本發明涉及光通信、微波光子學領域，特別是涉及一種基于搖擺法的馬赫－曾德爾調制器自動偏壓控制裝置及方法。

背景技術：

1、隨著光通信技術的不斷發展，微波光子技術憑借其大帶寬、低損耗、低時延等優勢日益成為相關領域的研究熱點。而電光調制器是模擬光通信系統中的關鍵器件之一，用于將信息信號加載到激光器輸出的光載波上從而實現電光調制。其中，由無源光波導鈮酸鋰材料制成的馬赫－曾德爾調制器以其調制速度快、調制帶寬寬、光損耗低、波長無關調制特性以及極快的電光響應特性成為目前使用最為頻繁的光調制器件之一。

2、輸入光進入mzm后，被分為頻率、相位相同的兩路信號并分別進入mzm的兩個光支路。通過在光支路上施加直流偏置電壓改變光波導的折射率引起光波的相位變化從而實現相位調制。在輸出端，兩支路的光干涉耦合為一束強度大小變化的干涉信號進而實現光強度調制。簡言之，mzm通過控制外部施加的偏壓將電信號的變化轉換成光信號的變化，實現了電光調制。然而，由于mzm制作材料與自身結構的影響，其傳輸曲線會隨外界環境溫濕度、機械振動、輸入器件光功率以及器件自身老化等因素而發生緩慢漂移，隨之改變其偏置電壓工作點的位置。這將會引起mzm的工作狀態不穩定，產生傳輸信號失真、誤碼率增加和消光比惡化等問題，導致系統性能降低甚至無法使用，進而影響整個光通信系統的傳輸性能。

3、因此，穩定mzm工作點的偏壓控制技術發揮著至關重要的作用。而現有常用的基于平均光功率和基于導頻信號的偏壓控制技術存在易受光源本身功率不穩定影響、控制精度低、外圍電路設計復雜以及不易于集成等問題，仍需進一步探索研究。因此，亟需提出一種基于搖擺法的馬赫－曾德爾調制器自動偏壓控制裝置及方法。

技術實現思路

1、本發明的目的是提出一種基于搖擺法的馬赫－曾德爾調制器自動偏壓控制裝置及方法，以解決上述現有技術存在的問題。

2、為實現上述目的，本發明提供了如下方案：

3、一種基于搖擺法的馬赫－曾德爾調制器自動偏壓控制裝置，包括：激光器、射頻源、馬赫－曾德爾調制器、光電探測器、加法器、運算放大器、模數轉換器、單片機、數模轉換器；

