本发明公开一种MZI外调制器任意工作点的锁定方法及其装置，包括将频率f2方波串扰和频率f1方波串扰由加法器叠加在MZI外调制器上，产生含f1和f2频率分量的总反馈方波；在总反馈方波中提取频率f1方波串扰导致光功率变化的波形作为一阶反馈方波，提取一阶反馈方波的幅值和相位；将一阶反馈方波幅度随时间变化的波形做为二阶反馈方波提取出来确定相位；遍历施加偏置电压，当一阶反馈方波的平均幅值与f1反馈方波的幅度相同且相位相同，记录该电压值对应的一组工作点类型；然后监控二阶反馈方波的相位方向确定另一组工作点类型；由这两组工作点类型的交集确定满足符合所述电压值和相位方向条件的共同工作点锁定，本发明实现MZI外调制器任意工作点的锁定。
1.一种MZI外调制器任意工作点的锁定方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤2、给MZI外调制器偏置电压上叠加频率f1的方波串扰，读取反馈方波的幅度A0和相位；
步骤3、将频率f2的方波串扰和频率f1的方波串扰通过加法器相加后叠加在MZI外调制器上，产生包含f1和f2频率分量的总反馈方波，其中频率f2远小于频率f1；
步骤4、在总反馈方波中提取频率f1的方波串扰导致光功率变化的波形作为一阶反馈方波，提取一阶反馈方波的幅值，频率f2的方波串扰处在高电平时，一阶反馈方波幅值为Ah1，频率f2的方波串扰处在低电平时，一阶反馈方波幅值为Al1，计算获得一阶反馈方波平均幅值A1＝(Ah1+Al1)/2；比较一阶反馈方波和f1串扰方波相位的同/反向关系，提取一阶反馈方波的相位；将一阶反馈方波幅度随时间变化的波形做为二阶反馈方波提取出来，比较二阶反馈方波和频率f2的方波串扰的同/反相关系的相位，提取二阶反馈方波的相位；
步骤5、在一个电压周期内遍历施加于MZI外调制器的偏置电压，当一阶反馈方波的平均幅值A1与A0相同且相位相同时，记录该电压值对应的一组可能的工作点类型；然后通过监控二阶反馈方波的相位方向确定另一组可能的工作点类型；通过这两组可能的工作点类型的交集确定满足符合所述电压值和相位方向条件的共同工作点，锁定该工作点。
2.根据权利要求1所述一种MZI外调制器任意工作点的锁定方法，其特征在于：所述二阶反馈方波相位的提取方法为：比较二阶反馈方波和频率f2的方波串扰的同/反相关系；频率f2的方波串扰处在高电平时，二阶反馈方波电平为Ah2；频率f2的方波串扰处在低电平时，二阶反馈方波电平为Al2；当Ah2大于Al2时，二阶反馈方波的相位为同向，当Ah2小于Al2时，二阶反馈方波的相位为反向。
3.根据权利要求1所述一种MZI外调制器任意工作点的锁定方法，其特征在于：所述初始化过程为：给MZI外调制器施加射频信号驱动，辅助采样示波器观察波形眼图进行判断工作态，手调偏置电压直至达到最佳工作态。
4.根据权利要求1所述一种MZI外调制器任意工作点的锁定方法，其特征在于：所述步骤2中方波串扰速率不超过对MZI外调制器输出光进行监控设置的背光探测器的带宽范围，串扰幅度不超过MZI外调制器偏置半波电压的10％。
5.根据权利要求1-4中任意之一所述一种MZI外调制器任意工作点的锁定方法，其特征在于：所述步骤2中采用f1＝1KHz，幅度10mV的方波串扰。
6.根据权利要求1所述一种MZI外调制器任意工作点的锁定方法，其特征在于：步骤4中提取的一阶反馈方波的幅度、相位和二阶反馈方波的相位，步骤5进行偏置电压的反馈调节，实时锁定工作点。
7.根据权利要求1所述一种MZI外调制器任意工作点的锁定方法，其特征在于：所述步骤5在电压周期为0.54V～1.125V内遍历偏置电压。
8.根据权利要求1所述一种MZI外调制器任意工作点的锁定方法的装置，其特征在于：
