DPMZ调制器自动偏压控制算法的研究

('DPMZ调制器自动偏压控制算法的研究杨孪水;蒋湘;魏旭立;赵琨【摘要】针对双平行马赫-曾德尔调制器工作点漂移的问题,提出一种适用于16进制正交幅度调制的双平行马赫-曾德尔调制器自动偏压控制算法.算法分为两个部分,初始化部分和跟踪锁定部分.初始化部分的目的是找到一个接近偏置电压的工作点,以减少跟踪锁定部分算法锁定工作点需要花费的时间;跟踪锁定部分使用抖动信号检测法找到精确工作偏置点,并且能实时地跟踪随环境变化的偏置点,使得偏置电压在尽量长时间内处于最佳偏置点附近,且在最佳偏置点附近游走的范围尽量小.通过实验分析了影响算法结果的因素.实测数据表明,此算法能在较短时间内找到双平行马赫-曾德尔调制器最佳工作偏置点,并能实时进行跟踪调整.【期刊名称】《光通信研究》【年(卷),期】2019(000)001【总页数】4页(P41-44)【关键词】双平行马赫-曾德尔调制器;自动偏压控制;初始化;跟踪锁定【作者】杨孪水;蒋湘;魏旭立;赵琨【作者单位】武汉邮电科学研究院,武汉430074;烽火通信科技股份有限公司,武汉430074;烽火通信科技股份有限公司,武汉430074;烽火通信科技股份有限公司,武汉430074【正文语种】中文【中图分类】TN7610引言随着互联网大数据时代的来临，海量数据传输对骨干网的传输容量提出了更高的要求。目前，在100Gbit/s光模块大量投入使用的同时，各大公司和研究机构将目光投向了400Gbit/s甚至1Tbit/s的传输研究。偏振复用16进制正交幅度调制(16QuadratureAmplitudeModulation,16QAM)格式在频谱效率、噪声容限和非线性容限3个关键指标方面具有优异的综合性能，成为400Gbit/s系统的备选调制格式之一[1]。然而，16QAM需要光调制器能更加稳定地工作。目前双平行马赫-曾德尔(DualParallelMach-Zehnder,DPMZ)调制器为应用最广泛的光调制器。在实际使用中，由于环境温湿度、输入器件光功率和器件自身老化等因素的影响，调制器的偏置点会发生漂移[2]。为达到最好的调制效果，偏置电压需对调制器工作点的变化做出实时响应。也正因偏置点会发生漂移，只有自动偏压控制才能保证调制器持续良好地运行。本文提出一种适用于16QAM的DPMZ调制器自动偏压控制算法，可实时对偏置电压进行跟踪调整，使其长期稳定工作在最佳偏置点上。1DPMZ调制器自动偏压控制算法原理DPMZ调制器结构框图如图1所示。DPMZ调制器由两个IQ调制器构成，分为X和Y路两路偏振。每一路由两个马赫-曾德尔调制器(Mach-ZehnderModulator,MZM)(I和Q路)与一个相位调制器(P路)组成。DPMZ调制器自动偏压控制算法分为两部分，初始化部分和跟踪锁定部分，其中初始化部分可分为4个步骤：(1)固定I和Q路在光功率为最大值点的偏置电压值，扫描P路偏置电压值，记录光功率最大值(MAX)点与最小值(NULL)点所对应的偏置电压值，从而找到中间值(QUARD)点的偏压值。(2)固定P路偏置电压在QUARD点的值，固定Q路偏置电压在NULL点，扫描I路偏置电压值，记录MAX点与NULL点所对应的偏置电压值。(3)固定P路偏置电压在QUARD点的值，固定I路偏置电压在NULL点，扫描Q路偏置电压值，记录MAX点与NULL点对应的偏置电压值。(4)依次迭代P、I和Q3路，重复多次，最终输出QUARD点和两种情况下NULL点的电压值。图1DPMZ调制器结构框图MZM的传输特性曲线如图2所示，依据该曲线设计初始化部分算法。一般调制点在NULL、MAX和QUARD点[3]。对于16QAM信号，调制器的最佳偏置点对应I、Q和P路的NULL、NULL和QUARD点。可根据输出光功率大小找到极值点从而找到工作偏置点。初始化算法中，扫描范围至少要大于一个Vπ，即包含一个波峰和一个波谷。图2MZM传输特性曲线跟踪锁定部分可分为4个步骤：(1)调整P路。