（光学工程专业论文）gff制作过程中ef指标实时监测系统设计与实现.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 误差函数e f ( e r r o rf u n c t i o n ) 指标是增益平坦滤波器g f f ( g a i nf l a t t e n i n 2f i l t e r ) 的关键指标，如何实时监测e f 是增益平坦滤波器制作过程中必须要解决的问题，也是 增益平坦滤波器实现量产的关键。文中的e f 指标实时监测系统，通过g p i b ( g e n c 脚 p u r p o s ei n t e 渤c eb u s ) 接口搭建，利用计算机编程技术从光谱分析仪中取数据并进行 分析处理，能够实时绘制带容限的增益平坦滤波器插入损耗曲线，监测e f 指标。 本文在介绍了增益平坦滤波器的产生背景和工作原理之后，对增益平坦滤波器的 指标、制作初期e f 值的监测方法和其制作流程做了分析，提出了利用g p i b 接口使计 算机和光谱分析仪通讯，构建e f 指标实时监测系统的设计思想。接下来论述了e f 指 标实时监测系统的硬件组成及工作流程，重点阐述了g p i b 接口方面的知识( 包括协 议) 。然后详细论述了e f 指标实时监测系统的软件设计和实现：软件以m i c m s o f i s u a l b a s i c6 0 晰t hs e i c ep a c k6 为程序开发语言，论述了计算机与光谱分析仪通讯、用计 算机绘制曲线和计算增益平坦滤波器的e f 值三大模块的核心功能的实现过程，最终将 程序打包以利分发，并编制了e f 指标实时监测系统的使用说明书( 使用手册) ，规范 e f 指标实时监测系统的使用。在本文的结尾部分，对e f 指标实时监测系统进行了实 验验证，并对全文进行了总结。 关键词：误差函数增益平坦滤波器通用接口总线掺铒光纤放大器 密集波分复用 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t e f ( e r m rf u n c t i o n ) i s 1 ek e yp a r 锄e t e rf o rt h eg f fi g a i nf l a t t i n gf i l t e r ) ，m e r e f o r e t h er e a 卜廿m ee fm o m t o r i n ga 1 1 dm e a s u r e m e n ti sv i t a lf o rm a l l u f a c t 面n gg f f ，e s p e c i a l l yi f m a s sp r o d u c t i o ni sn e e d e d i nt h i sp 印盯，t h er c a l t i m ee fm o n i t o r i n ga n dm e a s u r e m e n t 劬c t i o ni sr e a l i z e dv i ag p i b ( g e n e r a lp u r p o s ei n t e r f a c eb u s ) i m e r f 如e ，a 1 1 d 诵t hc o m p u t e r p r o g m m m i n gt og c tt h e r e a l 一t i m ed a t af 幻mt l l eo p t i c a ls p e c t m ma n a i y z c r ；m el o s sv s w a v e l e n 舀hc u r v ec a i lb ep l o t t e ds i m u l t a l l e o u s l ya i l dt h er e a l 一t i m ee fi sm o m t o r e da n d m e a s u r d h lm i sp 印e r ，t h ea u t h o rf i r s t b r i e f i yi n 仃o d u c e dt h eo r i g i n a d i 唱b a c k g r o u n da n dt l l e w o r kp r i n c i p l eo fg f f ，a n a l y z e dt h eb a s i cp a r 锄e t e r s ，t l l em o n “o r i i 培趴dm e a s u r 锄e n t m e t h o da 1 1 dt h ep r o d u c t i o np r o c e s so fg f f a n dm e np r o m o t e dm en o v e l d e s i g no f c o m m u n i c a t i n gb e t w e e no s a ( o p t i c a ls p e c t r 哪a n a j y z e r ) a l l dp c ( p e r s o n a lc o m p u t e r ) v i a g p i bi n t e r f a c e s e c o n d l y t l l eh a r d