徐宏宇，劉瀟

　　（沈陽航空航天大學(xué) 研究生院，遼寧 沈陽 110136）

       摘要：設(shè)計(jì)了一種基于ST公司CortexM4內(nèi)核的ARM系列產(chǎn)品STM32F407ZG偏振相關(guān)損耗測(cè)量系統(tǒng)，包括系統(tǒng)設(shè)計(jì)理論、軟硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)及實(shí)現(xiàn)方法。光通過偏振控制器調(diào)整偏振態(tài)，通過待測(cè)物后送往后續(xù)的光電轉(zhuǎn)換模塊，經(jīng)放大過濾到達(dá)A/D采集模塊，最后送往主控單元M4進(jìn)行處理完成測(cè)量。

　　關(guān)鍵詞：偏振相關(guān)損耗；STM32F407ZG；偏振控制器；測(cè)量系統(tǒng)

　　中圖分類號(hào)：TP913.7文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI： 10.19358/j.issn.1674-7720.2017.01.010

　　引用格式：徐宏宇，劉瀟. 基于STM32的偏振相關(guān)損耗測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36（1）：32-34.

0引言

　　偏振相關(guān)損耗（Polarization Dependent Loss, PDL）是針對(duì)光存在偏振的情況下，通過光無源器件后，引起光功率值的變化。由于信號(hào)在傳輸過程中偏振不僅僅存在于光纖網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，還會(huì)沿著光纖鏈路不斷地增長(zhǎng)，給傳輸質(zhì)量帶來嚴(yán)重影響，而且當(dāng)某個(gè)光無源器件的PDL在系統(tǒng)內(nèi)功率波動(dòng)較大時(shí)，會(huì)使系統(tǒng)的比特錯(cuò)誤率增大，因此對(duì)偏振相關(guān)損耗的測(cè)量變得非常必要。

1偏振相關(guān)損耗理論分析

　　偏振相關(guān)損耗的基本定義式如下：

　　PDL=10log(Pmax/Pmin)（1）

　　單位為dB，其中Pmax是光通過全部偏振態(tài)后的功率最大值，Pmin是光通過全部偏振態(tài)后的功率最小值。

　　光是一種橫波，從光的波動(dòng)來分析偏振相關(guān)損耗。當(dāng)光以入射角θ1從折射率為n1的介質(zhì)入射到折射率為n2的介質(zhì)中，折射角為θ2。又因?yàn)楣馐请姶挪?，則假定s是振動(dòng)方向平行于入射面的電矢量，p是振動(dòng)方向垂直于入射面的電矢量，設(shè)ts是s方向光能量的復(fù)振幅透射系數(shù)，tp是p方向的復(fù)振幅透射系數(shù)。由波動(dòng)光學(xué)理論可得如下公式：

　　由上式可知ts與tp不相等，則會(huì)產(chǎn)生偏振相關(guān)損耗。由PDL基本定義可得單一界面產(chǎn)生的偏振相關(guān)損耗為：

　　PDL=－20log［cos(θ1－θ2)］（4）

　　由折射定律n1sin(θ1)=n2sin(θ2)可得到θ1的表達(dá)式，則可推出：

　　PDL=－20log{cos［θ1－arcsin(n1sinθ1/n2)］}（5）

　　由式（5）可知PDL主要與光入射角和光學(xué)界面兩邊媒質(zhì)折射率相關(guān)，為進(jìn)一步分析其與入射角的關(guān)系，對(duì)式（5）求θ1偏導(dǎo)得：

　　在實(shí)際中θ1的值一般比較小，在0~80范圍內(nèi)，由式（6）可知當(dāng)n1≥n2時(shí)，由折射定律可知θ1≤θ2，可推出tg(θ1－θ2)≤0，1－n1cosθ1n2cosθ2≤0，由此可得出對(duì)θ1的一階偏導(dǎo)大于等于0，而當(dāng)θ1≥θ2時(shí)同理可得其仍然成立。

