校准通信系统中的压控光学部件

本发明涉及一种用于设置通信系统中的压控光学部件的操作的 方法和装置，特别地，虽然不排除其它，但本发明涉及例如马赫- 曾德尔干涉仪(Mach-Zehnder interferometer)的光调制器，具体说， 涉及用铌酸锂制造的这种干涉仪。

铌酸锂(LiNbO3)马赫-曾德尔干涉仪，称为MZ装置，是一 种具有周期性光衰减/电压特性曲线的压控光衰减器。其主要用于 DWDM(密集波分复用)应用中，其中，通过远程光纤传输精确控 制的光波长(通常称为波长信道)集。这种设置允许单根光纤以极 高的带宽传送数字数据。当插入发射激光器的输出端处的光路径中 时，MZ装置可用于提供两种不同的功能：

i.用于精确控制特定波长的光功率电平；

ii.用于采用高速数字数据来调制光信号。

从控制的观点来看，两种功能几乎是相同的。唯一的显著区别 在于，用于调制的MZ装置通常具有两个差分输入信号。一个传送 高速数据，而另一个用于设置该装置的偏置点。本发明与上述功能i 和ii均相关。但是，在功能ii的情况下，偏置方面尤其令人关注。

图1显示说明MZ装置的工作原理的框图。光(光辐射)从光 缆进入MZ装置，在S处分成两条路径。每条路径通过一半入射光 功率。沿各路径传播的光经历由铌酸锂(LiNbO3)薄片引入的一段 相应的延迟。通过将电场(即外部控制电压V1和V2的结果)施加 到LiNbO3上，就可以改变延迟。沿两条路径传播(其中每条都经历 一段可能的延迟)的光在馈送到输出光缆之前在C处混合。

可以看出，输出幅度与输入幅度的比率随两条路径之间的延迟 差变化。如果这种延迟为τ，而特定光波长的角频率为ω，则：

幅度比率＝输出幅度/输入幅度＝0.7071(1+cos(ωτ))0.5

于是得到相应的功率比(即输出功率/输入功率)为升余弦响应：

功率比＝1/2(1+cos(ωτ))，

如果一个控制电压是固定的，而另一个是可变电压V(忽略缺 陷和非线性)，可得到：

功率比＝1/2(1+cos(π(V-V0)/Vπ))，

其中，Vπ和V0均是常数。Vπ表示输出功率连续波峰和波谷之间 的电压差，而V0表示导致最大输出功率的控制电压。尽管V0是多值 的，但通常引用其最接近零伏的值。

图2显示说明功率比随所加控制电压V变化的曲线：V-P特性 曲线。应注意，Y轴的刻度相对于功率是线性的。还应理解，归一 化的光衰减随控制电压的变化(电压/光衰减特性曲线)为图2中功 率比随所加控制电压V变化的倒数，以致当控制电压＝V0时，功率 比处于最大值，而光衰减相应处于最小值。

如上所示，常数V0和Vπ是控制MZ装置的关键。遗憾的是，这 些所谓的常数实际上是依赖于以下这些因素的变量：

i.制造公差(它们的制造后值难于控制)。

ii.老化(它们的值随使用时间而漂移)。

iii.环境条件(例如温度)。

任何设计用于维持某些规定输出功率电平的控制电路因此需要 执行以下这些概念步骤：

(a)测量输出光纤处的功率电平(P)。

(b)将(P)与所需值相比较(所需值可以是可变的)。

(c)调节控制电压(V)，以便使P朝着所需功率变化。

步骤(c)要求知道“V-P特性曲线”斜率的符号，以便反馈环 路可施加抵消输出中不想要的变化的误差校正信号。万一控制电压 偏移在选定的特性曲线的π段(即Vπ)，那么因为正反馈将存在，导 致误差增加，故控制机制可能失败。甚至由例如瞬间噪声引起的控 制电压中的瞬间变化都足以导致这种结果。控制环路于是将失控， 直到达到下一π段，这时负反馈将再次恢复。然而，在远离最靠近V ＝0的π段的π段中工作意味着装置使用不必要的高电压工作，导致 较大的电应力，增加了不稳定性并有可能导致较短的工作寿命。于 是唯一的选择是把控制电压V设置为某初始条件，然后重新启用控 制环路。

