一种光信号产生装置及产生方法与流程

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一种光信号产生装置及产生方法与流程

一种光信号产生装置及产生方法,属于光通信领域。



背景技术:

在光通信领域进行产品开发设计时,通常需要对光接收端的产品进行单独的性能测试。为达到这一目的,可以使用两种方法:方法一是提供实际的光源信号作为检测光源;方法二是提供一个能够仿真实际光源的光信号用以测试。方法一由于提供实际的光源信号存在困难、需要对光接收端光电检测电路的某一特性进行单独测试,而且需要使用单独的光源对光接收端的产品进行某些极限参数测试等不足而很少采用。方法二由于使用的仿真信号具有比实际信号误差小,便于量化分析等优点而成为现有技术中通常采用的方法。

方法二的实施需提供一个精度高的任意波形光信号发生器。目前,专门用于工业控制或者相关模拟实验用的高精度光信号源的相关配套产品基本没有,因此设计能够产生高精度、任意波形的光信号源具有重要的经济价值。实现高精度、任意波形光信号发生器有两个关键技术:1、实现任意波形电信号的发生,2、实现高精度的光信号调制;即,使光信号发生器的出光功率与施加的控制电信号之间保证严格的线性关系。其中,实现任意波形电信号的发生的方法有很多,目前多采用CPU控制DDS芯片实现,其基本原理即任意波形发生器的波形产生原理。实现高精度的光信号调制,由于目前的发光器件通常采用LED,其P-I关系均不是标准线性的,而目前所采用方法的基本思想都是对LED的发光强度进行直接调制,再辅以不同的手段对影响LED发光强度的温度变化、老化等因素进行预处理或补偿处理。文献“《光学与光电技术》,2015年2月,第13卷第1期,用于光电检测的高精度任意波形光信号源技术研究”提供了一种高精度任意波形光信号发生器的设计方法,该方法通过对要使用的LED的“发光功率-驱动电流”(即P-I关系)曲线关系测量,预先得到两者的实际关系曲线,再根据此关系通过预变换的方式将光信号发生器的输入量与输出光功率关系修正为线性关系。

在实现本发明过程中,发明人发现现有技术中至少存在以下问题:

采用LED光源的光信号精度低、P-I关系预校正过程繁琐。

经分析发现,出现上述问题的原因主要是由于:

LED的“发光功率P―驱动电流I”关系并不是稳定不变的,其中LED的发光功率会随LED的PN结温度的升高而下降;同时,LED的老化也会使其发光功率下降,而且对LED的P-I关系只进行一次测量,在LED温度变化或LED老化时,其预先修正的线性关系将不再成立,从而使生成的光信号的精度受到影响。



技术实现要素:

本发明要解决的技术问题是:克服现有技术的不足,提供一种使LED驱动电信号与其发光强度之间保持严格的线性关系、且此线性关系不受境温度变化、LED老化影响的光信号产生装置及产生方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:

一方面,提供了一种光信号产生装置,包括可控信号源、线性稳态模块、聚光模块和光功率选档模块;所述可控信号源与光功率选档模块相连,光功率选档模块与线性稳态模块相连,线性稳态模块与聚光模块相连;经可控信号源产生、由光功率选档模块选档确定的电信号,通过线性稳态模块调整,经聚光模块后,输出与所述电信号线性变化一致的目标光信号。

优选的,所述可控信号源为任意波形发生器33600A和DG4062中的任一种。

优选的,可控信号源、光功率选档模块与线性稳态模块的光监测模块组成串联电路。

优选的,所述聚光模块为非球面透镜和自聚焦透镜中的任一种。

优选的,所述光功率选档模块为精密可调电位器。

优选的,所述线性稳态模块包括光监测模块、采样控制模块、光驱动模块、分光器和光纤;所述光监测模块与采样控制模块相连,采样控制模块与光驱动模块相连,光驱动模块与分光器相连,分光器通过光纤与光监测模块相连;光监测模块接收经功率选档确定的电信号,并通过光纤监测分光器传输的监测光信号;采样控制模块对光监测模块输出的电信号进行采样、放大;光驱动模块将电信号变为光信号输出;分光器将光信号分为监测光信号和目标光信号,监测光信号用于光监测模块的反馈输入信号,目标光信号用于有效输出光信号;线性稳态模块用于实现可控信号源输出的电信号与分光器输出的监测光信号之间保持线性变化关系。