w a r ec o n f i g u r a t i o na n dw o r k f l o wo fm i ss y s t e mi s i n 廿o d u c e d ，f o c u s i n go n 血et e c l l l l o l o g yo fg p i b ( i n c l u d i n gp r o t o c 0 1 ) a f t e r 札l a t ，t h ed e t a i l e d s o f t 、= v a r es t m c t u r eo fm i ss y s t e mi sd e s c 曲e d ；t h ep r o g 删n m i n gi sb a s e do nm i c r o s o rv i s l l a l b a s i c6 0 淅t l ls e i c ep a c k6 ，a n dt h ea u t h o rm a i n l yi l l u s t r a t e dt h ep r o g r a m m i n go ft l l e t h r c em a i nc o r em o d u l e s ：c o m m u n i c a t i o nb e t w e e n0 s aa n dp c ，p l o t t i n g 也ec u ev i ap c a n dt h ec a l c u l a t i o no fe fv a l u e f i n a l l y ，t h es o 胁黜i sp a c k e df o rd i s 蛐u t i o n ，a n d 也e i n s t n l c t i o nm a n u a li sp r e p a r e dt or e g u l a t et h e “i i z a t i o no ft h i ss y s t e m a tt h ee n do ft h e p 印e r ，t h ea u t h o re x p e r i m e n t a l i yv 谢f i e dt h ev a l i d i t yo ft h i ss y s t e ma i l dt t l e ns u m m 撕z e dt h e w h o l ep a p e l k e yw o r d s ：e f e r r o rf u n c t i o ng f fg a mf l a t t e n i n gf i l t e r g p i be d f ad w d m i i 独剖性声耀 本人声明所呈交的学位论文怒我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 盛栗。尽我所露，除文中已经耘磷芍j 臻豹痨容努，本论文不镪台 壬何其麓个天或集体 己经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以 明确方式标明。本人完全意识到本声明蛇法律缋累由本人承担。 学位论文作者签名：酶诺溻 日期：毒峁莎年f 月? 争霸 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者究全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 留并向圈家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 灭授权肇中秘技大学爵良将零学整论文静全部或部分蠹容编入有关数据滓避彳亍检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密愿适用本授权书。 誊谂文矮子不保密矗。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名： 筏诺浙 骞期：0 # 菇年f 舞 够墨 指导教师签名： 虽。害 基矮；参善年角，乒雹 华中科技大学硕士学位论文 1 绪论 1 1引言 增益平坦滤波器( g f f g a i nf l a t t e n i n gf i l t e r ) 是随着掺铒光纤放大器( e d f a e r b i 眦d o p p e df i b e ra m p l i f i e r ) 的发明以及密集波分复用技术( d w d m - d e n s e w a v e l e n g t l ld i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 的广泛应用而相应产生的。掺铒光纤放大器的发明 减少了光传输过程中光电转换环节，实现了信号的无中继远距离传输，太大降低了系 统成本，使通信向全光网络的发展又迈了一大步，成为了光通信领域中的一场技术革 命。但目前普遍应用于光通信商业系统的掺铒光纤放大器在其工作波段( 1 5 3 0 一 1 5 6 5 衄) 的增益是不均匀的，其特征曲线大约有5 1 0 d b 左右的不平坦度。这样通过 几级放大后，会造成在解复用端各信道的功率严重不均衡，给各个信道带来比较严重 的误码率。