（信号与信息处理专业论文）基于ova650的数控可变光衰减器设计与研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 可变光衰减器( v a r i a b l eo p t i c a la t t e n u a t o r ，v o a ) 是光通信系统中一种非常 重要的光器件。v o a 可以按照用户的要求将光信号能量进行预期地衰减，常 用于e d f a 增益均衡、d w m d 网络光功率控制、光通信线路、系统评估以及 各种实验中。 s a n t e c 公司的o v a 6 5 0 是一种基于滤光片型电控光衰减模块，内部建有 一个微型步进电机，其原理是利用步进电机拖动中性梯度滤光片，当光束通 过滤光片不同位置时，得到不同的衰减量。o v a 6 5 0 内部的定位传感器提供 了接口，用户可通过采集定位电压反映出衰减量的大小。 本文以o v a 6 5 0 可变光衰减模块为设计对象，结合单片机8 9 s 5 2 进行电 路设计，并制作用户可控制数字光衰减器。文中设计了步进电机驱动电路， 采用二相八拍脉冲控制步进电机；用高精度模数转换芯片m a x l 9 7 采样 o v a 6 5 0 的定位电压，并通过多次采集同一电压累和求平均的方法提高数字 电压的精度；系统流程中采用了自适应环路算法，根据用户输入的衰减量查 找与电压的对换表，对应出数字电压，然后循环采样定位电压，比较定位电 压与查表电压的绝对值差，并控制步进电机的转向与步数，逐步求精，从而 精确定位到输入的衰减量位置。 在本文的测试部分，建立测试系统，测试o v a 6 5 0 内部衰减量与定位电 压之间的对应关系，并建立对换表；确定了步进电机移动步数与衰减量之间 的关系；使用m a t l a b 进行数值分析及曲线拟合，将得到衰减量与电压关系曲 线与真实曲线比较，进行误差分析；通过比较基于n 阶多项式的曲线拟合方 法与分段函数曲线拟合方法，确定用分段函数描绘衰减量与电压曲线，并以 系统精度士0 1 d b 为循环条件，进行自动分段。 数控可变光衰减器量程为0 一- - 3 5 d b ，系统精度达n + o 1 d b 。 关键词：可变光衰减器，o v a 6 5 0 ，系统精度 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 i 页 a b s t r a c t v a r i a b l eo p t i c a la t t e n u a t o r ( v o a ) i sav e r yi m p o r t a n to p t i c a l d e v i c ei n o p t i c a lc o m m u n i c a t i o ns y s t e m a c c o r d i n gt ot h e u s e r sr e q u i r e m e n t ，v o ac a n r e d u c et h ee n e r g yo fo p t i c a ls i g n a lw h i c hi se x p e c t e d i ti sc o m m o n l yu s e di n e d f ag a i n e q u a l i z a t i o n ，d w m d o p t i c a lp o w e rn e t w o r kc o n t r o l ，o p t i c a l c o m m u n i c a t i o nl i n e s ，s y s t e m a t i ca s s e s s m e n t ，a n dk i n d so ft h ee x p e r i m e n t s a n t e co v a 6 5 0i saf i l t e r - b a s e de l e c t r o n i co p t i c a la t t e n u a t o rm o d u l ew i t ha m i c r os t e p p e rm o t o ri n s i d e t h ep r i n c i p l ei st h a tu s i n gas t e p p e rm o t o r t od r i v et h e g r a d e dn e u t r a ld e n s i t yf i l t e r w h e nt h eb e a mo fl i g h tg o e st h r o u g ht h ef i l t e ra t d i f f e r e n tl o c a t i o n ，w ew i l lg e td i f f e r e n ta t t e n u a t i o n o v a 6 5 0i n t e r n a lp o s i t i o n s e n s o ro f