電光調(diào)制器偏壓電源控制對(duì)光通信系統(tǒng)雜散的影響

黃亨沛

（合肥正陽(yáng)光電科技有限責(zé)任公司，安徽 合肥 230000）

0 引 言

電光調(diào)制器是寬帶光通信系統(tǒng)中的重要組成部分，鈮酸鋰馬赫-曾德?tīng)枺∕Z）調(diào)制器具有工作頻率高、波長(zhǎng)范圍寬以及插入損耗小等優(yōu)點(diǎn)，是目前寬帶光通信系統(tǒng)中最常用的調(diào)制器[1]。由于鈮酸鋰MZ調(diào)制器的傳輸函數(shù)曲線會(huì)隨著環(huán)境溫度、外電場(chǎng)以及應(yīng)力等的影響而發(fā)生緩慢漂移，因此必須對(duì)調(diào)制器的偏壓工作點(diǎn)進(jìn)行跟蹤控制，從而提高整個(gè)通信系統(tǒng)的性能[2]。

鈮酸鋰MZ調(diào)制器的偏壓電源控制有多種方法，其中導(dǎo)頻法具有極高的長(zhǎng)期穩(wěn)定性且不受外界輸入光和調(diào)制信號(hào)影響，是目前常用的調(diào)制器偏壓電源控制方法[3-6]。然而在模擬光通信場(chǎng)合（例如射頻光傳輸系統(tǒng)），導(dǎo)頻電壓信號(hào)會(huì)引入額外的雜散，對(duì)系統(tǒng)的射頻性能指標(biāo)產(chǎn)生影響。從理論上研究了導(dǎo)頻偏壓電源控制時(shí)調(diào)制器的輸出特性，并通過(guò)實(shí)物驗(yàn)證定量分析導(dǎo)頻電壓信號(hào)的電源電壓對(duì)雜散的影響，針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)景分別提出了優(yōu)化導(dǎo)頻電壓的信號(hào)電源電壓范圍。

1 導(dǎo)頻偏壓電源控制原理

鈮酸鋰MZ調(diào)制器的傳輸函數(shù)可以表示為

式中：Pout為輸出光功率；Pin為輸入光功率；Ub為偏壓電源電壓；Uπ為調(diào)制器的半波電壓；θ為器件兩臂的固有相位差。

理想的傳輸函數(shù)曲線如圖1所示，其中Null、Peak以及Quad分別是光功率最小、最大和正交點(diǎn)。當(dāng)調(diào)制器偏置在正交點(diǎn)Quad時(shí)，可以獲得最大的增益和最小的非線性失真，這是絕大多數(shù)強(qiáng)度調(diào)制器采用的最佳偏置點(diǎn)。

將式（2）先進(jìn)行三角函數(shù)展開(kāi)，再進(jìn)行泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi)。為了盡量保證調(diào)制信號(hào)較大時(shí)的真實(shí)度，展開(kāi)至5階，整理后得到各頻率分量的具體表達(dá)式。偏壓電源控制反饋回路關(guān)注基波wd和二次諧波w2d，計(jì)算公式為

通過(guò)檢測(cè)經(jīng)過(guò)調(diào)制器后導(dǎo)頻電壓信號(hào)的基波和二次諧波分量即可判斷工作點(diǎn)漂移量，并通過(guò)反饋回路進(jìn)行補(bǔ)償。

2 導(dǎo)頻電壓信號(hào)對(duì)雜散的影響

理想情況下，工作在Quad點(diǎn)的調(diào)制信號(hào)主頻兩側(cè)由導(dǎo)頻電壓信號(hào)引入的一階雜散wm±wd=0，二階雜散wm±w2d功率與調(diào)制信號(hào)峰值功率差主要由導(dǎo)頻電壓信號(hào)的電源電壓決定，導(dǎo)頻基波wd功率與調(diào)制信號(hào)峰值功率差由兩者信號(hào)幅度共同決定，導(dǎo)頻二次諧波w2d分量為0。

假定Uπ=5 V，幾種典型調(diào)制信號(hào)功率輸入時(shí)，不同導(dǎo)頻電壓信號(hào)的電源電壓下輸出信號(hào)相對(duì)于調(diào)制信號(hào)功率的雜散抑制結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同信號(hào)幅度下的雜散抑制結(jié)果

從圖2可以看出，導(dǎo)頻電壓信號(hào)的電源電壓越小，雜散抑制越好。需要注意的是，導(dǎo)頻電壓信號(hào)的電源電壓過(guò)小會(huì)增加反饋信號(hào)的檢測(cè)和提取難度。調(diào)制信號(hào)邊帶二階雜散wm±w2d隨導(dǎo)頻電壓信號(hào)電源電壓變化的仿真結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果比較如圖3所示。

圖3 理論和實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比

從圖3中可以看出，仿真結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果非常吻合。

3 導(dǎo)頻偏壓電源控制電路分析

典型的導(dǎo)頻偏壓電源控制系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 典型導(dǎo)頻偏壓電源控制系統(tǒng)框架

單片機(jī)通過(guò)數(shù)字頻率合成技術(shù)生成1 kHz的導(dǎo)頻電壓信號(hào)，1 kHz的導(dǎo)頻電壓信號(hào)疊加在直流偏置上進(jìn)入MZ調(diào)制器。調(diào)制器輸出的部分光信號(hào)被光電探測(cè)器接收經(jīng)過(guò)跨阻放大器放大后進(jìn)入低通濾波器，通過(guò)模-數(shù)轉(zhuǎn)換（Analogue-Digital Converter，ADC）后送往單片機(jī)進(jìn)行快速傅里葉變換，分別得到直流分量、1 kHz分量以及二次諧波2 kHz分量。單片機(jī)對(duì)各分量信號(hào)進(jìn)行判決并通過(guò)調(diào)整直流偏置形成反饋閉環(huán)，使偏置始終處于最佳工作點(diǎn)。設(shè)置調(diào)制器輸出光功率為10 mW左右，不同調(diào)制信號(hào)功率與導(dǎo)頻幅度下探測(cè)器的光電流幅值如表1所示。

表1 不同信號(hào)幅度下光電流大小

從表1可以看出，當(dāng)輸入射頻功率不大時(shí)（≤15 dBm），50 mV的導(dǎo)頻電壓信號(hào)即可滿(mǎn)足工業(yè)級(jí)溫度范圍內(nèi)的信號(hào)檢測(cè)與提取。而當(dāng)射頻信號(hào)功率達(dá)到20 dBm時(shí)，則至少需要幅度200 mV以上的導(dǎo)頻電壓信號(hào)才能有效提取和檢測(cè)諧波信號(hào)。

4 結(jié) 論

通過(guò)研究電光調(diào)制器偏壓電源控制對(duì)光通信系統(tǒng)雜散的影響，定量分析了不同調(diào)制信號(hào)與導(dǎo)頻電壓信號(hào)對(duì)雜散的影響，結(jié)合導(dǎo)頻控制電路給出了不同應(yīng)用場(chǎng)景的最佳導(dǎo)頻電壓信號(hào)的電源電壓。常溫下小信號(hào)調(diào)制時(shí)，最佳導(dǎo)頻電壓信號(hào)的電源電壓半峰值為20 mV；工業(yè)級(jí)溫度范圍下小信號(hào)調(diào)制時(shí)，最佳半峰值為50 mV；大信號(hào)調(diào)制時(shí)，則需要將導(dǎo)頻電壓信號(hào)的電源電壓半峰值提高到200 mV以上。