CN101726806A - 光纤与电光调制器对准耦合的自动化控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光纤与电光调制器对准耦合的自动化控制系统，该系统包括可调谐激光器、光功率计、电光调制器、保偏光纤、调整架、步进电机控制器、通用接口总线(GPIB)卡、GPIB线缆、串口通信线缆和计算机，该可调谐激光器与输入光纤相连结，该光功率计分别与输出光纤相连结，该电光调制器置于该输入光纤与该输出光纤之间，该输入光纤与该输出光纤固定在调整架上，调整架连接于步进电机控制器，步进电机控制器通过GPIB线缆与计算机内的GPIB卡相连，光功率计通过串口通信线缆与计算机连接。利用本发明，解决了传统手动调整光纤耗时长、不易对准、从外界容易带来扰动而无法精确定位等问题。
Description
技术领域
本发明涉及光纤通信和电光调制器技术领域，尤其涉及一种光纤与电光调制器对准耦合的自动化控制系统。
背景技术
密集波分复用(DWDM)系统具有传输容量大、组网灵活等显著特点，已成为长距离光纤通信的主流技术。电光调制器作为DWDM系统关键之一，其作用是将连续光波(载波)调制成携带有特定信息的光信号。电光调制器按照其调制原理主要可分为电光调制器、热光调制器、声光调制器、全光调制器等。电光调制器的原理是利用材料折射率受外加电场的影响而发生改变，从而使调制器的输入光的相位发生改变，并利用光学干涉结构如马赫-曾德干涉仪(MZI)实现对输入光的调制，因此其具有调制速度快、功率消耗低、集成性好等优势。
本发明中所用的电光调制器是以半导体硅为材料制作，其调制原理是基于硅材料中自由载流子色散效应，即当调制器上外加周期性调制电信号时，硅材料的自由载流子浓度将发生改变，材料的折射率随之发生变化，入射光强将随着折射率的变化而周期性变化，最终实现对光的调制。硅基电光调制器的横截面示意图如图1所示，2、4分别为接地电极和信号电极区域，通过在此区域施加足够强的高频电信号，使得n型掺杂区6和p型掺杂区7的自由载流子浓度按照一定的关系发生改变，从而使波导区域3的折射率发生改变，光通过光纤耦合至波导区域3，传输一定距离后，被调制成携带有特定信息的光信号，从而实现调制效果。
光纤与电光调制器耦合的三维立体图如图2所示，调制器的基本结构为马赫-曾德干涉仪(MZI)，该结构主要由五部分构成，分别是输入波导1、分束器2、两个调制区域5、合束器7、输出波导8，入射光通过入射光纤1耦合至输入波导2，并通过分束器2将入射光分成强度相位都相同的两束光，分别进入到结构相同的调制区域5，经过调制后的光再利用合束器7叠加成一束光，由输出波导8耦合至输出光纤9。
为了对输入光进行有效调制，获得高的消光比，必须使进入到调制区域的光强足够大，即需要有足够高的光纤与波导耦合效率，若耦合至波导区域的光强很微弱，一方面进入光功率计的输出调制光信号将被外界的可见光给淹没，无法识别是否具有输出光；另一方面，光电探测器的灵敏度有限，若输出调制光信号很小，则无法被探测器探测到。因此，必须提高光纤与波导的耦合效率，即通过调整光纤相对于波导的位置，使光纤中的入射光尽可能多的耦合至波导区域，并且使出射光尽可能多的耦合至输出光纤。调整光纤的方法可以是首先将光纤固定在调整架上，通过移动调整架来改变光纤相对波导的位置，传统移动调整架的方式是手动调节，即转动调整架上不同的旋钮，使得调整架沿不同的方向调节，但此方法操作繁琐、耗时长，不易控制移动位置，即无法精确定位，因此最终的耦合效果不是很明显。
目前，各种设备仪器大都具有可编程功能，即可利用外部的控制部件(通常为专用集成电路或单片机)，通过一些标准的命令，比如可编程仪器标准命令(SCPI)，对设备进行远程控制。计算机技术的迅猛发展，使得计算机不仅在处理速度上得到很大的提高，而且存储容量也有很大的提升，因此计算机越来越多的运用到测量控制领域，图3为通过计算机控制的测试系统示意图，设备仪器通过特定的接口(比如GPIB卡、串行通信接口等)与计算机通信，而在计算机上，通过利用高级语言编写的程序，对设备仪器进行控制。
