专利名称：偏置控制及驱动装置以及控制和驱动光强度调制器的方法
技术领域：
本发明涉及光通信技术领域，尤其涉及一种用于马赫-曾德尔 Mach-Zehender(M-Z)型光强度调制器的高精度偏置控制及驱动装置以及相应的控制和驱 动方法。
背景技术：
光调制器也称电光调制器，是高速、长距离光通信的关键器件，也是最重要的集成 光学器件之一。它是通过电压或电场的变化最终调控输出光的折射率、吸收率、振幅或相位 的器件。它所依据的基本理论是各种不同形式的电光效应、声光效应、磁光效应、载流子色 散效应等。在整体光通信的光发射、传输、接收过程中，光调制器被用于控制光的强度，其作 用是非常重要的。马赫-曾德尔Mach-Zehender (M-Z)型光强度调制器是将输入光分成两路相等的 信号分别进入调制器的两个光支路，这两个光支路采用的材料是电光性材料，其折射率随 外部施加的电信号大小而变化。由于光支路的折射率变化会导致信号相位的变化，当两个 支路信号调制器输出端再次结合在一起时，合成的光信号将是一个强度大小变化的干涉信 号，相当于把电信号的变化转换成了光信号的变化，实现了光强度的调制。近些年来，由于铌酸锂(LiNbO3)波导的低损耗、高电光效率等特性，铌酸锂在 2. 5Gb/s及更高速率的光调制器中得到越来越广泛的使用。基于马赫-曾德尔(M-Z)波导 结构的LiNbO3行波调制器已经成为现有系统中使用最广泛的调制器。衡量马赫-曾德尔(M-Z)型光强度调制器的重要参数包括消光比及输出的调制光 的波形和频率，所谓消光比是指高电平信号和低电平信号输出光的功率比值的对数，消光 比直接影响光接收端的灵敏度，消光比越大，接收端的灵敏度越高，但同时激光器的图案相 关抖动也增加，因此保持合适的消光比是非常重要的。对光强度调制器来说，消光比是受光 强度调制器的偏置输入电压控制的，该偏置输入电压为光强度调制器提供直流工作点，而 输出的调制光的波形和频率则受射频输入波形的影响，因此保证光强度调制器直流工作点 的稳定及选取合适的射频输入波形是非常关键的。然而，调制器一般都存在直流漂移，从而影响光强度调制器的消光比，进而影响光 强度调制器的可靠性，同时，对于LiNbO3电光调制器，还必须考虑同轴与微带的匹配过渡技 术，解决好同轴与微带的匹配过渡技术是保证微波信号输入阻抗匹配，降低反射损耗，实现 宽带工作的重要的一环。
发明内容
本发明提供一种偏置控制及驱动装置以及控制和驱动光强度调制器的方法，以解 决基于铌酸锂的M-Z型光强度调制器的直流漂移，匹配过渡等技术问题。为解决上述问题，本发明提出一种高精度控制装置，所述高精度控制装置包括温度控制电路模块，用于获取所述光强度调制器的温度信号，根据所述温度信号产生相应的温度调节信号并调节光强度调制器的温度；偏置电路模块，用于获取所述光强度调制器的PD输出信号，对所述PD输出信号进 行模数转换，生成偏压控制信号，控制光强度调制器的偏置电压大小；以及射频驱动电路模块，用于对一微波输入信号的波形进行调整，产生相应的射频信 号，并输入至所述光强度调制器。可选的，所述温度控制电路模块包括依次连接的高精度集成温度传感器、高精度 温度控制模块及制冷器，其中高精度集成温度传感器的输入端与所述光强度调制器连接， 制冷器的输出端与所述光强度调制器连接，高精度集成温度传感器读入光强度调制器的温 度信号，并将该温度信号转换为电平信号输出到高精度温度控制模块，高精度温度控制模 块将该信号转换为温度信号并与设定的标准温度进行对比，输出一控制信号到制冷器，制 冷器根据高精度温度控制模块输出的控制信号调整制冷的功率，从而调整光强度调制器的 工作温度。可选的，所述制冷器具有一散热金属外壳底座，所述散热金属外壳底座固定在光 强度调制器的风扇散热片上。