数字式波段开关在PLC控制电路中应用

DCRS数字式波段开关是一种二进制码的机械式编码开关，以占用输入点少，实现2的X（所用输入点数）方编码功能，已广泛应用于数控机床、医疗器材、教学器材、电子仪表等领域。

数字式波段开关

它的编码形式有原码、反码、格雷码（循环码），

常用档位有12档、24档。12档占用地址4位，24档占用地址5位。

原码编码及脚号图

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反码编码及脚号图

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格雷码反码编码及脚号图

​每档间弧度有15度、30度。

虽然PLC有编码指令，但是占用输入地址较多（有8位、16位），一旦被编码指令占用，如选用8位编码指令，需8位输入地址。而实际所用编码数只需8个，也就是说只要输入地址3位就够个，其余5位不需要，也不能被其他使用。如果在输入点就很紧张时，就要购更多输入点的机型，成本会提高外，输入点还会空置得太多。实在是种浪费。

使用数字式波段开关的好处在于，将同类别动作集于一个开关上（如数控机床轴选、速度倍率选择、普机的多种点动调整等），占用PLC地址少，实现功能多。也不会引起因操作不当造成设备、仪表等故障停机，同时操作面板的表面积大大缩小，

下面以PLC二位输入地址X10（接A端）、X11（接B端），PLC输入端的COM接D。实现四个功能M10（对应数字波段开关档位0）、M11（1）、M12（2）、M13（3）的选择。用原码编制PLC程序示例如下：

用三菱PLC编程软件编制的简易编码程序

从上图可看出用数字波段开关实现编码所编制的PLC程序也不复杂。

综上所述，将同类功能集中在数字波段开关上，操作方便、简单可靠且达到相互互锁作用，不易产生误操作。

阅后，如有更好方法，请在下方评论区留言，在此感谢！

多平面光转换技术（MPLC）介绍

一 MPLC技术背景

由于单模光纤传输系统正迅速接近容量极限[1]，科研界正致力于在新型光纤上进行空分复用，以解决容量紧张的问题[2]。空分复用的一种方法是使用多芯光纤，其中数据通过光纤的非耦合芯进行复用[3，4]；另一种方法是使用少模光纤作为独立的数据通道进行模分复用；还有就是利用涡旋光纤中的高阶轨道角动量模进行数据传输以增加信道容量。

图1 光传输网络容量演进图

用少模光纤实现全模式复用传输系统需要开发特定的光学元器件。关键元器件之一是模分复用器和解复用器，它们可以组合和分离少模光纤内外的信道。具体来说，模分复用器将来自单模光纤的N个输入信号组合到少模光学中的N个独立数据信道上，相反地，模分解复用器在少模光纤传输之后分离这些信道。

图2 阶跃折射率光纤中前六个线偏振光模式

图3 模分服用系统复用器和解复用器工作示意图

对于模分复用系统，存在两种方式来处理少模光纤的空间信道。一种是将单模输入信号转换到少模光纤的一组正交本征模组合中。这种信道是强耦合的，因此解复用信道需要在接收器处进行全模式分集和复杂的数字信号处理，特别是当光纤表现出较大的差分群时延和模式差分损耗时。另一种是使用弱耦合或非耦合模式的光纤。在这种情况下，将每个单模信号转换到少模光纤的单个本征模中，此时只有简并模组必须被联合检测，并且可以在接收机侧使用接近标准的信号处理。

目前为止，已经有几种构建模分复用器/解复用器的方式。传统方式是使用二元相位板将单模LP01从单模光纤转换为高阶线偏振（LP）模式[5]。每一个模由一个特定的相位板产生，所有产生的LP模通过一系列分束器叠加到少模光纤中。这种设计的缺点是由于分束引起的固有损耗随着模数的增加而增大。例如，一个4模式复用器具有6db的固有叠加损耗，而一个8模式的复用器具有9db的固有损耗。

