一种基于IQ电光调制器正交电压的控制方法及控制装置技术领域
本发明涉及一种调制器偏置电压的自动控制方法及其控制装置，特别涉及一种基
于低速MPD的IQ电光调制器正交电压的自动控制方法及其控制装置，本发明属于通信领域。
背景技术
相干光通信的三大核心光电子器件是可调谐激光器、调制器和相干接收机，可调
谐激光器(ITLA)发出的光进入调制器，调制器调制的光信号经过长距离传输后被相干接收
机(ICR)接收。目前，100G相干调制器普遍采用的调制格式是单载波的双偏振正交相移键控
(DP-QPSK)，每一个偏振IQ调制器光学结构均采用双并联马赫-增德尔干涉仪(MZI)结构，该
结构两个单MZI并联而成，两个单MZ调制器通过射频驱动推挽产生BPSK信号，然后进行90°
相移后并联合波，形成QPSK光信号。
对于单偏振的并联MZI型IQ电光调制器，工作点电压会在使用的过程中因为各种
因素(环境变化，器件自身性能变化等因素)而发生漂移，工作点电压漂移后调制器不能输
出高质量的信号，接收端解调后就会产生误码。为了使调制器长时间工作在QPSK的工作态，
需要对调制器做自动偏压控制。目前行业内各个调制器供应商和用户都有自己的自动偏压
控制方案，主要是通过监控某个物理量(光功率，信号包络，抖动等)的变化来判断调制器是
否处在最佳偏置，然后通过反馈电路来动态调节。
单偏振的并联MZI型IQ电光调制器，需要调节I子调制器bias偏压，Q子调制器bias
偏压和π/2正交电压。由于IQ调制器结构功能上的对称性，I子调制器bias偏压和Q子调制器
bias偏压的自动偏压控制算法类似；而π/2正交电压的自动控制算法则相对复杂。业界常用
的π/2正交电压的自动控制算法，是让QPSK光信号进入一个高速MPD(monitoring
photodiode，背光探测器)，用MPD后置电路处理，得到QPSK光信号的幅值，调节π/2正交电
压，使该幅值最小，此时对应的π/2正交电压为其最佳偏置电压。虽然该算法对MPD带宽有较
高要求，但是控制起来比较简单，算法浅显易懂，在业界使用比较广泛。OIF 100G铌酸锂和
InP相干调制器标准上，均明确规定了调制器的MPD带宽，要求不低于1GHz，这主要是由于现
有IQ调制器自动偏压控制方案中，部分方案对π/2正交电压的控制，是通过MPD监控32G波特
率QPSK光信号的幅度来实现的，需要保证高速光信号进入MPD后幅度衰减不能太大，因而这
种控制方案对mpd带宽要求较高。。然而，对调制器MPD进行高频封装，会大大增加调制器的
封装成本，而且相应的管壳、高频陶瓷板都需要精心设计，封装尺寸大。
发明内容
本发明提供了一种基于低速MPD的IQ电光调制器正交电压的自动控制方法，该控
制方法仅需要低速MPD(带宽～1MHz量级)，就能对IQ电光调制器正交电压进行精确的自动
控制，从而大大降低IQ电光调制器的封装成本。
本发明的技术方案是：
一种基于IQ电光调制器正交电压的控制方法，所述IQ电光调制器采用双并联马
赫-增德尔干涉仪结构，包括如下步骤：步骤1：调节I子调制器和Q子调制器的偏置电压，将
两者调节至BPSK工作态，使两者分别输出BPSK光信号，获得I子调制器和Q子调制器的最佳
偏置电压；通过对IQ电光调制器的π/2调相电极施加合适的偏置电压，使得I子调制器和Q子
调制器输出两路BPSK光信号正交合波，调制为QPSK光信号；步骤2：给I子调制器、Q子调制器
的最佳偏置电压上分别叠加频率为f1、f2的小幅周期性扰动，其中f1≠f2；步骤3：通过背光
探测器MPD获得IQ电光调制器在上述小幅周期性扰动下产生的低速交流小信号，并提取其
