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介绍了一种应用于光纤时频传递秒脉冲信号(1PPS)调制的马赫-曾德尔调制器(MZM)偏置点反馈控制系统。本系统将电光调制器的偏置点设置在传输曲线的最小值点(Null)和正斜率正交点(Quad+)之间的线性区域,利用光电二极管(PIN)探测输出1PPS信号的低电平电压的波动来检测偏置点的漂移。对测量到的电压信号进行数字处理后通过控制偏置点反馈系统来稳定调制器的偏置点。对反馈控制理论进行了原理推导,并与基于微扰理论的商用偏置点稳定系统进行了对比实验。实验证明该系统可以避免微扰信号对1PPS传输稳定性的影响,传递性能优于商用偏置点稳定系统。实验结果表明,1PPS 传递时延波动的峰峰值为174 ps,均方根值(RMS)为18 ps,在平均时间为104 s时,1PPS的时间阿伦方差(TDEV)下降到1.7 ps。
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第 42 卷 第 9 期
2015 年 9 月
Vol. 42, No. 9
September, 2015
中 国 激 光
CHINESE JOURNAL OF LASERS
0905002-
应用于秒脉冲传递的电光调制器反馈控制系统
程 楠
1
陈 炜
1
刘 琴
2
徐 丹
1
杨 飞
1
桂有珍
2
蔡海文
1
1
中国科学院上海光学精密机械研究所上海市全固态激光器与应用技术重点实验室, 上海 201800
2
中国科学院上海光学精密机械研究所中科院量子光学重点实验室, 上海 201800
摘要 介绍 了一种应 用于光纤 时频传递秒脉冲信号(1PPS)调制的 马赫-曾 德尔调制 器(MZM)偏置点反馈控制系 统。
本系 统 将电光调制 器 的偏置点设 置 在传输曲线 的最小值点(Null)和正 斜 率正交点(Quad+)之间的线 性区域,利用 光
电二极管(PIN)探测输出 1PPS 信号的低电平电压的波动来检测偏置点的漂移。对测量到的电压信号进行数字处理
后通过控制偏置点反馈系统来稳定调制器的偏置点。对反馈控制理论进行了原理推导,并与基于微扰理论的商用
偏置点稳定系统进行了对比实验。实验证明该系统可以避免微扰信号对 1PPS 传输稳定性的影响,传递性能优于商
用偏置点稳定系统 。实验 结果表 明,1PPS 传递时延 波动的 峰峰值 为 174 ps,均方根值(RMS)为 18 ps,在平均时间为
10
4
s 时,1PPS 的时间阿伦方差(TDEV)下降到 1.7 ps。
关键词 光纤光学; 偏置点控制; 马赫-曾德尔调制器; 秒脉冲; 时频传递;
中图分类号 O439 文献标识码 A
doi: 10.3788/CJL201542.0905002
Feedback Control System of Electro-Optic Modulator Used for
Transferring One Pulse per Second
Cheng Nan
1
Chen Wei
1
Liu Qin
2
Xu Dan
1
Yang Fei
1
Gui Youzhen
2
Cai Haiwen
1
1
Shanghai Key Laboratory of All Solid-State Laser and Applied Techniques, Shanghai Institute of Optics and Fine
Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 201800, China
2
Key Laboratory for Quantum Optics, Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics, Chinese Academy
of Sciences, Shanghai 201800, China
Abstract A bias point feedback control system of Mach-Zehnder modulator (MZM) for transferring one pulse per
second (1PPS) is used in time and frequency transfer via optical fiber. The low-level voltage of the 1PPS output
by photodiode is used to measure the drift of the bias point, which is set between minimum point (Null) and
orthogonal point of positive slope (Quad+) on transmission curve. The measured signal is digitally processed and
used to control the feedback system to stabilize the bias point. The theoretical derivation of the principle is
described and the performance of the system is compared with that of commercial bias point stabilized system based
on dither method. The experimental results show that the behavior of our system is better, and the instability results
from the dither can be avoided. The peak-peak fluctuated value of the propagation delay of the 1PPS is
174 ps
,
and the root-mean-square (RMS) value is 18 ps. The time deviation (TDEV) of the 1PPS for the averaging time of
10
4
s decreases to 1.7 ps.
