可编程光衰减器工作原理及自动校准

王 健

（中国电子科技集团公司 第41研究所，安徽 蚌埠 233010）

光衰减器是光纤通信设备检测（如光功率计计量、光功率衰减、接收机灵敏度测量等）中必不可少的测试仪器之一。国外一些大的仪器公司，如JDS、Agilent（HP）、Anritsu等，自20世纪90年代初期就开始光衰减器（包括机械光衰减器、电控可调光衰减器［1－4］以及 可编 程光衰减器［5－6］）的研制和生产，现已形成系列产品。而国内有关厂家迄今推出的光衰减器仍为机械式的简易光衰减器，其特点简单易用，但其衰减准确度、重复性、稳定性及回波损耗等技术性能均不及可编程光衰减器，可编程光衰减器仍靠进口。AV6381型可编程光衰减器是根据国内市场实际需要，自主研制开发的，它不仅具有优良的衰减准确度、重复性和高的回波损耗等技术特点，而且具有操作灵活性和计算机远程控制功能，综合技术性能达到同期国际同类产品水平。AV6381型可编程光衰减器的主要性能指标之一是衰减准确度，而衰减准确度的校准是点对点的，并且还要考虑到波长的影响，因而工作量极大。能否实现自动校准，关系着光衰减器能否进行批量生产。

1 工作原理

1.1 主要控制原理

整机控制由主控电路、伺服控制电路、光机部件、GP－IB接口电路以及键盘显示电路等组成，如图1所示。

本机采用双CPU并行处理方式，伺服控制CPU用于接受主控CPU的命令和数据，计算电机旋转的方向和角度去驱动伺服电机，控制伺服电机转动到指定位置；主控CPU用于控制显示、处理键盘和GP－IB接口等，根据波长和衰减量大小（由操作面板或 GP－IB接口输入）以及E2PROM里的修正数据计算电机的位置，并发送相应的命令和数据给伺服控制CPU。

图1 AV6381光衰减器控制原理

1.2 光机部件

光机部件由2片中性密度滤光片［6］（ND filter）、直流伺服电机和增量式光电编码器以及光纤准直器组成，如图2所示。

图2 光机部件示意图

入射光经过2片滤光片衰减后，进入输出光纤。2片滤光片中，一片为固定滤光片，其衰减量为0～50dB，以10dB步距变化，另一片为可变滤光片，其衰减量在360°范围内为0～10dB（实际镀制为270°衰减范围0～15dB）连续可变。这样，入射光经2片滤光片组合衰减后，可得到0～60dB范围内连续可变的光衰减量，步距为0.01dB。

ND滤光片是在K9玻璃基片上，采用真空沉积法镀上中性密度的Ni和Cr合金而制成，具有优良的均匀性和平坦的光谱透射特性。为防止滤光片的表面反射光产生干涉影响被衰减光源，除在滤光片没有金属镀层的表面加镀宽带增透膜降低反射外，滤光片稍倾斜于光轴安装可阻止反射光回到入射端，大大提高仪器的回波损耗。滤光片表面加镀增透膜还有助于降低插入损耗，扩展仪器的低端可调衰减范围。

1.3 电机驱动

AV6381光衰减器的电机驱动原理如图3所示，CPU将设置的电机应到位置和检测到的电机实际位置送往脉宽调制器，脉宽调制器发出信号控制电机驱动芯片L298N（是否转动、转动方向、速度控制等）。编码器将电机的位置信息［7－8］传送至计数器，CPU读取计数器的内容并将电机的实际位置发往脉宽调制器，实现闭环控制。

图3 电机驱动原理

1.4 衰减控制

衰减设定可以通过直接旋转ND滤光轮片实现，2片ND滤光轮片各自由带旋转光电编码器的直流伺服电机控制。滤光轮片固定在电机轴的前端，实现滤光轮片与光电编码器位置传感系统之间的位置匹配。

2个光电编码器均采用A、B、I三通道递增编码器，A、B通道各自输出相位相差90°的方波，根据A相和B相的超前或滞后关系，伺服控制电路中的计数器可对转动角度进行计数，且能识别电机的转动方向；I通道输出索引脉冲，用以确定电机的绝对位置。