目前最佳的解决方案是在掺铒光纤放大器的光路结构中配合使用增益平坦 滤波器，使各个信道的增益达到一致。 增益平坦滤波器主要是针对特定波段、特定信道数目的掺铒光纤放大器来设计， 使得其滤波器的插入损耗曲线与掺铒光纤放大器的增益曲线刚好相反，从而使光纤放 大器的增益平坦度能够达到o 5 d b 以内。其通常的制作技术包括薄膜干涉滤波器、长 周期光纤光栅、啁啾光纤光栅等。薄膜干涉滤波器技术制作的增益平坦滤波器由于其 量产重复性好的原因成为了绝大部分厂家的首选。 在采用薄膜干涉滤波器技术的增益平坦滤波器的制作过程中，使用什么指标来衡 量制作水平的好坏? 如何又能实时监控这个指标? 这两个问题成为了实现增益平坦滤 波器能够量产的关键。 在增益平坦滤波器的各项指标中，其实际插入损耗曲线与设计的插入损耗曲线差 异( 误差) 是其最重要的指标，可以将这两条曲线相减，用所得曲线的最大值减去最 小值的结果e f ( e r r o rf l h l c t i o n ) 作为衡量增益平坦滤波器的好坏的标准，其值越小， 说明制作的增益平坦滤波器的插入损耗曲线越接近设计的插入损耗曲线；其值越大， 说明制作的增益平坦滤波器的插入损耗曲线越偏离设计的插入损耗曲线。 一般的，光谱分析仪可以用来直接测试增益平坦滤波器的插入损耗曲线，但是却 华中科技大学硕士学位论文 不能直接获得e f 值，这给增益平坦滤波器的制作带来了非常大的不便，直接影响了增 益平坦滤波器的量产。 1 2 研究背景 密集波分复用技术在光纤通信中的应用越来越广泛，它与掺铒光纤放大器的结合， 不仅可以提高网络的容量，而且还具有较高的灵活性和经济性。但掺铒光纤放大器的 增益平坦是关键问题，增益平坦滤波器因此成为关键器件。增益平坦滤波器主要用在 掺铒光纤放大器的光路结构中，用于平坦掺铒光纤放大器的增益。 在掺铒光纤放大器实用化以前，为了克服光信号在光纤传输中的插入损耗，每传输 一段距离，都要进行“再生”，即把传输后的弱光信号转换为电信号，经过放大、整形 后，再去调制激光器，生成强度放大的光信号再进行传输。随着传输码率的提高，“再 生”的难度也越来越大，这种光电光的“再生”成为扩大信息传输容量的“瓶颈”。 而掺铒光纤放大器的应用，实现了直接光放大，具有增益高、带宽宽、噪声低、增益 特性对光偏振状态不敏感、对数据速率以及格式透明且多路系统中信道交叉串扰可忽 略等优点，是光电一光放大技术所不可比拟的。尤其掺铒光纤放大器在密集波分复用传 输系统中的应用大大增加了光纤的传输信息容量，使掺铒光纤放大器成为光放大器的 主流i l 】。 掺铒光纤放大器是工作于1 5 5 0 m 波长的，以掺铒光纤作为增益介质，以9 8 0 1 1 i n 或1 4 8 0 n m 附近波长的激光器作为泵浦光源的一种光纤放大器。当供给激光媒质能量使 其处于激励状态时，即会在1 5 5 0 m 附近产生宽度约4 0 m 的增益区，如果有位于增益 谱区的信号光入射，则会使得粒子数反转的增益区产生受激辐射，使得信号光被全同 放大，得到比入射光强度大的输出光，从而起到信号放大作用1 2 4 j 。 掺铒光纤放大器的放大作用是通过1 5 5 0 t l i n 波长的信号光在掺铒光纤中传输与e 一 ( 铒离子) 相互作用产生的【5 。7 l 。掺铒光纤中的e r 3 + 所处的能量状态是不能连续取值的， 他只能处在一系列分立的能量带状态上，这些能量带状态称为能级，当e r 3 十在未受激 励的情况，处在最低能级即基态e 1 ( 参见图1 1 ) 。在掺铒光纤中注入足够强的泵浦光， 就可以将大部分处于基态e 1 离子抽运到高能态e 3 上，处于e 3 的e r 3 + 离子又迅速无辐 射的转移到亚稳态e 2 上。e r 3 + 离子在亚稳态上能级寿命较长，由于连续地泵浦，e 2 华中科技大学硕士学位论文 粒子数不断增加，从而实现e 1 与e 2 粒子数反转，即处于e 2 的粒子比e 1 的粒子数多。 当信号光子通过掺铒光纤时，与e r 3 + 离子相互作用发生受激吸收和受激辐射效应，e 1 的e 一离子吸收信号光子抽运到e 2 ，同时e 2 的e 一离子在信号光子的激发下跃迁到 e 1 ，并产生和入射信号光子完全相同的光子( 即频率、相位，传播方向、偏振态相同) 。 由于e 1 与e 2 粒子数达到反转，使受激辐射效应大于受激吸收，从而大大增加信号光 子的数量，实现信号放大作用。e r 3 斗离子由于增益展宽，亚稳态和基态具有一定的宽度， 使掺铒光纤放大器在一定波长范围内都有放大效应，其典型值为1 5 3 0 1 5 7 0 n m 。e ， 离子处于e 2 时，除了发生受激辐射和受激吸收以外，还要产生自发辐射，自发地从 e 2 跃迁到e 1 ，并发射出1 5 5 0 f l m 波长的光子，这种自发辐射光子构成掺铒光纤放大器 的噪声。如果掺铒光纤放大器的输入光功率较低时，增益较强时，自激辐射较强会产 生较大的噪声0 1 。 图1 - 1 铒的能级图 目前掺铒光纤放大器的光路结构主要有以下四大类：反射式泵浦、同向泵浦、反 向泵浦和双向泵浦1 1 】： 反射式泵浦结构参见图1 2 ，输入光信号经光分束器进入掺铒光纤，被第一次放大， 经反射镜反射后返回掺铒光纤，被第二次放大，然后输出。光环行器保证了光信号的单 华中科技大学硕士学位论文 方向传播，具有较高的隔离度。