电光调制器偏压电源控制对光通信系统杂散的影响

黄亨沛

（合肥正阳光电科技有限责任公司，安徽 合肥 230000）

0 引 言

电光调制器是宽带光通信系统中的重要组成部分，铌酸锂马赫-曾德尔（MZ）调制器具有工作频率高、波长范围宽以及插入损耗小等优点，是目前宽带光通信系统中最常用的调制器[1]。由于铌酸锂MZ调制器的传输函数曲线会随着环境温度、外电场以及应力等的影响而发生缓慢漂移，因此必须对调制器的偏压工作点进行跟踪控制，从而提高整个通信系统的性能[2]。

铌酸锂MZ调制器的偏压电源控制有多种方法，其中导频法具有极高的长期稳定性且不受外界输入光和调制信号影响，是目前常用的调制器偏压电源控制方法[3-6]。然而在模拟光通信场合（例如射频光传输系统），导频电压信号会引入额外的杂散，对系统的射频性能指标产生影响。从理论上研究了导频偏压电源控制时调制器的输出特性，并通过实物验证定量分析导频电压信号的电源电压对杂散的影响，针对不同的应用场景分别提出了优化导频电压的信号电源电压范围。

1 导频偏压电源控制原理

铌酸锂MZ调制器的传输函数可以表示为

式中：Pout为输出光功率；Pin为输入光功率；Ub为偏压电源电压；Uπ为调制器的半波电压；θ为器件两臂的固有相位差。

理想的传输函数曲线如图1所示，其中Null、Peak以及Quad分别是光功率最小、最大和正交点。当调制器偏置在正交点Quad时，可以获得最大的增益和最小的非线性失真，这是绝大多数强度调制器采用的最佳偏置点。

将式（2）先进行三角函数展开，再进行泰勒级数展开。为了尽量保证调制信号较大时的真实度，展开至5阶，整理后得到各频率分量的具体表达式。偏压电源控制反馈回路关注基波wd和二次谐波w2d，计算公式为

通过检测经过调制器后导频电压信号的基波和二次谐波分量即可判断工作点漂移量，并通过反馈回路进行补偿。

2 导频电压信号对杂散的影响

理想情况下，工作在Quad点的调制信号主频两侧由导频电压信号引入的一阶杂散wm±wd=0，二阶杂散wm±w2d功率与调制信号峰值功率差主要由导频电压信号的电源电压决定，导频基波wd功率与调制信号峰值功率差由两者信号幅度共同决定，导频二次谐波w2d分量为0。

假定Uπ=5 V，几种典型调制信号功率输入时，不同导频电压信号的电源电压下输出信号相对于调制信号功率的杂散抑制结果如图2所示。

图2 不同信号幅度下的杂散抑制结果

从图2可以看出，导频电压信号的电源电压越小，杂散抑制越好。需要注意的是，导频电压信号的电源电压过小会增加反馈信号的检测和提取难度。调制信号边带二阶杂散wm±w2d随导频电压信号电源电压变化的仿真结果和实测结果比较如图3所示。

图3 理论和实测结果对比

从图3中可以看出，仿真结果和实测结果非常吻合。

3 导频偏压电源控制电路分析

典型的导频偏压电源控制系统如图4所示。

图4 典型导频偏压电源控制系统框架

单片机通过数字频率合成技术生成1 kHz的导频电压信号，1 kHz的导频电压信号叠加在直流偏置上进入MZ调制器。调制器输出的部分光信号被光电探测器接收经过跨阻放大器放大后进入低通滤波器，通过模-数转换（Analogue-Digital Converter，ADC）后送往单片机进行快速傅里叶变换，分别得到直流分量、1 kHz分量以及二次谐波2 kHz分量。单片机对各分量信号进行判决并通过调整直流偏置形成反馈闭环，使偏置始终处于最佳工作点。设置调制器输出光功率为10 mW左右，不同调制信号功率与导频幅度下探测器的光电流幅值如表1所示。

表1 不同信号幅度下光电流大小

从表1可以看出，当输入射频功率不大时（≤15 dBm），50 mV的导频电压信号即可满足工业级温度范围内的信号检测与提取。而当射频信号功率达到20 dBm时，则至少需要幅度200 mV以上的导频电压信号才能有效提取和检测谐波信号。

4 结 论

通过研究电光调制器偏压电源控制对光通信系统杂散的影响，定量分析了不同调制信号与导频电压信号对杂散的影响，结合导频控制电路给出了不同应用场景的最佳导频电压信号的电源电压。常温下小信号调制时，最佳导频电压信号的电源电压半峰值为20 mV；工业级温度范围下小信号调制时，最佳半峰值为50 mV；大信号调制时，则需要将导频电压信号的电源电压半峰值提高到200 mV以上。