　　從以上分析可得偏振相關(guān)損耗PDL會(huì)隨著入射角的增大而增大，與其成正比。同時(shí)由式（5）知PDL還與兩媒質(zhì)折射率差值Δn有關(guān)，差值越大，偏振相關(guān)損耗越大。由式（5）可知，在知道光無源器件的折射率、入射端面角度等參數(shù)下，可以在理論上估計(jì)其偏振相關(guān)損耗的理論極限值。

2偏振相關(guān)損耗測(cè)量方案

　　IEC：2009（E）61300-3-2規(guī)定了兩種測(cè)試偏振相關(guān)損耗的方法，分別為全狀態(tài)掃描法和mueller矩陣法［12］。

　　2.1全狀態(tài)掃描法

　　全狀態(tài)掃描法又分為步進(jìn)掃描法和時(shí)間掃描法。步進(jìn)掃描法是控制偏振控制器沿著設(shè)定的軌跡在邦加球上掃描，掃描方式有經(jīng)線步進(jìn)緯線掃描或緯線步進(jìn)經(jīng)線掃描兩種。完成掃描后找到光功率最大值和最小值，即可得到PDL。但對(duì)于測(cè)量精確度要求較高的場(chǎng)合下，其測(cè)試的步距變小，測(cè)試點(diǎn)數(shù)大大增加，也增加了測(cè)試時(shí)間。時(shí)間掃描法與步進(jìn)掃描法基本類似，主要區(qū)別是給偏振控制器發(fā)送一條掃描時(shí)間長(zhǎng)度的控制指令，讓偏振控制器在規(guī)定時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生各種偏振態(tài)的光，但不知道偏振態(tài)數(shù)量和偏振方向。其重復(fù)性不如步進(jìn)掃描法，且與時(shí)間連接比較緊密，掃描時(shí)間越長(zhǎng)精度越高，重復(fù)性越好。

　　2.2mueller矩陣法

　　mueller矩陣法是利用了其與邦加球有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，利用此方法只需要用到光的4個(gè)偏振態(tài)結(jié)合mueller矩陣以及數(shù)學(xué)中求極值公式即可得到被測(cè)件的偏振相關(guān)損耗。其公式為：

　　其中m11、m21、m31、m41為mueller矩陣第一列的元素，只需求得mueller矩陣的第一列元素即可求得PDL。這種方法能夠?qū)崿F(xiàn)快速測(cè)量，但容易受到光源穩(wěn)定性和偏振態(tài)的影響。

　　本文根據(jù)以上測(cè)試方法的優(yōu)缺點(diǎn)，對(duì)偏振控制器的控制進(jìn)行改變，改變其掃描步長(zhǎng)及掃描時(shí)間，使輸出的偏振光盡可能地落在橢圓偏振態(tài)，對(duì)于特定波長(zhǎng)的PDL，既縮短了測(cè)試時(shí)間，又使得測(cè)試方案簡(jiǎn)單易操作，而且對(duì)偏振態(tài)穩(wěn)定性的依賴降低，同時(shí)降低了對(duì)偏振控制器控制的復(fù)雜度，測(cè)量誤差比較小。

3系統(tǒng)設(shè)計(jì)理論

　　偏振相關(guān)損耗（PDL）測(cè)試系統(tǒng)［3］主要由光源、偏振控制器、光功率計(jì)模塊［45］、A/D轉(zhuǎn)換模塊及MCU等組成。圖1為系統(tǒng)框架圖。

　　光功率計(jì)模塊包括光電探測(cè)器、放大器和A/D轉(zhuǎn)換模塊。通過改變偏振控制器［67］對(duì)光纖的壓力調(diào)整偏振態(tài)，得到不同狀態(tài)的偏振光，通過待測(cè)物經(jīng)光電轉(zhuǎn)換、儀表放大過濾，送往A/D轉(zhuǎn)換模塊，最后經(jīng)過DMA送往MCU處理顯示。

4硬件電路設(shè)計(jì)

　　4.1偏振控制電路設(shè)計(jì)

　　對(duì)偏振控制器的精確控制是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，設(shè)計(jì)采用STM32控制步進(jìn)電機(jī)及外圍驅(qū)動(dòng)電路控制偏振控制器，步進(jìn)電機(jī)能夠?qū)λ俣群臀恢镁_控制，且沒有累計(jì)誤差,因此能夠準(zhǔn)確地得到所需的偏振態(tài)。其電路連接如圖2所示。