f e r sp o s i t i o nv o l t a g ei n t e r f a c e ，b yw h i c hu s e r sc a nc o l l e c tt h ep o s i t i o n v o l t a g et h a tr e f l e c t st h ea t t e n u a t i o n t h i sp a p e rt a k e so v a 6 5 0a st h ed e s i g no b j e c t ，a n du s e ss i n g l e - c h i p8 9 s 5 2 f o rc i r c u i td e s i g n ，t h e nd e s i g n st h ed i g i t a lo p t i c a la t t e n u a t o rs y s t e mt h a tu s e r sc a n c o n t r 0 1 t h i sp a p e rd e s i g n ss t e p p e rm o t o rd r i v e c i r c u i t ，a n du s e s2 - p h a s e - 8 。s t e p p u l s et oc o n t r o lt h es t e p p e rm o t o r w eu s eh i g hp r e c i s i o na n a l o g - d i g i t a lc h i p m a x19 7t os a m p l et h ep o s i t i o nv o l t a g e f o rt h es a k eo fr a i s i n gt h ep r e c i s i o n v o l t a g e w eu s et h em e t h o do fr e p e a t i n gs a m p l i n gt h e s a m ev o l t a g et og e tt h e a v e r a g e a d a p t i v el o o pa l g o r i t h mi s a l s ou s e di ns y s t e ms t r e a m a c c o r d i n gt o a t t e n u a t i o n v o l t a g et a b l e ，w eg e tt h ed i g i t a lv o l t a g e i tw i l lc i r c u l a r l ys a m p l et h e p o s i t i o nv o l t a g e ，a n dc o m p a r et h ea b s o l u t ed i f f e r e n c eb e t w e e np o s i t i o n v o l t a g e a n dc o n v e r t e dv o l t a g e ，t h e nc o n t r o ls t e p p e rm o t o rm o v i n gd i r e c t i o na n ds t e p s v i a t h i sw a y ，w ep r e c i s e l yl o c a t et h ep o s i t i o no ft h ea t t e n u a t i o n i nt h ep a r to ft e s t ，w ee s t a b l i s ht h et e s ts y s t e mt ot e s t t h ec o r r e s p o n d i n g r e l a t i o n s h i po fo v a 6 5 0b e t w e e ni n t e r n a la t t e n u a t i o na n dp o s i t i o nv o l t a g e ，t h e n d e f i n et h er e l a t i o n s h i pt a b l e t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ns t e p p e rm o t o rm o v i n ga n d a t t e n u a t i o ni sa l s oi d e n t i f i e d b yu s i n gm a t l a bf o rn u m e r i c a la n a l y s i sa n dc u r v e f i t t i n g ，w eg e tt h ef i t t i n gc u r v e ，a n da n a l y z et h ee r r o rb e t w e e nf i t t i n gc u r v ea n d