黃鳴柳，余 駿，李迎春，宋英雄

（上海大學(xué)通信與信息工程學(xué)院，上海 200072）

DD-MZM 單邊帶調(diào)制系統(tǒng)偏置電壓優(yōu)化控制方案

黃鳴柳，余 駿，李迎春，宋英雄

（上海大學(xué)通信與信息工程學(xué)院，上海 200072）

為了獲得更加穩(wěn)定的梳狀譜發(fā)生器，對(duì)基于DD（雙平行）-MZM（馬赫-曾德爾調(diào)制器）的單邊帶調(diào)制系統(tǒng)偏置電壓控制方案進(jìn)行了研究，著重分析了非理想消光比對(duì)MZM以及調(diào)制器偏置電壓控制標(biāo)準(zhǔn)的影響，并在此基礎(chǔ)上提出了優(yōu)化的偏置電壓判別標(biāo)準(zhǔn)。研究證明，在非理想消光比條件下，選取MZM傳輸曲線的最高點(diǎn)作為系統(tǒng)偏置電壓的判別標(biāo)準(zhǔn)具有更高的精確性。

馬赫-曾德爾調(diào)制器；單邊帶調(diào)制；偏壓控制；消光比

0　引 言

梳狀譜發(fā)生器在現(xiàn)代微波系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用，通過其倍頻功能可制成毫米波頻率源，在儀器設(shè)備中也是展寬頻帶的關(guān)鍵，常應(yīng)用于微波通信、EMC（電磁兼容性）測(cè)試以及微波電子戰(zhàn)等方面［1］。隨著通信技術(shù)的快速發(fā)展，高效率、高穩(wěn)定性的梳狀譜發(fā)生器成為提升系統(tǒng)性能的關(guān)鍵因素。早期采用鎖模方式產(chǎn)生的梳狀譜在實(shí)際應(yīng)用中由于系統(tǒng)復(fù)雜、難以保持良好的穩(wěn)定性而被電光調(diào)制的方式取代［2］。采用DD（雙平行）-MZM（馬赫-曾德爾調(diào)制器）產(chǎn)生單邊帶并通過循環(huán)移頻生成梳狀譜的方式，以其低驅(qū)動(dòng)電壓、控制靈活以及精確的頻譜間隔等優(yōu)勢(shì)而被廣泛利用［3］。

盡管采用電光調(diào)制方式產(chǎn)生的梳狀譜擁有高帶寬、高平坦度和低成本等優(yōu)勢(shì)，但由于MZM的內(nèi)部波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和材料等原因，其直流偏置電壓的靜態(tài)工作點(diǎn)會(huì)隨溫度等外界因素的變化而發(fā)生偏移，會(huì)對(duì)其工作特性造成極大影響［4-5］。因此，高精度的偏置電壓控制系統(tǒng)在梳狀譜發(fā)生器中顯得尤為重要。文獻(xiàn)［6-7］分析了在DD-MZM結(jié)構(gòu)下偏壓控制的理論及方案，但均未考慮消光比和功率反饋標(biāo)準(zhǔn)下IQ（同相正交）-MZM偏置電壓多極值的因素。本文在研究DD-MZM單邊帶調(diào)制系統(tǒng)及其偏壓控制方式的基礎(chǔ)上，針對(duì)實(shí)際中存在的非理想消光比進(jìn)行了理論分析，提出了一種高精度的偏壓控制方案并對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證。

1　基于DD-MZM的單邊帶調(diào)制及偏壓控制方案

圖1　DD-MZM單邊帶調(diào)制系統(tǒng)及偏壓控制系統(tǒng)

圖1所示為產(chǎn)生單邊帶調(diào)制信號(hào)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。MZM 1與MZM 2的兩臂所加調(diào)制信號(hào)與直流偏置信號(hào)均為對(duì)稱形式，即在調(diào)制器上下兩臂所加的驅(qū)動(dòng)信號(hào)均為相反數(shù)，這樣既節(jié)省了資源又簡(jiǎn)化了控制策略的復(fù)雜度。MZM1在1處添加射頻調(diào)制信號(hào)（低調(diào)制度），該信號(hào)的頻率決定了單邊帶信號(hào)頻譜搬移的程度；同時(shí)將該射頻調(diào)制信號(hào)經(jīng)90°的相移后輸入至MZM2的5處，形成IQ調(diào)制。此時(shí)，當(dāng)MZM1、MZM2的直流偏置相位在調(diào)制器傳輸曲線的最低點(diǎn)Vπ處，IQ兩路的直流偏置相位差在Vπ/2處，即在MZM1的3處與MZM2的7處添加直流偏置信號(hào)Vπ/2，IQ兩路的9處添加直流偏置信號(hào)Vπ/4時(shí)，在系統(tǒng)的輸出端產(chǎn)生單邊帶調(diào)制信號(hào)。