优选的,所述光监测模块为光电二极管SFH250和SFH250V中的任一种。

优选的,所述采样控制模块为运算放大器AD8003、AD8021和AD8099中的任一种,该运算放大器用于实现对光监测模块输出电信号的直接采样、放大。

优选的,所述分光器为一分二的塑料光纤分光器和一分二的多芯石英光纤分光器中的任一种。

另一方面,提供了一种光信号产生方法,包括以下步骤:

S301,确定待产光信号的光功率最大值;

S302,功率选档并确定并产生初始直流校准电信号;

S303,输出初始光信号;

S304,测量实际输出光功率;

S305,判断该光功率是否符合目标光信号光功率最大值要求,若符合进入步骤S307,否则进入步骤S306;

S306,微调初始直流校准电信号,返回步骤S305;

S307,设置最终输出直流校准电信号为最终校准信号;

S308,利用该信号产生与待产光信号波形、频率相同的电信号;

S309,输出满足功率要求的目标光信号。

与现有技术相比,上述方案中的一个技术方案具有如下优点或有益效果:

该技术方案中的光信号产生装置利用经可控信号源产生、由光功率选档模块选档确定的电信号来控制由可控信号源、光功率选档模块和光监测模块组成的串联电路的欧姆电流值,并利用采样控制模块直接而非CPU模数转换的采样方式采样反映光监测模块状态的电信号,再根据该电信号的大小控制光驱动模块的LED发光,分光器将该发光信号分为监测光信号和目标光信号,光监测模块接收该监测光信号对LED的光强度进行监测,聚光模块将该目标光信号进行会聚后输出;该光信号产生装置能使聚光模块输出的目标光信号与可控信号源输出的电信号之间形成严格的线性关系,即实现了LED驱动电信号与其发光强度之间的线性变化关系。

与现有技术相比,上述方案中的另一个技术方案具有如下优点或有益效果:

该光信号产生方法保证了该光信号产生装置在其可控信号源输出一个稳定的电信号时,其聚光模块输出的目标光信号也能够保持稳定,且不受LED温度变化和老化的影响;且该光信号的产生方法只需对光信号在传输通道中受到的耦合衰减进行一次校正,而对LED的P-I关系则无需校正,因此校准方法及过程简单可靠。

附图说明

图1 光信号产生装置结构框图。

图2 线性稳态模块结构框图。

图3 光信号产生方法步骤流程框图。

具体实施方式

图1~3是本发明光信号产生装置及方法的最佳实施例,下面结合附图1~3对本发明光信号产生装置及方法的具体实施方式做进一步详细说明。

参照图1:

图1是光信号产生装置结构框图,包括可控信号源、线性稳态模块、聚光模块和光功率选档模块;所述可控信号源与光功率选档模块相连,光功率选档模块与线性稳态模块相连,线性稳态模块与聚光模块相连;经可控信号源产生、由光功率选档模块选档确定的电信号,通过线性稳态模块调整,经聚光模块后,输出与所述电信号线性变化一致的目标光信号。

