西南大学学报 (自然科学版)  2018, Vol. 40 Issue (9): 156-161.  DOI: 10.13718/j.cnki.xdzk.2018.09.022
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    谭志存
    唐曦
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  • 基于LabVIEW的光纤光学实验室综合测控系统设计    [PDF全文]
    谭志存1, 唐曦2     
    1. 重庆青年职业技术学院 机电工程系, 重庆 400712;
    2. 西南大学 物理科学与技术学院, 重庆 400715
    摘要:针对非线性光学实验的测控需求,利用LabVIEW强大的虚拟仪器技术开发出一套"光纤光学实验室综合测控系统".该系统操控简便、人机交互性强,通过模块化设计整合了激光器控制器、信号源、可调激光源、功率计、光谱仪、频谱仪和示波器等多种仪器设备,能够自动改变实验系统的关键参数并实时并行抓取光谱、频谱和时间序列等多种数据,从而实现高度自动化的科研实验.结果表明,该综合测控系统的研发能够显著提高实验效率,为完成各项科研任务提供了有力的支撑.
    关键词LabVIEW    虚拟仪器    数据采集    测控系统    非线性光学    

    半导体激光器在光通信、光存储和光子神经等领域具有巨大的应用价值[1-4].在光反馈、光注入等外部扰动下,半导体激光器易于呈现丰富的动态特性.通过改变系统参数,能够输出单周期、倍周期、多周期和混沌态等多种动力学态[5-6].要对基于半导体激光器的复杂光学系统进行研究,需探究激光器本身的内部参数、工作电流和温度,以及反馈/注入强度、时延等多方面因素对系统的影响,因而系统各参量的实验协同调控技术十分重要.要探究在不同关键工作参量下系统输出的动力学演化路径,需对系统输出的时域、光谱及功率谱等特性进行实时观测和分析,这对多仪器协同测量提出了更高的要求.在传统的实验条件下,无论是调节系统参量还是抓取实验数据都是人工完成的,不仅效率低下,而且实验人员在长时间实验负荷下也容易犯错,因而急需改进实时观测和分析的手段和方法.

    另一方面,由美国国家仪器(NI)公司研发的编程语言LabVIEW (laboratory virtual instrument engineering workbench)是一种用图标代替文本行创建应用程序的图形化编程语言,它采用的是数据流编程方式,在这种编程方式下,数据在程序框图节点中的流动决定了VI(virtual instruments)和函数的执行顺序. VI指虚拟仪器,是可模拟物理仪器的LabVIEW程序模块.程序框图、前面板和图形化代码共同构成一个完整VI.通过仪器接口如GPIB、串口设备、以太网等,LabVIEW能够将任何类型的仪器整合到VI中,并通过利用外观与传统仪器类似的前面板控件,整合出实现特定功能的人机交互性好的虚拟仪器系统[7-11].

    基于此,我们开发了基于LabVIEW的“光纤光学实验室综合测控系统”.基于该综合测控系统能够对实验过程中的光学系统主要控制参量进行程控,并能自动抓取实验数据,从而大大减轻了实验负担、提高了实验效率.

    1 光纤光学实验室综合测控系统设计简介

    光纤光学实验室综合测控系统包含驱动模块和测试模块两大部分(图 1).其中驱动模块通过GPIB接口能够实现对激光器控制器和信号发生器的程控,从而实现对激光器温度、电流的控制以及对加载到系统中的调制信号的频率和功率的控制.而测试模块主要包含功率计、光谱仪、频谱仪以及示波器这4种测试仪器,能够实时抓取光学实验系统输出的光功率、时间序列、光谱和频率等数据.