可选的，所述散热金属外壳底座通过安装孔位固定在光强度调制器的风扇散热片 上，所述安装孔位与散热金属外壳底座之间的缝隙用导热脂填充。可选的，所述偏置电路模块包括依次串接的高精度PD光接收模块、高精度AD采集 器、微处理器及高精度D/A输出控制模块，所述光强度调制器输出一光信号，所述高精度PD 光接收模块将所述光信号转换成模拟电压信号，所述高精度AD采集器读入PD光接收模块 输出的模拟电压信号并将该模拟信号转换为数字信号，所述的微处理器读入高精度AD采 集器输出的数字信号并对该信号进行软件算法处理，输出一控制信号，所述高精度D/A输 出控制模块读入微处理器输出的控制信号，调节输出偏置电压及抖动电压的大小，其输出 端连接光强度调制器的偏置电压输入端。可选的，所述高精度PD光接收模块采用超低噪声运算放大器实现，其放大增益为 0 28dB之间的一任意增益值。可选的，所述高精度AD采集器包括AD前置放大器、AD转换器以及复杂可编程逻 辑器件，所述复杂可编程逻辑器件为所述高精度AD采集器提供时序控制。可选的，所述射频驱动电路模块主要包括高精度射频窄脉冲偏置驱动模块，所述 高精度射频窄脉冲偏置驱动模块包括输入端，输出端及同步信号输出端，所述输入端用于 接收所述微波输入信号，所述输出端与光强度调制器的射频输入端相连，所述同步信号输 出端用于输出射频同步信号供外部射频同步测试用。可选的，所述高精度RF窄脉冲偏置驱动模块采用高速RF放大器及微带的匹配过 渡技术进行设计。为解决上述问题，本发明还提出一种控制和驱动光强度调制器的方法，用于控制 光强度调制器的工作温度，直流工作点及射频输入，包括下列步骤获取光强度调制器的温度信号，根据所述温度信号产生相应的温度调节信号并调 节光强度调制器的温度，以使光强度调制器保持恒温；获取光强度调制器的PD输出信号，对所述PD输出信号进行模数转换，生成偏压控 制信号，控制光强度调制器的偏置电压大小；
根据一微波输入信号产生相应的射频信号，输入至光强度调制器。本发明所提供的偏置控制及驱动装置采用专用的动态自动搜寻控制电路实现，可 靠性高，电路简单。本发明所提供的控制和驱动光强度调制器的方法简单可靠，可实现光强度调制器 恒温、恒直流工作点和大带宽工作，同时消光比高，长期稳定。
图1为本发明实施例提供的偏置控制及驱动装置的总体结构示意图。
具体实施例方式以下结合附图和具体实施例对本发明提出的偏置控制及驱动装置以及控制和驱 动光强度调制器的方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和 特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比率，仅用以方 便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。本发明的核心思想在于，提供一种偏置控制及驱动装置，其可靠性高，电路简单。 同时提供一种控制和驱动光强度调制器的方法，该方法简单可靠，可实现光强度调制器恒 温、恒直流工作点和大带宽工作，同时消光比高，长期稳定。请参考图1，图1为本发明实施例提供的偏置控制及驱动装置的总体结构示意图， 如图1所示，该偏置控制及驱动装置包括温度控制电路模块100、偏置电路模块200和射频 驱动电路模块300，其中，所述温度控制电路模块100用于获取光强度调制器10的温度信 号，根据所述温度信号产生相应的温度调节信号并调节光强度调制器10的温度。所述偏置 电路模块200用于获取光强度调制器10的PD输出信号，对所述PD输出信号进行模数转换， 生成偏压控制信号，控制光强度调制器10的偏置电压大小。所述射频驱动电路模块300用 于对微波输入信号的波形进行调整，产生相应的射频信号，并输入至光强度调制器10。