可控信号源为安捷伦任意波形发生器33600A和普源任意波形发生器DG4062中的任一种。

光功率选档模块采用精密可调电位器RL进行光功率选档,其档位标准的设定以可控信号源的任一固定直流电信号输出为标准;其中的一种实施方案是将可控信号源输出的幅值为1V的U信号作为光功率选档模块的档位设定标准,可将光功率选档模块设定为5个级别:100μW、200μW、300μW、400μW、500μW,即幅值为1V的U信号在不同档位时光的输出功率分别为100μW、200μW、300μW、400μW、500μW;即输出50μW的光信号,则使用幅值为0.5V的U信号并选择第一档(100μW),或是使用幅值为0.25V的U信号并选择第二档(200μW)。光功率选档模块调节输出光功率的档位实质就是调节精密可调电位器RL的档位,档位越高即输出功率越大,则精密可调电位器RL选择的阻值越低。

参照图2:

图2是线性稳态模块结构框图,包括光监测模块、采样控制模块、光驱动模块、分光器和光纤;所述光监测模块与采样控制模块相连,采样控制模块与光驱动模块相连,光驱动模块与分光器相连,分光器通过光纤与光监测模块相连;光监测模块接收经功率选档确定的电信号,并通过光纤监测分光器传输的监测光信号;采样控制模块对光监测模块输出的电信号进行采样、放大;光驱动模块将电信号变为光信号输出;分光器将光信号分为监测光信号和目标光信号,监测光信号用于光监测模块的反馈输入信号,目标光信号用于有效输出光信号;线性稳态模块用于实现可控信号源输出的电信号与分光器输出的监测光信号之间保持线性变化关系。

可控信号源、光功率选档模块和光监测模块组成串联电路,具体的即任意波形发生器、精密可调电位器和光电二极管组成串联电路;其中,任意波形发生器既可先与精密可调电位器串联,也可先与光电二极管串联。

光监测模块使用高线性度、低温度系数的光电二极管监测来自分光器输出的监测光信号,光电二极管的线性度决定整个系统的线性度,光电二极管的温度系数则决定该光信号产生装置对于温度变化所具备的工作稳定性;满足上述线性度和温度稳定性这两个条件的光电二极管可选用AVAGO公司的SFH250或SFH250V光电二极管,该二极管不仅具有很好的“光功率-感应电流”线性关系,且该光电二极管的温度系数为0.04%/K,即,将该光电二极管用于该光信号产生装置,可保证该装置光信号产生装置在该光电二极管温度变化10℃时依然有0.4%的精度。利用光电二极管的线性度及温度稳定性控制LED发光,只要可控信号源稳定、光信号产生装置与待测试光电设备的耦合不变,输出光信号的功率、波形都是稳定的。

采样控制模块的运算放大器选用具备宽频带、高压摆率型的AD8003、AD8021和AD8099中的任一种型号;经采样控制模块采样、放大后的电信号用于光驱动模块的输入电信号,光驱动模块的输入电信号越大,LED的驱动电流就越大,LED的发光功率就越大。采样控制模块对光监测模块输出的电信号进行采样、放大是采用运算放大器直接采样、放大的模式而非CPU模数转换的采样、放大模式,其直接采样实施方案为:采样控制模块的运算放大器采样光监测模块的光电二极管两端的电压,之后将该两端的电压值送入运放的两个输入端进行开环放大,只要该光电二极管两端的电压≠0V,运算放大器就会将该非0的电信号放大到与该运算放大器的供电电源相同的电压值,此时光驱动模块的驱动电流持续增大,LED的光强持续增强,该光信号经分光器分离后的监测光信号经光纤被送入并照射到光监测模块的光电二极管上,此时该光电二极管产生的光电流也持续增大;由于该光电二极管与精密可调电位器RL串联,因此该光电二极管产生的光电流也越大,该精密可调电位器RL的分压值也就越大,从而使得该光电二极管两端的电压逐渐减小;当该光电二极管两端的电压等于0V时,该信号产生装置即达到线性稳定状态,此时该光电二极管上产生的光电流I等于可控信号源输出的U信号与光功率选档模块中精密可调电位器RL的比值,即I=U信号/RL。由于光电二极管产生的光电流I=k·P监测,其中k为光电二极管的感光因子,当可控信号源的输出信号U信号与分光器的监测光信号P监测线性关系成立时,也即该信号产生装置达到线性稳态时,I不仅等于k·P监测I还等于U信号/RL