    图 1 光纤光学实验室综合测控系统设计框架图

    综合测控系统通过选项卡控件对各仪器的前面板进行切换,每个仪器前面板均带有仪器控制开关. 图 2给出了综合测控系统的部分前面板,其中图 2(a)图 2(b)分别对应驱动模块的信号发生器(Agilent 8257C)以及测试模块的频谱仪(Agilent E4407B).由图 2(a)可以看出,该前面板能够分别设定信号发生器的输出功率和输出频率,并且通过设定恰当的步长(频率步长的变化范围是[-1 GHz,1 GHz],最小步长精度为1KHz;功率步长的变化范围为[-10 dBm,10 dBm],最小步长为0.01 dBm),能够程控步进递增或递减信号发生器的输出功率和频率,对应的参数均能够通过前面板下方的路径设置保存到数据记录文件中.由图 2(b)可以看出,频谱仪的前面板通过开关切换能够设置抓取频谱的范围,有两种模式:第1种,通过设定起始频率和截止频率设定抓取的频谱范围;第2种,通过设定中心频率和谱宽来设定抓取频谱范围.此外,通过开关和输入控件能够对频谱仪的分辨带宽、视频带宽、扫描时间等进行设置,可选择自动模式或手动输入相应参数.其他选项卡控件下分别对应功率计(Thorlabs PM 100D)、可调激光源(Santec TSL-710)、激光器控制器(ILX LDC-3724C)、示波器(Agilent 91604A)、光谱仪(Ando AQ6317a)等仪器设备的前面板.其中,激光器控制器前面板下能够分别设定激光器的温度和电流,并可设定恰当步长自动程控温度/电流进行步进递增/递减变化,结合功率计模块能够自动采集激光器的PI曲线,在研究光开关或光学双稳现象时十分便捷.类似的是,可调激光源模块同样能够分别控制激光源输出的波长和光功率,并且能够实现程控步进变化,而示波器模块能够分别抓取单通道或同步抓取多通道的波形数据,从而能够实时获取激光器输出光强变化的时间序列.综合来说,该综合测控系统的驱动模块和测试模块相结合能够高度实现自动化实验测量.

    图 2 虚拟仿真实验系统程序框图
    2 实验结果展示

    以基于外部扰动下的DFB激光器系统为例,展示在不同外部参量下,通过综合测控系统获取的不同动力学态对应的实验数据.所有数据均自动保存为文本文档,通过MATLAB提取绘图(图 3).由图 3可以看出,随着控制参量的变化,DFB激光器系统能够分别呈现周期1态、周期2态以及混沌态输出,综合测控系统能够同步控制示波器、频谱仪、光谱仪实时抓取各种动力学态输出下对应的时间序列、频谱图和光谱图.

    图 3 基于综合测控系统获取的实验结果展示

    进一步地,基于示波器模块开发出简易的时间序列分析模块.通过导入获取的时间序列数据能够绘制出对应的自相关曲线和相图.如图 4所示,当导入周期1态、周期2态的时间序列时,对应的自相关曲线呈现明显的周期性,且由基于时间序列幅值AiAi+1分别为横纵坐标画出的相图可以看出当DFB激光器输出处于周期1态时相图为一个圈,而处于周期2态时相图为2个圈;当导入混沌态的时间序列时,在自相关曲线的非0时延处,自相关的峰值均很小,且相图为发散的随机分布,这与混沌态时间序列呈现的无序随机特性一致.该时间序列分析模块不仅可以描绘自相关曲线,还可同时导入双通道时间序列通过开关切换计算两路时间序列的互相关曲线. 图 5给出了时间序列分析模块的程序框图,从框图中可以看出绘制自相关/互相关曲线是利用公式节点调用MATLAB函数包的xcorr函数实现.

    图 4 时间序列分析模块测试结果
    图 5 时间序列分析模块的程序框图
    3 结论

    本文展示了基于非线性光学实验需求利用LabVIEW开发出的实验室综合测控系统.通过模块化设计,该测控系统能够并行控制激光器控制器、信号源、可调激光源、功率计、光谱仪、频谱仪和示波器等多种仪器设备,并能够自动改变系统关键控制参数,从而实现高度自动化的实时测控实验.

