1 引言

激光雷达(LiDAR)是一种采用激光器作为发射光源的雷达探测系统,进行长距离及空间不同高度测量时需要高消光比的激光脉冲^[1]。马赫-曾德尔电光调制器(MZM)具有高速率、高消光比、零啁啾等特点,能够实现高消光比的激光脉冲调制^[2]。但是MZM的调制曲线会随着外界环境的变化而漂移,需要通过偏置控制技术使其稳定工作在Null点^[3-6]。MZM工作点的偏置电压控制方法主要有光功率监测法和导频谐波分析法。光功率监测法是通过调制曲线的单调性来判断工作点漂移,因此无法稳定在Null点^[7];研究导频方案的代表性公司有YYlabs^[8]和Photline^[9],前者利用模拟电路模块产生导频和分析谐波,导频频率无法改变,后者采用数字信号处理器(DSP)方案产生导频和分析谐波,但导频的幅值和频率需手动设置,方案复杂,系统体积大,因此在传统链路系统中应用较多的主要还是YYlabs方案。引入导频虽然可以实现Null点的稳定,但在脉冲调制时,脉冲信号会对导频造成干扰,导致MZM工作点无法稳定^[10],影响激光脉冲的输出。可见,传统链路中的MZM偏置电压控制技术,因为模拟滤波电路的中心频率、带宽、品质因数等参数是固化的,无法满足宽范围重复频率激光脉冲的产生需求。

本文通过分析研究脉冲信号对导频产生干扰的原因,提出一种导频自适应的技术,以DSP为中心,设计了MZM偏置电压控制系统。由DSP生成导频,无需改变硬件电路就可直接实现导频频率的改变。利用该系统对偏置电压输出稳定性进行检测,自适应改变导频频率,从而实现了宽范围重复频率激光脉冲调制。该方案避免了复杂的模拟电路设计,实现了宽范围重复频率的高消光比激光脉冲输出。

2 基本原理

2.1 电光调制器控制原理

MZM的工作曲线对应的函数式为

Po=ηPi2[1+cos(ωVDC+φ)]+Pmin,(1)

式中:P_o为输出光功率;P_i为输入光功率;η为调制器内部衰减系数;φ为激光初始相位;ω为角频率;V_DC为偏置电压;P_min为调制器最低输出光功率。

令β=ωV_DC+φ,当β=(2k+1)π时,其中k为整数,输出光功率P_o最小,为P_min。此时,在MZM的射频(RF)口加载任意重复频率脉冲可以得到高消光比的激光脉冲。MZM的调制曲线受外界环境影响会产生漂移,相位φ相对发生变化,导致激光脉冲的消光比下降,如图1所示。当MZM工作在最低点时,调制出的激光脉冲2具有较高的消光比;当工作点发生漂移,调制的激光脉冲由脉冲2变为脉冲1、脉冲3,此时脉冲的峰值功率、基底功率都发生了变化,导致消光比下降。需要实时调整偏置电压V_DC输出值,使MZM能够稳定地工作在Null点。

图 1. MZM工作曲线漂移对脉冲信号的影响

Fig. 1. Effect of MZM curve drift on pulse signal

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传统链路中的MZM偏置电压控制技术是通过模拟电路来实现导频生成和谐波分析的,通过加法电路将固定频率的导频加载在偏置电压上,最后通过积分电路实现MZM工作点的稳定,如图2所示。

图 2. 传统链路中的MZM偏压控制系统

Fig. 2. MZM bias control system in traditional links

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偏压控制模块输出给MZM的偏置电压信号为

V(t)=V0sin(2πft)+VDC,(2)

式中:V(t)为带有导频的偏置电压;V₀为导频的幅值;f为导频频率。

引入导频后,MZM输出的光的功率为

Po=ηPi2{1+cos[ωV(t)+φ]}+Pmin。(3)

令P=ηPi2,α=ωV₀sin(2πft),将(2)式代入(3)式,展开得

Po=P{1+cos[ωV0sin(2πft)+β]}+Pmin=P[1+cos(β)cos(α)-sin(β)sin(α)]+Pmin。(4)

对(4)式进行泰勒级数展开,保留到3阶,可得输出光功率为

Po=P1+cos⁡cosβ1-α22-sin⁡sinβα-α33!+Pmin=P1+cos⁡cosβ-α22cos⁡cosβ-αsin⁡sinβ+α36sin⁡sinβ+Pmin。(5)

则导频的一次谐波分量为

P1=P18ω3V03-ωV0sin(β)sin(2πft),(6)

导频的二次谐波分量为

P2=P14ω2V02cos(β)cos(4πft)。(7)

MZM工作曲线与导频的一次、二次谐波分量如图3所示。当β=(2k+1)π时,输出光功率P_o最小,为P_min。通过滤波网络获得导频的一次谐波分量,然后由积分电路维持一次谐波分量P⁽¹⁾为0,就可以使MZM工作在Null点。

