系统504。客 户端506的实施例包括路由器、服务器、主计算机、电话系统等。在一个 实施例中，系统500包括密集波分复用(DWDM)系统。
可以在代码中实现实施例，并可以将其存储在存储介质上，存储介质 上存储着可用于对系统编程以执行指令的指令。存储介质可以包括，但不 限于任何类型的盘，所述盘包括软盘、光盘、紧致盘只读存储器(CD-ROM)、 紧致盘可再写存储器(CD-RW)以及磁光盘，诸如只读存储器(ROM)的半 导体器件，诸如动态随机存取存储器(DRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、 可擦除可编程只读存储器(EPROM)、闪存存储器、电可擦除可编程只读存 储器(EEPROM)、磁卡或光卡的随机存取存储器(RAM)，或任何其他类型的 适于存储电子指令的介质。
尽管已经相对于有限数量的实施例描述了本发明，但本领域的技术人 员从其中将意识到很多修改和变化。所附权利要求意在覆盖落在本发明真 实精神和范围之内的所有这种修改和变化。