中的f1+f2和频分量；步骤4：给π/2调相电极的偏置电压上叠加小幅扰动，提取f1+f2和频分
量的反馈波形；步骤5：对f1+f2和频分量的反馈波形的幅度和相位进行判断，并据此调整π/2
调相电极上施加的偏置电压。
所述步骤1采用如下方法：给IQ电光调制器加载信号，将IQ电光调制器的输出光，
输入到光谱仪；依次反复调节I子调制器、Q子调制器的偏置电压，将于IQ电光调制器输出光
谱中心波长处的尖峰调平，此时I子调制器和Q子调制器均调节到BPSK态。
所述步骤2中对I子调制器、Q子调制器施加的小幅周期性扰动为正弦波扰动，该正
弦波扰动的频率为百Hz量级，扰动幅度小于该IQ电光调制器偏置半波电压的10％。
对I子调制器的偏置电压叠加频率为220Hz、幅度10mV的正弦波扰动；对Q子调制器
的偏置电压叠加频率为440Hz、幅度10mV的正弦波扰动。
所述步骤4中对π/2调相电极叠加的小幅扰动为小幅方波，该小幅方波的幅度小于
该偏置半波电压的10％。
所述步骤5的具体过程如下：当和频分量的反馈方波形的幅度小于或等于设定阈
值幅度时，保持π/2调相电极上的偏置电压不变；当和频分量的反馈波形的幅度大于设定阈
值幅度时：当在π/2调相电极的偏置电压上叠加的扰动方向与和频分量的反馈波形同向时，
减小π/2调相电极上的偏置电压；当在π/2调相电极的偏置电压上叠加的扰动方向与和频分
量的反馈波形反向时，增加π/2调相电极上的偏置电压，直至和频分量的反馈波形的幅度小
于或等于设定阈值幅度。
进一步包括步骤6：实时监控和频分量的反馈波形的幅度，若监控到和频分量幅值
的反馈波形的幅度超过设定的阈值幅度，按步骤5对π/2调相电极上施加的偏置电压进行修
正。
一种基于IQ电光调制器正交电压的控制方法的控制装置，包括IQ电光调制器和反
馈控制电路，所述IQ电光调制器包括由I路子MZI和Q路子MZI并联而成的母MZI，所述I路子
MZI、Q路子MZI、母MZI分别具有Q路调相电极、I路调相电极、π/2调相电极，所述反馈控制电
路包括光探测器、隔直电路、带通滤波器、高速ADC、中央控制器；其中，所述光探测器监测所
述IQ电光调制器输出的光信号，将得到的光电流信号转换成光电压后输出到所述隔直电
路；所述隔直电路提取低速交流小信号输出到所述带通滤波器；所述带通滤波器提取交流
小信号中的和频分量的波形并输出到所述高速ADC；所述高速ADC对输入的波形进行采样，
将获得的和频分量幅值输出到所述中央控制器；所述中央控制器给所述I路调相电极、Q路
调相电极、π/2调相电极加上直流偏置电压，并给所述I路调相电极、Q路调相电极分别施加
频率为f1、f2的正弦波扰动，其中f1≠f2，给π/2调相电极施加方波扰动；所述中央控制器提
取施加扰动后和频分量的反馈方波，对和频分量的反馈方波幅度和相位进行判断：当反馈
方波幅度大于设定阈值幅度时，调整π/2调相电极电压直至反馈方波幅度小于或等于设定
阈值幅度。
进一步包括加法器，所述I路调相电极、Q路调相电极、π/2调相电极上的直流偏置
电压和扰动分别通过相应的加法器耦合。
所述带通滤波器为高Q因子的超窄带带通滤波器。
本发明具有如下优点：
传统的IQ电光调制器正交电压自动控制，要求MPD带宽在1GHz以上，本发明对MPD
带宽要求低，1Mhz即能满足要求；采用本发明中的控制算法，IQ电光调制器MPD采用低频封
装即可，从而提高了IQ电光调制器的可靠性、大大降低了封装成本。
附图说明
图1是本发明并联MZI型IQ电光调制器的结构示意图；
图2是本发明给IQ bias加上扰动后，MPD输出交流小信号的频谱图；