图 3. MZM调制曲线与导频一次、二次谐波分量的关系

Fig. 3. Relationship between MZM modulation curve and first and second harmonic components of dither

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但是,当激光脉冲的重复频率和模拟滤波的中心频率接近时,脉冲信号会影响导频一次、二次谐波的相位和幅值,从而导致工作点抖动。模拟方案产生幅值为20 mV、固定频率为2 kHz的导频,在2 kHz、10 kHz脉冲重复频率下,偏置电压输出及调制器输出情况如图4所示。MZM工作在Null点时,光输出电压近似为0.1 mV,此时在RF端加载峰值为10 V、占空比为10 %的脉冲信号:当脉冲重复频率为2 kHz时,偏置电压输出抖动范围达到了72 mV,调制光脉冲的消光比在1.37 dB到1.90 dB范围内变化;当脉冲重复频率为10 kHz时,偏置电压输出稳定不变,调制光脉冲的消光比稳定在25.97 dB。为实现高消光比宽重复频率激光脉冲稳定输出,需要改变引入的导频频率,减小脉冲信号的影响,保证MZM能稳定地工作在最低点。

图 4. 不同脉冲重复频率下,传统MZM偏压控制系统的脉冲调制输出信号。(a) 2 kHz;(b) 10 kHz

Fig. 4. Pulse modulation output signals of traditional MZM bias control system under different pulse repetition frequencies. (a) 2 kHz; (b) 10 kHz

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2.2 导频自适应调节原理

为了解决脉冲信号对导频产生干扰而导致MZM工作点无法稳定的问题,本文提出采用DSP模块实现导频产生和频谱分析,将导频加载在偏置电压上用于控制MZM的工作点。由于MZM工作在不同位置时对应的谐波分量大小不同,故在通过光纤耦合器将输出光信号反馈给DSP偏压控制模块后,利用快速傅里叶变换(FFT)解算反馈信号的一次谐波分量与二次谐波分量,可以判断出MZM工作点位置,最终实现工作点的稳定,如图5所示。

图 5. 基于DSP的MZM偏压控制系统

Fig. 5. MZM bias control system based on DSP

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在RF端加载任意重复频率脉冲信号可以实现激光脉冲调制,通过实时观测输出偏置电压,连续获取多个输出偏置电压大小,求得对应的标准差s,标准差可以反映MZM工作点是否稳定。然而,如图6所示,电光调制器1和电光调制器2对应的半波电压分别为V_π1和V_π2,在相同的偏置电压波动下,半波电压V_π越小,输出的光功率的波动就越大,因此标准差s难以客观反映真实的工作点控制精度。因此,为了建立统一的衡量基准,应将电压波动的标准差s和半波电压V_π相除,从而将Null点附近的偏置电压波动对光功率的影响进行归一化,得到相对电压波动ΔV= sVπ。其中,对于MZM的半波电压V_π,可以在控制模块开始工作时,通过扫描MZM调制曲线得到。由于相对电压波动ΔV相同,光功率波动也相同,因此相对电压波动ΔV可以客观反映不同半波电压下MZM在Null附近的工作点位置波动,当相对电压波动ΔV超过设定临界值K,即ΔV>K时,DSP偏压控制模块认为MZM无法稳定工作,需自适应更改导频频率。

图 6. MZM半波电压在相同偏置电压范围下对输出光功率的影响

Fig. 6. Effect of half-wave voltage of MZM on output optical power under the same bias voltage range

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为保证系统能快速避开脉冲信号干扰,需要预设导频频率变化量ΔF。ΔF大小由滤波器的通带宽度B决定,取ΔF= B2。导频频率f以ΔF为变化量在可变范围 fa≤f≤b内逐步变动。当DSP偏压控制模块监测到工作点电压波动超过临界值K时,其会自适应更改导频频率,直到工作点稳定,系统流程如图7所示。

图 7. 基于导频自适应的MZM偏压控制流程图

Fig. 7. Flow chart of MZM bias control based on dither adaptive

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3 实验结果及分析

实验所用仪器如下:Photline MXAN-LN-20型的1550 nm高速电光强度调制器(其半波电压为6.3 V),1550 nm的10 mW分布式反馈激光器,Agilent的DSO5054A型示波器,RIGOL的DG1022U型函数发生器,以及EM4的高速光电探测器。DSP偏压控制模块通过改变输出偏置电压实现对MZM半波电压的判断,控制实验器件排布如图8(a)所示。偏置电压控制系统输出-10~10 V的偏置电压信号,步进电压为40 mV,并在偏压信号上加载幅值为20 mV、频率为1 kHz的导频,如图8(b)的曲线2所示。然后对反馈光信号进行采集,导频的一次谐波分量远大于二次谐波分量,且一次谐波分量在+Quad和-Quad点最大,在Peak点和Null点最小,反馈光信号如图8(b)曲线1所示,可以近似得到MZM的半波电压为6.3 V。记录的MZM调制输出曲线如图8(b)曲线3所示。

