可編程光衰減器工作原理及自動校準(zhǔn)

王 健

（中國電子科技集團(tuán)公司 第41研究所，安徽 蚌埠 233010）

光衰減器是光纖通信設(shè)備檢測（如光功率計計量、光功率衰減、接收機靈敏度測量等）中必不可少的測試儀器之一。國外一些大的儀器公司，如JDS、Agilent（HP）、Anritsu等，自20世紀(jì)90年代初期就開始光衰減器（包括機械光衰減器、電控可調(diào)光衰減器［1－4］以及 可編 程光衰減器［5－6］）的研制和生產(chǎn)，現(xiàn)已形成系列產(chǎn)品。而國內(nèi)有關(guān)廠家迄今推出的光衰減器仍為機械式的簡易光衰減器，其特點簡單易用，但其衰減準(zhǔn)確度、重復(fù)性、穩(wěn)定性及回波損耗等技術(shù)性能均不及可編程光衰減器，可編程光衰減器仍靠進(jìn)口。AV6381型可編程光衰減器是根據(jù)國內(nèi)市場實際需要，自主研制開發(fā)的，它不僅具有優(yōu)良的衰減準(zhǔn)確度、重復(fù)性和高的回波損耗等技術(shù)特點，而且具有操作靈活性和計算機遠(yuǎn)程控制功能，綜合技術(shù)性能達(dá)到同期國際同類產(chǎn)品水平。AV6381型可編程光衰減器的主要性能指標(biāo)之一是衰減準(zhǔn)確度，而衰減準(zhǔn)確度的校準(zhǔn)是點對點的，并且還要考慮到波長的影響，因而工作量極大。能否實現(xiàn)自動校準(zhǔn)，關(guān)系著光衰減器能否進(jìn)行批量生產(chǎn)。

1 工作原理

1.1 主要控制原理

整機控制由主控電路、伺服控制電路、光機部件、GP－IB接口電路以及鍵盤顯示電路等組成，如圖1所示。

本機采用雙CPU并行處理方式，伺服控制CPU用于接受主控CPU的命令和數(shù)據(jù)，計算電機旋轉(zhuǎn)的方向和角度去驅(qū)動伺服電機，控制伺服電機轉(zhuǎn)動到指定位置；主控CPU用于控制顯示、處理鍵盤和GP－IB接口等，根據(jù)波長和衰減量大?。ㄓ刹僮髅姘寤?GP－IB接口輸入）以及E2PROM里的修正數(shù)據(jù)計算電機的位置，并發(fā)送相應(yīng)的命令和數(shù)據(jù)給伺服控制CPU。

圖1 AV6381光衰減器控制原理

1.2 光機部件

光機部件由2片中性密度濾光片［6］（ND filter）、直流伺服電機和增量式光電編碼器以及光纖準(zhǔn)直器組成，如圖2所示。

圖2 光機部件示意圖

入射光經(jīng)過2片濾光片衰減后，進(jìn)入輸出光纖。2片濾光片中，一片為固定濾光片，其衰減量為0～50dB，以10dB步距變化，另一片為可變?yōu)V光片，其衰減量在360°范圍內(nèi)為0～10dB（實際鍍制為270°衰減范圍0～15dB）連續(xù)可變。這樣，入射光經(jīng)2片濾光片組合衰減后，可得到0～60dB范圍內(nèi)連續(xù)可變的光衰減量，步距為0.01dB。

ND濾光片是在K9玻璃基片上，采用真空沉積法鍍上中性密度的Ni和Cr合金而制成，具有優(yōu)良的均勻性和平坦的光譜透射特性。為防止濾光片的表面反射光產(chǎn)生干涉影響被衰減光源，除在濾光片沒有金屬鍍層的表面加鍍寬帶增透膜降低反射外，濾光片稍傾斜于光軸安裝可阻止反射光回到入射端，大大提高儀器的回波損耗。濾光片表面加鍍增透膜還有助于降低插入損耗，擴展儀器的低端可調(diào)衰減范圍。

1.3 電機驅(qū)動

AV6381光衰減器的電機驅(qū)動原理如圖3所示，CPU將設(shè)置的電機應(yīng)到位置和檢測到的電機實際位置送往脈寬調(diào)制器，脈寬調(diào)制器發(fā)出信號控制電機驅(qū)動芯片L298N（是否轉(zhuǎn)動、轉(zhuǎn)動方向、速度控制等）。編碼器將電機的位置信息［7－8］傳送至計數(shù)器，CPU讀取計數(shù)器的內(nèi)容并將電機的實際位置發(fā)往脈寬調(diào)制器，實現(xiàn)閉環(huán)控制。

圖3 電機驅(qū)動原理

1.4 衰減控制

衰減設(shè)定可以通過直接旋轉(zhuǎn)ND濾光輪片實現(xiàn)，2片ND濾光輪片各自由帶旋轉(zhuǎn)光電編碼器的直流伺服電機控制。濾光輪片固定在電機軸的前端，實現(xiàn)濾光輪片與光電編碼器位置傳感系統(tǒng)之間的位置匹配。

2個光電編碼器均采用A、B、I三通道遞增編碼器，A、B通道各自輸出相位相差90°的方波，根據(jù)A相和B相的超前或滯后關(guān)系，伺服控制電路中的計數(shù)器可對轉(zhuǎn)動角度進(jìn)行計數(shù)，且能識別電機的轉(zhuǎn)動方向；I通道輸出索引脈沖，用以確定電機的絕對位置。