图3是本发明和频强度随IQ之间相位的变化关系，当IQ正交时，和频强度最小；
图4是本发明调制器正交电压自动控制实现的电路原理框图；
图5是本发明调制器正交电压自动控制算法流程；
其中：
1:光输入端； 2:Q路子MZI；
3:I路子MZI； 4:母MZI；
5:Q路调相电极； 6:I路调相电极；
7:π/2调相电极； 8:光输出端；
9:光探测器； 10:隔直电路；
11:带通滤波器； 12:高速ADC；
13:中央控制器； 14:加法器；
具体实施方式
下面结合实施例和附图对发明中的基于低速MPD的IQ电光调制器正交电压的自动
控制方法做出详细说明，实施例中，采用了并联MZI型硅光IQ调制器，其中调制器的MPD带宽
为300MHz，属于低速MPD，不满足OIF标准中MPD带宽应大于1GHz的要求，但是通过本发明所
提供的自动控制方法能够使得该调制器的性能指标能够达到OIF标准要求。
本发明提供了一种并联MZI型IQ电光调制器的自动偏压控制装置，如图4所示，包
括IQ电光调制器和反馈控制电路。其中，IQ电光调制器采用双并联马赫-增德尔干涉仪
(Mach-Zehnder interferometer)结构(以下简称为并联MZI)，如图1所示，并联MZI由两个
子MZI(Q路子MZI 2、I路子MZI 3)并联而成一个母MZI 4，Q路子MZI 2、I路子MZI 3和母MZI
4的光路上分别制作有Q路调相电极5、I路调相电极6、π/2调相电极7，射频驱动信号通过两
个子MZI上面的行波电极加载在Q路子MZI 2和I路子MZI 3上，激光器发出的光源从光输入
端1进入IQ电光调制器，通过并联MZI结构一分二平均分配到Q路子MZI 2和I路子MZI 3，高
速射频电信号两个子MZI上面的行波电极加载在两路子MZI上之后对输入的光信号进行调
制，通过给Q路调相电极5、I路调相电极6和π/2调相电极7上分别加上合适的偏置电压，调节
Q路调相电极5和I路调相电极6分别控制两路子MZI的偏置电压，最佳偏置时候IQ两路子MZI
输出的BPSK光信号在母MZI 4处合波，调节π/2调相电极7上的偏置电压使得IQ正交，在光输
出端8处输出调制出的QPSK光信号。
从输出端8输出的光信号分一定比例能量的光信号到光探测器9，光探测器9将得
到的光电流信号转换成光电压后，经过隔直电路10提取低速交流小信号，该交流小信号进
入带通滤波器11，提取特定的频率分量的波形，高速ADC12对该波形进行采样，将得到的幅
值输入中央控制器13；中央控制器13通过引脚BI、BQ、BP给I路调相电极6、Q路调相电极5和
π/2调相电极7加上合适的直流偏置电压，通过引脚DI、DQ、DP给I路调相电极6、Q路调相电极
5和π/2调相电极7加上低速的扰动(dither)方波，每路直流偏置电压和扰动方波通过相对
应的加法器14耦合在一起，加载在I路调相电极6、Q路调相电极5和π/2调相电极7上。
上述光探测器9、隔直电路10、带通滤波器11、高速ADC 12、中央控制器13、加法器
14构成自动偏压控制装置的反馈控制电路。
图2是本发明给I、Q bias电极加上扰动后，MPD输出交流小信号的频谱图；给I路
bias电极加上f1频率的小信号扰动，给Q路bias电极加上f2频率的小信号扰动，其中f1≠f2，
从而使得两个频率产生拍频，在MPD输出的交流信号的频谱中，有f1，f2两个固有频率和它们
相互作用产生的差频分量|f2-f1|和和频分量f2+f1，设计合适带通滤波器11，使得其透射频