通常控制程序所使用的开发环境是基于C、C++语言或者是Basic语言，利用这些高级语言可以开发高效、功能强大的程序，但其缺点在于因其基于文本编写环境，因此开发难度大，且过于复杂，可读性不强。而由美国国家仪器(NI)推出的Labview开发环境，使用的是图形化编程语言G语言编写程序，相比较其它语言，优点在于：可读性强，易于开发，可扩展性强。用Labview开发的程序被称为虚拟仪器(VI)，即可以通过计算机模拟实际的仪器，并具有实际仪器拥有的功能，这使得仪器与计算机很好的结合起来。
发明内容
(一)要解决的技术问题
有鉴于此，本发明的主要目的在于解决传统手动调整光纤耗时长、不易对准、从外界容易带来扰动而无法精确定位等问题，提供一种光纤与电光调制器对准耦合的自动化控制系统。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种光纤与电光调制器对准耦合的自动化控制系统，该系统包括可调谐激光器、光功率计、电光调制器、保偏光纤、调整架、步进电机控制器、通用接口总线GPIB卡、GPIB线缆、串口通信线缆和计算机，该可调谐激光器与输入光纤相连结，该光功率计分别与输出光纤相连结，该电光调制器置于该输入光纤与该输出光纤之间，该输入光纤与该输出光纤固定在调整架上，调整架连接于步进电机控制器，步进电机控制器通过GPIB线缆与计算机内的GPIB卡相连，光功率计通过串口通信线缆与计算机连接。
上述方案中，所述步进电机控制器支持IEEE 488.2接口标准，可通过GPIB线缆通信，光功率计支持RS-232接口标准，可通过串口线缆通信，可调谐激光器使用Yokogawa Laser，光功率计使用Thorlabs Powermeter，步进电机控制器使用Suruga Seiki Stage，GPIB卡使用ADLINK GPIB Card。
上述方案中，所述电光调制器为硅基电光调制器。
上述方案中，所述光纤为保偏光纤，以保证线偏振光偏振方向不变，提高相干信噪比，实现对光功率高精度测量。
上述方案中，该自动化控制系统利用National Instruments公司的图形化测量程序开发环境LabVIEW编写。
上述方案中，该自动化控制系统可对光纤X轴、Y轴、Z轴三个方向进行控制。
上述方案中，该自动化控制系统在控制光纤移动的过程中，可同步获取各个位置的输出光功率值，并实时绘制光纤位置-光功率的曲线图。
上述方案中，该自动化控制系统扫描最大功率算法包括以下步骤：
步骤1、将光纤移动到指定位置x0处；
步骤2、沿x0负方向移动到x0-Δx处；
步骤3、以x0-Δx为起点开始扫描移动，同步获取各个扫描点的光功率值；
步骤4、实时比较各点功率值，扫描至终点x0+Δx处，并获得最大功率值及位置xmax；
步骤5、程序自动控制光纤移动到xmax处；
步骤6、以xmax为指定位置，重复步骤1至5。
上述方案中，该自动化控制系统在扫描最大功率值过程中，若最终所绘制的光纤位置——光功率曲线近似于高斯分布函数，则表示此时光纤入射到电光调制器的光功率值为最大。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
1、利用本发明，解决了传统手动调整光纤耗时长、不易对准、从外界容易带来扰动而无法精确定位等问题。
2、本发明利用计算机程序远程控制，可以自动定位光纤的位置，且可以自动扫描光纤与波导耦合的最佳位置(光功率最大值位置)，实时显示各个扫描点的光功率值。
附图说明
为了清楚地解释本发明的技术特征，下述部分附图出现在发明内容之中，并且为进一步说明本发明的内容及特点，以下结合附图及实施例对本发明作一详细的描述，其中：
图1是本发明硅基电光调制器横截面示意图。
图2是本发明光纤与电光调制器耦合的三维立体图。
图3通过计算机控制的测试系统示意图。