因此有必要校准装置以便为控制电压V确定一个可接受的初始 条件，该初始条件将确保在特性曲线的选定的π段中启动控制环路， 并且该初始条件适当地避开V-P(电压/光衰减)特性曲线的转折点。

根据本发明的第一方面，提供一种装置，用于设置具有周期性 电压/光参数特性曲线的压控光学部件的工作电压，该装置的特征在 于：可用于将施加到压控光学部件上的电压设置为预定初始值的部 件；用于测量光参数的部件；相对于预定值顺序逐步增大和减小电 压的部件以及用于确定产生光参数的最大值和最小值的相应电压值 的部件；以及用于确定位于所述最大值和最小值之间的部分所述周 期性特性曲线斜率的含义的部件；且其中可用于设置电压的部件将 电压设置为最大和最小电压值的中间值。

有利的是，当把压控光学部件用于通信系统中传送通信量时， 所述装置还包括这种部件：用于检测通信量存在与否并响应对通信 量不存在的检测，使所述装置设置压控光学部件的工作电压。

本发明特别适用于压控光学部件是光调制器且光参数为光衰减 或光功率的情况。较可取的是压控光学部件是马赫-曾德尔干涉仪， 最好是铌酸锂干涉仪。

根据本发明的第二方面，提供一种包括上述装置的通信系统。

根据本发明的再一方面，提供一种方法，用于设置具有周期性 电压/光参数(光功率)特性曲线的压控光学部件的工作电压，所述 方法的特征在于：将施加到压控光学部件上的电压设置为预定初始 值；测量光参数；相对于预定值顺序逐步增大和减小电压并确定产 生光参数的最大值和最小值的相应电压值；确定位于最大值和最小 值之间的部分周期性特性曲线斜率的含义；以及将电压设置为最大 和最小电压值的中间值。

有利的是，当把压控光学部件用于通信系统中传送通信量时， 所述方法还包括检测通信量存在与否并响应对通信量不存在的检测 而设置压控光学部件的工作电压。较可取的是，压控光学部件为光 调制器且所述光参数为光衰减或光功率。压控光学部件最好是马赫 -曾德尔干涉仪，最好是铌酸锂干涉仪。

现将参照附图对本发明的实施例加以说明，但仅作为非限制性 示例。

图1是公知马赫-曾德尔干涉仪的示意图；

图2是图1所示干涉仪的电压/光衰减特性曲线的示意图；以及

图3是根据本发明的用于校准如马赫-曾德尔光调制器之类的 压控光学部件的电路的框图。

参照图3，它显示根据本发明的用于校准/操作铌酸锂马赫-曾 德尔光调制器(干涉仪)的电路。该电路提供一种自校准机制，只 要有必要，该机制就会确定V0和Vπ的值。需要校准控制电压的情况 包括：

·电路初始上电时校准；

·只要功率控制环路因任何原因失效时校准；

·只要在受控关闭之后开启激光器时校准；

·只要电路没有承载流量就定期校准；

·出于测试目的手动校准。

由所述电路执行的这种自校准机制包括如下步骤：

1.设V＝0并记录光输出功率(Po)。

2.设V＝V+ΔV并记录新的光功率(PΔV)。

3.如果PΔV＜Po，则到步骤8。

4.使V持续按量ΔV增加，直到达到最大光功率。记下V0＝V 的当前值。

5.设V＝0。

6.使V持续按量ΔV减小，直到达到最小光功率。记下V∞＝V 的当前值。

7.退出程序。

8.使V持续按量ΔV减小，直到达到最大光功率。记下V0＝V 的当前值。

9.设V＝0。

10.使V持续按量ΔV增加，直到达到最小光功率。记下V∞＝ V的当前值。

已根据以上方法确定了V0的值。Vπ是根据(V0-V∞)的模数 来确定的，而“P-V特性曲线”斜率的极性是根据V0的符号来确定 的。已发现V值的初始条件由斜率的中值给出，即：