常見的偏壓控制方案是在MZM1與MZM2上分別配置頻率較低的導(dǎo)頻信號(hào)（一般采用余弦信號(hào)），并將輸出端的光信號(hào)通過分光器一分為二，絕大部分光信號(hào)繼續(xù)傳輸供后級(jí)使用；其余少部分光信號(hào)用于反饋分析：將這部分光注入PIN（光電二極管）轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，在分析器中通過分析反饋信號(hào)中一次諧波與二次諧波的關(guān)系，確定I路、Q路與IQ兩路相位差三處的直流偏置狀態(tài)從而實(shí)現(xiàn)偏壓控制。然而，這種方案在分析時(shí)有一個(gè)重要因素即MZM的分配比例γ沒有考慮，在系統(tǒng)的實(shí)際工作中，γ會(huì)嚴(yán)重影響系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。因此，本文將針對(duì)這一問題進(jìn)行分析。

2　調(diào)制器的消光比分析

MZM消光比被定義為調(diào)制器在激光功率邏輯1與邏輯0的平均功率的比值［8］。理想狀態(tài)下該值應(yīng)為無窮大，但由于調(diào)制器本身的工藝缺陷，Y型結(jié)構(gòu)處光功率分配不均勻?qū)е略摫戎党蔀橛邢拗?。設(shè)MZM的消光比為ε，調(diào)制器Y型結(jié)構(gòu)處光功率分配比例為1∶γ，則有

在未考慮消光比的前提下，系統(tǒng)輸出端的信號(hào)可以表示為

在不加調(diào)制信號(hào)的情況下，通過PIN后信號(hào)的直流功率表達(dá)式為

通過分析式（3）可以得出，當(dāng)φI與φQ為π/2的奇數(shù)倍時(shí)，MZM1與MZM2的上下兩臂直流偏置造成的相位差為π，在PIN輸出端檢測(cè)到的信號(hào)直流功率最?。?］。

在上述理論的基礎(chǔ)上，考慮消光比因素。本文設(shè)MZM1的光功率分配比例為1∶γ1，MZM2的光功率分配比例為1∶γ2，IQ兩路相位差的光功率分配比例為1∶γ3，系統(tǒng)輸出端的信號(hào)表達(dá)式為

在不注入調(diào)制信號(hào)時(shí)，PIN輸出端信號(hào)的直流功率表達(dá)式為

從式（5）中可以看出，在消光比的影響下，信號(hào)的直流功率在原有項(xiàng)的基礎(chǔ)上出現(xiàn)了與I路和Q路流偏置相互混合干擾項(xiàng)，以至于當(dāng)MZM1與MZM2的直流偏置相位達(dá)到MZM傳輸曲線最低點(diǎn)時(shí)，PIN輸出端的信號(hào)直流功率并沒有達(dá)到最小。本文在VPI仿真軟件中對(duì)該結(jié)論進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，圖2為在VPI下的仿真平臺(tái)，仿真參數(shù)設(shè)置如下：激光器的波長(zhǎng)窗口為1 550 nm，功率為0 dB；I路上的第一個(gè)MZM用于調(diào)制I路信號(hào)，相當(dāng)于本文中的MZM1，插入損耗為6 dB；Q路上的第一個(gè)MZM用于調(diào)制Q路信號(hào)，相當(dāng)于本文中的MZM2，插入損耗為6 dB；I、Q兩路的第二個(gè)MZM用于調(diào)節(jié)IQ兩路的相位，消光比為100 d B，插入損耗為6 dB。

圖2　DD-MZM單邊帶調(diào)制系統(tǒng)仿真框圖

設(shè)MZM1、MZM2的消光比分別為εI、εQ，在不同的IQ兩路相位偏轉(zhuǎn)角度φI，Q下，測(cè)得PIN輸出信號(hào)直流功率最小時(shí)MZM1上下兩臂的相位差與MZM2上下兩臂的相位差分別為φΔI、φΔQ，如表1所示。

表1　非理想與理想消光比下輸出信號(hào)直流功率達(dá)到最小值時(shí)的φΔI、φΔQ和φIQ

從表1中可以看出，在理想消光比的條件下，當(dāng)PIN輸出的信號(hào)直流功率達(dá)到最低時(shí)，I路與Q路的直流偏置相位差均為180°；而在非理想消光比的條件下，該相位差會(huì)出現(xiàn)偏差，且偏差與IQ兩路的相位差有關(guān)。因此，在非理想消光比的條件下，當(dāng)IQ兩路的相位差未知時(shí)，采用不斷調(diào)整I路與Q路的直流偏置電壓使PIN輸出信號(hào)的直流功率達(dá)到最小，從而確定I路MZM1的相位差與Q路MZM2的相位差為（180°，180°）的方法存在很大的偏差。