為獲得要求的分辨率，對可變?yōu)V光輪片采用1024道遞增編碼器，對固定濾光輪片采用512道遞增編碼器。編碼器對每一個方波的上升沿和下降沿都進(jìn)行計數(shù)，這樣，每轉(zhuǎn)的有效分辨率分別是4096道和2048道，從而保證了0.01dB高分辨率的實現(xiàn)。

設(shè)計中還采用對濾光輪片的位置進(jìn)行實時動態(tài)調(diào)整的措施，每隔2.048ms，伺服控制CPU的內(nèi)部定時器產(chǎn)生一個定時中斷，中斷服務(wù)子程序分別調(diào)用可變?yōu)V光片和固定濾光片的控制程序，采樣當(dāng)前濾光片位置，并計算實際位置與目標(biāo)位置之差，根據(jù)此差值對電機進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，以保證設(shè)定衰減值的可靠性及穩(wěn)定性。

1.5 數(shù)據(jù)修正算法

如前所述，AV6381的連續(xù)可變衰減是通過以10dB步進(jìn)的固定濾光片和0～10dB連續(xù)可調(diào)濾光片的有機配合實現(xiàn)的。一方面，固定濾光片的衰減量不僅與波長有關(guān)，而且即使對于某一確定的波長點，與期望值也有很大懸殊，其10dB步進(jìn)調(diào)節(jié)誤差必須依靠連續(xù)可變?yōu)V光片來補償，所以，可變?yōu)V光片的鍍制除保證其本該完成的10dB調(diào)節(jié)量外，還要為固定濾光片提供5dB范圍的衰減補償。另一方面，可變?yōu)V光片的衰減和角位置之間的線性關(guān)系與期望值也有差距，同時，對于某一確定的角位置，其衰減值也與波長有關(guān)。鑒于上述原因，為保證在1200～1650nm波長范圍內(nèi)，實現(xiàn)全衰減量程內(nèi)的衰減準(zhǔn)確度（線性）調(diào)諧，在2種濾光片的設(shè)計鍍制取得保證之后，軟件的數(shù)據(jù)修正十分必要。

借助于穩(wěn)定光源和標(biāo)準(zhǔn)光功率計，分別在1310nm和1550nm波長點上精確測量固定濾光片的10、20、30、40、50dB檔的衰減值，再每隔一定轉(zhuǎn)角（可用步進(jìn)脈沖個數(shù)來計量，如4個脈沖）精確測量可變?yōu)V光片在對應(yīng)波長點上的衰減值。

設(shè)2個波長點的波長值分別為λ1和λ2，濾光片轉(zhuǎn)到第n個脈沖時衰減值分別為T1、T2，則對于任意波長λ，濾光片轉(zhuǎn)到第n個脈沖時衰減值T為：

設(shè)同一波長的光，濾光片轉(zhuǎn)到第n個脈沖時衰減值為Tn，轉(zhuǎn)到第m個脈沖時衰減值為Tm，則對于n與m 之間的任何整數(shù)k，此處的衰減值Tk為：

通過上述處理后，經(jīng)實際檢測表明所得數(shù)據(jù)完全滿足指標(biāo)要求。

2 自動校準(zhǔn)

為了保證滿足衰減準(zhǔn)確度（0.4dB）的要求，必須精確得到可變?yōu)V光片角度與衰減值之間的對應(yīng)關(guān)系。一般采用4個編碼脈沖計一次數(shù)，這樣就需要測量1024個數(shù)據(jù)，而不同波長的光，經(jīng)過濾光片時衰減是不一樣的，即衰減值還與波長有關(guān)。為保證在1200～1650nm波長范圍內(nèi)實現(xiàn)全衰減量程內(nèi)的衰減準(zhǔn)確度，至少要測2個波長點。加上固定濾光片的測試數(shù)據(jù)，一臺衰減器在理想情況下的衰減準(zhǔn)確度校準(zhǔn)，需要測2000多個數(shù)據(jù)，這是極其浪費時間的。為了衰減器能進(jìn)行批量生產(chǎn)，必須考慮利用計算機實現(xiàn)自動校準(zhǔn)。

濾光片的轉(zhuǎn)動是可以控制的，分辨率約為0.09°（360°／4096）。用1310nm 波長的光通過濾光片，用光功率計檢測輸出光的功率，轉(zhuǎn)動濾光片，每隔一定的角度測量一個數(shù)據(jù)，這樣就可以得到濾光片的不同位置對某波長光的衰減值。同樣的方法再測其他波長點，經(jīng)過線性擬合得到校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，寫入E2PROM即可。

校準(zhǔn)裝置如圖4所示。

圖4 自動校準(zhǔn)系統(tǒng)

光源發(fā)出的光經(jīng)衰減器衰減，由功率計檢測，計算機通過GPIB接口控制濾光片轉(zhuǎn)動、采集功率計讀數(shù)，最后把采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到Intel－Hex格式的數(shù)據(jù)文件，再將此數(shù)據(jù)文件編程到E2PROM中即可，控制流程如圖5所示。

圖5 自動校準(zhǔn)控制流程

3 結(jié)束語

AV6381型可編程光衰減器可提供高達(dá)60dB范圍的高準(zhǔn)確度衰減調(diào)諧，是光損耗特性、光傳輸特性分析及光功率計計量的理想工具，優(yōu)于40dB的回波損耗，非常適合于易受反射光影響的設(shè)備的測試。

按照上述思路編寫完成的自動校準(zhǔn)測試程序，經(jīng)幾個批次的生產(chǎn)，其正確性已得到充分驗證，并且工作效率大為提高。

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