V＝(V0+V∞)/2。

参照图3，将测得的光输出功率P施加到模数(A/D)转换器1， 以提供表示光功率的相应的8位数字值。在图3中，所有用8表示 的连接表示它们代表8位数字连接。一般通过从调制器的总输出光 功率中抽取一定部分(百分之几)来测量光功率。将此8位数字表 示用时钟连续锁存到两个串连的锁存器2、3中。结果，锁存器2中 保存的值A表示当前测得的光功率，而锁存器3中保存的值B表示 与控制电压V的前一值相对应的光功率。将这些数字值A、B施加 到幅度比较逻辑4。幅度比较逻辑4具有三条输出线，分别对应于如 下条件：A＞B、A＝B、A＜B。根据A值和B值的比较将各输出线 设为高电平状态(逻辑“1”)。这些输出线用于“操纵”控制器块 5，它依次用于控制可逆计数器6。计数器6的计数值是表示控制电 压V的当前值的8位数字值。该数字值通过数模转换器7(D/A)转 换为模拟电压，数模转换器7的输出为模拟电压V。此控制电压用 于偏置MZ装置(未示出)。可逆计数器6及其相关联的数模转换 器7需在“有符号的”值上工作，因为控制电压V必须在正负值之 间摆动。因此，这里需要二的补码运算。

在每次“搜索”开始时使可逆计数器6复位。在校准期间，该 计数器一直计数(增加或减少)到达到光功率P的最大值和最小值 时为止。将对应于光功率的最大值和最小值的计数值(相当于V0+ V∞)分别保存到锁存器9和10中。在已经确定对应于最大和最小光 输出的计数值之后，由加法器块11将这两个值加在一起，以得到9 比特的和。将该和值的最低位丢弃，从而所得的8比特值表示这两 个计数值的平均值(即相当于(V0+V∞)/2)。然后将此值装入可逆 计数器6，从而将控制电压V设置为它的中斜率(mid-slope)值。 这时就完成了校准过程且控制器5将用“结束”表示的输出线设置 为指示校准过程的高电平状态，以通过常规控制环路启动对光调制 器的控制。控制器5还确定为调制器设定的部分电压/光功率特性曲 线的斜率的极性，该极性在调制器工作期间由常规控制环路使用。 一旦校准电路已确定斜率极性和合适的开始点(控制电压)，则禁 止其工作并切换到常规控制环路。

在不进行校准过程时，将常规控制环路用于保持控制电压V的 值。因为这种设置是公知的而且有很好的文献，故在此不对它们作 进一步说明。

应理解，当打算以MZ装置利用高速数字数据来对激光器的光 辐射进行调制时，在校准过程期间禁用调制驱动器。

还应理解，可以对所述特定实施例作各种修改，但仍在本发明 的范围内。例如，可以在电路中增加额外的复杂性，以考虑到噪声 和MZ装置的V-P特性曲线的不规则性从而提供更精确的结果。这 些可以包括例如：

·(在同样的V值条件下)测量若干P的样本值并利用它们的 平均；

·(在递增的不同的V值条件下)测量若干P的样本值并利用 它们的平均值；

·多次重复整个校准过程并利用所述数据(V0和V∞)的平均值； 或者

·执行上述步骤的组合。

此外，虽然在上文中联系MZ干涉仪对所述电路作了说明，但 本发明的电路和方法可应用于其它类型的压控光学部件，特别是那 些具有周期性电压/光特性曲线的压控光学部件。