控制单元执行如下过程：初始化，使调制器处在最佳工作状态；给调制器偏置电压上叠加频率f1的方波串扰，读取反馈方波幅度A0和相位；将频率f2的方波串扰和频率f1的方波串扰通过加法器相加后叠加在MZI外调制器上，产生包含f1和f2的频率分量的总反馈方波；在总反馈方波中提取频率f1的方波串扰导致光功率变化的波形作为一阶反馈方波，提取一阶反馈方波的幅值，频率f2的方波串扰处在高电平时，一阶反馈方波幅值为Ah1，频率f2的方波串扰处在低电平时，一阶反馈方波幅值为Al1，计算获得一阶反馈方波平均幅值A1＝(Ah1+Al1)/2；比较一阶反馈方波和频率f1的方波串扰的同/反向相位关系，提取一阶反馈方波的相位；将一阶反馈方波幅度随时间变化的波形做为二阶反馈方波提取出来，比较二阶反馈方波和频率f2的方波串扰的同/反相关系的相位，提取二阶反馈方波的相位；
遍历施加于MZI外调制器的偏置电压，当一阶反馈方波的平均幅值A1与A0相同且相位相同时，记录该电压值对应的一组可能的工作点类型；然后通过监控二阶反馈方波的相位方向确定另外一组可能的工作点类型；通过这两组可能的工作点类型的交集确定满足符合所述电压值和相位方向条件的共同工作点，锁定该工作点。
9.根据权利要求8所述一种MZI外调制器任意工作点锁定方法的装置，其特征在于：所述背光探测器进行MZI外调制器信号光功率的检测，采用3dB光电带宽为400MHz，响应度1A/W，常温下暗电流指标小于100nA的外置tap PD。
10.根据权利要求9所述一种MZI外调制器任意工作点锁定方法的装置，其特征在于：所述背光探测器采用带宽在1MHz量级的低速光探测器。
一种MZI外调制器任意工作点的锁定方法及装置
技术领域
[0001] 本发明涉及一种MZI外调制器工作点的锁定方法及装置，特别涉及一种MZI外调制器任意工作点的锁定方法及装置，本发明属于通信领域。
背景技术
[0002] 调制技术是将信号加载在载波上进行传输的一种技术，实现将低速电信号加载在高速电载波的功能器件是电调制器，而将电信号加载在光信号上进行传输的是电光调制器。电光调制器按照调制器结构可以分为两类，一类是直接调制，另一类是外调制。直接调制一般是指将强度电信号直接用于驱动激光器，使激光器输出光的强度信号；而外调制器则是让激光器稳定输出，对输出端的光进行操作(电吸收，干涉相长抵消等)，得到包含有信号的光，实现将电信号加载在光载波上进行传输。
[0003] 马赫-曾德尔干涉仪(MZI)结构，由于其具有不错的消光比，结构简单，体积小，易于集成，在电光调制器(外调制器)领域得到了极为广泛的应用。单个MZI光学结构将输入光分成两路，两路光经一段距离的传输之后合波，发生干涉。通过外加电压来改变MZI两路传输光的相位差，可以改变输出光的强度和相位。对于单MZI结构，让其偏置在输出光强最小的无光偏置点，再给两臂加相反极性的偏压，周期性改变两臂偏压的极性，可以得到光强度不变、相位相差180°的周期性光信号，形成光的二相位调制(BPSK)；让其偏置在电光曲线斜率最大点，再给两臂加相反极性的偏压，周期性改变两臂偏压的极性，可以得到光强度开、关交替的周期性光信号，形成光的开关强度调制(OOK)。MZI结构既可以实现简单的相位/强度调制格式，如BPSK、OOK，也能实现复杂的高阶调制格式，例如PAM信号、QAM信号(需要并联MZI结构)。
[0004] 对于单个MZI，运用最多最广泛的调制格式是OOK和BPSK。调制器的偏置(bias)工作点往往需要闭环反馈控制，使调制器能长期稳定地工作在最佳工作态。对于电光响应线性度较好的材料做成的MZI外调制器(例如LN调制器)，一般地有如下规律：OOK工作态时，bias要置于电光响应曲线斜率最大的点(quad点)，BPSK工作态时，bias要置于电光响应曲线最低点(min点)。由于这些点在电光曲线的特殊位置，使得对bias的实时控制算法变得比较容易，目前业内有很多方案，对MZI工作点进行控制，主要实现将bias锁定在4个特殊点：max点，min点，quad点(2个)。对于锁定4个特殊工作点(max点，min点，quad点2个)，业界已经有很多种技术方案。比较普遍的一种方案是：在bias电压上加上方波扰动，监控光功率反馈方波波形。