光驱动模块为LED恒流驱动电路,LED选用AVAGO公司的SFH757、SFH757V,该LED可发出波长650nm的红光,该光信号被送入一个一分二的分光器将光信号分为监测光信号和目标光信号,分光器对光功率的分配不需要均分,P监测分配过多会导致有效光信号P信号分配相应减小;但P监测也不能太弱,太弱会影响光监测模块的信噪比而导致精度受到影响,该实施例使用P监测:P信号=25:75的光功率分配关系。

分光器根据发光器件的类型可以使用一分二的塑料光纤分光器或一分二的多芯的石英光纤分光器,相应的光纤也使用塑料光纤或多芯的石英光纤;使用塑料光纤或多芯石英光纤是因为所传输的光信号为模拟信号,使用芯径较粗的塑料光纤或多芯的石英光纤可以增强光耦合进入光纤的效率以保证P信号具有较高的信噪比。分光器输出两路光信号,其中监测光信号P监测通过光纤照射在光监测模块内的光电二极管上产生光电流I,只要该光电流IU信号的线性关系未建立(即光电流IU信号/RL),采样控制模块就会持续对光驱动模块的光信号输出进行放大,以持续增大LED的发光功率,进而持续增大P监测,直至线性关系建立(即I=U信号/RL),即装置达到线性稳态调整结束的条件;因此P监测既能够监测发光器件的发光功率,又是整个系统线性关系建立的光强传输通道,分光器输出的目标光信号则作为最终有效的光信号P信号,而由于光纤输出的光信号是发散的,因此需通过聚光模块将P信号进行会聚,最终经聚光模块输出的P信号是一束平行光。

聚光模块采用透镜来实现,包括非球面透镜、自聚焦透镜中的任一种,其输出可以直接输出使用,或外接标准光纤接口(如ST、FC)等连接光纤输出。

光监测模块、采样控制模块、光驱动模块、分光器实质构成了一个闭环的反馈系统,该系统最终使可控信号源发出的U信号和分光器的输出的P监测呈线性关系,(因为I=P监测=U信号/RL,所以U信号=k·RL·P监测)也即该系统达到线性稳态,由于P监测P信号是倍数关系,因此U信号P信号自然也是线性关系;反馈系统中的采样控制模块是利用运算放大器对光监测模块的电信号直接采样,而非CPU方式的A/D采样,因此反馈系统从上电到线性稳态是瞬间完成的。

参照图1和图2,光信号产生装置的工作过程:

对发光器件LED进行直接驱动,由于LED光源P-I特性的温度变化、老化的影响,实现其驱动信号与其发光强度间稳定的线性关系比较困难。该光信号产生装置采用不直接控制发光器件发光,而是利用其内的可控信号源发出的电信号控制光监测模块,再用采样控制模块采样反映光监测模块状态的电信号,再根据该电信号的大小控制光驱动模块的发光器件发光,分光器将该输入光分为监测光信号和目标光信号,该监测光信号被送入光监测模块用以对发光器件所发的光进行监测,该目标光信号则送入一个聚光模块用以对光纤中输出的光进行会聚,会聚后的光通过聚光模块中的特定接口直接输出或外接光纤;该光信号产生装置能使聚光模块输出的目标光信号与可控信号源输出的电信号之间形成严格的线性关系,可以使输出光信号的波形与可控信号源输出的波形完全一致,同时使P信号U信号为标准倍数关系。

参照图3:

图3是光信号产生方法步骤流程框图,包括以下步骤:

步骤S301,确定待产光信号的光功率最大值;

步骤S302,根据光信号产生装置的光功率选档模块的功率档位值,操作可控信号源产生相应的初始直流校准电信号;

