技术领域
[0001] 本
发明涉及一种电压处理方法及装置，特别涉及一种用于硅光调制器自动偏压控制的电压处理方法及其装置，本发明属于通信领域。
背景技术
[0002] 硅
光子学是采用硅作为有源、无源光学芯片的衬底基材，采用CMOS工艺，完成光芯片-电芯片的单片集成，实现低成本、大批量、高集成度、高速光传输的学科。为实现海量、高速、低成本
信号传输，硅光技术开始越来越受到通信行业和研究学者的青睐。将各种类型的光器件(探测器、MZ调制器、模斑变换器、
波导、光栅等结构)集成在单个硅光芯片上，实现一定的功能，硅光DP-IQ相干调制器就是硅光应用的典型代表之一。
[0003] 目前，100G DP-QPSK硅光调制器和400G双载波DP-16QAM硅光调制器的产业化发展迅猛，以美国硅光子公司Acacia为例，100G/400G硅光相干模
块已经开始批量供货，越来越多的光器件商、系统商也开始陆续推出硅光调制器样机。按照现阶段硅光产业化发展速度，硅光调制器很有可能取代铌酸锂调制器，成为下一代相干光通信的核心器件。
[0004] 硅光调制器虽然在成本上、尺寸和集成度上，对铌酸锂调制器有着比较大的优势，但由于材料性能的不同，导致两种调制器性能上存在着比较大的差异，主要体现在插损、半波电压、调制效率和调制线性度等方面。硅光调制器的自动偏压控制技术，和铌酸锂调制器也有很大不同，技术开发难度也相对增加。其中一个技术难点在于，铌酸锂调制器的偏置电压bias，是利用铌酸锂材料的泡克尔斯效应进行控制的，这种效应是线性的，即电压变化与
相位变
化成正比，因而铌酸锂调制器的偏置bias“电-光”曲线，变化比较规律，有着固定的直流半波电压；而硅光调制器的bias是热光效应，通过
电阻给波导加热来改变MZ单臂的折射率，进而改变
相位差，硅波导热量和相位变化是近似线性的，但是电压-相位变化是非线性的，bias比较小的时候，电光效应比较迟缓，bias大的时候，电光效应相对敏感。硅光调制器的“bias-光功率”响应的非线性，导致了其在自动偏压控制上存在两个普遍的问题：
[0005] 一是在相同幅度的偏压扰动下，不同bias点控制
精度不同。电压和相位的非线性，导致了在自动偏压控制过程中，在给bias
电极加上相同幅度的扰动的条件下，在电压较大的时候，会产生更大的相位扰动。二是调制器工作bias偏置电压点两侧电光曲线不对称，导致自动偏压控制设置
阈值时，工作点左右阈值设置不相等，需要针对每个周期的工作点设定双阈值，增加了开发的复杂度。
发明内容
[0006] 本发明提供了一种用于硅光调制器自动偏压控制的电压处理方法及其装置，待加载在硅光调制器bias电极上的电压(直流偏置+扰动)数值，经过该方法处理后，
输出电压加载在硅调制器上，这时硅调制器的“相位-电压”响应会变得线性，该方法能提高硅光调制器自动偏压控制的精度和准确性。
[0007] 本发明采用的技术方案是：
[0008] 一种用于硅光调制器自动偏压控制的电压处理方法，所述硅光调制器包括闭环反馈控制
电路，所述闭环反馈控制电路根据硅光调制器的输出
光信号产生反馈控制电压，并在所述反馈控制电压上
叠加扰动电压后形成待加载到硅光调制器偏置电极上的偏置电压，将待加载到硅光调制器偏置电极上的初始偏置电压数值进行补偿运算，以获得实际加载偏置电压，将所述实际加载偏置电压加载到硅光调制器偏置电极上进行自动偏压控制，以使得所述硅光调制器的输出光信号与所述初始偏置电压数值呈线性关系变化。
[0009] 对所述偏置电压进行的补偿运算包括开方运算。
[0010] 对所述偏置电压进行的补偿运算仅为开方运算。
[0011] 所述扰动电压为交流扰动电压，所述交流扰动电压不超过所述反馈控制电压的半波电压的10％。
[0012] 计算半波电压之前，确定偏置电压的安全范围，其方法是：根据硅光调制器能加载的直流偏置电压范围，对其数值进行平方，得到初始电压的范围值，将该范围值确定为偏置电压的安全范围。
[0013] 确定半波电压的方法为：将初始电压开方后加载在硅光调制器的偏置电极上，测量“光功率-初始电压”变化曲线，半波电压为“光功率-初始电压”曲线上从最大值到相邻最小值所跨越的电压范围值。
[0014] 所述硅光调制器的偏置电压能承受电压范围为0～3000mV，将初始电压数值化后范围为0～9×106；则将所述硅光调制器的半波电压设置为4×105；交流扰动电压的幅度为2×104。
[0016] 所述硅光调制器为单MZ-BPSK硅光调制器。