min点的锁定方法：当反馈方波与扰动同向时，减小bias，当反馈方波与扰动反向时，增加bias，直到反馈方波的幅度最小(理论上接近于0)，此时bias锁定在min工作点，min工作点下的bias扰动方波7的反馈方波形为min工作点的反馈方波10；max点的锁定方法：在bias电压上加上方波扰动，监控光功率反馈方波波形，当反馈方波与扰动同向时，增加bias，当反馈方波与扰动反向时，减小bias，直到反馈方波的幅度最小(理论上接近于0)，此时bias锁定在max工作点，max工作点的bias扰动方波9的反馈方波形为max工作点的反馈方波12；quad点的锁定方法：当反馈方波幅度最大，且与扰动方波同向，此时bias处在quad2工作点，当反馈方波幅度最大，且与扰动方波反向，此时bias处在quad1工作点，quad工作点下的bias扰动方波8的反馈方波形为quad2工作点的反馈方波11；然而，对于有些材料和结构制作的MZI，其电光响应曲线的线性度不是很好，使得调制器的工作点，不是上述4个特殊点，这样的调制器的自动偏压控制就显得比较困难。
发明内容
[0005] 发明了一种MZI外调制器工作点的锁定方法及其装置，能实现调制器电光曲线上任意工作点的锁定。
[0006] 本发明的技术方案是：
[0007] 一种MZI外调制器任意工作点的锁定方法，包括如下步骤：步骤1、初始化使MZI外调制器处在最佳工作状态；步骤2、给MZI外调制器偏置电压上叠加频率f1的方波串扰，读取反馈方波的幅度A0和相位；步骤3、将频率f2的方波串扰和频率f1的方波串扰通过加法器相加后叠加在MZI外调制器上，产生包含f1和f2频率分量的总反馈方波，其中频率f2远小于频率f1；步骤4、在总反馈方波中提取频率f1的方波串扰导致光功率变化的波形作为一阶反馈方波，提取一阶反馈方波的幅值，频率f2的方波串扰处在高电平时，一阶反馈方波幅值为Ah1，频率f2的方波串扰处在低电平时，一阶反馈方波幅值为Al1，计算获得一阶反馈方波平均幅值A1＝(Ah1+Al1)/2；比较一阶反馈方波和f1串扰方波相位的同/反向关系，提取一阶反馈方波的相位；将一阶反馈方波幅度随时间变化的波形做为二阶反馈方波提取出来，比较二阶反馈方波和频率f2的方波串扰的同/反相关系的相位，提取二阶反馈方波的相位；步骤5、在一个电压周期内遍历施加于MZI外调制器的偏置电压，当一阶反馈方波的平均幅值A1与A0相同且相位相同时，记录该电压值对应的一组可能的工作点类型；然后通过监控二阶反馈方波的相位方向确定另一组可能的工作点类型；通过这两组可能的工作点类型的交集确定满足符合所述电压值和相位方向条件的共同工作点，锁定该工作点。
[0008] 所述二阶反馈方波相位的提取方法为：比较二阶反馈方波和频率f2的方波串扰的同/反相关系；频率f2的方波串扰处在高电平时，二阶反馈方波电平为Ah2；频率f2的方波串扰处在低电平时，二阶反馈方波电平为Al2；当Ah2大于Al2时，二阶反馈方波的相位为同向，当Ah2小于Al2时，二阶反馈方波的相位为反向。
[0009] 所述初始化过程为：给MZI外调制器施加射频信号驱动，辅助采样示波器观察波形眼图进行判断工作态，手调偏置电压直至达到最佳工作态。
[0010] 所述步骤2中方波串扰速率不超过对MZI外调制器输出光进行监控设置的背光探测器的带宽范围，串扰幅度不超过MZI外调制器偏置半波电压的10％。
[0011] 所述步骤2中采用f1＝1KHz，幅度10mV的方波串扰。
[0012] 步骤4中提取的一阶反馈方波的幅度、相位和二阶反馈方波的相位，步骤5进行偏置电压的反馈调节，实时锁定工作点。
[0013] 所述步骤5在电压周期为0.54V～1.125V内遍历偏置电压。
[0014] 一种MZI外调制器任意工作点的锁定方法的装置，包括控制单元、背光探测器，控制单元执行如下过程：初始化，使调制器处在最佳工作状态；给调制器偏置电压上叠加频率f1的方波串扰，读取反馈方波幅度A0和相位；将频率f2的方波串扰和频率f1的方波串扰通过加法器相加后叠加在MZI外调制器上，产生包含f1和f2的频率分量的总反馈方波；在总反馈方波中提取频率f1的方波串扰导致光功率变化的波形作为一阶反馈方波，提取一阶反馈方波的幅值，频率f2的方波串扰处在高电平时，一阶反馈方波幅值为Ah1，频率f2的方波串扰处在低电平时，一阶反馈方波幅值为Al1，计算获得一阶反馈方波平均幅值