图4是本发明提供的光纤与电光调制器对准耦合的自动化控制系统的结构示意图。
图5本发明对准耦合自动化控制系统算法示意图。
图6本发明对准耦合自动化控制系统前面板控制界面示意图。
图7本发明对准耦合自动化控制系统扫描移动结果示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
如图4所示，图4是本发明提供的光纤与电光调制器对准耦合的自动化控制系统的结构示意图，该系统包括可调谐激光器、光功率计、电光调制器、保偏光纤、调整架、步进电机控制器、通用接口总线(GPIB)卡、GPIB线缆、串口通信线缆和计算机，该可调谐激光器与输入光纤相连结，该光功率计分别与输出光纤相连结，该电光调制器置于该输入光纤与该输出光纤之间，该输入光纤与该输出光纤固定在调整架上，调整架连接于步进电机控制器，步进电机控制器通过GPIB线缆与计算机内的GPIB卡相连，光功率计通过串口通信线缆与计算机连接。
上述步进电机控制器支持IEEE 488.2接口标准，可通过GPIB线缆通信，光功率计支持RS-232接口标准，可通过串口线缆通信，可调谐激光器使用Yokogawa Laser，光功率计使用Thorlabs Powermeter，步进电机控制器使用Suruga Seiki Stage，GPIB卡使用ADLINK GPIB Card。
上述电光调制器为硅基电光调制器；光纤为保偏光纤，以保证线偏振光偏振方向不变，提高相干信噪比，实现对光功率高精度测量。
该自动化控制系统利用National Instruments公司的图形化测量程序开发环境LabVIEW编写，可对光纤X轴、Y轴、Z轴三个方向进行控制，在控制光纤移动的过程中，可同步获取各个位置的输出光功率值，并实时绘制光纤位置——光功率的曲线图。
该自动化控制系统扫描最大功率算法包括以下步骤：
步骤1、将光纤移动到指定位置x0处；
步骤2、沿x0负方向移动到x0-Δx处；
步骤3、以x0-Δx为起点开始扫描移动，同步获取各个扫描点的光功率值；
步骤4、实时比较各点功率值，扫描至终点x0+Δx处，并获得最大功率值及位置xmax；
步骤5、程序自动控制光纤移动到xmax处；
步骤6、以xmax为指定位置，重复步骤1至5。
该自动化控制系统在扫描最大功率值过程中，若最终所绘制的光纤位置——光功率曲线近似于高斯分布函数，则表示此时光纤入射到电光调制器的光功率值为最大。
在图4中，需要将各硬件设备连接起来：ADLINK GPIB卡可直接插入到计算机主板上，并利用GPIB线缆分别与Suruga Seiki Stage步进电机控制器1、步进电机控制器2、Yokogawa Laser可调谐激光器连接，通过GPIB卡自带的驱动程序，可自动识别各个仪器GPIB地址，该卡可最多连接14台不同的设备，Thorlabs Powermeter光功率计利用串口线直接与计算机主板上的串口接口连接。输入保偏光纤的一端固定在调整架1上，另一端与可调谐激光器相连，输出保偏光纤的一端固定在调整架2上，被测器件——电光调制器固定在两调整架之间的台面上。
启动自动化测试程序之前，首先需要对光纤手动粗调，找到光纤与调制器耦合的大致位置：可调谐激光器输出一定功率、一定波长的激光，经输入光纤耦合至电光调制器输入波导部分，输出波导的出射光直接利用电荷耦合器件CCD接收，再使用CCD自带的软件在计算机上观测输出光，若调制器正常通光，手动调整光纤位置，可观测到若隐若现的椭圆光斑。
在找到光斑、确定好光纤的大致位置前提下，输出端的出射光直接利用保偏光纤接至光功率计上，并启动扫描程序，进行自动化测试。
