徐宏宇，劉瀟

　?。ㄉ蜿柡娇蘸教齑髮W 研究生院，遼寧 沈陽 110136）

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

　　關鍵詞：偏振相關損耗；STM32F407ZG；偏振控制器；測量系統(tǒng)

　　中圖分類號：TP913.7文獻標識碼：ADOI： 10.19358/j.issn.1674-7720.2017.01.010

　　引用格式：徐宏宇，劉瀟. 基于STM32的偏振相關損耗測量系統(tǒng)設計［J］.微型機與應用，2017,36（1）：32-34.

0引言

　　偏振相關損耗（Polarization Dependent Loss, PDL）是針對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。由于信號在傳輸過程中偏振不僅僅存在于光纖網(wǎng)絡內(nèi)，還會沿著光纖鏈路不斷地增長，給傳輸質(zhì)量帶來嚴重影響，而且當某個光無源器件的PDL在系統(tǒng)內(nèi)功率波動較大時，會使系統(tǒng)的比特錯誤率增大，因此對偏振相關損耗的測量變得非常必要。

1偏振相關損耗理論分析

　　偏振相關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，從光的波動來分析偏振相關損耗。當光以入射角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。又因為光是電磁波，則假定s是振動方向平行于入射面的電矢量，p是振動方向垂直于入射面的電矢量，設ts是s方向光能量的復振幅透射系數(shù)，tp是p方向的復振幅透射系數(shù)。由波動光學理論可得如下公式：

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

　　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界面兩邊媒質(zhì)折射率相關，為進一步分析其與入射角的關系，對式（5）求θ1偏導得：

　　在實際中θ1的值一般比較小，在0~80范圍內(nèi)，由式（6）可知當n1≥n2時，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θ1的一階偏導大于等于0，而當θ1≥θ2時同理可得其仍然成立。

　　從以上分析可得偏振相關損耗PDL會隨著入射角的增大而增大，與其成正比。同時由式（5）知PDL還與兩媒質(zhì)折射率差值Δn有關，差值越大，偏振相關損耗越大。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，可以在理論上估計其偏振相關損耗的理論極限值。

2偏振相關損耗測量方案

　　IEC：2009（E）61300-3-2規(guī)定了兩種測試偏振相關損耗的方法，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)掃描法又分為步進掃描法和時間掃描法。步進掃描法是控制偏振控制器沿著設定的軌跡在邦加球上掃描，掃描方式有經(jīng)線步進緯線掃描或緯線步進經(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。但對于測量精確度要求較高的場合下，其測試的步距變小，測試點數(shù)大大增加，也增加了測試時間。時間掃描法與步進掃描法基本類似，主要區(qū)別是給偏振控制器發(fā)送一條掃描時間長度的控制指令，讓偏振控制器在規(guī)定時間內(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。其重復性不如步進掃描法，且與時間連接比較緊密，掃描時間越長精度越高，重復性越好。

　　2.2mueller矩陣法

　　mueller矩陣法是利用了其與邦加球有很好的對應關系，利用此方法只需要用到光的4個偏振態(tài)結(jié)合mueller矩陣以及數(shù)學中求極值公式即可得到被測件的偏振相關損耗。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)以上測試方法的優(yōu)缺點，對偏振控制器的控制進行改變，改變其掃描步長及掃描時間，使輸出的偏振光盡可能地落在橢圓偏振態(tài)，對于特定波長的PDL，既縮短了測試時間，又使得測試方案簡單易操作，而且對偏振態(tài)穩(wěn)定性的依賴降低，同時降低了對偏振控制器控制的復雜度，測量誤差比較小。

3系統(tǒng)設計理論

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

　　光功率計模塊包括光電探測器、放大器和A/D轉(zhuǎn)換模塊。通過改變偏振控制器［67］對光纖的壓力調(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硬件電路設計

　　4.1偏振控制電路設計

　　對偏振控制器的精確控制是整個系統(tǒng)的關鍵部分，設計采用STM32控制步進電機及外圍驅(qū)動電路控制偏振控制器，步進電機能夠?qū)λ俣群臀恢镁_控制，且沒有累計誤差,因此能夠準確地得到所需的偏振態(tài)。其電路連接如圖2所示。

　　4.2前置放大電路設計

　　偏振光經(jīng)過光電探測器轉(zhuǎn)換后的光電流比較微弱，需要進行放大后才能夠送給A/D轉(zhuǎn)換模塊進行處理。在這里使用噪聲比較低、價格相對便宜的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，-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，信號比較微弱，還需經(jīng)過第二級放大電路放大。本設計采用可編程增益儀表放大器［1011］AD8253進行第二級放大，其具有GΩ級輸入阻抗、低輸出噪聲、低失真特性，能很好地驅(qū)動高采樣速率的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，使其成為ADC驅(qū)動器的絕佳選擇，并且其可實現(xiàn)1、10、100、1 000放大量程的切換，可根據(jù)輸入信號大小來切換量程。

　　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是本次設計系統(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2.4 MHz。該性能能夠很好地滿足設計要求，而且為電路設計和后續(xù)的軟件編程帶來方便。

5系統(tǒng)軟件設計

　　圖5軟件系統(tǒng)流程圖信號經(jīng)過硬件電路采集以后，需要軟件部分進行處理顯示，軟件部分程序流程圖如圖5所示。在A/D采集前系統(tǒng)應判斷輸入信號是否在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)來使信號符合A/D采集信號大小，此部分由系統(tǒng)自動識別判斷。然后根據(jù)前面所給出的公式計算出光功率，并根據(jù)PDL公式計算出偏振相關損耗。

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

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

6結(jié)論

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

參考文獻

　?。?］ IEC：2009（E）6130032. Fibre optic interconnecting devices and passive componentsBasic test and measurement proceduresPart 3-2: Examination and measurementsPolarization dependent loss in a singlemode fibre optic device［S］.2009.

　　［2］ 王恒飛, 應承平, 全治科.光無源器件偏振依賴損耗的測試方法［J］. 光子技術，2005（3）：140 144.

　?。?］ 杜維國．光無源器件測試系統(tǒng)設計和測試誤差分析［J］.電子測量與儀器學報，2009,23（S1）：78 84.

　?。?］ 徐波．一種通用光功率計的實現(xiàn)原理［［J］．電子質(zhì)量，2006(5)：3 7.

　?。?］ 吳雨欣，廖平，丁睿明．基于CAN總線的嵌入式光功率實時監(jiān)測系統(tǒng)設計［J］．微計算機信息，2012,28（6）：69 70，169.

　?。?］ 侯慶祥．基于數(shù)字信號處理的偏振控制技術研究［D］．北京：北京郵電大學，2015.

　?。?］ 張啟業(yè)，朱勇，蘇洋，等.光纖擠壓型偏振控制器的“極地盲區(qū)”問題研究［J］.光學學報，2013,33（5）：15 20.

　?。?］ 遠坂俊昭．測量電子電路設計—模擬篇（第11版）［M］．彭軍，譯．北京：科學出版社，2015.

　?。?］ 安慰東，劉杰，包德州，等．納伏級微弱信號放大電路的設計［J］．電子測試，2012（8）：52 55.

　　［10］ 李樂樂．低功耗、高精度、寬共模輸入范圍儀表放大器的研究與設計［D］．上海：復旦大學，2013.

　?。?1］ 崔利平．儀表放大器電路設計［J］．現(xiàn)代電子技術，2009,32（11）：87 89.