A1＝(Ah1+Al1)/2；比较一阶反馈方波和频率f1的方波串扰的同/反向相位关系，提取一阶反馈方波的相位；将一阶反馈方波幅度随时间变化的波形做为二阶反馈方波提取出来，比较二阶反馈方波和频率f2的方波串扰的同/反相关系的相位，提取二阶反馈方波的相位；遍历施加于MZI外调制器的偏置电压，当一阶反馈方波的平均幅值A1与A0相同且相位相同时，记录该电压值对应的一组可能的工作点类型；然后通过监控二阶反馈方波的相位方向确定另外一组可能的工作点类型；通过这两组可能的工作点类型的交集确定满足符合所述电压值和相位方向条件的共同工作点，锁定该工作点。
[0015] 所述背光探测器进行MZI外调制器信号光功率的检测，采用3dB光电带宽为400MHz，响应度1A/W，常温下暗电流指标小于100nA的外置tap PD。
[0016] 所述背光探测器采用带宽在1MHz量级的低速光探测器。
[0017] 本发明的优点是：
[0018] 本发明提供了一种MZI外调制器工作点的锁定方法，能实现调制器电光曲线上除了四个特殊点(max点，min点，quad点2个)之外的任意工作点的锁定，适合各种材料和结构制作的MZI外调制器。
附图说明
[0019] 图1是本发明MZI外调制器的基本结构示意图；
[0020] 图2是本发明基于方波dither的4个特殊工作点的锁定方法；
[0021] 图3是本发明非特殊工作点加上方波扰动后对应的光功率反馈方波；
[0022] 图4是本发明光功率和一阶反馈方波幅值随着调制器bias电压的变化规律曲线；
[0023] 图5是本发明bias扰动、总反馈方波、二阶反馈方波的波形；
[0024] 其中：
[0025] 1:MZI外调制器的输入端； 2:MZI外调制器行波电极；
[0026] 3:调相电极； 4:终端匹配电阻；
[0027] 5:背光探测器(MPD)； 6:MZI外调制器的输出端；
[0028] 7:min工作点下的bias扰动方波； 8:quad工作点下的bias扰动方波；
[0029] 9:max工作点下的bias扰动方波； 10:min工作点的反馈方波；
[0030] 11:quad2工作点的反馈方波； 12:max工作点的反馈方波；
具体实施方式
[0031] 下面结合实施例和附图对发明中的MZI外调制器任意工作点的锁定方法做出详细说明，实施例中，我们采用了10G速率的某材料单MZI调制器；
[0032] 图1是MZI外调制器的基本结构示意图；激光器发出的光从MZI外调制器的输入端1进入MZI外调制器，调相电极3可以对MZI外调制器的bias电压进行调节，电射频信号通过行波电极2加载在MZI外调制器的两臂上(推挽工作模式)，行波电极的末端连接有终端匹配电阻4，调制器的调制器光信号由MZI外调制器的输出端6进行输出，输出光分了一部分到背光探测器5，进行信号光功率的检测；
[0033] 在实施例中，背光探测器5使用的光探测器为外置tap PD，3dB光电带宽约为400MHz，响应度约1A/W，常温下暗电流指标小于100nA；
[0034] 图2是基于方波抖动(dither)的4个特殊工作点的锁定方法；图3是非特殊工作点加上方波扰动后对应的光功率反馈方波，图4是光功率和不加f2扰动时一阶反馈方波幅值随着调制器bias电压的变化规律曲线；实施例中调制器的工作点类型为B，工作点电压为1.123V，对其进行工作点的锁定，包括如下步骤：
[0035] 步骤1、测试系统初始化。将外部光源，实施例中使用的某厂家的ITLA可调谐激光器，工作波长1550.12nm，输入至MZI外调制器，稳压电源给MZI外调制器相应的使能引脚供电，实施例中MZI外调制器的调制原理为自由载流子色散效应，稳压电源需要提前给MZI外调制器波导PN结上电；MZI外调制器直流上电正常后，用10G码源，结合射频放大器，实施例中选取的Centallax公司的某型号射频driver，给MZI外调制器加上合适的射频信号驱动；手动调节bias电压，使得MZI外调制器处在最佳工作状态，实施例中，使用辅助采样示波器来观察波形眼图，来判断MZI外调制器是否处在BPSK工作态；