下面分别对所述温度控制电路模块100、偏置电路模块200和射频驱动电路模块 300进行具体说明，如图1所示，所述温度控制电路模块100包括依次串连的集成温度传感 器110、高精度温度控制模块120及制冷器130，所述集成温度传感器110的输入端与光强 度调制器10连接，所述制冷器130的输出端与光强度调制器10相连。所述高精度集成温 度传感器110读入光强度调制器10的温度信号，并将该温度信号转换为电平信号输出到高 精度温度控制模块120的温度反馈输入端，高精度温度控制模块120将该信号转换为温度 信号并与设定的标准温度进行对比，输出一控制信号到制冷器130，制冷器130根据高精度 温度控制模块输出的控制信号调整制冷的功率，从而调整光强度调制器10的工作温度。所述高精度温度控制模块120采用专用的控温集成电路实现。所述制冷器130具 有一散热金属外壳底座，所述散热金属外壳底座通过安装孔位固定在光强度调制器10的 风扇散热片上，所述安装孔位与散热金属外壳底座之间的缝隙用导热脂填充，从而可以更 好地散热。所述偏置电路模块200包括依次串接的高精度PD光接收模块210、高精度AD采集 器220、微处理器230及高精度D/A输出控制模块240，所述高精度PD光接收模块210与光 强度调制器10的PD输出端11相连，接收PD输出端11输出的光信号，并将所述光信号转换成模拟电压信号，所述高精度AD采集器220读入PD光接收模块210输出的模拟电压信 号并将该模拟信号转换为数字信号，所述的微处理器230读入高精度AD采集器220输出的 数字信号并对该信号进行软件算法处理，输出一控制信号，所述高精度D/A输出控制模块 240读入微处理器230输出的控制信号，调节输出偏置电压及抖动电压的大小，其输出端连 接光强度调制器10的偏置电压输入端12。所述高精度PD光接收模块210采用超低噪声运算放大器实现，其放大增益可控， 可实现0 28dB之间的任意增益值，通过对放大增益的控制，可使高精度PD光接收模块 210输出的信号幅度在一个合理的范围内。所述高精度AD采集器包括AD前置放大器、AD转换器以及复杂可编程逻辑器件 (CPLD)，所述CPLD为所述高精度AD采集器提供时序控制。所述射频驱动电路模块300主要包括高精度射频窄脉冲偏置驱动模块310，所述 高精度射频窄脉冲偏置驱动模块310包括输入端，输出端及同步信号输出端，所述输入端 用于接收微波输入信号，所述高精度射频窄脉冲偏置驱动模块310对该微波信号的波形进 行调整，并通过输出端将调整后的微波信号输入到光强度调制器10的射频输入端13，所述 同步信号输出端用于输出射频同步信号供外部射频同步测试用。所述高精度射频窄脉冲偏置驱动模块310的电路采用高速RF放大器及微带的匹 配过渡技术进行设计，保证了光强度调制器10的微波信号输入阻抗匹配，同时极大降低了 反射损耗，为外部RF信号输入提供偏置电压及驱动能力，从而实现光强度调制器10的大宽 带光调制工作。如图1所示，利用上述偏置控制及驱动装置来控制和驱动光强度调制器的方法包 括以下步骤(1)获取光强度调制器的温度信号，根据所述温度信号产生相应的温度调节信号 并调节光强度调制器的温度，以使光强度调制器保持恒温；具体的处理程序如下从高精度温度控制模块120的标准温度设定端设定光强度调制器10工作的标准 温度；由集成温度传感器110读入光强度调制器10的实际工作温度，并将读入的温度信 号转换成模拟电压信号；高精度温度控制模块120的芯片读入集成温度传感器110输出的模拟电压信号， 将该信号转换成温度信号，并由芯片内部的比例、积分、微分控制(PID控制)芯片对该温度 信号和设定的标准温度进行比较，输出一控制信号；制冷器130根据高精度温度控制模块120输出的控制信号调整其两端的电位差从 而调整其工作电流(即控制其制冷或加热的功率)，以此来实现对光强度调制器10的高精 度的温度控制，确保其恒温工作。