光电器件研究与应⽤
⾼速光模块调制器偏压控制技术
郝晓曦，胡 毅，蔡 亮
(光纤通信技术和⽹络国家重点实验室武汉电信器件有限公司，湖北武汉 430074)
摘要:⽂章通过对偏压控制点产⽣偏移的原理和过程进⾏分析，提出了解决偏压控制点偏移的⽅法。通过增加微处理器控制单元(MCU )使得传统模式的偏压控制能够实现控制模式的⾃动切换，同时，数字化的偏压控制电压能使偏压控制更加精确和稳定。
关键词：微处理器控制单元；偏压；偏压控制中图分类号:TN256 ⽂献标识码:A ⽂章编号:100528788(2009)0120045203
哈特曼光阑
Bias control technology for high speed optical modulators
H ao Xiaoxi ,H u Yi ,C ai liang
(SK L of OCTN ,Wuhan Telecommunication Devices Co.,Ltd.,Wuhan 430074,China )
Abstract :In this paper ,a scheme for removing the shift of bias control points is presented on the basis of analyzing the principle and process of the shift and the automatic switchover of the control mode can be realized for the bias control in the conventional mode by increasing the Multipoint Control Units (MCU ).At the same time ,the digitalized bias control voltage enables the bias control to be more accurate and stable.K ey w ords :MCU ;bias ;bias control
信息技术的飞速发展，使得更⾼速、更⼤容量的数据传输成为必然的要求。随着40Gbit/s 系统的逐步商业化和100Gbit/s 系统的投⼊研究,⾼速系统的⼀些关键技术越来越被⼈们所重视。⽽⾼速传输模块的调制器偏压控制就是这些关键技术之⼀。偏压控制的好坏以及控制精度的⾼低都直接影响着发送光信号的质量、信号的传输距离等，因此，研究和探索偏压控制技术是⾼速光模块研发过程中不可或缺的⼀环。 1 偏压控制技术产⽣的背景
众所周知,⽬前的光电调制器在使⽤过程中往往由于调节电压信号幅度的不同使得调制后的光信号呈现出不同的正弦曲线。但是，设备在运⾏过程中产⽣的热造成的变化以及长期运⾏⽼化都易使电光调制器的特性发⽣改变，导致调制器的理想控制点从预设点处产⽣漂移。漂移的结果是调制后的光信号的
正弦曲线振幅和中⼼位置发⽣改变，从⽽使光眼图劣化。当发⽣严重漂移时，从接收到的光信号中⽆法恢复出原有信息。为了解决上述控制点漂移问题，研究⼈员提出了调制器偏压控制技术，通过实验证实，偏压控制技术可以很好地解决上述控制点漂移问题。
2 偏压控制技术的理论依据
在调制器的使⽤过程中，由于调制器的热电性、
光敏感性以及本⾝的光导特性等作⽤使设备在长期运⾏或者外在⼯作温度发⽣变化的情况下，其最佳⼯作点易发⽣变化或漂移。图1所⽰为最佳⼯作点发⽣变化或漂移时信号的变化情况
。
图1 最佳⼯作点漂移时产⽣的信号变化当传递曲线由a 漂移到b 时，在偏置电压V 0的作⽤下，右移的特征曲线将使得平均输出光功率由L 1增加ΔL ，达到L 2的⾼度，但是，输出光波形幅度⼤幅减⼩。当传递曲线由c 漂移到d 时，在偏置电压V 0的作⽤下，右移的特征曲线将使得平均输出光功率由L 1减少ΔL ，达到L 2的⾼度。
左移特征同理可推出。
根据以上分析可知，当发⽣轻度漂移时，平均光
收稿⽇期:2008209218
作者简介：郝晓曦(19812)，男，湖北随州⼈，硕⼠研究⽣，主要研究⽅向为⾼速光通信技术。
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统一认证管理系统42009年 第1期(总第151期)
光通信研究
STUD Y ON OP TICAL COMMUNICA TIONS
2009.02(Sum.No.151)
