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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
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2021-02-25
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主要研究基于IQ光调制器的16进制正交振幅调制(16-QAM)光发射机中多偏置电压反馈控制性能,着重分析了装置内部两个马赫曾德尔调制器(MZM)的偏置电压与马赫曾德尔干涉仪(MZI)的偏置电压之间的协同控制问题,以及以光发射机的平均输出光功率作为反馈控制两个MZM偏置电压的监测信号所面临的多极值问题。研究证明了当MZM偏置电压处于传输曲线的最低点时监测的输出光功率为极值,且不受MZI偏置电压的影响。分析发现,合适的驱动信号幅度可保证两个MZM偏置电压的反馈控制过程中不存在多局部极值问题。
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激光与光电子学进展
50
,
060603
(
2013
)
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○
C
2013
《中国激光》杂志社
基于
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光调制的
16
犙
犃犕
光发射机多偏置
电压反馈控制性能分析
曹剑超
杨彦甫
朱宇鹏
姚
勇
(哈尔滨工业大学深圳研究生院,广东 深圳
518055
)
摘要
主要研究基于
IQ
光调制器的
16
进制正交振幅调制(
16QAM
)光发射机中多偏置电压反馈控制性能,着 重
分析了装置内部两个马赫 曾德尔调制器(
MZM
)的偏置电 压 与马赫 曾德 尔干 涉仪(
MZI
)的 偏 置 电 压 之 间 的 协 同
控制问题,以及以光发射机的平 均 输 出 光 功 率 作 为 反 馈 控 制 两 个
MZM
偏 置 电 压 的 监 测 信 号 所 面 临 的 多 极 值 问
题。研究证明了当
MZM
偏置电压处于传输曲线的最低点时监测的输出光功率为极值,且不受
MZI
偏置 电 压的影
响
。分析发现,合适的驱动信号幅度可保证两个
MZM
偏置电压的反馈控制过程中不存在多局部极值问题。
关键词
光通信;
16
进制正交振幅调制;
IQ
光调制器;偏置控制
中图分类号
O436
文献标识码
A
犱狅犻
:
10.3788
/
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060.2330
;
060.4080
;
060.4510
收稿日期:
20130331
;收到修改稿日期:
20130410
;网络出版日期:
20130522
基金项目:国家自然科学基金(
61205046
)、深圳市战略性新兴产业发展专项资金(
JCYJ20120613150130014
)、哈 尔滨工 业
大学科研创新基金(
HIT.NSFIR.2011131
)和哈尔滨工业大学深圳研究生院重点实验课程建设项目资助课题。
作者简介:曹剑超(
1988
—),男,硕士研究生,主要从事下一代超高速光通信系统方面的研究。
Email
:
q
dw
y
xcao
@
126.com
导师简介:杨彦甫(
1981
—),男,博士,副教授,主要从事高阶光调制/编 码技 术、超 高速 光通 信系 统和 全光 信号 处理 等方
面的研究。
Email
:
y
an
gy
anfu
@
hotmail.com
(通信联系人)
1
引
言
近年来互联网数据业务迅猛增长,对骨干光传输系统容量提出了更为苛 刻的 要求。工 业界 和科 研界 正
将目光转向下一代
400Gb
/
s
乃至
1TGb
/
s
的高容量光通信系统,而未来支撑超高速大容量光传输的先进
技术包括先进调制格式及编码技术
[
1
]
、新型 多 模传输 及 多孔传 输 光纤技 术 和相干 光 检测及 非 线性补 偿 等。
其中,高阶多电平光调制技术是实现高频谱效率和大容量的关键技术之一
[
2
]
。随着基于偏振复用(
PDM
)正
交相移键控(
QPSK
)调制格式的
100G
光传输技术开始商用推广,下 一代
400G
光通 信系 统及 关键 技术 逐
0606031
50
,
060603
激光与光电子学进展
www.o
p
tics
j
ournal.net