另一种构建模分复用器/解复用器的技术是光子灯笼[6，7]，其中N个输入单模光纤绝热拉锥连接到一个少模光纤。这种模分复用器具有非常低的插入损耗和模式相关损耗。然而，将模式间的串扰水平保持在与非耦合模分复用系统兼容的水平具有很大的挑战性。因此，光子灯笼模分复用器主要用于强耦合模分复用系统，需通过接收端的信号处理完成模式解复用传输。

图4 光子灯笼结构示意图

此外，还有一些在波导中实现的模式转换器和模式耦合器，例如长周期光纤光栅转换器、多模干涉耦合器、不对称或对称熔接光纤耦合器、不对称Y结或微环谐振器。所有这些技术都需要非常严格的纵向相位匹配条件，因此限制了它们的工作带宽.

上述模式复用器与波分复用的兼容性仍在考虑之中。基于多平面光转换技术（MPLC）的模分复用器在这样的背景下产生，它基于一系列的横向相位分布，可以配置执行任何幺正空间变换。这种多平面光转换器（MPLC）能够在1530到1565nm的宽波长范围内实现对任何一组空间模式的复用，并且无论模式数目如何，都具有低的固有损耗，同时可实现非常低的串扰水平。

二 MPLC原理结构

空间模式复用是将N个单独的输入高斯光束转换成少模光纤的N个正交传输模式，可以认为是幺正空间变换。从理论上讲，任何幺正空间变换都可以通过光学傅里叶变换（OFT）分离出的一系列横向相位分布来实现。这一系列的横向相位分布就是多平面光转换器。图1给出了一个示例，横向相位剖面通常使用相位板或空间光调制器（SLMs）构建，用于传输，或用于反射。

图5 多平面光转换器实现的空间模式复用器的原理示意图

根据实际情况，将幺正变换分解为一系列相位剖面，在K个指定输入/输出的情况下，通过优化的相位剖面数量为2K+1个[8]。为了减少MPLC的占地面积以及降低自由空间光学元件对准的复杂度，实际中可采用多程腔来实现MPLC，其中连续的相位轮廓全部刻印在一个反射相位板上，每个相位轮廓位于相位板的不同的位置，腔体由反射镜和反射相位板构成，光束在腔体内传输和反射实现连续的光学变换。变换的统一性确保模式转换中没有固有损耗。MPLC中的损耗仅由不完美的光学元件（例如涂层）引起。逆幺正变换是利用MPLC在相反方向上给出的，它可实现相同模式的解复用操作。

三 MPLC应用

MPLC技术最初是为光通信应用而产生的，但是随着该技术的不断发展，MPLC技术不仅在高速光纤通信领域获得了应用，在激光加工光束整形，激光通信大气湍流缓解，激光合束等领域都获得了应用并取得了很好的效果，下面我们分别进行介绍。

在高速光通信领域，2015年，KDDI实验室的D. Soma等人利用Cailabs 6模空分复用器，在全C波段，采用超密集SDM技术和超奈奎斯特WDM技术，获得了2.05pbit/s创纪录的单根光纤传输速率，最高的总频谱效率达到456bit/s/Hz。具体实验系统采用的是360通道超奈奎斯特WDM，DP-QPSK调制格式，9.8千米6模19芯光纤SDM传输， 实现了2.05 Pbit/s (360 WDM× 114 SDM × 50 Gbit/s)的单根光纤传输容量。[9]

图6 2.05-Pbit/s 超奈奎斯特WDM SDM传输实验设备示意图

2018年，D. Soma等人利用还是利用Cailabs 6模空分复用器，在C+L波段，采用739通道WDM，64-QAM和16-QAM调制格式，11.3 km 6模19芯光纤，实现了114空间复用，最终实现了10.16Pbit/s的新的单光纤传输容量纪录，总频谱效率达到1099.9 bit/s/Hz。[10]