    参考文献
    [1] VANWIGGEREN G D, ROY R. Communication With Chaotic Lasers[J]. Science, 1998, 279(5354): 1198-1200. DOI:10.1126/science.279.5354.1198
    [2] CHOQUETTE K D, LEAR K L, LEIBENGUTH R E, et al. Polarization Modulation of Cruciform Vertical-Cavity Laser Diodes[J]. Appl Phys Lett, 1994, 64(21): 2767-2769. DOI:10.1063/1.111464
    [3] PAN Z G, JIANG S, DAGENAIS M. Optical Injection Induced Polarization Bistability in Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers[J]. Appl Phys Lett, 1993, 63(22): 2999-3001. DOI:10.1063/1.110264
    [4] DENG T, ROBERTSON J, HURTADO A. Controlled Propagation of Spiking Dynamics in Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers:Towards Neuromorphic Photonic Networks[J]. IEEE J Select Topics Quantum Electron, 2017, 23(6): 1800408.
    [5] LANG R, KOBAYASHI K. External Optical Feedback Effects on Semiconductor Injection Properties[J]. IEEE J Quantum Electron, 1980, 16(3): 347-355. DOI:10.1109/JQE.1980.1070479
    [6] LIN F Y, LIU J M. Nonlinear Dynamics of a Semiconductor Laser With Delayed Negative Optoelectronic Feedback[J]. IEEE J Quantum Electron, 2003, 39(4): 562-568. DOI:10.1109/JQE.2003.809338
    [7] FENG G S, WU J Z, WANG X F, et al. Arbitrary Frequency Stabilization of a Diode Laser Based on Visual LabVIEW PID VI and Sound Card Output[J]. Chin Phys B, 2015, 24(10): 104211. DOI:10.1088/1674-1056/24/10/104211
    [8] 李红刚, 张素萍. 基于单片机和LabVIEW的多路数据采集系统设计[J]. 国外电子测量技术, 2014, 33(4): 62-67. DOI:10.3969/j.issn.1002-8978.2014.04.018
    [9] 沈保山, 姬长英, 郭玉平, 张集乐. 基于LabVIEW数据采集系统的设计[J]. 机械与电子, 2009(4): 76-78. DOI:10.3969/j.issn.1001-2257.2009.04.024
    [10] 周青云, 王建勋. 基于USB接口与LabVIEW的数据采集系统设计[J]. 实验室研究与探索, 2011, 30(8): 238-240. DOI:10.3969/j.issn.1006-7167.2011.08.065
    [11] 唐曦, 谭兴文, 雷衍连, 等. 基于LabVIEW的声速测量虚拟实验系统[J]. 西南师范大学学报(自然科学版), 2014, 39(7): 214-217.
    Design of a LabVIEW-Based Optical Lab Integrated Measurement and Control System
    TAN Zhi-cun1, TANG Xi2     
    1. Department of Mechanical Engineering, Chongqing Youth Vocational & Technical College, Chongqing 400712, China;
    2. School of Physical Science and Technology, Southwest University, Chongqing 400715, China
    Abstract: Based on the powerful virtual instrument technique of LabVIEW, we design an optical lab integrated measurement and control system for the needs of measurement and control in nonlinear optics experiments. This system has the advantages of good human-computer interaction and manipulation convenience. By a modularized design, the laser controller, the signal generator, the tunable laser, the power meter, the spectrographs and the oscilloscope are integrated into one virtual instrument. This virtual instrument can automatically change the key system parameters, and can real-time parallel fetch various data, such as data of optical spectrum, frequency spectrum and time series. Hence, high automated tests can be realized. The results indicate that this system can significantly improve the efficiency in experiments and provide a strong support for accomplishing research tasks.
    Key words: LabVIEW    virtual instrument    data acquisition    measurement and control system    nonlinear optics    
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