渐成为研究热点。偏振复用
16
进制正交振幅调制(
16QAM
)格式 在频 谱效 率、噪声容 限和 非线 性容 限等 三
个关键指 标方 面具 有优 异的 综合 性能,因此正成为
400G
系统 的备 选调 制格 式之 一。相比
QPSK
光调制,
16QAM
光调制需要更为复杂的装置及相 应的 使能 控制 技术。 目前常见的
16QAM
调制 装置 一般 分为 以
下几种:
1
)多个调制器级联,例如将
IQ
光调制器、马赫 曾德尔调制器(
MZM
)、相位调制器(
PM
)依次级联
[
3
]
或两个
IQ
光调制器级联
[
4
]
;此方法需多个分立的调制器,会 导致 插损 过 大,不利于 远 距离传 输。
2
)多个调
制器并联,例如两个
IQ
光调制器并联
[
5
,
6
]
;该方法调制结构复杂,系统成本高。
3
)采用四电平信号驱动单个
IQ
光调制器
[
7
,
8
]
;该方法结构简单,损耗小,本文将研究这种调制装置下的偏置点控制性能。
常见的
IQ
光调制器由两 个
MZM
并 联 在 马 赫 曾 德 尔 干 涉 仪 (
MZI
)的 两 臂 上 组 成,为 了 生 成 理 想 的
16QAM
信号,应将两个
MZM
的偏置电压控制在传输曲线的最低点,将
MZI
的偏置相位控制在
π
/
2
。但是
由于环境温度、激光器光功率和器件老化等因素的影响,偏置电压会发生缓慢漂移,这将大大影响信号的质
量。因此,为保持传输系统的稳定,对偏置电压进行自动反馈控制是非常重要的。 关于该问题,普遍采用以
下几种控制方案:监测平均输出光功率
[
9
~
11
]
及其方差
[
12
]
,监测非 对称 抖动 信号
[
13
,
14
]
等。然而 这些 方案 大部
分都是 针 对
QPSK
信 号 的 偏 置 控 制 方 法,对
16QAM
信 号 自 动 反 馈 控 制 的 研 究 相 对 较 少。 本 文 分 析 了
16QAM
光发射机中多偏置电压反馈控制的性能,重点关注
MZM
偏置电压与
MZI
偏置 电压 的协 同控 制问
题以及将平均输出光功率作为反馈参量同时控制两个
MZM
的偏置电压时存在的多极值问题。
2
16QAM
光发射机及偏置控制方案
图
1
显示的是典型的
16QAM
光发射机结构,由两个
MZM
并联在一个
MZI
的两臂上组成,每个
MZM
均由四电平信号驱动。其中,驱动信号的
4
个电平值均匀分布,当
MZM
的两个偏置电压
犞
b1
和
犞
b2
偏置在传
输曲线最低点
犞
π
时,会得到两个相互独立的四进制幅度和相移键控(
4APSK
)。此时,再将
MZI
的偏 置相
位
φ
控制在
90°
,两个
4APSK
信号将耦合得到
16QAM
信号。
图
1 16QAM
光发射机偏置电压反馈控制示意图
Fi
g
.1 Schematicof16QAM o
p
ticaltransmitterbiasvolta
g
efeedbackcontrolblock
关于
16QAM
光发射机的偏置控制问题,拟分析的反馈控制方案如图
1
所示。光发射机的输出光信号
通过耦合器分成三路,一路作为输出信号,另 两 路 作 为 监 测 信 号,其 中 一 路 经 过 低 响 应 速 率 的 光 电 探 测 器
(
PD
),进入偏置控制模块,通过监测平均输出光功率的极值对
MZM
的偏置电压进行反馈控制;另一路经高
响应 速 率 的 光 电 探 测 器 及 肖 特 基 探 测 管,监 测 肖 特 基 探 测 管 输 出 的 极 大 值,将
MZI
的 偏 置 相 位 控 制 在
90°
[
15
]
。然而,在研究方案的具体实现中,以 下两 个问 题并 没 有分析 过:
1
)
16QAM
光发射 机 中多个 偏 置电
压间的协同控制问题;
2
)基于监测平均光功率同时控制两个
MZM
的偏置电压时存在的多极值问题。所以,
本文将针对以上两个问题进行重点分析。
3
16QAM
多偏置电压协同控制分析
假设驱动信号以及偏置电压均采用推拉方式加载,则单支
MZM
的电场表达式为
犈
犽犔
=-
犈
in
cos
犞
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犼
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1
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0606032
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