图7 10.16 Pbit/s WDM SDM信号复用示意图

在高功率激光加工领域，MPLC方法可以以最佳光束质量实现单模激光光束的整形和强度模式适配，同时可以实现多波束的复合整形和合束。MPLC技术也不局限于单模光束的变换，它可以在保证给定形状的最佳光束质量的同时，重新组织高度多模源光束的模态横向分布。 Cailabs的CANUNDA-HP产品就是基于MPLC专利技术开发的相关产品，总可实现功率达几千瓦，可订制适配光束形状，满足加工质量和生产能力改善的需求。

图8 切割改善，光束目标（上）和 结果（下， 使用 MPLC）

图8应用案例为特制的激光束通过优化熔池中熔化金属的排空和切边，使激光切割机的切割速度加倍。两个数千瓦多模激光束的形状和组合，实现了这一快速切割过程。

激光微细加工是最常用的激光加工方法之一。激光光源种类繁多，可以对多种材料（金属、陶瓷、半导体等）实施多种工艺（钻孔、切割、雕刻、铣削、表面纹理处理）。提高产量和质量的最主要创新之一是使用超快激光，这种激光器产生的高峰值功率可以触发非线性吸收效应，导致几乎瞬时的物质蒸发而没有任何热效应。光束整形可以通过优化激光横向分布，消除不必要的能量损失、误差和不规则性，真正最大限度地提高加工的效率、质量、分辨率。根据应用的具体需要，可能需要将激光能量均匀地集中，或将光束整形成特定的轮廓，或产生多个光束以同时处理多个区域。通常使用圆形或方形“平顶”或“顶帽”光束轮廓，以及分束的顶帽。通过整形可实现干净的烧蚀材料与最小的碎片，而且无工具磨损。Cailabs的CANUNDA-PULSE为基于MPLC专利技术开发的单模短脉冲激光整形产品，脉冲处理能量高达100µJ，由于其模式选择设计，其对激光缺陷和失调具有容受度，可确保了高质量光束输出。

2019年，法国康德机电热光学研究所的Jesús Del Hoyo等人利用MPLC技术产生了高质量的贝塞尔光束，贝塞尔区超过100µm，锥角达35度, 在玻璃中钻取了100nm深度，30μm长度的纳米通道，为高度受限于激光-物质相互作用的透明介质高精度加工开辟了新的前景。[11]

图9 用CANUNDA-PULSE实现玻璃样品的激光钻孔

2019年，Amplitude system公司的K. Mishchik等人利用MPLC技术对100W飞秒激光源整形，实现了顶帽和多顶帽光束对薄箔和块状金属（Cu、Mo、Ni）进行的“划刻和钻孔，解决了高斯光束轮廓部分能量沉积到材料中但是无法刻蚀的问题，提高了激光功率利用率，减少了热影响区，实验显示即使在MHz的高重复频率下，图案仍然具有高精度和高重复性。[12]

图10 用CANUNDA-PULSE整形后的超快激光打孔案例

在激光通信领域，大气湍流是限制通信性能和稳定性的一个主要障碍，缓解湍流的一种方法是利用空间多样性，然而，经典的使用多孔径系统的方法往往存在占有空间大等问题。高斯光束在大气中传输时会受到扰动，这种扰动会改变光束的空间模式，从而导致信号在耦合到SMF时严重衰落，而这些光束扰动可以在有限数量的正交空间模式上分解。根据这特性，基于MPLC技术的模式解复用器可以接收这些光束扰动，并将其分解为单模信号后输出，通过探测并联合这些单模输出信号，可以实现扰动光束信号的全部接收，从而大大提高湍流条件下的耦合效率。2019年，Cailabs公司Bertrand Denolle等人验证了使用MPLC模式解复用器的激光通信接收机[13]，表明3到15个厄米-高斯模式足以覆盖大多数高阶湍流效应，该方法与多孔径接收方法相比，可提供类似程度的衰落抑制，能够在强大气湍流的情况下显著增加接收机处的信号收集，同时只需要一个光学天线，并且与基于标准单模光纤（SMF）的电信组件兼容。