发送I和Q两路扰动信号(Dither)，检测并记录输出光功率中发出的Dither拍频的谐波幅度大小。(2)确定调整方向，即正负号。将拍频幅度大小与上一次的进行对比，若谐波幅度增大，则将P路的偏置电压值减去一个步长值；若谐波幅度减小，则将P路的偏置电压值加上一个步长值，从而使得谐波幅度逐渐逼近最小值。(3)确定调整大小，即步长值大小。初始化得到3路偏置电压值，加上Dither后测出的谐波幅度值记录下来作为参考值。将测得的拍频幅度与参考值相比，得到对应的步长值。(4)重复上述步骤n次后调整I和Q路，方法相同。跟踪锁定部分在初始化部分的基础上进一步精确结果，并对工作偏置点进行实时锁定。跟踪锁定算法是在偏置电压上加入微小Dither，然后检测谐波幅度等信息作为自动偏压的反馈，利用反馈信号的谐波特征信息作为偏置稳定控制的基础。加入Dither后DPMZ调制器输出光功率与最大输出光功率之比为式中：Pout为输出光功率；Pmax为输出最大光功率；vI、vQ和vP分别为I、Q和P3路的偏置电压与半波电压(Vπ)的比值。上述方程的最后一项即为拍频项，可以得到如下结论：cos(πvP)为0即vP=k+0.5时(k为整数)，由于vP为P路的偏置电压与半波电压的比值，0.5个半波电压即为偏置电压工作在QUARD点上，则vI与vQ的输出拍频产生功率为0；cos(πvI/2)为0即vI=2k+1时，由于vI为I路的偏置电压与半波电压的比，1个半波电压即为偏置电压工作在NULL点上，此时I路在NULL点上，则vP与vQ的输出拍频功率为0；同理，当Q路工作在NULL点时，vP与vI输出拍频产生的功率为0[4]。通过检测谐波幅度来对偏置电压进行调整的实现方式是在3路偏置电压上加上一定频率的DitherfI、fQ和fP，然后对拍频幅度进行检测。通过判断频率为fI-fQ、谐波幅度为0，确定相位调制器工作处于QUAD点；通过判断频率为fQ-fP、谐波幅度为0，确定I路MZM工作处于NULL点；通过判断频率为fI-fP、谐波幅度为0，确定Q路MZM工作处于NULL点。2影响DPMZ调制器自动偏压控制算法结果的因素2.1影响初始化结果的因素扫描次数、扫描过程中每次调节的步长是影响初始化结果的主要因素。其中，扫描次数越多，最后得到的结果越接近真正的工作偏置电压点，但同时也会消耗更多的调节时间。当扫描次数足够多时，再增加扫描次数，由于此时已经接近跟踪算法的极限，精度不会再上升，反而会消耗更多调节时间，因此具体扫描次数需要根据实验来确定。每次扫描的步长也需通过实验来确定适当的值，因为在实际中，受到噪声等因素的影响，MZM传输特性曲线并不是十分平滑的，在极大值或极小值点可能是凸凹不平的，如果步长取得太小，可能使结果陷入极值附近，而到不了极值点；步长太大则很有可能直接跳过极值点。用现场可编程逻辑门阵列(FieldProgrammableGateArray,FPGA)实现该算法控制DPMZ调制器调制16QAM信号的实验数据，其中使用16位数/模转换(DigitaltoAnalog,DA)器件来输出偏置电压。16位DA器件对光/电转换后输出的光功率进行采样，每个步长差为14/16=0.875mV。表1中的数字均为16位DA器件的输入为16进制时输出到调制器的对应的偏置电压值。由表中数据可知，因为第3组数据选择的步长值最小且扫描次数最多，在理想状态下得到的偏置电压值应该是最准确的，但从平均值而言，其得到的结果波动较大，且平均值有所偏差(平均值应在8c00～8d00之间)，说明步长值太小，使得得到的结果陷在了极小值附近。扫描次数越多，理论上得到的结果越接近最小值，但是也会消耗大量的时间。如取扫描范围为6900～9300时，取步长为20，则要扫描150个点(扫描范围步长和扫描点个数均为16进制数)，因为每个点要多次采样取平均，每个点采样时间间隔取2ms，共有3路要扫描，多扫描一次就要花费150×2×3=2.016s。且从上表可以看出，步长值同为20，扫描次数为8次的第2组数据与扫描次数为5次的第4组数据相比，平均值与波动差别较小，因此在这种情况下，将扫描次数降为5次减少了大量时间，且得到的结果精确度相差不多。