r e a lc u r v e t h r o u g ht h ew a yo fc o m p a r i n gn o r d e rp o l y n o m i a lc u r v ef i t t i n g 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 i i 页 m e t h o da n ds u b f u n c t i o nc u r v ef i t t i n gm e t h o d ，w eu s et h el a t t e rw a yt od e s c r i b e a t t e n u a t i o n v o l t a g ec u r v e t a k i n gs y s t e ma c c u r a c y4 - o 1d ba st h el o o pc o n d i t i o n ， i tw i l ld i v i d es e g m e n t sa u t o m a t i c a l l y t h er a n g et h a ts y s t e mc a nc o n t r o li s0 - 3 5 d b ，a n ds t e p p i n gp o s i t i o na c c u r a c y i so 0 3 d b s t e p w i t h4 - 0 1d bs y s t e ma c c u r a c y k e y w o r d s ：v a r i a b l eo p t i c a la t t e n u a t o r ，o v a 6 5 0 ，s y s t e ma c c u r a c y 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国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。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇 编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在5 年解密后适用本授权书； 2 不保密百，使用本授权书。 学位论文作者签名： 弃手 日期： 硼，罗f7 f翥嚣尹 日期：游f 7 j 西南交通大学曲南父遗大罕 学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下独立进行研 究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已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，均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律 结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 以o v a 6 5 0 可变光衰减模块为设计对象，结合单片机8 9 s 5 2 进行电 路设计，并制作用户可控制数字光衰减器。设计中通过多次采集同一电压 累和求平均的方法提高了模数转换芯片的采样数字电压精度，并采用环路 算法，循环采样、查表，控制步进电机的转向与步数，逐步求精，准确定 位衰减量位置。其设计实现了可控量程0 - 3 5 d b ，系统精度4 - 0 1 d b ，达到 了设计要求。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 光通信系统中的光衰减器 可变光衰减器( v a r i a b l eo p t i c a la t t e n u a t o r ，v o a ) 是一种旨在降低波导中传 输的光功率的器件，它是随着光通信事业发展出现的一种非常重要的光器件。 v o a 可以按照用户的要求将光信号能量进行预期地衰减，常用于在光通信线 路、系统中吸收或反射掉光功率余量、评估系统的损耗及调整、校正等各类 试验中。由于光衰减器在光纤通信、光纤传感器及光纤测量系统中都有着广 泛的应用，利用它可以模拟光纤长距离传输或者检测传输系统的动态范围， 因此目前光衰减器的市场潜力很大i l j 。 v o a 在d w d m 网络各个模块中有广泛的应用。当输入光功率超过某一范 围时，为了使光接收机产生不饱和失真，或为了平衡多路传输支路光功率的 大小等，必须对输入光信号进行一定程度衰减。光衰减器是在控制状态下减 少传输光功率的装置，虽然一般关心的是增加传输光的功率，然而在光纤网 络中光衰减器有很多重要的应用，包括以下几个方面【z 儿列： ( 1 ) 在光网络中，复用在一起传输的光信号传输一段距离后由于e d f a 、 光开关和光滤波器等器件对各波长的响应略有不同，它们的功率就有可能不 同。