图 8. 导频自适应的MZM偏置电压控制实验。(a) MZM系统搭建;(b) MZM半波电压扫描结果

Fig. 8. Experimental setup of dither adaptive MZM bias voltage control. (a) MZM system construction; (b) scanning results of MZM half-wave voltage

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DSP偏置电压控制电路输出幅值为20 mV、初始频率为1 kHz的导频,实现MZM工作点稳定。MZM工作在最低点时,光输出电压近似为0.1 mV,此时在RF端加载峰值为10 V、占空比为10%的脉冲信号。实验中,在固定导频频率与导频自适应两种模式下,利用MZM分别对1,2,10,21 kHz这4种不同重复频率的脉冲进行调制,调制输出光信号通过高速光电探测器转换为电信号,如图9所示,同时记录了输出偏置电压的变化情况,如图10所示。固定导频频率为1 kHz:当脉冲重复频率为2 kHz和10 kHz时,输出的偏置电压较为稳定,脉冲信号对导频没有影响;当脉冲重复频率为1 kHz时,偏置电压工作点无法稳定,脉冲信号对导频影响较大;当脉冲重复频率为21 kHz时,由于系统对反馈信号的采样频率为20 kHz,对采样信号进行FFT时,重复频率21 kHz的脉冲与重复频率1 kHz的脉冲混叠,造成偏置电压工作点无法稳定,波动范围达800 mV。

图 9. 不同重复频率的脉冲对应的输出调制信号。(a) 1 kHz;(b) 2 kHz;(c) 10 kHz;(d) 21 kHz

Fig. 9. Output modulation signals corresponding to pulses with different repetition frequencies. (a) 1 kHz; (b) 2 kHz; (c) 10 kHz; (d) 21 kHz

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在相同的实验条件下,引入导频自适应调节,系统监测偏置输出电压,相对波动超过系统初始设定的临界值K时自主更改导频频率。当脉冲重复频率为1 kHz时,调制光脉冲的消光比为26.01 dB;当脉冲重复频率为2 kHz时,调制光脉冲的消光比为25.96 dB;当脉冲重复频率为10 kHz时,调制光脉冲的消光比为25.99 dB;当脉冲重复频率为21 kHz时,调制光脉冲的消光比为25.97 dB。在多种不同重复频率的激光脉冲调制时,偏置电压控制系统均能实现MZM的工作点稳定,并产生高消光比的脉冲激光。

图 10. 不同重复频率的脉冲对应的输出偏压信号。(a) 1 kHz;(b) 2 kHz;(c) 10 kHz;(d) 21 kHz

Fig. 10. Output bias signals corresponding to pulses with different repetition frequencies. (a) 1 kHz; (b) 2 kHz; (c) 10 kHz; (d) 21 kHz

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同时给出了上述重复频率脉冲的调制工作点稳定时的导频频率自适应变化结果,如图11所示,当脉冲重复频率分别为1,2,10,21 kHz时,导频频率自适应改变为1.31,1.00,1.00,1.16 kHz。可见,当脉冲信号对导频有影响时,该系统能自主更改导频频率,实现工作点稳定。

图 11. 电光调制器偏压稳定时的导频频率自适应结果。(a) 1 kHz;(b) 2 kHz;(c) 10 kHz;(d) 21 kHz

Fig. 11. Adaptive results of dither frequency when the electro-optic modulator bias voltage is stable. (a) 1 kHz; (b) 2 kHz; (c) 10 kHz; (d) 21 kHz

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由于脉冲发生器带载能力限制,空载10 V峰值脉冲输出,经过RF端传输给MZM的实际电压无法达到调制器的半波电压6.3 V。因此通过提高脉冲发生器带载能力,能够进一步增加激光脉冲的消光比。同时,激光脉冲的消光比还取决于调制器本身,实验选用的高速电光强度调制器的消光比可达33 dB,可以通过更换调制器获得更高消光比的激光脉冲。偏置电压控制系统需要进一步滤除高频分量,同时提高系统采样频率,减小频率混叠对调制器工作点的影响。

4 结论

本文结合加载导频的方式实现了MZM工作点稳定控制,提出了一种导频自适应的MZM激光脉冲调制技术。该偏压控制模块以DSP为中心,实时性好,能够避免外界噪声对模拟信号的干扰,系统简单、可靠性强、控制精度高,并且具有体积小等优势,可方便集成到链路系统中。导频频率可变范围为0.45~2 kHz,可适应任意频率的激光脉冲调制。当脉冲信号对导频造成影响后,MZM工作点能够在极短的时间内再次实现稳定,从而稳定地实现基于电光调制器的宽重复频率激光脉冲调制,当加载脉冲峰值为10 V、占空比为10%时,调制光脉冲的消光比可达26 dB。