这种反射型结构可以用较小的泵浦实现较大的增益，但 这种结构的制作、安装和调试都比较困难，并且成本很高，还未予商用12 1 。 信号光箱 借 图1 2 掺铒光纤放大器的反射式泵浦结构 同向泵浦结构参见图l - 3 ：泵浦光和信号光从同一端注入掺杂光纤，在掺铒光纤的 输入端泵浦光较强，故粒子反转激励也强， 吸收的因素，泵浦光将沿光纤长度而衰减， 使噪声增加。 信号一进入光纤即得较强的放大。但由于 使得在一定的光纤长度上达到增益饱和而 图1 3 掺铒光纤放大器的同向泵浦结构 反向泵浦方式结构参见图1 4 ：泵浦光和信号光从不同的方向输入掺杂光纤，在 光纤中反向传输，当光信号放大到很强时，泵浦光也很强，不易达到饱和，故噪声性 能不好。 图1 - 4 掺铒光纤放火器的反向泵浦结构 双向泵浦方式结构参见图1 5 ：两个泵浦源分别在前向和后向进行泵浦，使掺铒光 4 华中科技大学硕士学位论文 纤放大器中的杂质粒子得到了充分的激励。这种泵浦方式结合了同向泵浦和反向泵浦 的优点，使泵浦光在光纤中均匀分布，从而使增益在光纤中也均匀分布。 图1 5 掺铒光纤放大器的双向泵浦结构 这三种结构的泵浦效率、噪声特性和输出特性的比较见表1 1 1 3 1 5 】： 表1 1掺铒光纤放大器三种结构性能比较 信号输出与泵浦光功 噪声特性输出特性 率的关系( 泵浦效率) 同向泵浦6 1 噪声系数最小输出功率最小 反向泵浦7 6 噪声系数最大输出功率中等 双向泵浦 7 7 噪声系数中等输出功率最大 同向泵浦、反向泵浦和双向泵浦式结构是目前商用掺铒光纤放大器主要采用的结 构，可以看到在这三种结构中，增益平坦滤波器是用于密集波分复用系统的掺铒光纤 放大器的重要器件，且增益平坦滤波器总是和光隔离器同时出现，所以在目前实际的 应用中，人们往往把增益平坦滤波器和光隔离器组合在一起形成集成化的增益平坦滤 波器+ 光隔离器组件，且此组件主要用在两段掺铒光纤的中间f 1 6 2 0 1 。 1 3 课题来源 本文的研究课题来源于国家高科技研究发展计划( 8 6 3 计划) 项目“实用化介质膜 滤光片型d w d m 器件”( 已获国家科学技术进步奖二等奖) 的衍生项目。 本文主要对增益平坦滤波器的量产过程中的e f 指标实时监测问题进行了论述，设 计并实现了e f 指标实时监测系统。 1 4 本文内容 本文各章节内容如下： 第一章绪论主要介绍了增益平坦滤波器的主要作用，引出了增益平坦滤波器的关 华中科技大学硕士学位论文 键指标e f ，说明了在增益平坦滤波器的制作过程中实时监测e f 值的重要性。同时介 绍了增益平坦滤波器的应用背景用于密集波分复用系统的掺铒光纤放大器。 第二章主要说明了增益平坦滤波器的工作原理，介绍了增益平坦滤波器的典型曲 线，并对增益平坦滤波器的指标、制作初期e f 值监测方法和其制作流程进行了分析， 提出了利用计算机通过g p i b 接口与光谱分析仪通讯，构建e f 指标实时监测系统，来 达到实时绘制带容限的增益平坦滤波器插入损耗曲线，实时监测e f 指标的目的。 第三章主要说明了e f 指标实时监测系统的硬件组成及工作流程，重点介绍了g p i b 接口( 包括协议) 方面的知识以及选择n ig p i b 的理由。 第四章e f 指标实时监测系统的软件设计是本文的重点，以m i c m s o f c s u a lb a s i c 6 0 、i t l ls e r v i c ep a c k6 为程序开发语言，举例说明了计算机与光谱分析仪通讯、用计算 机绘制曲线和计算增益平坦滤波器的e f 值三大模块的核心功能的实现过程，最终将程 序打包以利分发，并编制相应的使用说明书( 使用手册) ，规范e f 指标实时监测系统 的使用 第五章对本项目研究的e f 指标实时监测系统进行了实验验证，主要是增益平坦滤 波器生产使用验证和掺铒光纤放大器使用g f f 验证。 第六章对全文进行了总结。 6 华中科技大学硕士学位论文 2 增益平坦滤波器基本原理及相关分析 2 1 增益平坦滤波器基本原理 纤长l 的掺铒光纤放大器增益为【2 1 】： g = e x p g _ 2 一d ( 1 一- 2 ) ) 三( 2 - 1 ) 其中瓦是粒子反转度，g 是铒纤的增益系数，a 是铒纤的吸收系数。由于增益系 数和吸收系数是波长的函数，因此，对不同波长的输入光，信号增益是不同的 2 2 2 4 1 。 掺铒光纤放大器增益谱的不平坦性是影响其在密集波分复用系统中应用的主要制 约因素。掺铒光纤放大器有两个孪生的不对称峰值，是因光源谱线的能量水平结构不 同而产生。此增益谱线不平坦，因此放大信号间有能量的偏差，在长距离光传输系统 中，光信号通过多路放大系统传输，因此不同的两个光信号会由于累积效应而出现较 大的能量差。在接收器端，解复用器把光信号分成多个波长，掺铒光纤放大器产生的 噪声信号影响其他光学信号。如果通过放大器传输的两个光信号不同，通过掺铒光纤 放大器传输的密集波分复用系统的信噪比将更加恶化。因此传输距离将变短，传输的 波长范围和信道数量将减少。为在每个波长的信号范围内获得足够的信噪比，需要平 坦掺铒光纤放大器的增益。平坦掺铒光纤放大器增益的方式之一是用光学增益平坦滤 波器，这种平坦掺铒光纤放大器增益的方式是使信号光在通过掺铒光纤放大器的同时 也通过一个与掺铒光纤放大器增益谱线相反的插入损耗谱线的滤光片，利用这种滤光 片封装成的器件叫做光学增益乎坦滤波器【2 5 1 。