功率改变不多，输出光波幅度变化不⼤，产⽣轻度误码；当发⽣严重漂移时，平均光功率改变，同时输出
光波形幅度变化很⼤，产⽣的信号将由于误码严重⽽不可探测，如图2所⽰
。
图2 最佳⼯作点漂移时造成的眼图变化
3 实现偏压控制的⽅法
偏压控制的⽬的是使调制器的理想控制点始终保持在某个最佳点附近(波峰、波⾕、Quad -、Quad +)，使接收到的眼图清晰可辨。根据上述偏压控制技术的理论分析，得出两种可以对调制器进⾏偏压控制的主要⽅法。第⼀种是通过输出平均光功率的变化情况，来进⾏偏压控制。这种⽅法简单直观，实现起来⽐较⽅便，但是，它存在⼀个致命的问题———当输⼊光信号是⼀个⼤信号时容易失效。第⼆种是通过⼀个外加⼩信号对输⼊光信号进⾏标记，然后通过标记后的光信号进⾏偏压控制。因为⼩信号的标记，使得偏压控制时不再以输⼊光信号为参考标准⽽是以标记段的光信号作为参考标准，该⽅法的优点是不管输⼊光信号是⼤信号还是⼩信号都可以进⾏偏压控制。除此之外，偏压控制的⽅法还有恒定电压控制法、恒定光功率控制法、光功率平衡控制法和抖动控制法。抖动控制法⼜分为加抖动法和乘抖动法，下⾯主要以乘抖动法为例进⾏分析。图3为乘抖动法偏压控制原理图 。
图3 乘抖动法偏压控制原理图
4 抖动偏压控制过程分析
通过1%的取样光纤将通过调制器输出的光信号投射到光电⼆极管(PD )上，将光信号转变成⾼速电信号。此时，在所得到的电信号中包含3种主要的信号：输出射频信号(RF )、抖动信号基波以及抖动信号和RF 信号产⽣的⼆次谐波。这3种信号的关系如图4所⽰
。
图4 从PD 处接收到的电信号
此时，可通过⼀个五阶带通滤波器滤除抖动信号的基波(Quad point s 模式)，得到⾼频RF 信号和抖动信号的⼆次谐波信号。由于抖动信号是⼀个低频信号，所以再⽤⼀个低频探测器就可以将⾼频数据信号滤除，从⽽完全得到抖动信号的⼆次谐波。通过⼀积分电路检测出⼆次谐波的V π，得到偏压控制Quad +(Quad -)点应该补偿的电压，进⽽对调制器进⾏偏压控制；另⼀种调制⽅式是通过⼀个五阶带通滤波器滤除抖动信号的⼆次谐波(Peak/Null 模式)，得到⾼频RF 信号和抖动信号基波的混合，再通过低频探测器滤除⾼频信号后，得到抖动信号的基波。⽤积分电路检查出抖动信号基波的V π，从⽽
得到偏压控制Peak/Null 点应该补偿的电压，进⽽对调制器进⾏偏压控制。
对于不同的调制码型有时会碰到使⽤不同控制点进⾏偏压控制的问题。此时，可以使⽤⼀个MCU 对滤波器进⾏选择，同时使⽤MCU 对DC bi 2as (偏压)进⾏控制，使得整个偏压控制器实现全⾃动调节，并且调节精度的稳定性⽐传统的调节⽅式更加可靠。改进后的乘抖动法控制原理如图5所⽰。
偏压控制器的输出端连接到⼀个直流偏置源上，偏置源的输出连接到调制器的偏压输⼊端。同
时，调制器还连接数据信号的输⼊和光能量的输出
源(激光器)。偏压控制器可以包含⼀个PD (当调制
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4光通信研究2009年 第1期 总第151期
图5 改进后的乘抖动法控制原理图
器⾃带PD的时候可以不要⾃带PD)。PD后⾯紧跟⼀个低频功率探测器和⼀个可选的低通滤波器(提供调制器输出平均光功率信息)。低频功率探测器可以是⼀个低频波峰探测器，它的输出是MCU 的输⼊
采样信号。低通滤波器连接到PD的输出，然后输出⼀个直流电压到MCU中,MCU则产⽣⼀个输出信号到可调偏压源处。
上述原理图中，调制器偏压控制系统的好处在于使⽤输⼊的数据信号本⾝作为测量偏压控制点的检测⼿段。例如，如果想要使⽤Quad点进⾏偏压控制(这个点就是通过⼀个电调制信号产⽣⼀个最⼤的光调制信号的偏压控制点)，只要不断地使调制器产⽣最⼤调制光信号输出就可以了，此时的偏压就是调制器的最佳控制点。当使⽤M2Z调制器的Peak/Null点进⾏控制时，同样可以使⽤输⼊的数据信号来测量，进⽽得到控制点。
5 结束语
偏压控制技术是⽬前⾼速调制器稳定⼯作的必要⼿段。上述增加MCU控制的偏压控制不仅具有以前偏压控制的所有特点，还可以完全实现控制点电压的⾃动调节功能，并具有更⾼的精度和更稳定的性能，在实际应⽤过程中可以⼤⼤降低⼈⼒的投⼊,⾮常适合⼤量⽣产时的批量设定。
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