基于FPGA的Mach-Zehnder电光调制器自适应偏置控制

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铌酸锂Mach-Zehnder电光调制器(MZM)是微波光子链路的核心器件之一,通过合理设置MZM的直流偏置点,可以实现不同的调制格式。因此,调制器直流偏置点的精确性与稳定性直接影响了微波光子链路的无杂散动态范围(Spurious-Free Dynamic Range,SFDR)等性能。本论文首先从理论研究了MZM的偏置点稳定控制,之后设计并制作了基于FPGA的偏置点自适应控制系统,并对偏置点稳定性进行了测试和分析。论文第一部分仿真分析了铌酸锂MZM电光调制器的漂移特性,提出了相应的控制方案,并研究了系统参数对于控制准确度的影响:包括用于控制偏置电压的步进电压以及MZM输出光功率采集精度等。研究结果表明,基于MZM输出光功率一阶偏导数的控制算法在四个常用直流偏置点(正交偏置点+Quad、负交偏置点-Quad、最大值点Peak、最小值点Null)可以达到2°以内的控制准确度。且该控制方案避免在链路中引入低频抖动信号。论文第二部分根据控制方案进行了控制系统硬件与软件的设计与测试。首先根据激光器、MZM以及光纤耦合器等器件参数,构建了MZM电光调制器直流偏置点控制链路模型,通过仿真得到了控制系统硬件参数,对系统中的元器件进行了选型与测试,最后进行了FPGA控制算法的设计与上位机控制软件的设计。论文第三部分搭建了MZM电光调制器直流偏置点控制系统,并进行了实验测试。测试结果表明,经该偏置控制系统自动控制后,对于MZM的+Quad偏置点,偏置角波动范围为-0.8298°~0.6718°;对于-Quad偏置点,偏置角波动范围为-0.2413°~0.2803°;对于Peak偏置点,偏置角波动范围为-0.2776°~0.1266°;对于Null偏置点,偏置角波动范围为0°~1.33°。另外,该MZM偏置点控制系统对于突发性的偏置点大范围漂移,也能够自动调整并重新锁定偏置点,且重新锁定时间约为3秒。另外,由于该方案不引入抖动信号,因此相较于引入抖动信号的控制方案具有不影响链路SFDR的优势。
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