CN115236801A

CN115236801A - 一种光器件耦合控制方法

Info

Publication number: CN115236801A
Application number: CN202211095599.2A
Authority: CN
Inventors: 张林波; 张强; 许远忠
Original assignee: Chengdu Eugenlight Technologies Co ltd
Current assignee: Chengdu Eugenlight Technologies Co ltd
Priority date: 2022-09-08
Filing date: 2022-09-08
Publication date: 2022-10-25
Anticipated expiration: 2042-09-08
Also published as: CN115236801B

Abstract

本发明涉及一种光器件耦合控制方法，光器件包括透镜、支架和光纤头，耦合控制包括支架的位置确定和光纤头的位置确定；所述光器件耦合控制方法包括以下步骤：步骤1，控制支架移动到预定位置；步骤2，采集包含支架和透镜位置的图像，并基于所述图像计算出矫正位置；步骤3，控制支架移动到所述矫正位置；步骤4，以所述矫正位置为基础，对支架和光纤头进行粗耦合控制，并判断粗耦合控制后的耦合率是否合格，如果合格则耦合完成，如果不合格则进入步骤5；步骤5，对支架进行细耦合控制，并判断细耦合控制后的耦合率是否合格，如果合格则耦合完成，如果不合格则耦合失败。本发明通过多级耦合可以大大提高耦合精度。

Description

一种光器件耦合控制方法

技术领域

本发明涉及光通信技术领域，特别涉及一种光器件耦合控制方法。

背景技术

光学组件或光器件OSA（Optical Sub Assembly）是光通信设备的重要组成部件，接收光器件（ROSA）包括支架、透镜、光纤头等部件，其光路如图6所示，接收的光信号先经过支架，然后进入透镜，再经由光纤头输出。耦合进光纤头的光束越多，光功率就越大，因此在布置各个部件的位置时，需要进行耦合控制，以找到光功率最大的位置。目前的耦合控制方式相对比较简略，因此耦合成功率相对不是很高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种光器件耦合控制方法，以提高光器件的耦合成功率及耦合精度。

为了实现上述发明目的，本发明实施例提供了以下技术方案：

一种光器件耦合控制方法，光器件包括透镜、支架和光纤头，耦合控制包括支架的位置确定和光纤头的位置确定；所述光器件耦合控制方法包括以下步骤：

步骤1，控制支架移动到预定位置；

步骤2，采集包含支架和透镜位置的图像，并基于所述图像计算出矫正位置；

步骤3，控制支架移动到所述矫正位置；

步骤4，以所述矫正位置为基础，对支架和光纤头进行粗耦合控制，并判断粗耦合控制后的耦合率是否合格，如果合格则耦合完成，如果不合格则进入步骤5；

步骤5，对支架进行细耦合控制，并判断细耦合控制后的耦合率是否合格，如果合格则耦合完成，如果不合格则耦合失败；

其中，所述粗耦合控制是单方向的直线轨迹搜索，分别搜索X轴、Y轴、Z轴方向上的最佳位置点；所述细耦合控制是螺旋线轨迹搜索，搜索出区域内的最佳位置点。

所述步骤4中，粗耦合控制过程包括以下步骤：

步骤41，支架移动到矫正位置后再次进行校验，以确保支架的X轴坐标当前处于所述矫正位置；

步骤42，以第一长度为步进，支架的Y轴坐标分别向上和向下移动第一距离，且利用光功率计记录每个位置的光功率，比较所有位置的光功率大小，然后将Y轴坐标移动到光功率值最大的位置；

步骤43，以第一长度为步进，支架的Z轴坐标分别向前和向后移动第一距离，且利用光功率计记录每个位置的光功率，比较所有位置的光功率大小，然后将Z轴坐标移动到光功率值最大的位置；

步骤44，以第一长度为步进，光纤头的X轴坐标分别向左和向右移动第一距离，且利用光功率计记录每个位置的光功率，比较所有位置的光功率大小，然后将X轴坐标移动到光功率值最大的位置；

步骤45，以第一长度为步进，光纤头的Y轴坐标分别向上和向下移动第一距离，且利用光功率计记录每个位置的光功率，比较所有位置的光功率大小，然后将Y轴坐标移动到光功率值最大的位置；

步骤46，以第一长度为步进，光纤头的Z轴坐标分别向前和向后移动第一距离，且利用光功率计记录每个位置的光功率，比较所有位置的光功率大小，然后将Z轴坐标移动到光功率值最大的位置。

粗耦合的目标是快速的确保能找到光，即让支架出来的光，通过透镜后光纤头能够接收到光，光功率计上面的读数不是显示为无光的状态。本方案中采用三轴直线移动进行耦合控制，可以快速找到光，继而提高耦合效率。