为获得要求的分辨率，对可变滤光轮片采用1024道递增编码器，对固定滤光轮片采用512道递增编码器。编码器对每一个方波的上升沿和下降沿都进行计数，这样，每转的有效分辨率分别是4096道和2048道，从而保证了0.01dB高分辨率的实现。

设计中还采用对滤光轮片的位置进行实时动态调整的措施，每隔2.048ms，伺服控制CPU的内部定时器产生一个定时中断，中断服务子程序分别调用可变滤光片和固定滤光片的控制程序，采样当前滤光片位置，并计算实际位置与目标位置之差，根据此差值对电机进行相应的调整，以保证设定衰减值的可靠性及稳定性。

1.5 数据修正算法

如前所述，AV6381的连续可变衰减是通过以10dB步进的固定滤光片和0～10dB连续可调滤光片的有机配合实现的。一方面，固定滤光片的衰减量不仅与波长有关，而且即使对于某一确定的波长点，与期望值也有很大悬殊，其10dB步进调节误差必须依靠连续可变滤光片来补偿，所以，可变滤光片的镀制除保证其本该完成的10dB调节量外，还要为固定滤光片提供5dB范围的衰减补偿。另一方面，可变滤光片的衰减和角位置之间的线性关系与期望值也有差距，同时，对于某一确定的角位置，其衰减值也与波长有关。鉴于上述原因，为保证在1200～1650nm波长范围内，实现全衰减量程内的衰减准确度（线性）调谐，在2种滤光片的设计镀制取得保证之后，软件的数据修正十分必要。

借助于稳定光源和标准光功率计，分别在1310nm和1550nm波长点上精确测量固定滤光片的10、20、30、40、50dB档的衰减值，再每隔一定转角（可用步进脉冲个数来计量，如4个脉冲）精确测量可变滤光片在对应波长点上的衰减值。

设2个波长点的波长值分别为λ1和λ2，滤光片转到第n个脉冲时衰减值分别为T1、T2，则对于任意波长λ，滤光片转到第n个脉冲时衰减值T为：

设同一波长的光，滤光片转到第n个脉冲时衰减值为Tn，转到第m个脉冲时衰减值为Tm，则对于n与m 之间的任何整数k，此处的衰减值Tk为：

通过上述处理后，经实际检测表明所得数据完全满足指标要求。

2 自动校准

为了保证满足衰减准确度（0.4dB）的要求，必须精确得到可变滤光片角度与衰减值之间的对应关系。一般采用4个编码脉冲计一次数，这样就需要测量1024个数据，而不同波长的光，经过滤光片时衰减是不一样的，即衰减值还与波长有关。为保证在1200～1650nm波长范围内实现全衰减量程内的衰减准确度，至少要测2个波长点。加上固定滤光片的测试数据，一台衰减器在理想情况下的衰减准确度校准，需要测2000多个数据，这是极其浪费时间的。为了衰减器能进行批量生产，必须考虑利用计算机实现自动校准。

滤光片的转动是可以控制的，分辨率约为0.09°（360°／4096）。用1310nm 波长的光通过滤光片，用光功率计检测输出光的功率，转动滤光片，每隔一定的角度测量一个数据，这样就可以得到滤光片的不同位置对某波长光的衰减值。同样的方法再测其他波长点，经过线性拟合得到校准数据，写入E2PROM即可。

校准装置如图4所示。

图4 自动校准系统

光源发出的光经衰减器衰减，由功率计检测，计算机通过GPIB接口控制滤光片转动、采集功率计读数，最后把采集到的数据进行处理，得到Intel－Hex格式的数据文件，再将此数据文件编程到E2PROM中即可，控制流程如图5所示。

图5 自动校准控制流程

3 结束语

AV6381型可编程光衰减器可提供高达60dB范围的高准确度衰减调谐，是光损耗特性、光传输特性分析及光功率计计量的理想工具，优于40dB的回波损耗，非常适合于易受反射光影响的设备的测试。

按照上述思路编写完成的自动校准测试程序，经几个批次的生产，其正确性已得到充分验证，并且工作效率大为提高。

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