[0017] 一种用于硅光调制器自动偏压控制的装置，可调谐
激光器、高速码型发生器、射频
放大器、
背光探测器、自动偏压控制电路、控制平台；其中，可调谐激光器发出的光进入所述硅光调制器；高速码型发生器发出NRZ码型，经过
射频放大器，加载在所述硅光调制器上，所述硅光调制器输出的BPSK调制光信号按一定比例分光到背
光探测器；背光探测器产生的
电信号进入自动偏压控制电路提取相关的信息，反馈给控制平台；控制平台通过检测到的反馈，由控制平台上的处理器中对电压信号的
直流分量偏压与交流扰动电压进行叠加，获得叠加后的数值，经过开方
算法运算，由控制平台上的电压输出电路将处理后的电压加载到所述硅光调制器的偏置电极上。
[0018] 本发明具有如下优点：
[0019] (1)采用本发明技术方案，经过电压处理后，调制器bias电光曲线变得线性，相同幅度扰动下，不同bias点对应的控制精度相同。电压和相位的非线性得到补偿，在自动偏压控制过程中，给bias加上相同幅度的扰动，在任意bias电压值下产生的相位扰动都相同。
[0020] (2)采用本发明技术方案，经过电压处理后，调制器工作bias偏置电压点两侧电光曲线变得对称，此时自动偏压控制监控物理量的左右阈值相等，每个周期的工作点都可以设置同一个阈值，进行控制；
[0021] (3)本发明电压处理方法简单，不需要额外设计新的
硬件电路，纯
软件处理，简单高效。
附图说明
[0022] 图1是单MZ硅光调制器“光功率-偏置电压”响应曲线；
[0023] 图2是本发明铌酸锂调制器“光功率-偏置电压”响应曲线；
[0024] 图3是本发明进行电压处理前后，调制器的“功率-初始电压值”曲线形状得到优化；
[0025] 图4是本发明验证该电压处理方法对自动偏压控制影响的测试
框图；
[0026] 图5是本发明初始电压数值和经开方处理后电压(直流偏置+交流扰动)的
波形；
[0027] 其中：
[0028] 1：可调谐激光器； 2：单MZ-BPSK硅光调制器；
[0029] 3：BPSK光输出 4：射频放大器Driver；
[0030] 5：信号源； 6：监控光电
二极管MPD；
[0031] 7：自动偏压控制电路； 8:处理器；
[0032] 9:ARM中央处理单元； 10：电压输出电路；
具体实施方式
[0033] 下面结合
实施例和附图对发明中的用于硅光调制器自动偏压控制的电压处理方法做出详细说明，实施例中采用了支持32G波特率的高速单MZI硅光调制器。
[0034] 本发明原理是：图1是单MZ硅光调制器的bias电光响应曲线，即输入光功率不变的条件下，输出光功率随着bias电压的变化关系。由于硅光调制器bias电压和相位的非线性，导致随着bias电压的增加，电光响应越来越敏感，图中，B点的电光响应比A点要更为敏感；图2是单MZ铌酸锂调制器的bias电光响应曲线，这个响应曲线是线性的。本发明将待加载到硅光调制器偏置电极上的初始偏置电压数值进行补偿运算，以获得实际加载偏置电压，将所述实际加载偏置电压加载到硅光调制器偏置电极上进行自动偏压控制，以使得所述硅光调制器的输出光信号与所述初始偏置电压数值呈线性关系变化。
[0035] 建立一个物理模型，单MZ硅光调制器的bias电极电阻阻值为R，bias电压为V，电阻发热热量加载在硅波导上的效率为η，则有效发热功率P＝V2/R·η。由于发热功率和相位关系是线性的，R和η为固定值不变，所以V2和相位关系是线性的。因此，可以将待加载在硅光调制器bias电极上的电压(直流偏置+扰动)数值，进行开方之后，再输出实际电压加载在硅光调制器的bias电极上，此时，开方前的初始电压数值和调制器的相位响应是线性的。这也可以看成一种补偿机制，补偿了硅光调制器bias电极电光响应的非线性。
[0036] 图4是验证该电压处理方法对硅光调制器自动偏压控制影响的测试框图，可调谐激光器1发出的光进入单MZ-BPSK硅光调制器2，高速码型发生器5发出NRZ码型，经过射频放大器driver 4，加载在单MZ-BPSK硅光调制器2上，BPSK调制光信号在3输出，输出光分一定的百分比给背光探测器6，背光探测器6产生的电信号进入自动偏压控制电路7提取相关的信息，反馈给ARM中央处理单元9，ARM中央处理单元9通过检测到的反馈，处理器8中对电压信号的直流分量bias与交流扰动dither叠加后的数值，经过开方算法运算，电压输出电路10将处理后的电压加载在单MZ-BPSK硅光调制器2的bias电极上，形成闭环控制。图5是初始电压数值和处理后电压(直流偏置+交流扰动)的波形；