(2)获取光强度调制器的PD输出光信号，该光信号对所述PD输出信号进行模数转 换，生成偏压控制信号，控制光强度调制器的偏置电压大小；具体的处理程序如下高精度PD光接收模块210将光强度调制器10的PD探测器11输出的反馈光信号 输入，并将该反馈光信号转换成合适的模拟电压信号；高精度AD采集器220将PD光接收模块210输出的电平信号读入，并对该信号进 行采集及模数转换；
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微处理器230读入高精度AD采集器220输出的信号，并对该信号进行软件算法处 理，输出一控制信号；高精度D/A输出控制模块240读入微处理器230输出的控制信号，调节输出偏置 电压及抖动电压的大小，其输出端连接光强度调制器10的偏置电压输入端12，以此来实现 高精度的光强度调制器的直流工作点控制，使光强度调制器的直流工作点恒定，从而使其 消光比稳定。(3)根据一微波输入信号产生相应的射频信号，输入至光强度调制器。具体的处理 程序为微波输入信号输入到高精度射频窄脉冲偏置驱动模块310的信号输入端，所述高 精度射频窄脉冲偏置驱动模块310根据需要对输入的微波信号的波形进和频率行调整，并 通过输出端输出到光强度调制器的射频输入端13，同时还通过同步信号输出端输出射频同 步信号供外部射频同步测试用，从而保证光强度调制器10输出的调制光的波形和频率符 合要求。并且由于高精度射频窄脉冲偏置驱动模块310的电路采用高速射频放大器及微 带的匹配过渡技术进行设计，保证了光强度调制器10的微波信号输入阻抗匹配，同时极大 降低了反射损耗，为外部射频信号输入提供偏置电压及驱动能力，从而实现光强度调制器 10的大宽带光调制工作。综上所述，本发明提供了一种偏置控制及驱动装置，该装置包括温度控制电路模 块、偏置电路模块和射频驱动电路模块。其可靠性高，电路简单。同时，本发明还提供了一种利用所述偏置控制及驱动装置来控制和驱动光强度调 制器的方法，该方法利用所述偏置控制及驱动装置的温度控制电路模块控制光强度调制器 的工作温度，利用偏置电路模块控制光强度调制器的直流工作点，利用射频驱动电路模块 控制光强度调制器射频输入信号的波形、频率及光强度调制器的工作带宽。该方法简单可 靠，可实现光强度调制器恒温、恒直流工作点和大带宽工作，同时消光比高，长期稳定。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精 神和范围。这样，倘若发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之 内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
权利要求
一种偏置控制及驱动装置，用于光强度调制器的偏置控制及驱动，其特征在于，包括温度控制电路模块，用于获取所述光强度调制器的温度信号，根据所述温度信号产生相应的温度调节信号并调节光强度调制器的温度；偏置电路模块，用于获取所述光强度调制器的PD输出信号，对所述PD输出信号进行模数转换，生成偏压控制信号，控制光强度调制器的偏置电压大小；以及射频驱动电路模块，用于对一微波输入信号的波形进行调整，产生相应的射频信号，并输入至所述光强度调制器。