谱中心在f2+f1，通过该带通滤波器，来提取MPD输出信号中的和频分量。
图3是和频强度随IQ之间相位的变化关系，当IQ正交时，和频强度最小；相位随π/2
电压变化，给π/2电压加上一个时域上的幅值很小的方波扰动，中央控制器13会监测到和频
强度随时间变化，得到和频强度的反馈方波；当π/2电压处在最佳电压(对应IQ正交)时，和
频强度的反馈方波最小；可以通过监控最小的和频强度反馈方波，来对π/2正交电压进行实
时控制。
给实时例中的并联MZI型硅光IQ调制器上电初始化(实施例中，包括给MPD加反偏
电压，给调制器加上衬底电压)之后，就可以进行正交电压的自动控制了；一种基于低速MPD
的IQ电光调制器正交电压的自动控制方法，如图5所示，包括如下步骤：
步骤1、调节IQ子调制器(即I路子MZI和Q路子MZI)的偏置bias电压，将IQ子调制器
调节到BPSK态；具体操作方法为，给IQ电光调制器加载信号，将IQ电光调制器的输出光输入
到光谱仪；依次反复调节I、Q的偏置bias电压，将IQ电光调制器输出光谱中心波长处的尖峰
调平，此时IQ子调制器均调节到BPSK态；调制器输出光谱中心波长处的尖峰为集成可调谐
激光器模块(ITLA)输出的未被调制的直流分量，BPSK态对应直流分量为0，当IQ电光调制器
输出光谱中心波长处的尖峰淹没在BPSK光谱的平顶中时，代表IQ均达到标准的BPSK态；通
过光谱仪将IQ调到最佳偏置点只是一种实施方法，也可以通过光调制分析仪和采样示波器
等设备，辅助将IQ调到最佳偏置点；
步骤2、给I、Q子调制器bias偏置电压分别加上频率为f1、f2(f1≠f2)的正弦波扰
动；f1、f2取值在百hz量级即可，扰动的幅度不超过调制器bias偏置半波电压的10％；实施例
中，我们给I子调制器bias加载频率为220Hz、幅度10mV的正弦波扰动，给Q调制器bias加载
频率为440Hz、幅度10mV的正弦波扰动；
步骤3、通过背光探测器MPD后置处理电路，隔直电路10提取bias偏置扰动产生的
低速交流小信号，该交流小信号进入带通滤波器11，提取和频(f1+f2)分量的波形，高速ADC
12对该波形进行采样，得到的和频分量幅值A，输入中央控制器13进行处理；实施例中，我们
采用了高Q因子的超窄带带通滤波器即：修正的Deliyannis带通滤波器，将频率为660Hz的
和频信号检测出来，用于后续步骤中的信号处理；
步骤4、给π/2调相电极7加上方波扰动，扰动的幅度不超过该偏置半波电压的
10％；并监控和频分量幅值A的反馈方波变化；实施例中，我们给π/2调相电极7bias加载频
率为250Hz，幅度10mV的方波扰动；
步骤5、中央控制器13对和频分量幅值A的反馈方波幅度和相位进行算法判断；当
和频分量幅值A的反馈方波幅度小于或等于设定阈值幅度时，π/2调相电极7电压保持不变；
当和频分量幅值A的反馈方波幅度大于设定阈值幅度时，判断π/2调相电极7电压的扰动和
和频分量幅值A的反馈方波的相位关系：当π/2调相电极7电压的扰动和和频分量幅值A的反
馈方波同向，则减小π/2调相电极7电压；当π/2调相电极7电压的扰动和和频分量幅值A的反
馈方波反向，则增加π/2调相电极7电压，直至和频分量幅值A的反馈方波幅度小于或等于设
定阈值幅度后，保持π/2调相电极7电压不变；
步骤6、实时监控和频分量幅值A的反馈方波幅度，若监控到和频分量幅值A的反馈
方波幅度超过阈值，则按照步骤5的方案，对增加π/2调相电极7电压进行实时修正。
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。