此外从本地节点上路的光信号与其它光信号传输了不同距离，从而有不 同的光功率的一些信号复用在一起，不同功率的波长信号经级联e d f a 系统 后，某些波长的功率将可能进一步降低，使该信道性能恶化。此外由于光网 络的上下话路、网络恢复等原因，使进入节点的各个波长通道的光功率也存 在差异，由于信号要经历多个节点和通路，各个波长通道之间的光功率差异 产生累计，导致各个光信道的信噪比不一致，使得系统服务质量受到影响。 因此，在光网络中有必要在节点对各个波长的光功率进行均衡以保证通信质 且 里o ( 2 ) 随着光纤光功率的增大，会引起越来越严重非线性的效应，涵盖非线 性非弹性散射效应和非线性折射率效应。随着d w d m 和e d f a 技术的广泛应 用，光纤的非线性效应已经成为高速率长距离光纤通信的主要障碍之一。因 此控制光端机的入纤功率就成了当前抑制非线性效应的有效措施之一。在 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 d w d m 复用器前使用可变光衰减器就是一个有效控制光功率的办法。 ( 3 ) 在光纤网络或光发射机调试过程中，往往需要一个可变光衰减器，如： 光纤网在系统调试时，总的线路衰减量小于系统设计的预定衰减值，为避免 光接收机饱和失真，就要在光接收机前面串接一个光衰减器；另外，为了使 光纤网具有扩展能力，往往采用较大功率的光发射机，再按要求使用光衰减 器吸收部分光功率。 ( 4 ) 在许多试验或产品测试中，可能需要测量高电平光信号的特性，如光 放大器的强输出，测量前光信号必须经过精确衰减，否则有可能导致仪器损 坏或测量的过载失真。在光通信线路模拟、工程评估中也需要用v o a 来替代 实际的光缆线路。 光网络中通道的不均衡性可严重恶化网络性能，因此通道的均衡性是光网 络性能好坏的重要依据。目前提出了许多均衡方案，如衰减器调谐方案、i z 滤波器、f p 滤波器调谐方案等。图1 1 是利用衰减法实现功率均衡的原理框 刚4 1 。 入i r 1 ) 光 一 叫v o a 卜+ 耦 厶 口 器 r 1 一v o ab 均衡输出 图1 - 1 功率均衡原理框图 众所周知掺饵光纤放大器( e d f a ) 在w d m 系统中起着重要的作用，然而 e d f a 存在着增益谱的不平坦性，它对不同波长的光产生的增益不同。在e d f a 级联的w d m 系统中，这种增益不平坦( 不同) 的特性严重影响系统的性能，衰 减法实现增益均衡的原理是：用解复用器把各波长的信号分开，分别对不同波 长的信号进行不同的衰减，使增益大的波长对应于大的衰减，这就是实现增 益均衡的原理。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 图1 - 2 光率减器在光器件计量系统中的应用 光衰减器还可用于光通信系统的评估、研究及调整、校正等方面。图1 2 是光率减器在光器件计量系统中的应用【5 】。 综上所述，光衰减器可用于e d f a 增益均衡、d w m d 网络光功率控制、 光通信线路、系统评估以及各种实验中。现代光网络的高速率、高可靠性、 高智能性，要求光通信设备具备很好的运行、维护、管理特性。因此，性能 优良的可变光衰减器对现代d w d m 光通信系统和光通信器件的研究开发具有 重要意义1 6 j 1 7 j 。 1 2 光衰减器的类型 光衰减器白7 0 年代中期即开始发展，现已经成为最基本的光无源器件之 一。随着宽带光通信网络，特别是全光网络的迅速发展，光衰减器的市场需 求增长十分迅猛，它与连接器，耦合器等一起已经成为最基本的光无源器件。 根据工作特点光衰减器大体上可以分为固定光衰减器( f o a - f i x e do p t i c a l a t t e n u a t o r ) 和可变光衰减器( v o a ：v a r i a b l eo p t i c a la t t e n u a t o r ) 两个大类。 其中可变光衰减器又可以分成小可变光衰减器、手动操作的机械式可变光衰 减器( m v o a ) 和电控智能型可变光衰减器( e v o a ) 。固定光衰减器只能对 光路中的光能量进行固定量的衰减，其温度性能佳。但在实际应用中，常常 需要衰减量可随用户需要而改变的光衰减器，所以，可调光衰减器的应用范 围更广泛 8 1 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 光衰减器( 一一一器 智能式可变光衰减器 按照衰减器的工作原理，可将衰减器分为： 衰减片型光衰减器 7 器慧= 、 m e m s 型光衰减器 用于未来光纤网络的光衰减器可简单归纳为两个主要发展方向：弹性管理 功能和降低成本。