所述步骤4中，粗耦合控制过程还包括以下步骤：

步骤47，以第二长度为步进，光纤头的Y轴坐标分别向上和向下移动第二距离，且利用光功率计记录每个位置的光功率，比较所有位置的光功率大小，然后将Y轴坐标移动到光功率值最大的位置；

步骤48，以第二长度为步进，光纤头的Z轴坐标分别向前和向后移动第二距离，且利用光功率计记录每个位置的光功率，比较所有位置的光功率大小，然后将Z轴坐标移动到光功率值最大的位置；

其中，第一长度大于第二长度，第一距离大于第二距离。

整个耦合过程中对于光纤头的移动只在粗耦合控制中进行，上述方案中，采用两种控制精度进行移动控制，可以尽可能地让光纤头接收到更多的光，进而提高耦合效率。

所述步骤5中，细耦合控制过程包括以下步骤：

步骤51，以粗耦合控制后的位置为基础，以第三长度为步进，以第三距离为半径，采用螺旋线轨迹进行移动，确定出需要移动的点的个数；

步骤52，从第一个点开始依次移动，每移动一个点就记录当前位置和在当前位置采集到的光功率；

步骤53，在移动到最后一个点后，确定出光功率值最大的点的位置，并控制移动到该光功率值最大的点的位置。

上述方案中，在粗耦合的基础上移动支架在第三距离半径的圆形区域内，快速搜索，在圆形区域内走螺旋线路径小于多个同心圆的路径，利用更少的时间尽快找到最合适的耦合位置，以此提升耦合效率。如果找不到也为精耦合提供了基础。

所述步骤51中，第三长度为0.01mm，第三距离为0.1mm；螺旋线方程为：

、

分别为点的

坐标值、点的

坐标值、点到原点的距离，

设定

，

每次增加0.5弧度，因此有：

根据半径、

、

进而可以计算出需要移动的点的个数为40，即

。

所述步骤5中，如果细耦合控制后的耦合率不合格，则对支架进行精耦合控制，并判断精耦合控制后的耦合率是否合格，如果合格则耦合完成，如果不合格则确定耦合失败；所述精耦合控制是同心圆轨迹搜索，搜索出区域内的最佳位置点。

同心圆的搜索密度大于螺旋线，其次精度高于螺旋线。只采用细耦合精度不够，只用精耦合时间又太长，影响生产效率。上述方案中，在细耦合不满足要求的情况下再进行精耦合控制，既可以让搜索精度达到要求，同时又节约时间，提高了耦合效率，继而提高生产效率。

所述精耦合控制过程中，以细耦合控制后的位置为基础，采用多个同心圆轨迹进行搜索，同心圆的最大半径为0.02mm，确定出每个同心圆轨迹需要移动的点的个数；针对于每一个同心圆轨迹，从第一个点开始到最后一个点依次移动，每移动一个点就记录当前位置和在当前位置采集到的光功率，确定出光功率值最大的点的位置后，控制移动到该光功率值最大的点的位置。

通过多轴步进电机驱动支架和光纤头移动，多轴步进电机由单片机控制，单片机与多轴步进电机的驱动器信号连接。

上述方案中，采用单片机进行耦合控制，相比于传统PLC或控制卡控制的方式，可以提高耦合控制的实时性，实现实时控制，进而提升控制效率。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明不仅可以实现自动耦合，而且在将支架控制到矫正位置后，还继续进行了粗耦合控制及细耦合控制，多级耦合控制方式使得耦合精度大大提高，继而提高了耦合成功率，同时也提高了光器件的生产效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为实施例中光器件耦合控制方法的流程图。

图2为实施例中实现耦合控制的系统结构图。

图3为单片机的处理流程示意图。

图4为粗耦合控制的流程示意图。

图5为细耦合控制的流程示意图。

图6为ROSA中光路走向的简单示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在介绍本发明耦合方法之前，先对本实施例针对的应用场景做个简单介绍。ROSA的光路如图6所示，接收的光信号先经过支架，然后进入透镜（或称为耦合透镜），再经由光纤头输出。本实施例中，透镜的位置保持不变，然后调整支架的位置，当支架位置调整到位后，再用胶水将透镜与支架粘接固定，调整支架的同时调整光纤头的位置，继而找到支架、透镜、光纤头这三者之间的最佳位置，即光功率最大时各个部件所处的位置。容易理解的，在其他应用场景中，也可以移动例如透镜的位置，也就是说，被移动的对象可以不同，本发明耦合方法同样适用。

请参阅图1，本实施例中提供的光器件耦合方法，包括以下步骤：

步骤1，控制支架移动到预定位置。

本实施例在具体实现时，如图2所示，是通过多轴步进电机驱动平台移动，平台再带动支架和光纤头移动，多轴步进电机则由单片机控制，单片机与多轴步进电机的驱动器信号连接，单片机输出PWM信号给多轴步进电机的驱动器。单片机还通过串口连接光功率计，在耦合控制过程中，利用光功率计采集当前位置的光功率值。单片机还通过串口连接有计算机，计算机将计算得到的矫正位置数据传输给单片机。