图2 1 为其工作原理示意图【2 6 。2 7 ： + = 搬蠢光片鸯蠢 增盘平坦臂应 蟪 图2 1 增益平坦滤波器工作原理示意图 7 华中科技大学硕士学位论文 不同厂家生产的掺饵光纤放大器的增益谱线不尽相同，因此不同厂家要求的增益 平坦滤波器的透过率( 插入损耗) 曲线亦不完全相同，所以每一厂家设计的增益平坦滤 波器不是统一的。图2 2 为一典型曲线【2 8 】： l 跏l 册i 湘l 铆l 斓 渡 图2 2 增益平坦滤波器典型特征曲线 2 2 增益平坦滤波器指标分析 由于增益平坦滤波器是增益平坦滤光片封装而成，下面先来看看增益平坦滤光片 的指标定义，参见表2 1 ： 表2 1增益平坦滤光片指标定义 指标( 英文)指标( 中文)符号说明( 定义) t a 唱e ti n s e n i o nl 0 s ss p e c t m m 设计的插入损耗谱 i k ( ” 设计的g f f 插入损耗谱 m e a s u r e di n s e n i o nl o s ss p e c t i u m测量的插入损耗谱 i l m ( u 测量的g f f 插入损耗谱 i n s e n i o nl o s se r r o rf u n c t i o “ 插入损耗误差谱i l e f ( i l e f ( 柚= l l ，( 的- i l 。n ) s p c c 订u m i n s e n i o nl o s se 丌o rf u n c t i o n ( d b ) 插入损耗误差( d b ) i l e f i l e f = i l e f ( 九) m 。一i l e f ( 柚。i 。 b a n d w j d t h ( n m ) 带宽( d b ) b w i l “”的带宽 d e p t h ( 1 1 1 1 1 ) 深度( n m )i l d i l d = i l 。( ”一- i k ( 柚删。 s i 叩e ( d b n m ) 斜率( d b n m ) s li k ( ”上的最大斜率绝对值 p e a l ci n s e n i o nl o s s ( d b ) 最小插入损耗( d b )i l di k = i l “”t i i i 。 从上表中可以清晰地看到插入损耗误差i l e f ( 简称e f ) 的定义，e f 是增益平坦 滤光片最重要也是最关键的指标。其值越小制造增益平坦滤光片越难。其次，带宽、 深度和斜率也是设计和制造增益平坦滤光片需要考虑的因素，这些指标要求越大越难 于制造。图2 。3 很好的注解了这些指标的定义： 萤辱培辩 华中科技大学硕士学位论文 图2 3 增益平坦滤光片指标定义 目前各大滤光片制造厂家普遍达到的典型水平为：e f o 4 5 d b ，i l d o 2 d b 。 再来看看增益平坦滤波器的指标定义，参见表2 2 ： 表2 2 增益平坦滤波器指标定义 指标( 英文)指标( 中文)符号参考值 i n s e n i o nl 0 s ss p e c t 插入损耗谱 i k ( ” 依赖于需求 e r r o rf u n 砸o n ( d b ) 插入损耗误差( d b ) e f o 5 5 血 e x c e s sh l s e n i o nl o s s ( d b )最小插入损耗( d b )i l 5 5 d b p o l a r i z a t i o nd c p e n d e n tl o s s ( d b ) 偏振相关损耗( d b ) p d l 0 1 d b p o l a r i z a i i o nm o d ed i s p e r s i o n ( p s ) 偏振模色散( p s ) p m d( o2 p s 以上这些指标中，插入损耗误差e f 是增益平坦滤波器最重要也是最关键的指标， 它的定义与增益平坦滤光片的插入损耗误差e f 的定义相同，即定义设计的插入损耗谱 为i l t ( ”，测量的插入损耗谱为i l 。( ”，则插入损耗误差谱e f ( ”定义为： e f ( 丑) = 儿，( 五) 一皿。( 五) ( 2 - 2 ) 插入损耗误差e f 定义为： 。e j f = e f ( 旯) 。a x e f ( 兄) 心( 2 - 3 ) ( 2 2 ) 代入( 2 3 ) 中，得： e 汐= 尼，( 兄) 一皿。( a ) 】。一【皿，( 五) 一皿。( 五) 】。( 2 - 4 ) e f 代表了实际的插入损耗曲线与设计的插入损耗曲线之间的差异( 误差) ，其值 9 华中科技大学硕士学位论文 等于增益平坦滤波器实际插入损耗曲线与设计的插入损耗曲线之间的差异( 误差) 曲 线的幅度；其值越小，说明制作的增益平坦滤波器的插入损耗曲线越接近设计的插入 损耗曲线；其值越大，说明制作的增益平坦滤波器的插入损耗曲线越远离设计的插入 损耗曲线。增益平坦滤光片在封装成增益平坦滤波器的过程中，因为制作的原因通常 会使插入损耗曲线在横轴上产生一定的漂移，增益平坦滤波器的调试工序就是为了使 这种漂移达到最小( 最好情况时零漂移) ，控制e f 值的变化小于o 0 5 d b ，如果加上后 续工序( 上胶固化、粘接等) 带来的e f 值变化( 一般小于o 0 5 d b ) ，再加上增益平坦 滤光片本身的e f 值( 一般小于o 4 5 d b ) ，最终增益平坦滤波器的e f 值要小于0 5 5 d b ， 这也是增益平坦滤波器制作过程中需要控制达到的指标。 