為了克服該偏差，在非理想消光比的條件下，本文提出一種通過搜尋PIN輸出信號(hào)直流功率最大值來精確確定I路與Q路相位差的方法。首先，固定φΔQ與φI，Q；然后遍歷φΔI，記錄在遍歷過程中輸出信號(hào)直流功率達(dá)到最大值時(shí)φΔI的值。

本文分別從公式推導(dǎo)以及系統(tǒng)仿真兩個(gè)角度來進(jìn)行驗(yàn)證。用式（5）計(jì)算PIN輸出信號(hào)的直流功率，設(shè)φI，Q=80°，在不同φQ的條件下，隨φI變化，輸出信號(hào)的直流功率變化如圖3（a）所示。圖3（b）為在VPI仿真平臺(tái)下，上述離線實(shí)驗(yàn)的仿真結(jié)果。圖3（c）為φI，Q在一個(gè)周期內(nèi)，φQ為不同值時(shí)，輸出信號(hào)達(dá)到最大值時(shí)φΔI的取值。

從圖3（a）中可以看出，功率達(dá)到最大值時(shí)φΔI的取值為0°或180°；圖3（b）的仿真數(shù)據(jù)也反映出了相同的情況。綜合圖3（a）與（b），可以確定在IQ兩路相位差φI，Q固定時(shí)，輸出信號(hào)直流功率達(dá)到最大值時(shí)，φΔI=kπ，同時(shí)，也證明了理論與仿真條件下該規(guī)律的一致性。圖3（c）顯示了在φΔQ與φI，Q均為變量時(shí)，輸出信號(hào)直流功率達(dá)到最大值時(shí)φΔI的取值均落在0°與180°，證明了通過調(diào)節(jié)φΔI使輸出信號(hào)直流功率達(dá)到最大值時(shí)，φI，Q的取值并不會(huì)影響φI的位置集合。綜上所述，在φΔQ與φI，Q固定時(shí)，只要滿足φΔI=kπ，輸出信號(hào)的直流功率總處于最大值。同理，在φΔI與φI，Q固定時(shí)，只要滿足φΔQ=kπ，輸出信號(hào)的直流功率也處于最大值。

因此，可以通過搜尋PIN輸出信號(hào)直流功率的最大值來精確地定位φΔI與φΔQ的值，再根據(jù)調(diào)制器直流偏置相位的周期性來確定周期，最終將φΔI與φΔQ定位在需要的相位上。

圖3　非理想消光比偏壓控制策略理論及仿真驗(yàn)證

3　結(jié)束語(yǔ)

本文研究了DD-MZM單邊帶調(diào)制系統(tǒng)偏置電壓反饋控制的性能，對(duì)在實(shí)際運(yùn)用中出現(xiàn)的消光比非理想的情況進(jìn)行了理論分析，驗(yàn)證了在非理想消光比情況下MZM的偏置電壓處于傳輸功率最低點(diǎn)時(shí)，輸出信號(hào)的直流功率并未達(dá)到最低。提出了通過檢測(cè)PIN輸出信號(hào)直流功率的最大值作為確定MZM的偏置電壓處于功率傳輸最高點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)，并對(duì)此加以分析與驗(yàn)證，結(jié)果證明該標(biāo)準(zhǔn)具有更高的控制精度。

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Research on Bias Control for Single-Side Modulation Based on DD-MZM

HUANG Ming-liu，YU Jun，LI Ying-chun，SONG Ying-xiong
（School of Communication and Information Engineering，Shanghai University，Shanghai 200072，China）

In order to generate more stable comb，the bias control strategy based on DD-MZM for single side-band modulation is extensively studied.The effect of the criterion for bias control under non-ideal extinction ratio is analyzed theoretically and an optimum criterion for bias control is proposed.The result shows that it is more accurate using the max point of the transmitter curve as the criterion for monitoring the bias of MZM.

Mach-Zehnder modulator；single side-band modulation；bias control；extinction ratio

TN929.11

A

1005-8788（2016）04-0034-03

10.13756/j.gtxyj.2016.04.011

2016-03-25

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（61420106011，61132004，61275073）；上海市科學(xué)發(fā)展基金資助項(xiàng)目（13JC1402600，14511100100，15511105400，15530500600）

黃鳴柳（1989-），男，河南鄭州人。碩士研究生，研究方向?yàn)楣馔ㄐ胖械氖釥钭V發(fā)生器。