DWDM用光学滤光片制造监控系统设计

DWDM用光学滤光片制造监控系统设计
王海峰
【摘要】分渡/合波器是DWDM系统的核心器件之一,可采用光学滤光片镀膜实现,合格的膜系需要实现膜层厚度的精确控制.介绍一种自动控制镀膜系统,在国产镀膜系统的基础上,采用工业计算机进行自动控制,采用LabVIEW和Matlab混合编程,LabVIEW编写控制界面,实时显示监控曲线和数据存储,调用Matlab完成算法,该系统能完成复杂膜系的精确控制.%The de/multiplexer is one of the kernel apparatus used in DWDM system, and can be realize by a loated light filter.It is necesssary to realize the accurate control for film thickness first to gain the qualified film system.A auto film coating system is set forth in this paper.Based on the home-made coating film system, the industry computer is adopted to perform the automatic control, LabVIEW and Matlab is employed for mix-programming, LabVIEW is used for the interface control, real-time curve display and data storage, and Matlab is called to accomplish the algorithm.The precise control of the complex film system can be achieved withthis system.
【期刊名称】《现代电子技术》
【年(卷),期】2011(034)005
【总页数】4页(P147-149,152)
【关键词】光学滤光片;镀膜;LabVIEW;Matlab
【作者】王海峰
【作者单位】广东科学技术职业学院,机电学院,广东珠海,519090
【正文语种】中文
【中图分类】TN16-34
0 引言
DWDM(Dense Wavelength Division Multiplexing)密集波分复用,基本原理就是在同一根光纤中传输多个波长的光信号。

分波合波器是DWDM系统的核心器件之一,是所有波长选择性功能的硬件基础。

分波合波器可采用光学滤光片实现,光学滤光片的制作,除了采用优越的膜系设计方法进行膜系设计之外,还必须采用复杂精密的制膜工艺控制系统,实现膜层厚度的精确控制,方能得到理想的结果[1]
目前对光学薄膜的控制主要采用光电极值法和宽光谱扫描法,按照光电极值法理论,当膜层的光学厚度为λ/4的整数倍时,反射率就会出现极值,根据反射率极值的出现次数来监控所镀膜层的厚度[2-3]。

1 系统组成
镀膜控制系统是由传感器、工业计算机、多通道高速数据采集卡、多通道光纤通信设备以及信号传递控制板组成,系统结构框图如图1所示。

通过传感器实现将环境中的被测量到电信号的转换,由于传感器测出的信号非常微弱,要先将电信号进行放大滤波处理,然后再将模拟量转化成数字量,即进行A/D转换,实现数据采集,送至工业计算机,由计算机完成算法,判断极值点,根据镀膜厚度判断在第n个极值点给出控制量,控制镀膜系统中挡板的自动关闭或打开。

图1 镀膜控制系统组成
2 系统硬件设计
2.1 传感器设计
本实验室有北京光学仪器厂提供的真空镀膜系统,如图2所示,将其中的硅光电池作为本控制系统的传感器。

硅光电池反映的是激光透过监控片上的透过率R,R随着监控片上镀膜厚度而呈现类似正弦波的变化规律[4]。

图2 镀膜控制系统
2.2 数据采集卡
数据采集卡采用北京阿尔泰科技发展公司的USB2815。

它基于USB总线,主要性能参数如下：
(1)250 KSPS 16位16路模拟量输入;
(2)带D/A,DIO等功能;
(3)16位A/D精度250 KSPS采样频率;
(4)A/D缓存,8 KB FIFO存储器;
(5)数字量输入/输出各8路。

该数据采集卡提供了采用C,C++,LabVIEW等多种编程语言编写的库函数,方便使用者编程时调用。

2.3 信号调理
为了将信号调整到A/D转换器的输入范围,以便充分利用A/D转换器的满量程分辨率,这里对由高通滤波器输出的信号进行再次放大。

主放大器电路如图3所示。

图3 信号调理电路
3 系统软件设计
主控程序的选择,以往大多采用VC++编写,通过调用硬件厂商提供的动态链接库程序(.DLL)实现控制,但VC++程序需要编程人员有较深厚的编程功底。

近几年流行的LabVIEW是一种图形化编程方式,是工程师的语言,LabVIEW实现界面简便但对算法的支持非常有限;Matlab具有强大的科学计算功能、大量稳定可靠
的算法库,但界面开发能力较差。