增益平坦滤波器的e f 指标定义为后面搭建的e f 指标实时监测系统的软件算法提 供了依据。 2 3 增益平坦滤波器e f 指标监测方法分析 在制作增益平坦滤波器的初期，人们想了很多办法来直接或间接监测e f ，比如： ( 1 ) 在光谱分析仪的屏幕上贴透明玻璃纸，纸上绘出所要求的上下限曲线，首先利 用光谱分析仪的一个扫描通道存放光源的光谱图，再利用另一个扫描通道得到光源的 光通过增益平坦滤波器的光谱图，用这个光谱图去减光源的光谱图得到增益平坦滤波 器的插入损耗曲线，对比这个曲线与上下限曲线的差异来判断增益平坦滤波器的好坏； ( 2 ) 将方法一中得到的增益平坦滤波器的插入损耗曲线保存下来，先导出数据再导 入数据到光谱分析仪的m e m o r y a ，再将设计的插入损耗曲线从外部设备比如软驱导入 到光谱分析仪的m e m o r yb ，在光谱分析仪上做b a 的运算，再分析之，用b a 曲 线的最大值减最小值得到此时静态的增益平坦滤波器的e f 值( 静态) ； ( 3 ) 直接使用高端的光谱分析仪( 扫描通道数5 个以上) ，先将设计的插入损耗曲 线从光谱分析仪的外部输入设备( 比如软驱) 导入到光谱分析仪的m e m o r ya 中，再 用m e m o r yb 保存光源的光谱图，使用c 通道扫描增益平坦滤波器，在光谱分析仪的 d 通道上做b c 的运算得到增益平坦滤波器的插入损耗曲线，最后在e 通道上做a d 的运算得到增益平坦滤波器的设计与实际的差异曲线，分析此曲线，用最大值减最小 值得到增益平坦滤波器的e f 值( 静态) 。 1 0 华中科技大学硕士学位论文 方法一只能定性不能定量，缺乏足够的精度，方法二、三缺乏实时性、操作繁琐， 且方法三成本太高( 需要高端的光谱分析仪) ，这些方法都难以运用于实际的生产制作 中。 在实际的生产制作中，为了方便地对增益平坦滤波器进行相关的调试工作，要求 能够及时准确地知道每一次调试的结果的好坏，即要求及时准确获得每一次调试后增 益平坦滤波器的e f 值，这就对增益平坦滤波器的e f 指标的实时监测提出了要求。 e f 指标实时监测系统利用计算机通过g p i b 接口与光谱分析仪通讯，获得相关数 据，再进一步利用计算机强大的分析处理能力进行相关的运算比较工作，从而绘制带 容限的增益平坦滤波器插入损耗曲线，计算得到e f 值，达到实时监测e f 指标的目的。 2 4 增益平坦滤波器制作流程分析 下面来看看增益平坦滤波器的制作流程，参见图2 4 ： 图2 - 4 增益平坦滤波器成品制作丁序流程图 华中科技大学硕士学位论文 仔细分析图2 4 ，在滤光片检验及粘接、调试测试指标、上胶固化、粘接和测试封 装这些工序中都需要监测e f 值。再深入分析制作过程中对光谱分析仪的操作： ( 1 ) 光谱分析仪波长校准 1 ) 打开光谱分析仪，擦拭连接器头及清洗法兰盘： 2 ) 光谱分析仪的内部光源与其输入端连接器连接，打开键“o 呻) u t ”； 3 ) 按f 8 选择菜单f 5 “c a l ”，再选择f 4 “w l c a l ( r e f ) ”，接着选择f 1 “e x e c u t e ” 进行波长校准。 ( 2 ) 光谱分析仪存储光源 1 ) 波长设定 按f 8 选择菜单f 6 “t r a c e ”，先对t r a c ea 进行更改，过程如下：按f 3 “t r a c e a ”， 然后再选菜单f 1 “w a v e l e n g t l l ”，接着按f 4 “s t a r t ”更改起点波长，最后按f 5 “s t o p ” 更改终点波长。同样的方法对t r a c eb 进行更改，过程同t r a c e a 的更改过程； 2 ) 存储光源 将光源的输出端和光谱仪的输入端连接；按f 8 选择菜单“1 h c e ”( f 6 ) ，先按f 1 “m e m o r y a ”，再按键“s i n g l e ”，进行一次扫描。按f 2 “m e m o r yb ”再按键“s i n 酉e ” 进行一次扫描。最后按f 6 “t r a c e a b ”，再按键“s i n g l e ”进行一次扫描。存光结束。 这些对光谱分析仪的操作同样作为e f 指标实时监测系统启用前的准备工作，也就 是说e f 指标实时监测系统在启用前必须完成光谱分析仪的校准工作以及相应的存储 光源的工作。 再来看“调试、测试指标”和“上胶固化”中的操作： ( 1 ) 调节准直器，将准直器上架，检查透镜或准直器的连接头是否划伤，准直器的 透镜端面要保持干净，如果不干净，用棉签将透镜表面擦干净，擦拭时要注意不要划 伤透镜表面的膜层，同时要用擦拭纸擦干净准直器的连接头端面。将准直器的插损调 到最小，一般准直器的插损应小于0 4 d b ( 包含连接器的插损) ，如果插损值调不下来， 将插损值大的退给焊接人员重新焊接。将插损值填入工序卡。 ( 2 ) 调节滤光片，在输入端准直器上，上滤光片，如图2 5 所示，用镊子转动铜环， 对于g f f 器件，观察计算机显示的e r r d rf u n c t i o n 达到最小( 一般要求小于o 5 d b ) ， 调节微调架将插损调至最小，同时看e n d rf u n c t i o n 是否最小f 调好的e r r o rf u n c t i o n 值 1 2 华中科技大学硕士学位论文 与滤波片本身的e d rf u n c t i o n 值相差小于o 0 5 d b ) 。然后测试回损( 按照客户的要求 测量) ，如果回损合格的话进行下一步操作。 图2 5 增益平坦滤波器调试示意图 ( 3 ) 点紫外胶，将已调好的滤光片铜环与准直器之间点紫外胶( 注：紫外胶三点的 胶量要均匀) ，点胶方位如图2 6 所示，用紫外灯对准紫外胶照射，将其固化，紫外灯 与被照射器件之间的距离为l 厘米，照射次数7 次，每次5 秒。固化完后用干净的点胶 棒检查紫外胶是否己固化牢固。将测试的e f 值填入工序卡。 o = 9 0 0 + 一1 0 0 点胶方位 图2 6 增益平坦滤波器调试点胶方位示意图 ( 4 ) 点a c q 一1 0 胶，在铜环与准直器之间均匀点a c q 一1 0 胶加固( a c q - 1 0 胶经真 空脱泡处理过) ，同时将带有滤波片的滑块向上放置如图2 7 所示，以免a c q 一1 0 胶流 动后因重力作用而胶量不均匀。送入烘箱内8 5 ，然后进行高温老化不少于1 5 小时。 图2 - 7 增益平坦滤波器调试完毕后的放置方法 ( 5 ) 检测，将烘烤完毕的滤波器拿出检验波形，对于增益平坦隔离器，要求e m r 瞌川夕 ， 华中科技大学硕士学位论文 f u n c t i o n ，插损，回损要满足客户要求，测试合格品转交给粘接工序，不合格品给返修 组返滤光片。 从上面的增益平坦滤波器的部分操作流程中可以很清晰的看到几乎每一步操作都 需要实时监测增益平坦滤波器的e f 值，这也进一步证明了设计e f 指标实时监测系统 的重要性。增益平坦滤波器的制作流程对e f 指标实时监测系统的实时性和易用性提出 了要求： ( 1 ) 实时性要求 制作人员在调试、测试增益平坦滤波器的时候需要快速知道结果，否则难以完成 相应的调试、测试工作，增益平坦滤波器也就难以量产。在e f 指标实时监测系统中， 计算机与光谱分析仪之间的通讯有两种方式，一种是二进制方式，一种是字符串方式。 字符串方式最简单也最易使用，但效率低下，经过实践，发现不能满足实时性的要求， 因此改用二进制方式，计算机获得数据后进行处理再分析判断，理论和实践证明，二 进制方式的通信速度是字符串方式的4 倍以上( 后面有论述) ，达到了实时性要求。 ( 2 ) 易用性要求 对于监测系统，如果操作复杂、繁琐，那么会极大影响制作效率。制作人员希望 能用最少的动作来完成最多的事情，因此需要设计e f 指标实时监测系统在默认状态 下，仅通过鼠标就能完成绝大部分操作。 华中科技大学硕士学位论文 3 e f 指标实时监测系统硬件设计 3 1 硬件系统总体设计 e f 指标实时监测系统由计算机、光谱分析仪、光功率计、a s e 光源、5 0 ：5 0 光耦 合器和g p i b 接口卡及g p i b 线缆组成，参见图3 1 图3 7 ： 图3 一le f 指标实时监测系统硬件组成框图 图3 - 2e f 指标实时监测系统硬件组成( 光谱分析仪) 图3 3e f 指标实时监测系统硬件组成( 光功率计) 华中科技大学硕士学位论文 图3 - 4e f 指标实时监测系统硬件组成( a s e 光源) 图3 5e f 指标实时监测系统硬件组成( 5 0 ：5 0 光耦合器) 图3 - 6e f 指标实时监测系统硬件组成( g p t b 接口卡) 图3 - 7e f 指标实时监测系统硬件组成( g p i b 线缆) 光功率计和光分析谱仪之间的虚线表示可接一条g p i b 数据连接线也可不接，e f 指标实时监测系统设计之初是考虑将所有的操作显示都在计算机上完成，但在其后的 生产使用中发现制作人员更乐意直接读取光功率计上的数值，以免总看显示器造成视 觉疲劳。 1 6 华中科技大学硕士学位论文 3 2 硬件系统工作流程 整个e f 指标实时监测系统工作流程大致如下： ( 1 ) 计算机向光谱分析仪发送指令，使其处于被控状态，光谱分析仪响应指令，从 本地面板控制状态切换到远程( 计算机) 控制状态； ( 2 ) 计算机向光谱分析仪发出各种需要的查询指令，比如采样( 扫描) 点数、起始 波长、结束波长，m e m o r y a 中的数据等等，光谱分析仪反馈对应的结果，计算机做好 各种准备工作； ( 3 ) 计算机向光谱分析仪发出单次扫描指令，等光谱分析仪扫描完成，再发出数据 查询( m e m o r yb ) 指令，获得本次扫描( 采样) 的数据； ( 4 ) 计算机将获得的数据进行分析处理，绘制增益平坦滤波器的带容限的插入损耗 曲线( 容限浮动，m e m o r y a m e m o r y b 即为插入损耗) 并显示出来； ( 5 ) 计算机做设计曲线与增益平坦滤波器插入损耗曲线的减法运算，找出减法运算 后的最大值和最小值，进一步计算出增益平坦滤波器的e f 值并显示出来； ( 6 ) 重复( 3 ) ( 5 ) 过程。 