[0036] 步骤2、给MZI外调制器bias电压上叠加频率f1的方波dither，方波速率以不超过背光探测器(MPD)带宽范围为限，dither幅度不超过调制器bias半波电压的10％；实施例中，频率f1的方波dither参数为：f1＝1KHz，幅度10mV；通过MPD后置电路，读取最佳工作态对应的反馈方波幅度A0和相位(相对于f1dither信号的同/反相)；记下该反馈方波幅度和相位，作为后续步骤反馈控制的标准；实施例中，最佳工作态下bias＝1.123V，不加f2扰动时的一阶反馈方波幅度A0＝847μV，相位为：同向；
[0037] 步骤3、将偏置电压bias设置为初始点，实施例中令bias＝1V；将频率f2＝100Hz，幅度15mV的方波dither和频率f1的方波dither通过加法器相加，f2需远小于f1，叠加在bias直流引脚上，通过MPD后置电路，监控总反馈方波，总反馈方波定义为，由bias dither导致的调制器输出光功率的变化，由MPD后置电路监控。实施例中，总反馈方波的波形里面出现了f1和f2的频率分量，如图5中的总反馈方波波形图。
[0038] 步骤4、一阶反馈方波定义为，由f1dither导致的光功率的变化(f2扰动变化太慢，认为是直流，提取总反馈方波中的f1交流分量)，二阶反馈方波定义为，一阶反馈方波幅度随时间的变化。波形如图5所示。在总反馈方波中提取一阶反馈方波的幅值和相位，和二阶反馈方波的相位。一阶反馈方波的幅值的提取方法：将在总反馈方波中f1dither导致的光功率的变化的波形提取出来，该波形为一阶反馈方波。提取一阶反馈方波的幅度，f2dither处在高电平时，一阶反馈方波幅值为Ah1，f2dither处在低电平时，一阶反馈方波幅值为Al1，一阶反馈方波平均幅值A1＝(Ah1+Al1)/2；提取一阶反馈方波相位，其提取方法：比较一阶反馈方波和f1dither方波相位的同/反向关系；二阶反馈方波相位的提取方法：将一阶反馈方波幅度随时间的变化提取成波形，该波形为二阶反馈方波，提取阶反馈方波的相位，提取相位过程为：比较二阶反馈方波和f2dither的同/反相关系；f2dither处在高电平时，二阶反馈方波电平为Ah2；f2dither处在低电平时，二阶反馈方波电平为Al2；当Ah2大于Al2时，二阶反馈方波的相位为同向，当Ah2小于Al2时，二阶反馈方波的相位为反向；4个特殊工作点之外的工作点，有Ah2≠Al2；
[0039] 步骤5、如图4所示，我们将“P-bias”曲线的一个周期(两个min点之间的曲线)，由max和两个quad点分割成四段区间，A、B、C、D分别为四段区间类的四类工作点。在一个电压周期内，遍历bias电压，当步骤4提取的一阶反馈方波的平均幅值与步骤2中相同,即A1＝A0且相位相同时，记下bias点电压值，一个电压周期内满足这一条件的bias点有两个，这两个bias点中有一个为工作点，有一个为假点，且两个点的组合只能为B+C或A+D。通过监控二阶反馈方波相位排除假点：步骤4提取的二阶反馈方波相位与f2dither同向时，工作点类型为A或C；二阶反馈方波与f2dither反向，工作点类型为B或D；确定满足符合所述电压值和相位方向条件的共同工作点，这样我们就找到了唯一工作点；实施例中，我们在0.54V～1.125V这一电压周期遍历bias电压，得到bias＝0.622V和bias＝1.123V时，一阶反馈方波平均幅值A1＝A0＝847μV，这两个点的类型分别为C和B，我们进一步监控到二阶反馈方波与f2dither反向，即工作点类型为B或D；综上，我们找到工作点类型B，工作电压为1.123V；
[0040] 步骤6、通过监控一阶反馈方波的幅度，一阶反馈方波的相位，二阶反馈方波的相位，进行bias的反馈调节，实时锁定工作点；
[0041] 虽然本发明已经详细示例并描述了相关的特定实施例做参考，但对本领域的技术人员来说，在阅读和理解了该说明书和附图后，在不背离本发明的思想和范围特别是上述装置实施的功能上，可以在装置形式和细节上作出各种改变。这些改变都将落入本发明的权利要求所要求的保护范围。