　　4.2前置放大電路設(shè)計(jì)

　　偏振光經(jīng)過光電探測(cè)器轉(zhuǎn)換后的光電流比較微弱，需要進(jìn)行放大后才能夠送給A/D轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行處理。在這里使用噪聲比較低、價(jià)格相對(duì)便宜的CAN型OP放大器LF356H作為前置放大電路器件，其特性如下：

　?。?）電流—電壓變換增益為1 V/μA;

　?。?）振幅—頻率特性：在100 kHz時(shí)，-3 dB以內(nèi)最大輸出電壓±10 V，其電路如圖3所示。

　　經(jīng)過前置放大電路［89］以后由于輸出電壓比較小，信號(hào)比較微弱，還需經(jīng)過第二級(jí)放大電路放大。本設(shè)計(jì)采用可編程增益儀表放大器［1011］AD8253進(jìn)行第二級(jí)放大，其具有GΩ級(jí)輸入阻抗、低輸出噪聲、低失真特性，能很好地驅(qū)動(dòng)高采樣速率的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，使其成為ADC驅(qū)動(dòng)器的絕佳選擇，并且其可實(shí)現(xiàn)1、10、100、1 000放大量程的切換，可根據(jù)輸入信號(hào)大小來切換量程。

　　4.3主控電路和A/D電路

　　綜合考慮成本，主控芯片性能以及系統(tǒng)低功耗、可靠性、準(zhǔn)確性等，主控電路采用ST公司的STM32F407最小系統(tǒng)，為使電路最大程度地集成化，減少外圍電路，則A/D轉(zhuǎn)換電路采用STM32F407自帶的A/D轉(zhuǎn)換芯片。

　　主控芯片電路圖如圖4所示。

　　圖4是本次設(shè)計(jì)系統(tǒng)的主控芯片，工作電壓為5 V，其外圍連接了一些LED,用于指示程序正在運(yùn)行。

　　STM32F4的ADC是12位逐次逼近型的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器。它有19個(gè)通道，這些通道的 A/D 轉(zhuǎn)換可以單次、連續(xù)、掃描或間斷模式執(zhí)行，其最大轉(zhuǎn)換速率可達(dá)2.4 MHz。該性能能夠很好地滿足設(shè)計(jì)要求，而且為電路設(shè)計(jì)和后續(xù)的軟件編程帶來方便。

5系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　圖5軟件系統(tǒng)流程圖信號(hào)經(jīng)過硬件電路采集以后，需要軟件部分進(jìn)行處理顯示，軟件部分程序流程圖如圖5所示。在A/D采集前系統(tǒng)應(yīng)判斷輸入信號(hào)是否在A/D可采集的范圍內(nèi)，若不是，系統(tǒng)需調(diào)整AD8253的放大倍數(shù)來使信號(hào)符合A/D采集信號(hào)大小，此部分由系統(tǒng)自動(dòng)識(shí)別判斷。然后根據(jù)前面所給出的公式計(jì)算出光功率，并根據(jù)PDL公式計(jì)算出偏振相關(guān)損耗。

　　采用1 310 nm的DFB穩(wěn)定光源進(jìn)行測(cè)試，得到不同測(cè)試次數(shù)下PDL的數(shù)據(jù)如表1所示。

　　由表1可知此測(cè)量系統(tǒng)能很好地完成PDL的測(cè)試，且誤差比較小，滿足測(cè)量精度?！?/p>

6結(jié)論

　　基于STM32F4的偏振相關(guān)損耗測(cè)量系統(tǒng)，依靠偏振控制器改變光的輸出偏振態(tài)，能夠很好地測(cè)量出光通過無源器件后偏振相關(guān)損耗。而且STM32F4在速度、功耗、成本等方面表現(xiàn)出其自身的優(yōu)勢(shì)，自帶ADC使設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單化，而且能夠擴(kuò)展豐富外設(shè)。

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