表1扫描范围为6900～9300时，不同步长和扫描次数得到的I路偏置电压值初始化次数偏置电压值/°a=40,b=8a=20,b=8a=5,b=8a=20,b=5a=20,b=318c008d408aa68b458b8428c508c008ae98c108c6538bb08c508b308c788b1548cf08cf08c178bea8ae7平均值8c3c8ca08b358c6d8b79注：a为步长值；b为扫描次数。2.2影响跟踪锁定结果的因素跟踪锁定部分发送Dither，然后检测Dither的拍频幅度并对初始化部分得到的偏置电压值做进一步调整。Dither过大，会增大系统代价；Dither过小，会被噪声淹没，无法对拍频进行检测。为了确定发出的Dither幅度对跟踪锁定结果的影响，做如下实验：发送不同的Dither幅度amp0、amp8、amp1和ampoff，其中amp8为amp0的1/2；amp1为amp0的1/16；ampoff是关闭Dither情况下的谐波曲线，即为噪声。在不同Dither幅度下，输入的偏置电压幅度与谐波幅度曲线的关系如图3所示。图3不同Dither幅度下，输入的偏置电压幅度与谐振幅度的曲线关系图由图3可知，Dither幅度越大，谐波幅度反馈的信号越大，信噪比越高，且曲线看起来最小值附近更加尖锐，有利于更好地控制偏置电压的精度。但Dither本身是人为在偏置电压上增加的Dither，会使其偏离最佳值点，影响整个系统性能，因此，在保证反馈值准确的前提下需要尽量降低Dither幅度。3实验结果经过上述实验确定相关参数后，将调制装置放入高低温箱中，24h温循测试背靠背自环比特误码率的稳定性。温循的最高温为45℃，最低温为-10℃，每0.5s采样输出一次比特误码率检测结果。温循测试结果如图4所示。从图中可知，当温度发生变化时，比特误码率偶尔会劣化到5×10-4；但当温度稳定后，比特误码率稳定在1.5×10-4～3.0×10-4之间。系统调整稳定后，输出光信号的星座图如图5所示，由图中数据可知，X路与Y路的误差向量幅度值(ErrorVectorMagnitude，EVM)分别可达8.9%rms与8.8%rms。可见，在温度稳定的条件下，DPMZ调制器在调制16QAM信号时使用本文所提算法，可以始终保持调制器工作在最佳偏置点上，即使温度发生变化，也能及时对偏置电压进行调整，确保其工作在最佳偏置点上。图4温循比特误码率测试结果图5输出光信号星座图4结束语本文提出一种DPMZ调制器自动偏压控制算法，该算法分为两个部分：初始化部分和跟踪锁定部分。初始化部分通过扫描光功率的方式，得到一组接近最佳工作偏置点的偏置电压；而跟踪锁定部分在初始化部分的基础上，通过检测谐波幅度的方式对偏置电压进行调整，使其逼近最佳工作偏置点。这种控制算法可以更好地使DPMZ调制器稳定工作，对高速率光模块的研究具有重要意义。参考文献：【相关文献】[1]曹建超,杨彦甫,朱宇鹏,等.基于IQ光调制的16-QAM光发射机多偏置电压反馈控制性能分析[J].激光与光电子学进展,2013,50(06):1-3.[2]SalvestriniJP,GuilbertL,FontanaMD,etal.AnalysisandContraloftheDCDriftinLiNbO3-basedMach-ZehnderModulator[J].JournalofLightwaveTechnology,2011,29(10):1522-1534.[3]李宇鹏.相干光系统中码型调制与锁相环技术的研究[D].北京：北京邮电大学,2015.[4]SotoodehM,BeaulieuY,HarleyJ,etal.ModulaterBiasandOpticalPowerControlofOpticalComplexE-FieldModulators[J].JournalofLightwaveTechnology,2011,29(15):2235-2248.',)