Key words fiber optics; bias point control; Mach-Zehnder modulator; one pulse per second; time and frequen ⁃
cy transfer
OCIS codes 060.2360; 120.3930; 120.7000; 060.4080; 250.4110
收稿日期: 2015-03-23; 收到修改稿日期: 2015-04-21
基金项目: 国家自然科学基金(61405212)
作者简介: 程 楠(1985—),男,博士研究生,主要从事光纤时频传递方面的研究。E-mail: chengnan98@siom.ac.cn
导师简介: 蔡海文(1975—),男,博士,研究员,主要从事光纤传感、光纤时频传递等方面的研究。
E-mail: hwcai@siom.ac.cn(通信联系人)
1
中 国 激 光
0905002-
1 引 言
高精度 时频传 递在时钟比对、甚长基 线干涉 和导航等领域扮演重要角 色。相 较于卫 星时频传递系统,
光纤具有损耗低、受外界环境影响较小等优点,使得光纤时频传递 作为一 种更佳 的传输 方式在 近些年得到
了迅速的 发展
[1-4]
。在时频 传递系统中通常采用电光转换将电信号调制到光载波上,而马赫-曾德尔调制器
(MZM)因其具有高线性度、大调制带宽和低啁啾等优点,因此得到了广泛的运用
[1-2]
。
时间信号的 传递 方式通常有 2 种:1) 将秒 脉冲(1PPS)信号通过 相位 调制的方式 调制 到高 码率的数字 信
号上传递到 远端 再解 调出 1PPS
[3]
,2) 直 接传 递 1PPS 信号
[2]
。第 1 种 方式 需要 复杂的调制 解调 器
[5]
,同 时在 时
间信号的调制解调过程也会引入时间抖动。而第 2 种方式无需对 1PPS 进行调制解调,简化了系统的同时避
免了信号的调制解调带来的时间抖动。时间信号的传递系统中,需要采用时间间隔测量仪器(TIC)测量从光
纤链路 中返 回的 1PPS 和 本地 参考时钟输 出的 1PPS 的 时间 差,进而 计算信号传 输时延。而 TIC 通 常采用脉
冲上升沿触发检测的方式来标定时间信号的到达时间
[6]
。因此 1PPS 的上升沿的变化会导致测量时延值的波
动。而 MZM 在长期使用的过程中,传输函数会因为温度或老化等原因导致预先设定好的偏置点产生漂移,
使得探测器接收到的秒脉冲信号的上升沿发 生改变 ,影 响时间 信号传 递的稳 定度,因此 需要有一个反馈补
偿系统来稳定调 制器的偏置点。 常用的 稳定偏置点的方 法主要有微扰法
[7]
和光强探测法
[8]
。微扰法通过在
直流偏置电压上引入一个千赫兹级的正弦扰动信号,检测该扰动信号的谐波来检测偏置点的漂移情况。但
是对于 1PPS 信号来说微扰信号会引入噪声增加触发检测的不确定度
[9-10]
,同时因为 1PPS 信号是一个极低重
复频率的宽带信号,采用滤波的方法很难将微扰信号滤除,因此微扰法并不适用于 1PPS 调制系统。现有的
光强探测法 通常需要检 测信 号的平均功 率
[11]
,而 1PPS 的重 复频率极低 并且占空比 极小 (高电平持 续时 间为
20 ms),所以信号的平均功率低很难被检测;并且,当需要将偏置点控制在传输曲线的最小值点(Null)时,需要
借助其他手段才能判断调制器偏置点的漂移方向
[12-14]
,这无疑增加了系统的复杂程度。
本 文 针 对 1PPS 信 号 的 特 性 提 出 了 一 种 适 用 于 时 频 传 递 系 统 的 电 光 调 制 器 偏 置 点 反 馈 控 制 系 统
(BPCS)。调制器的偏置点稳定在 Null 点和正斜率正交点(Quad+)之间,通过检测 1PPS 信号的低电平电压值的
波动情况来反馈控制调制器的偏置点。无需检测信号的平均功率,同时无需其他手段便可准确判断出偏置
点的漂移方向。该反馈控制系统简洁可靠,可以满足时频传递系统长时间稳定工作的需求。
2 原理和实验
图 1 左边的曲线为 MZM 的传输特性曲线,V
π
为调制器的半波电压,Peak 、Null 和 Quad+分别为调制器输
出功率最大值、最小值和正斜率正交的电压偏置点。图 1 右边的曲线是调制 1PPS 的光信号经过光电转换后
输出的电信号。 从图 1 可知 ,当 调制器的偏置电 压设定 为 V
s
时,调制了 1PPS 的光信号输入探测 器后输出的
电信号为 V
1
,V
1
的高电平电压和低电平电压分别为 V
LS
和 V
HS
。V
LS
可以表达为
V
LS
=
ℜR
L
kP
i
2
ì
í
î
ü
ý
þ
1 + cos
é
ë
ê
ù
û
ú
π
æ
è
ç
ö
ø
÷
V
LP
+ V
S
V
π
, (1)
式中
ℜ
是探测器 的响应度 ,R
L
是探测器 的负载阻 抗,k 为电光 调制器插 入损耗,P
i
是输入到 电光调制 器的光
功率,即激光器的输出光功率。V
LP
表示调制器 射频(RF)端输入的 1PPS 的低电平电压,V
S
表示此时电 光调制
器偏置电压。同理,V
s
的高电平电压 V
HS
可以表达为
V
HS
=
ℜR
L
kP
i
2
ì
í
î
ü
ý
þ
1 + cos
é
ë
ê
ù
û
ú
π
æ
è
ç
ö
ø
÷
V
HP
+ V
S
V
π
. (2)
当调制器的传输曲线发生漂移时,如果此时的偏置电压保持 V
s
不变,调制后的 1PPS 信号会产生漂移,如
图 1 中右图的蓝色曲线所示,漂移后的 1PPS 信号为 V
2
,V
2
的高电平和低电平电压分别为 V
LA
和 V
HA
。由(1)式和
(2)式可以推出 V
LA
和 V
HA
分别为
V
LA
=
ℜR
L
kP
i
2
ì
í
î
ü
ý
þ
1 + cos
é
ë
ê
ù
û
ú
π
æ
è
ç
ö
ø
÷
V
LP
+ V
S
V
π
+ Δϕ =
ℜR
L
kP
i
2
ì
í
î
ü
ý
þ
1 + cos
é
ë
ê
ù
û
ú
π
æ
è
ç
ö
ø
÷
V
LP
+ V
S
+ ΔV
V
π
, (3)
2
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