就弹性管理功能来说，可调式光衰减器的响应时间需尽量 缩短以增强网络管理能力，并且要模块化和封装小型化，这是光衰减器发展 的必然趋势，尤其对于测试线路和未来的e d f a 和d w d m 交叉点有越来越多 迫切的需要时，一个高级的多光谱通道光源将整合以下的主要功h t - 匕k ：每个信 道的极化控制、波长参考i t u t 规格、内部和外部调变为1 0 g h z 、高输出功率、 光能量的量测模块和可遥测信道等。至于降低成本方面，可在几个方面努力： 开发新式材料；组件集成化；组件尺寸小型化；提高自动化，降低人为疏失， 增加产能；增强对准及封装技术1 1 。此外，为了配合d w d m 系统的应用， 光衰减器正向着多通道的方向发展。 1 3 光衰减器的性能指标 光衰减器的定义式是： 器 器 器减减减衰衰衰光光光定定定固固固式式 式器 器纤换换尾转变 器减衰光定固 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 肚圳b 甙争 p o u 。和p i n 和分别是输出功率和输入功率。 衰减器主要指标：衰减量、插入损耗、偏振模相关损耗、 1 3 1 衰减量和插入损耗 ( 1 3 1 ) 回波损耗等【1 2 1 。 插入损耗( i n s e r t i o nl o s s ) 是指器件中光输出功率p o u t ，与输入功率p i n 的比 值，它也是衡量光无源器件的最重要技术指标之一。 器件中插入损耗产生的主要因素可分为三种：光纤固有传输损耗菲涅 耳反射损耗和光纤与光纤间的模场失配损耗。 光纤固有传输损耗是光纤链路传递信号本身带来的衰减。损耗的大小和光 纤的技术参数如光纤的数值孔径，光纤的材质和纤芯包层的同心度等有关， 也和单模或多模光纤的选取有关。多模光纤在传输信号过程中将引入模间色 散，而单模光纤正好避免了这一点。因此为了尽可能的减少光纤固有传输损 耗，本文的光开关和v o a 研制过程中所采用的光纤都是高质量的单模光纤。 其次，光纤耦合时一部分光线将在耦合端发生偏折或散射。这个现象也就 是菲涅耳反射损耗。为了降低这种损耗，光纤耦合端面除了保证垂直于光纤 轴平面外还可以采用镀增透膜，加匹配液等方法。 第三种损耗是光纤直接耦合器件插入损耗产生的主要因素。而造成模场失 配损耗的主要原因是机械对准误差，横向误差，纵向误差，角度误差( 如图1 3 1 所示) 。在单模光纤直接耦合器件设计过程中，我们首先应该避免输入输出光 纤规格不同所引起的模场失配原因。进一步考虑到单模光纤纤径只有1 2 5 9 m ， 纤芯则不到1 0 9 m 。这些都对如何对准和置放输入输出光纤提出了很高要求。 因此我们在保证加工精度基础上，置放光纤的凹槽设计成v 型将更稳定有效。 ( a ) 横向误差 | e ( b ) 纵向误差( c ) 角度误差 图1 3 1 光纤直接耦合插入损耗 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 衰减量和插入损耗是光衰减器的重要指标。固定光衰减器的衰减量指标实 际上就是其插入损耗，而可变衰减器除了衰减量外，还有单独的插入损耗指 标。高质量的可变衰减器的插入损耗在o 6 d b 以下，一般情况下普通可变衰 减器的该项指标小于l d b ，即可使用。在实际选用可调衰减器时，插入损耗 越小越好。 1 3 2 回波损耗 由于回返光对通信系统的影响是巨大的，它会引起激光器相对强度噪声、 非线性啁啾及激射漂移，使通信系统性能恶化。在光器件参数中影响系统性 能的一个重要指标是回波损耗( r e t u r nl o s s ) 。光开关及可调光衰减器中的回波 损耗是指器件中光反射功率p r 与输入功率p i n 的比值，在通信技术中我们通常 用分贝( d b ) 来测量它： p r l = 一1 0 l o g ( - ) ( 1 3 - 2 ) p r 是反射回入射端的光功率，是输入光功率。r l 要求尽可能大，以 避免回返光对其它器件造成干扰或串扰。在光器件参数中影响系统性能的一 个重要指标是回波损耗。回返光对光网络系统的影响是众所周知的。光衰减 器的回波损耗是指入射到光衰减器中的光能量和衰减器中沿入射光路反射出 的光能量之比。高性能光衰减器的回波损耗4 0 d b 在以上。事实上由于工艺等 方面的原因，衰减器实际回波损耗离理论值还有一定差距，为了不至于降低 整个线路回波损耗，必须在相应线路中使用高回损衰减器，同时还要求光衰 减器具有更宽的温度使用范围和频谱范围。 而引起回波损耗的主要因素可分为第一级反射影响和第二级反射影响。 ( 1 ) 第一级反射 第一级反射影响是由于输入光纤耦合端面与空气介质折射率失配导致一 部分光信号沿输入路径反射回去的。根据在单模光纤中传输的光线入射到纤 芯与空气界面时，入射角度很小，可近似按正入射处理，则菲涅耳公式可知 功率反射系数r 可表示为： r ：( n - n o ) 2 ( 1 3 3 ) 以+ n o 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 其中1 1 为光纤纤芯折射率，i l o 为空气折射率；这样由此产生的回波损耗r l l 为： 码：1 0 1 0 9 。(