基于以上理由,利用混合编程技术在LabVIEW中调用和操作Matlab,就可以相互补充,充分发挥两者的优势[5-7]。

3.1 软件的功能组成
膜厚监控系统软件组成如图4所示。

图4 膜厚监控系统软件组成
3.2 软件的控制流程
系统软件控制流程如图5所示。

图5 系统软件控制流程图
3.3 主控程序
本文采用LabVIEW+Matlab混合编程实现人机界面。

主控程序界面及程序如图6和图7所示。

图 6 主控程序界面
图7 数据流程图
3.3.1 LabVIEW 介绍
LabVIEW是 NI(National Instrument)公司的一个技术领先的图形化编程语言和开发环境,被誉为“工程师的语言”。

LabVIEW具有以下特点：直观的图形化开发环境,强大的数据处理功能,丰富的可视化显示功能,完备的仪器驱动程序,完善的外部代码接口和强大的网络功能,多种调试方式,数据流驱动模式[8-10]。

采用LabVIEW开发出来的程序称为VI(Virtual Instrument)程序,它在结构上是模块化的,VI之间通过图标连接器通信可以相互调用。

一个VI程序由前面板、数据流程图和图标连接器三部分组成。

LabVIEW的软件开发流程如下：
(1)创建前面板：从控件面板上选择所需要的各种控件,将其按规律放置在前面板容器上,组织好彼此的相对位置,使得前面板变得美观漂亮,设置好各控件的属性和显示
方式。

(2)创建数据流程图：从函数面板上选择所需要的函数图标,依据要实现的功能,用线将它们按顺序连接起来,就可以创建出完整的数据流程图。

需要注意各个函数之间
的隐式类型转换是否满足要求。

由于LabVIEW天生是多线程并行执行环境,还需要验证各个功能模块间执行顺序的正确性。

(3)进行程序调试分析并运行程序：采用各种方式进行程序调试,修改数据流程图直
至满足要求。

运行VI程序,进行数据分析,查看结果。

LabVIEW是基于图形化编程G语言的高效开发软件,它包括丰富的用于数据采集、分析、表达和数据存储的库函数,编程简单,特别适合于数据采集和控制、数据分析
以及数据表达。

它图形界面丰富,易于制作各种界面。

但在对各种算法的支持方面,LabVIEW的工具箱非常有限,这就限制了大型应用程序的快速开发。

3.3.2 Matlab软件介绍与调用
Matlab具有强大的科学计算功能、大量稳定可靠的算法库,集数值分析、矩阵运算、信号处理和图形显示于一体,针对不同领域的应用,具有信号处理、图像处理、神经
网络等几十个专用工具箱;Matlab的缺点在于界面开发能力较差,并且数据输入、
网络通信、硬件控制等方面都比较繁琐。

利用 Matlab Script节点调用 Matlab算法在Matlab Script节点中,用户可以编辑Matlab程序,也可以直接调入已经存在的Matlab程序,并在LabVIEW环境下运行。

用户可以很方便地在自己的 LabVIEW应用程序中使用Matlab编写的算法和功能丰富的工具箱。

Matlab Script节点对输入、输出数据的类型有明确的要求。

目前,两者之间的数据通信仅支持Real,Real Vector,Real Matrix,Complex,Vector Complex,Matrix等
6种格式的数据,而且还必须根据具体情况进行选择[5]。

4 程序验证
对膜厚监控系统的验证主要是镀制1.55 μ m宽带滤光片实验,镀膜材料为
SiO2,TiO2,折射率分别为1.46和2.61,它的膜系结构为：
Air/254.0L,401.2H,406.2L,391.8H/Sub,监控曲线如图8所示。

图8 SiO2监控曲线(4个λ/4)
在监控曲线中可以明显地判断出监控波形的极值点,可以进行较精确的判断。

镀好
的光学滤光片经过光谱测量结果如图9所示。

图9 设计光谱与实测光谱比较
图9中红色曲线是用Matlab仿真的红膜理论曲线,蓝色是在膜厚监控系统监控下
镀制的反射红膜的光谱曲线,可以看出,镀制出的光学滤光片基本可以满足设计要求,但中心波长有一些偏移。

5 结语
本系统实现了微机对镀膜机、数据采集卡的精确控制,膜厚监控系统具有良好的人
机交互界面,可以实现对光学膜厚的精确判断,且操作工作强度低,在实际应用中可以镀制性能良好的光学滤波片。

参考文献
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