单片机的处理过程可以参考图3，使用单片机定时器中断和串口中断控制支架或光纤头的坐标X、Y、Z轴的运动和光功率参数的读取，以此实现实时性控制。

在传统的方案中，一般是采用PLC或运动控制卡来控制步进电机，然而PLC或运动控制卡的控制有执行周期，控制不能够实时执行，进而影响控制效率，导致耦合工时加长。而本方案中，采用单片机实现控制，利用嵌入式系统高实时性特点来实现实时控制，进而提升控制效率。

预定位置实际就是初始位置，即任意给定的一个位置，以便于建立支架的初始位置坐标系。

步骤2，利用相机采集包含支架和透镜位置的图像，并将采集到的图像传输给计算机，计算机基于所述图像计算出矫正位置，并将计算结果传输给单片机，以使得单片机控制支架运动到该矫正位置。

前述的预定位置是一个随机摆放的位置，此处的矫正位置是行业中认定的透镜与支架间的一个标准位置，利用相机确定出摆放位置的坐标，再根据矫正位置的坐标，计算机计算出从预定位置到矫正位置的移动量，继而输出给单片机，以控制支架按照该移动量进行移动。

步骤3，控制支架移动到所述矫正位置。

步骤4，对支架和光纤头进行粗耦合控制，并判断粗耦合控制后的耦合率是否合格，如果合格则耦合完成，如果不合格则进入步骤5。

本步骤4以及后续步骤5和步骤6中，判断耦合率是否合格的手段是相同的，也就是将当前得到的耦合率与目标耦合率进行比较，如果当前得到的耦合率小于目标耦合率，则耦合率不合格，反之则耦合率合格。

步骤5，对支架进行细耦合控制，并判断细耦合控制后的耦合率是否合格，如果合格则耦合完成，如果不合格则进入步骤6。

步骤6，对支架进行精耦合控制，并判断精耦合控制后的耦合率是否合格，如果合格则耦合完成，如果不合格则确定耦合失败。

请参阅图4，所述步骤4中，粗耦合控制的主要思想是采用单个方向的直线轨迹进行搜索，依次搜寻所有方向轴上的最佳位置点。具体地，粗耦合控制过程包括以下步骤：

步骤41，支架移动到矫正位置后再次进行校验，以确保支架的X轴坐标当前处于所述矫正位置。

步骤42，以0.05mm为步进，支架的Y轴坐标分别向上和向下移动2mm，且利用光功率计记录每个位置的光功率，比较所有位置的光功率大小，然后将Y轴坐标移动到光功率值最大的位置。

步骤43，以0.05mm为步进，支架的Z轴坐标分别向前和向后移动2mm，且利用光功率计记录每个位置的光功率，比较所有位置的光功率大小，然后将Z轴坐标移动到光功率值最大的位置。

步骤44，以0.05mm为步进，光纤头的X轴坐标分别向左和向右移动2mm，且利用光功率计记录每个位置的光功率，比较所有位置的光功率大小，然后将X轴坐标移动到光功率值最大的位置。

步骤45，以0.05mm为步进，光纤头的Y轴坐标分别向上和向下移动2mm，且利用光功率计记录每个位置的光功率，比较所有位置的光功率大小，然后将Y轴坐标移动到光功率值最大的位置。

步骤46，以0.05mm为步进，光纤头的Z轴坐标分别向前和向后移动2mm，且利用光功率计记录每个位置的光功率，比较所有位置的光功率大小，然后将Z轴坐标移动到光功率值最大的位置。

步骤47，以0.01mm为步进，光纤头的Y轴坐标分别向上和向下移动1mm，且利用光功率计记录每个位置的光功率，比较所有位置的光功率大小，然后将Y轴坐标移动到光功率值最大的位置。

步骤48，以0.01mm为步进，光纤头的Z轴坐标分别向前和向后移动1mm，且利用光功率计记录每个位置的光功率，比较所有位置的光功率大小，然后将Z轴坐标移动到光功率值最大的位置。

需要特别说明的是，本实施例中，各个步骤中的步进长度和左右移动距离并不是随意设置的，而是经过研究和试验得到的最佳参数，在此种条件下可以尽快地获得更准确更稳定的耦合控制效果。如果不考虑耦合效率（缩短耦合时间）的问题，也可以采用其他实施方式。

另外需要说明的是，图4所示的流程是最佳的粗耦合控制流程，对于光纤头的移动只在粗耦合控制过程中进行，步骤47和步骤48的目的是进一步以更精细的步进对光纤头进行位置调整，以进一步提高光纤头的耦合精度，因此在实际应用中，可以理解为步骤47和步骤48是更优化的处理步骤，而不是必然要执行的步骤。

