中國電子科技集團公司第四十一研究所 汪 磊 韓順利 呂子敬 尹炳琪

0.引言

激光通信是以激光作為信息載體的通信，實際上是將有線通信的電信號處理技術(shù)、激光調(diào)制技術(shù)和激光傳輸技術(shù)相結(jié)合，可用于空間及地面通信，其首先要解決的問題是如何將被傳輸?shù)男盘柤虞d到激光上[1]。

高速鈮酸鋰（LiNbO3）電光調(diào)制器（EOM）因具有光譜工作范圍寬、驅(qū)動電壓低和插入損耗小等優(yōu)點[2]，已成為目前應用于高速長距離光通信中的主流調(diào)制器。為保證調(diào)制器的工作性能，需EOM的輸入半波電壓不受外界影響，使晶體在信號調(diào)制時可以工作在線性區(qū)，從而保證調(diào)制信號不失真。但EOM工作在高速率調(diào)制狀態(tài)下，由于介質(zhì)的熱積累效應和環(huán)境溫度的變化會使電光調(diào)制晶體的半波電壓發(fā)生漂移，如果給晶體提供固定的偏置電壓，則使EOM偏離了其線形區(qū)中點（QUAD+/QUAD-），使調(diào)制信號變差[3]。本文采用三點定位判別法，精確查找并定位線性工作點，實時監(jiān)測調(diào)制器半波電壓漂移，使偏置電壓跟隨半波電壓的變化，保證EOM靜態(tài)工作點保持在線性區(qū)的中點[4-5]。

1.三點定位法原理

工作點查找與定位中，為保證偏置控制有最大掃描動態(tài)范圍，將初始電壓設置為零點，因此，首先需要確定偏壓零點的位置。采用三點定位判別法對偏壓零點的位置進行判定，其判定示意圖如圖1所示。三點定位判別法的具體實施如下，當電光調(diào)制器輸入輸出穩(wěn)定后，小步長調(diào)節(jié)D/A控制輸出偏壓，并經(jīng)連續(xù)采樣間隔采集此時電光調(diào)制器輸出光信號轉(zhuǎn)化而來的電信號，經(jīng)過平均處理后取三點數(shù)據(jù)，對應電壓值分別為：V-、V0、V+，假設V0表示偏壓零點處電光調(diào)制器輸出光功率轉(zhuǎn)換成的電壓值，則可以根據(jù)以下關(guān)系判定偏壓零點所在位置區(qū)域：

圖1 三點定位判別法示意圖

（1）當V-＞V0＞V+時，V0位于下降區(qū)，可通過減小偏壓來獲得輸出峰值；

（2）當V-＜V0＜V+時，V0位于上升區(qū)，可通過增大偏壓來獲得輸出峰值；

（3）當V0＜V-且V0＜V+時，V0位于波谷點，增大或減小直流偏壓來獲得輸出峰值；

（4）當V0＞V-且V0＞V+時，V0已位于峰值點，無需調(diào)節(jié)直流偏壓。

通過上述過程將EOM的輸出光功率調(diào)節(jié)到最大值后，將模擬開關(guān)打向端點2，選通2通道，開始控制調(diào)節(jié)該通路上的數(shù)字式可調(diào)電位器，具體過程如下：首先調(diào)節(jié)控制點2，使信號采集2點電壓接近V2，然后調(diào)節(jié)控制點3使信號采集2點的電壓達到V2；再調(diào)節(jié)控制點4、控制點5使信號采集3點的電壓達到V1= V2/2。此時EOM輸入光功率Pi和輸出光功率Po的關(guān)系為：Pi=Po。

當信號采集2點的電壓和信號采集3點的電壓達到上述關(guān)系后，通過控制偏壓向查找峰值點時調(diào)節(jié)方向相反的方向調(diào)節(jié)，直到滿足V1=V2，此時EOM輸入光功率與輸出光功率的關(guān)系變?yōu)椋篜o=Pi/2，EOM工作在線性點上。

2.工作點自動跟蹤硬件電路設計

工作點自動跟蹤電路如圖2所示，調(diào)制器的輸入、輸出光信號分別經(jīng)過兩個10：90的光耦合器分出10%的光信號，經(jīng)PIN探測后將光信號進行I-V變換，再經(jīng)前置放大、信號調(diào)理電路進行處理得到直流電壓，再將直流電壓經(jīng)過差動放大電路后變成誤差信號（當EOM工作在線性工作區(qū)中點時，誤差信號基本等于零；當EOM靜態(tài)工作點因溫度等原因發(fā)生漂移時，誤差信號不等于零），A/D轉(zhuǎn)換電路采集該誤差信號并將其送入CPU控制單元進行調(diào)節(jié)，然后反復調(diào)節(jié)直流偏置電壓（通過不斷調(diào)節(jié)D/A來實現(xiàn)），直到誤差為零，這時EOM的工作點又回到了線性區(qū)的中點。

3.自動跟蹤算法軟件設計及實現(xiàn)

在上述硬件實現(xiàn)的基礎上，用C語言完成三點定位判別算法程序的編寫和調(diào)試工作，工作點定位結(jié)果如圖3所示。

圖3 工作點查找結(jié)果

圖4 調(diào)制輸出光穩(wěn)定度測試結(jié)果

4.自動跟蹤實現(xiàn)

要使EOM的輸出光功率保持穩(wěn)定，必須保證驅(qū)動EOM的偏置電壓可以跟隨反饋光功率的大小以動態(tài)調(diào)整偏壓大小，可通過監(jiān)測EOM輸出光功率的穩(wěn)定度來檢驗其是否工作在調(diào)制特性曲線的中點。以Photline公司的40G EOM為測試對象，以1550nm保偏光源做為輸入光，硬件電路輸出偏置控制電壓控制EOM工作，通過測試EOM輸出光的穩(wěn)定性來測試調(diào)制光的傳輸性能。因此，利用美國Keysight公司的8163B+81634B標準光功率計的Stability功能對儀器控制EOM后的輸出調(diào)制光穩(wěn)定度進行了測試，測試時間為20min，測試結(jié)果如圖4所示。

5.結(jié)束語

本文提出的三點定位法實現(xiàn)EOM偏置電壓線性工作點的自動查找與定位，并可根據(jù)反饋光功率大小實時調(diào)整偏壓的大小，使輸出偏壓始終保持在線性區(qū)域的中點，保證EOM輸出的調(diào)制光不失真，解決了調(diào)制器QUAD+、QUAD-工作點隨溫度漂移的難題。

[1]孫鑒,牟海維,劉世清.電光調(diào)制中半波電壓測量方法的研究[J].大學物理,2008,27(10):40-43．

[2]巫建坤.電光調(diào)制技術(shù)在激光通信中的應用[J].北京機械工業(yè)學院學報,2003,18(1):10-15．

[3]郭明磊,韓新風,章毛連.電光調(diào)制晶體半波電壓倍頻測量方法的討論[J].應用光學,2010,31(1):105-109.

[4]李莉,齊曉慧,劉秉琦等.晶體電光調(diào)制實驗模擬激光通信[J].實驗室科學,2009,12(5):73-76．

[5]李克武,王志斌,張瑞等.沿光軸通光的LiNbO3的橫向電光調(diào)制特性[J].光學精密工程,2015,23(5):1227-1232．