2.如权利要求1所述的偏置控制及驱动装置，其特征在于，所述温度控制电路模块包 括依次连接的高精度集成温度传感器、高精度温度控制模块及制冷器，其中高精度集成温 度传感器的输入端与所述光强度调制器连接，制冷器的输出端与所述光强度调制器连接， 高精度集成温度传感器读入光强度调制器的温度信号，并将该温度信号转换为电平信号输 出到高精度温度控制模块，高精度温度控制模块将该信号转换为温度信号并与设定的标准 温度进行对比，输出一控制信号到制冷器，制冷器根据高精度温度控制模块输出的控制信 号调整制冷的功率，从而调整光强度调制器的工作温度。
3.如权利要求2所述的偏置控制及驱动装置，其特征在于，所述制冷器具有一散热金 属外壳底座，所述散热金属外壳底座固定在光强度调制器的风扇散热片上。
4.如权利要求3所述的偏置控制及驱动装置，其特征在于，所述散热金属外壳底座通 过安装孔位固定在光强度调制器的风扇散热片上，所述安装孔位与散热金属外壳底座之间 的缝隙用导热脂填充。
5.如权利要求1所述的偏置控制及驱动装置，其特征在于，所述偏置电路模块包括依 次串接的高精度PD光接收模块、高精度AD采集器、微处理器及高精度D/A输出控制模块， 所述光强度调制器输出一光信号，所述高精度PD光接收模块将所述光信号转换成模拟电 压信号，所述高精度AD采集器读入PD光接收模块输出的模拟电压信号并将该模拟电压信 号转换为数字信号，所述的微处理器读入高精度AD采集器输出的数字信号并对该信号进 行软件算法处理，输出一控制信号，所述高精度D/A输出控制模块读入微处理器输出的控 制信号，调节输出偏置电压及抖动电压的大小，其输出端连接光强度调制器的偏置电压输 入端。
6.如权利要求5所述的偏置控制及驱动装置，其特征在于，所述高精度PD光接收模块 采用超低噪声运算放大器实现，其放大增益为O 28dB之间的一任意增益值。
7.如权利要求5所述的偏置控制及驱动装置，其特征在于，所述高精度AD采集器包括 AD前置放大器、AD转换器以及复杂可编程逻辑器件，所述复杂可编程逻辑器件为所述高精 度AD采集器提供时序控制。
8.如权利要求1所述的偏置控制及驱动装置，其特征在于，所述射频驱动电路模块主 要包括高精度射频窄脉冲偏置驱动模块，所述高精度射频窄脉冲偏置驱动模块包括输入 端，输出端及同步信号输出端，所述输入端用于接收所述微波输入信号，所述输出端与光强 度调制器的射频输入端相连，所述同步信号输出端用于输出射频同步信号供外部射频同步 测试用。
9.如权利要求8所述的偏置控制及驱动装置，其特征在于，所述高精度RF窄脉冲偏置驱动模块采用高速RF放大器及微带的匹配过渡技术进行设计。
10. 一种控制和驱动光强度调制器的方法，用于控制光强度调制器的工作温度，直流工 作点及射频输入，其特征在于，包括下列步骤获取光强度调制器的温度信号，根据所述温度信号产生相应的温度调节信号并调节光 强度调制器的温度，以使光强度调制器保持恒温；获取光强度调制器的PD输出信号，对所述PD输出信号进行模数转换，生成偏压控制信 号，控制光强度调制器的偏置电压大小；根据一微波输入信号产生相应的射频信号，输入至光强度调制器。
全文摘要
本发明公开了一种偏置控制及驱动装置以及控制和驱动光强度调制器的方法。所述偏置控制及驱动装置包括三个电路模块，分别是温度控制电路模块、偏置电路模块和射频驱动电路模块。所述控制和驱动光强度调制器的方法为通过所述温度控制电路模块调节光强度调制器的工作温度，通过所述偏置电路模块调节光强度调制器的直流工作点，通过所述射频驱动电路模块调节光强度调制器的射频输入，降低反射损耗。本发明提供的偏置控制及驱动装置可靠性高，电路简单。利用本发明提供的控制和驱动光强度调制器的方法可实现光强度调制器恒温、恒直流工作点和大带宽工作，同时消光比高，长期稳定。
文档编号G05D25/02GK101807085SQ20101012346
公开日2010年8月18日 申请日期2010年3月12日 优先权日2010年3月12日
发明者仝芳轩, 周正仙, 席刚, 杨斌, 皋魏 申请人:上海华魏光纤传感技术有限公司