[0037] 按照图4搭建验证该电压处理方法对硅光调制器自动偏压控制影响的测试平台，实施例中，选取的新飞通的ITLA模块，出光功率15.5dBm，
波长1550.12nm；单MZ-BPSK硅光调制器为自研芯片封装成的调制器器件，RF半波电压6.5V；采用SHF码型发生器发生32G波特率的非归零码，幅度500mV，经过centallax公司的
限幅射频放大driver将射频幅值放大到6V输出，加载在调制器上；调制器出光50％分给内置锗硅MPD，该MPD响应度1A/W，0V偏压下常温暗
电流70nA；自控偏压控制电路给bias加上方波扰动，光的反馈波形幅值低于设置阈值时，对应调制器最佳工作点；bias直流电压和扰动，以及开方算法，由ARM芯片及其外围电路产生和处理。
[0038] 一种用于硅光调制器自动偏压控制的电压处理方法，包括如下步骤：
[0039] 步骤1、确定偏置电压的安全范围：根据硅光调制器能加载的直流bais电压范围，对其数值进行平方，得到初始电压的范围值；将初始电压控制在这个安全范围，能确保经开方处理后加载在调制器上的电压，不超出调制器bias电极能承受的最大电压值；实施例中，硅光调制器的bias能承受电压范围为0～3000mV，将初始电压数值范围(十进制，无量纲)进行数值化处理，例如设置为0～9×106；
[0040] 步骤2、获得半波电压：不加扰动的前提下，给初始电压开方后加载在调制器的偏置电极上，测量“光功率-初始电压”变化曲线，如图2所示，计算半波电压；半波电压为“光功率-初始电压”曲线上从最大值到相邻最小值所跨越的电压范围值；通过该方法测得所设计的硅光调制器的半波电压为4×105(无量纲)；
[0041] 步骤3、确定用于自动偏压控制的扰动幅度：确定调制器的扰动幅度，不超过步骤2中半波电压的10％，扰动可以是正弦波、方波或其他任意波形；实施例中，我们采用了幅度为2×104(无量纲)的方波扰动；
[0042] 步骤4、将直流bias电压和扰动电压叠加成初始电压数值，进行开方运算后，按运算结果驱动输出电压加载在硅光调制器的bias电极上，进行自动偏压控制；
[0043] 实施例中，测试了加电压处理和不加电压处理的自动偏压控制情况，结果如下：
[0044]
[0045] 表1、12mV方波扰动在不同bias电压下产生的相位扰动
[0046] Bias引脚直流电压(mV) 500 1000 1500 2000 2500不加电压处理 30/50 33/50 39/50 47/50 49/50
加电压处理 50/50 50/50 50/50 50/50 50/50
[0047] 表2、12mV方波扰动在不同bias电压下需要设置的左/右阈值
[0048] 由实施例中的实验结果可以看出，在采用了发明中提供的电压处理方法之后，同一扰动幅度在不同bias电压下产生的相位扰动相同，解决了硅光调制器不同bias电压下控制精度不同的问题；采用了发明中提供的电压处理方法之后，同一扰动幅度在不同bias电压下不再需要设置不同的双阈值，设置唯一的单阈值，就能在所有bias电压周期下，实现自动偏压控制；由实施例测试结果可以看出，本发明提出的一种用于硅光调制器自动偏压控制的电压处理方法，对于硅光调制器自动偏压那控制精度和准确度的优化，有明显的改善作用。
[0049] 如图3是进行电压处理前后，调制器的“功率-电压”曲线形状，待加载在调制器bias上的电压数值，先经过开方处理后再输出电压加载在调制器上，调制器的“功率-电压”曲线变成类似铌酸锂调制器的周期性曲线，bias电极的半波电压变得固定，这会提高调制器的自动偏压控制精度和准确性。
[0050] 本发明提出了一种用于硅光调制器自动偏压控制的电压处理方法，将待加载在硅光调制器bias电极上的电压数值(直流偏置+扰动)，经过该方法运算处理后，输出电压加载在硅调制器上，这时硅调制器的“相位-电压”响应会变得线性，上述两个硅光调制器自动偏压控制普遍存在的问题，得到解决。
[0051] 虽然本发明已经详细示例并描述了相关的特定实施例做参考，但对本领域的技术人员来说，在阅读和理解了该
说明书和附图后，在不背离本发明的思想和范围特别是上述装置实施的功能上，可以在装置形式和细节上作出各种改变。这些改变都将落入本发明的
权利要求所要求的保护范围。