4、所述激光器的輸出端與馬赫－曾德爾調制器的輸入端連接；

5、所述射頻源的輸出端與馬赫－曾德爾調制器的射頻輸入端相連接；

6、所述馬赫－曾德爾調制器的輸出端與光電探測器的輸入端相連接；

7、所述光電探測器的輸出端與加法器的輸入端相連接；

8、所述加法器的輸出端與運算放大器的輸入端相連接；

9、所述運算放大器的輸出端與模數轉換器的輸入端相連接；

10、所述模數轉換器的輸出端與單片機相連接；

11、所述單片機的輸出端與數模轉換器的輸入端相連接；

12、所述數模轉換器的輸出端與馬赫－曾德爾調制器的偏壓控制端相連接。

13、一種基于搖擺法的馬赫－曾德爾調制器自動偏壓控制方法，所述方法包括：

14、設置激光器和射頻源，分別輸出預設波長的激光和預設頻率的微波信號；

15、利用馬赫－曾德爾調制器，對光信號進行電光調制；

16、利用光電探測器，將調制后的光信號轉化為電信號；

17、將所述電信號依次經過加法器、運算放大器、模數轉換器處理后，轉換成數字信號；

18、將所述數字信號輸入單片機，根據預設的搖擺函數，獲取馬赫－曾德爾調制器的偏置電壓u處的搖擺差值δp；

19、根據預設的搖擺函數，利用搖擺法尋找馬赫－曾德爾調制器的最小或最大工作點處的偏置電壓umin或umax；

20、基于馬赫－曾德爾調制器的最小或最大工作點處的偏置電壓，利用預設的搖擺函數獲取此處搖擺差值；

21、基于馬赫－曾德爾調制器的最小或最大工作點處的搖擺差值，控制數模轉換器的輸出偏壓，實現馬赫－曾德爾調制器在最小或最大工作點處的偏壓控制。

22、可選地，所述預設的搖擺函數包括：

23、設定中心偏壓u和偏移偏壓δu，以及馬赫－曾德爾調制器的傳輸特性曲線；

24、利用單片機控制數模轉換器，輸出偏壓u-δu控制馬赫－曾德爾調制器，通過模數轉換器采集馬赫－曾德爾調制器的輸出光強p-；

25、利用單片機控制數模轉換器，輸出偏壓u+δu作用到馬赫－曾德爾調制器，通過模數轉換器采集馬赫－曾德爾調制器的輸出光強p+；

26、將偏置電壓u+δu對應的輸出光強p+減去偏置電壓u-δu對應的輸出光強p-，獲取搖擺差值δp。

27、可選地，實現馬赫－曾德爾調制器在最小或最大工作點處的偏壓控制包括：

28、設置初始點偏壓、偏壓間隔；

29、根據初始點偏壓u1，利用所述預設的搖擺函數獲得搖擺差值δp1；

30、采用while循環判斷是否未找到馬赫－曾德爾調制器的最小或最大工作點，若循環判斷為真，則執行以下循環體：

31、按照初始化時設置的偏壓間隔確定第二個點的偏壓u2，并求出搖擺差值δp2；

32、判斷這兩個點u1、u2之間是否存在最小或最大工作點umin或umax；若這兩個點之間無最小或最大工作點，則將第二個點更新為初始點并求搖擺差值重新進行while循環；若這兩個點之間有最小或最大工作點，則執行下面的步驟：

33、根據兩個點的偏壓u1和u2分別多次求搖擺差值，并獲取平均值和根據搖擺差值δp＝p+-p-，其中vf(t)為射頻源輸出的微波信號，將p+和p-帶入δp，獲得當偏移偏壓δu和射頻調制電壓vf(t)固定時，搖擺差值δp與中心偏壓u滿足正弦函數關系，搖擺差值曲線零點對應的偏壓即為mzm?3傳輸曲線的最小或最大工作點處的偏壓；

34、設定最小或最大工作點與其左右兩側的兩點構成的兩直線斜率相等；由u1、u2及其對應的搖擺差值均值和最小或最大工作點u0及其對應的搖擺差值0，獲得進而求得當δp由負變為正時，求得的u0是最小工作點處偏壓umin，相反，δp由正變為負時，求得的u0是最大工作點處的偏壓umax。

35、可選地，設置所述偏壓間隔的約束條件為：既要確保尋找時不會漏掉mzm?3的最小或最大工作點，又要確保尋找次數最小化。

36、可選地，判斷這兩個點u1、u2之間是否存在最小或最大工作點umin或umax包括：

37、如果這兩個點處的搖擺差值滿足δp1<0且δp2>0，則認為u1和u2之間存在最小工作點umin，如果這兩個點處的搖擺差值滿足δp1>0且δp2<0，則認為u1和u2之間存在最大工作點umax。

38、可選地，實現馬赫－曾德爾調制器在最小或最大工作點處的偏壓控制還包括：

39、單片機控制數模轉換器輸出最小或最大工作點處偏壓到馬赫－曾德爾調制器的偏壓控制引腳；

40、模數轉換器采集馬赫－曾德爾調制器最小或最大工作點處的輸出光強；

41、在馬赫－曾德爾調制器最小或最大工作點時，通過循環檢測當前δp的值并確保δp＝0或小于設定的閾值，實現mzm?3在最小或最大工作點處的偏壓控制；當檢測到δp超過閾值限制時，調整偏置電壓使其再次滿足閾值要求，并將調整后的偏置電壓更新為最小或最大工作點的偏置電壓。

42、本發明的有益效果為：

43、主要通過軟件算法實現偏壓控制技術，結構簡單、成本低，系統易集成；

44、采用搖擺法尋找mzm的工作點，是通過檢測搖擺差值δp的大小，即中心偏壓u附近點輸出光強的差值，改善了傳統結構中噪聲的影響；

45、本發明通過搖擺法能夠實現對mzm最小或最大工作點的調節控制，可以有效提高mzm工作的穩定性；

46、尋找最小或最大工作點時，搖擺法是以一定的偏壓間隔進行掃描的，掃描速度可靈活控制、實用性強；

47、通過判斷搖擺差值δp的正負變化情況，能夠分辨工作點的漂移方向，有助于對工作點的穩定調節，提高系統的控制效率。