图5描述了对准耦合自动化控制系统算法示意图。该系统算法主要分以下几个步骤进行：步骤1，调用自定义子模块“指定距离移动.vi”，按指定移动距离沿x轴、y轴、z轴方向调整光纤大致位置，调用自定义子模块“获取功率值.vi”，获取扫描初始位置x0、y0、z0及对应的光功率值；步骤2，开始x轴扫描，沿x0负方向移动至x0-Δx位置，调用自定义子模块“扫描过程.vi”，开始扫描移动，获取各个扫描电的功率值，移动至x0+Δx处，并比较各个点的功率大小，扫描结束后移动到最大功率值位置xmax，并绘制功率——位置曲线，判断该曲线是否近似为高斯曲线，如果是，则开始y轴扫描，如果不是，则重复步骤2；步骤3，开始y轴扫描，该过程与步骤2大致相同，不同之处在于，最后若近似为高斯曲线，则表示扫描完成，将结束程序。
图6、图7为对准耦合自动化控制系统前面板控制界面示意图、扫描移动结果示意图。图6中，显示坐标位置2部分可实时显示光纤在三个不同方向上的坐标值，按指定距离移动3部分可按照指定移动距离沿正负两个方向移动，扫描过程4部分指定需要扫描的范围及步长，获取光功率值5部分会实时显示不同坐标位置处的输出光功率值，扫描过程曲线图1部分实时绘制功率-位置的曲线。图7为最后的测试结果，由图可知其功率-位置曲线近似于高斯分布曲线，即可扫描移动至最大光功率位置。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种光纤与电光调制器对准耦合的自动化控制系统，该系统包括可调谐激光器、光功率计、电光调制器、保偏光纤、调整架、步进电机控制器、通用接口总线GPIB卡、GPIB线缆、串口通信线缆和计算机，其特征在于，该可调谐激光器与输入光纤相连结，该光功率计分别与输出光纤相连结，该电光调制器置于该输入光纤与该输出光纤之间，该输入光纤与该输出光纤固定在调整架上，调整架连接于步进电机控制器，步进电机控制器通过GPIB线缆与计算机内的GPIB卡相连，光功率计通过串口通信线缆与计算机连接。
2.根据权利要求1所述的光纤与电光调制器对准耦合的自动化控制系统，其特征在于，所述步进电机控制器支持IEEE 488.2接口标准，可通过GPIB线缆通信，光功率计支持RS-232接口标准，可通过串口线缆通信，可调谐激光器使用Yokogawa Laser，光功率计使用ThorlabsPowermeter，步进电机控制器使用Suruga Seiki Stage，GPIB卡使用ADLINK GPIB Card。
3.根据权利要求1所述的光纤与电光调制器对准耦合的自动化控制系统，其特征在于，所述电光调制器为硅基电光调制器。
4.根据权利要求1所述的光纤与电光调制器对准耦合的自动化控制系统，其特征在于，所述光纤为保偏光纤，以保证线偏振光偏振方向不变，提高相干信噪比，实现对光功率高精度测量。
5.根据权利要求1所述的光纤与电光调制器对准耦合的自动化控制系统，其特征在于，该自动化控制系统利用National Instruments公司的图形化测量程序开发环境LabVIEW编写。
6.根据权利要求1所述的光纤与电光调制器对准耦合的自动化控制系统，其特征在于，该自动化控制系统可对光纤X轴、Y轴、Z轴三个方向进行控制。
7.根据权利要求1所述的光纤与电光调制器对准耦合的自动化控制系统，其特征在于，该自动化控制系统在控制光纤移动的过程中，可同步获取各个位置的输出光功率值，并实时绘制光纤位置-光功率的曲线图。
8.根据权利要求1所述的光纤与电光调制器对准耦合的自动化控制系统，其特征在于，该自动化控制系统扫描最大功率算法包括以下步骤：
步骤1、将光纤移动到指定位置x0处；
步骤2、沿x0负方向移动到x0-Δx处；
步骤3、以x0-Δx为起点开始扫描移动，同步获取各个扫描点的光功率值；
步骤4、实时比较各点功率值，扫描至终点x0+Δx处，并获得最大功率值及位置xmax；
步骤5、程序自动控制光纤移动到xmax处；
步骤6、以xmax为指定位置，重复步骤1至5。
9.根据权利要求1所述的光纤与电光调制器对准耦合的自动化控制系统，其特征在于，该自动化控制系统在扫描最大功率值过程中，若最终所绘制的光纤位置——光功率曲线近似于高斯分布函数，则表示此时光纤入射到电光调制器的光功率值为最大。
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