步骤S303,光信号产生装置输出初始光信号;

步骤S304,利用光功率计测量实际输出的光功率;

步骤S305,判断光功率是否符合目标光信号光功率最大值要求,若符合则进入步骤S307,否则进入步骤S306;

步骤S306,微调可控信号源的初始直流校准电信号,返回步骤S305;

步骤S307,确定此可控信号源输出的直流校准电信号为最终校准信号,进入步骤S308;

步骤S308,依据最终校准电信号,操作可控信号源产生与待产光信号波形、频率相同的电信号,进入步骤S309;

步骤S309,光信号产生装置输出目标光信号。

实施例1:

产生频率为1KHz、功率值范围为0~50μW的正弦光信号,其产生过程如下:

A 待产生信号的最大功率为50μW,则操作该信号产生装置内的可控信号源产生一个0.5V的直流电压,将该信号产生装置内的光功率选档模块设定为100μW档位;

B 利用光功率计测量当前实际输出的光功率为45.5μW;

C 对该可控信号源进行微调,直至光功率计显示的测量值为50μW;

D 确定该可控信号源的实际输出电信号0.55V为校准信号,记作U校准

E 进一步确定该光功率选档模块的档位在100μW,操作该可控信号源产生频率为1KHz、大小为0~U校准的正弦电信号,此时该光信号产生装置即输出频率为1KHz、功率值范围为0~50μW的正弦光信号。

步骤B中的功率不足50μW是由于步骤A中发光器件老化、装置的光路耦合衰减发生变化因素导致的0.5V、100μW档对应的光功率不足50μW。

所述任意波形发生器,除了能够产生常用的直流、正弦、三角波、方波等信号外,还能够产生工程使用的Sinc、指数上升、指数下降、心电图、高斯、半正矢、洛仑兹、双音频等波形;即使要产生的信号在该任意波形发生器中不存在,也可以将要产生信号的离散采样数据预先写入到一个程序文件里,再用该任意波形发生器读取该文件并设置读取时的采样率,该任意波形发生器会通过其内部的DDS信号发生原理产生与该数据文件一样的波形。

实施例2:

产生频率为1Hz的光脉冲信号,该光脉冲信号功率的最大值和最小值分别为100uW和50uW,占空比为50%。该光信号不是该任意波形发生器的内置信号,其光信号的产生过程如下:

A 待产生信号的最大功率为100μW,则操作该信号产生装置内的可控信号源产生一个1V的直流电压,将该信号产生装置内的光功率选档模块设定为100μW档位;

B 利用光功率计测量当前实际输出的光功率最大值为91μW;

C 微调该信号产生装置内的可控信号源,直到光功率计显示的光功率最大值为100uW;

D 确定此时该可控信号源的实际输出电信号1.1V为该光脉冲信号功率的最大值校准信号;

E 此时操作可控信号源输出电信号0.55V,则实际产生的光功率值为50μW;

F. 编写程序文件,该程序文件的数据格式根据使用的任意波形发生器的要求确定。十六进制数0x64表示产生1V直流电信号,则0x6E产生1.1V直流电信号;0x32则表示产生0.5V直流电信号,则0x37表示产生0.55V直流电信号,编写程序文件“0x6E 0x37 0x6E 0x37 0x6E 0x37 0x6E 0x37……”,同时设置该可控信号源,即任意波形发生器,对该组数据每秒钟采样2个,即每秒表示一个周期从而保证该电信号的频率为1Hz,这样该任意波形发生器就产生空比为50%、频率为1Hz的电脉冲信号;则该电脉冲信号经信号产生装置后便产生最大值和最小值分别为100uW和50uW的、占空比为50%、频率为1Hz的光脉冲信号。

以上所述,仅是本发明的较佳实施例而已,并非是对本发明作其它形式的限制,任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容,依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型,仍属于本发明技术方案的保护范围。

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