请参阅图5，所述步骤5中，细耦合控制的主要思想是采用螺旋线轨迹进行区域搜索。具体地，细耦合控制过程包括以下步骤：

步骤51，以粗耦合控制后的位置为基础，以0.01mm为步进，以0.1mm为半径，采用螺旋线轨迹进行移动，确定出需要移动的点（位置点）的个数。

螺旋线方程为：

、

分别为点的

坐标值、点的

坐标值、点到原点的距离，确定

，

每次增加0.5弧度，因此有：

根据半径、

、

进而可以计算出需要移动的点的个数为40，即

。

步骤52，从第一个点开始依次移动，每移动一个点就记录当前位置和在当前位置采集到的光功率。

也就是说，以粗耦合后的位置为基础，先移动到第一个点，并记录第一个点的位置和此时采集到的光功率；然后从第一个点移动到第二个点，并记录第二个点的位置和此时采集到的光功率；如此依次移动，直到移动到最后一个点为止，记录最后一个点的位置和此时采集到的光功率。

所述步骤6中，精耦合控制的主要思想也是进行区域搜索，其控制流程与细耦合控制类似，只是此时采用的是同心圆轨迹，搜索半径和步进的取值也更精细，区域内移动的点更多。

本实施例中，搜索半径为0.02mm的区域，搜索步进约为0.002mm。由于实验中控制支架移动的平台定位精度为0.005mm，要搜索0.02mm的区域，采用等间距同心圆轨迹进行搜索，所以同心圆的个数0.02/0.005=4个，可以确定4个同心圆半径分别为0.005mm、0.01mm、0.015mm、0.02mm。

（1）半径0.005mm的圆取点：

其中

=1...12；

（2）半径0.01mm的圆取点：

其中

=1...24；

（3）半径0.015mm的圆取点：

其中

=1...36；

（4）半径0.02mm的圆取点：

其中

=1...72；

因此精耦合共搜寻12+24+36+72=144个点的相对坐标位置。针对于每一个同心圆轨迹，依然是每移动一个点就记录当前位置和在当前位置采集到的光功率，最后确定出光功率值最大的点的位置，并控制移动到该光功率值最大的点的位置。

需要说明的是，在细耦合和精耦合过程中，因为是基于粗耦合之后的位置作为原始基础位置，因此细耦合和精耦合之后得到的位置描述为相对坐标位置，是相对于粗耦合之后的位置。

以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims

1.一种光器件耦合控制方法，光器件包括透镜、支架和光纤头，耦合控制包括支架的位置确定和光纤头的位置确定；其特征在于，所述光器件耦合控制方法包括以下步骤：

步骤1，控制支架移动到预定位置；

步骤3，控制支架移动到所述矫正位置；

2.根据权利要求1所述的光器件耦合控制方法，其特征在于，所述步骤4中，粗耦合控制过程包括以下步骤：

3.根据权利要求2所述的光器件耦合控制方法，其特征在于，所述步骤4中，粗耦合控制过程还包括以下步骤：

其中，第一长度大于第二长度，第一距离大于第二距离。

4.根据权利要求1所述的光器件耦合控制方法，其特征在于，所述步骤5中，细耦合控制过程包括以下步骤：

5.根据权利要求4所述的光器件耦合控制方法，其特征在于，所述步骤51中，第三长度为0.01mm，第三距离为0.1mm；螺旋线方程为：

、

分别为点的

坐标值、点的

坐标值、点到原点的距离，设定

，

每次增加0.5弧度，因此有：

根据半径、

、

进而可以计算出需要移动的点的个数为40，即

。

6.根据权利要求1-5任一项所述的光器件耦合控制方法，其特征在于，所述步骤5中，如果细耦合控制后的耦合率不合格，则对支架进行精耦合控制，并判断精耦合控制后的耦合率是否合格，如果合格则耦合完成，如果不合格则确定耦合失败；所述精耦合控制是同心圆轨迹搜索，搜索出区域内的最佳位置点。

7.根据权利要求6所述的光器件耦合控制方法，其特征在于，所述精耦合控制过程中，以细耦合控制后的位置为基础，采用多个同心圆轨迹进行搜索，同心圆的最大半径为0.02mm，确定出每个同心圆轨迹需要移动的点的个数；针对于每一个同心圆轨迹，从第一个点开始到最后一个点依次移动，每移动一个点就记录当前位置和在当前位置采集到的光功率，确定出光功率值最大的点的位置后，控制移动到该光功率值最大的点的位置。

8.根据权利要求1所述的光器件耦合控制方法，其特征在于，通过多轴步进电机驱动支架和光纤头移动，多轴步进电机由单片机控制，单片机与多轴步进电机的驱动器信号连接。