简言之，计算机通过( 咿i b 负责向光谱分析仪发出各种命令，同时接收光谱分析仪 返回的数据，计算机进行分析处理后得到被测器件的插入损耗曲线和e f 值并在显示器 上显示出来。 3 3 接口选择 说到接口，串口是人们最容易想到也最容易使用的通用通讯接口。人们常提到的 “串行通信”【2 9 就是指外设和计算机间使用一根数据信号线，数据在一根数据信号线 上按位进行传输，每一位数据都占据一个固定的时间长度。这种通信方式使用的数据 线少，但传输数据慢、扩展性差，e f 指标实时监测系统需要实时传送大量的曲线数据， 受传输速率限制，事实证明e f 指标实时监测系统使用串口无法达到应用要求。 通用接口总线( g p i b ，g e n e r a lp u r p o s ei n t e r f a c eb u s ) 是独立仪器上一种最通用的 i o 接口。g p i b 是专为测试测量和仪器控制应用设计的。g p i b 源于惠普( a 西l e m t e c l l n o l o 百e s 的前身) 在2 0 世纪6 0 年代设计的h p - i b ，在1 9 7 5 年被标准化为i e e e 华中科技大学硕士学位论文 标准4 8 8 1 9 7 5 。最初的标准定义了总线的电气、机械和功能规范及其基本a n s m e e e 标准4 8 8 2 1 9 8 7 精确定义了控制器和仪器如何通过g p i b 通信，从而增强了最初的标 准( 最初的标准也被重新命名为i e e e 4 8 8 1 1 9 7 5 ) 。2 0 0 3 年发布了最初规范的更新 i e e e4 8 8 1 2 0 0 3 ，它定义了一种高速数据传输模式。g p i b 是一种数字的、8 位并行通 信接口，数据传输速率高达8 m 字节秒。该总线可为一个系统控制器提供多达1 4 台 仪器连接，连线长度小于2 0 米。通过使用g p i b 增强设备和扩展设备，用户可以克服 设备数和连线长度的限制。g p i b 线缆和连接器具有多种用途，在任意环境中均可做为 工业级使用【3 0 3 ”。考虑到g p i b 的通用性和高速性，e f 指标实时监测系统选择了g p i b 作为相应的计算机和设备直接的通讯接口。 3 _ 2 1 g p i b 简单介绍 目前随着智能仪器的不断发展，g p i b 越来越广泛地应用于自动测控系统中，只要 用无源电缆将计算机和测试仪器通过g p i b 接口连接起来就可以组建各种各样的自动 测控系统，它使人们走出了手工操纵仪器费时费力的时代。 g p i b 由于不是p c 的工业总线，p c 本身很少带有g p m 。实际上，用户通常使用 一个插卡( 如p c i g p i b ) 或一个外部转换器( 如g p i b u s b ) 在自己的p c 中增加 g p i b 仪器控制功能。 如果使用一个插卡，可以进行线形连接或星形连接又或线形和星形的组合连接( 参 见图3 8 ) ，连接方式非常自由。 al i 惴c o 嘲u r m b nbe 趾c “g u 隰6 图3 - 8g p i b 线形连接和星形连接 华中科技大学硕士学位论文 如果使用多个插卡，可以参照图3 9 连接。 o n e g p 挹 a n o t h e r g p 峙 图3 9g p i b 多插卡连接示意图 g p i b 的总线结构参见图3 1 0 ，总线上传递的各种信息( 通称为消息) 大致分为两 种：接口消息和仪器消息。接口消息是指管理接口部分完成各种接口功能的信息，仪 器消息是指与仪器自身工作密切相关的信息，只被仪器部分接受和利用。 到3 - 1 0 g p i b 总线结构 一般g p i b 总线共2 4 线，包括8 条双向数据线( d 1 0 1 8 ) 、8 条地线、5 条接口 管理线( a 1 n ：注意线、i f c ：接口清除线、n ：远程控制线、s r 0 ：服务请求线、 e o i ：结束或识别线，参见表3 1 ) ( 其作用是控制g p i b 总线接口的状态) 和3 条数据 挂钩联络线( 三线挂钩原理 3 2 】) ( n r f d ：数据未就绪线、n d 幢c ：数据未收到线、d a v ： 数据有效线，参见表3 2 ) ，且均是负逻辑。三线挂钩的原理参见图3 1 1 。 华中科技大学硕士学位论文 表3 1g p m 接口管理线 接口管理线说明 a 1 m ( 注意线)发送命令时a 1 n = 1 ，发送数据时a 1 n = 0 i f c ( 接口清除线)初始化总线，使其c i c 。 r e n ( 远程控制线) 使设备切换到远程或本地控制模式 s r o ( 服务请求线)有设备需求时，进入异步请求服务模式 e o i ( 结束或识别线)讲者用e o i 表示数据的结束；控者用e o i 表示并行传输 表3 - 2o p i b 数据挂钩联络线 接口管理线说明 n r f d ( 数据未就绪线)听者准备未准备好接收消息。 讲者进行高速( h s 4 8 8 ) g p t b 数据传输 n d a c ( 数据未收到线)听者收到，未收到消息 d a v ( 数据有效线)讲者指示数据有效 n v n r f d n d a c 图3 1 1 三线挂钩简单时序 在g p i b 自动测试系统中，为了进行有效的信息传递，g p i b 包括了三种基本的