图11 MPLC模式解复用器湍流缓解应用原理示意图

总结

上述我们介绍了MPLC技术的相关背景，工作原理，以及一些具体应用，一些读者之前可能已经了解MPLC技术，或者通过我们的文章，获得了一定的了解，实际上MPLC是一种很灵活的技术，它可以根据科研工作者的具体应用来匹配合适的方案和产品，它的应用也是非常广泛而有前景的，我们在这一篇文章中，不可能把所有的应用一一罗列，并介绍清楚，如果大家感兴趣，可以关注文章下方我们的公众号，后续我们会继续更新介绍MPLC技术的进展，产品和应用，也欢迎跟我们直接联系，来探讨相关应用。

参考文献：

1. R. Essiambre and R. W. Tkach, “Capacity trends and limits of optical communication networks,” Proc. IEEE 100 , 1035–1055 (2012).

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3. T. Hayashi, T. Taru, O. Shimakawa, T. Sasaki, and E. Sasaoka, “Design and fabrication of ultra-low crosstalk and

low-loss multi-core fiber,” Opt. Express 19 , 16576–16592 (2011).

4. H. Takara, A. Sano, T. Kobayashi, H. Kubota, H. Kawakami, A. Matsuura, Y. Miyamoto, Y. Abe, H. Ono, K. Shikama, Y. Goto, K. Tsujikawa, Y. Sasaki, I. Ishida, K. Takenaga, S. Matsuo, K. Saitoh, M. Koshiba, and T. Morioka, “1.01-Pb/s (12 SDM/222 WDM/456 Gb/s) crosstalk-managed transmission with 91.4-b/s/Hz aggregate spectral efficiency,” in “European Conference and Exhibition on Optical Communication,” (Optical Society of America, 2012), p. Th.3.C.1.

5. R. Ryf, S. Randel, A. H. Gnauck, C. Bolle, A. Sierra, S. Mumtaz, M. Esmaeelpour, E. C. Burrows, R.-J. Essiambre, P. J. Winzer, D. W. Peckham, A. H. McCurdy, and R. Lingle , “Mode-division multiplexing over 96 km of few-mode fiber using coherent 6x6 MIMO processing,” J. Lightwave Technol. 30 , 521–531 (2012).

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7. N. Fontaine, S. Leon-Saval, R. Ryf, J. Gil, B. Ercan, and J. Bland-Hawthorn, “Mode-selective dissimilar fiber photonic-lantern spatial multiplexers for few-mode fiber,” in “Optical Communication (ECOC 2013), 39th European

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8. J.-F. Morizur, L. Nicholls, P. Jian, S. Armstrong, N. Treps, B. Hage, M. Hsu, W. Bowen, J. Janousek, and H.-A. Bachor, “Programmable unitary spatial mode manipulation,” J. Opt. Soc. Am. A 27 , 2524–2531 (2010).

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D. Soma, et al., “2.05 Peta-bit/s super-nyquist-WDM SDM transmission using 9.8-km 6-mode 19-core fiber in

full C band,” in Proceedings of ECOC 2015, paper PDP.3.2

D. Soma, et al., “2.05 Peta-bit/s super-nyquist-WDM SDM transmission using 9.8-km 6-mode 19-core fiber in

full C band,” in Proceedings of ECOC 2015, paper PDP.3.2

9. D. Soma, et al., “2.05 Peta-bit/s super-nyquist-WDM SDM transmission using 9.8-km 6-mode 19-core fiber in full C band,” in Proceedings of ECOC 2015, paper PDP.3.2

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11. J. D. Hoyo，P. Boucher，C. Billet，O. Pinel，F. Courvoisier, “High aspect ratio nanochannel drilling in glass by femtosecond laser pulse of high cone angle, high quality Bessel-Gauss beam” Photonics West (2019)

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13. B. Denolle, G. Trunet, D. Allioux. et al., “Turbulence-mitigating free-space-optical-communication receiver using multi-plane-light-conversion-based spatial mode demultiplexer,” SPIE Photonics West LASE (2019

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