動(dòng)態(tài)偏振控制器驅(qū)動(dòng)電路分析

引 言

　　偏振控制器是一種重要的光器件，在光纖通信和傳感領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。實(shí)際運(yùn)用中，偏振控制器的半波電壓與廠家給出的標(biāo)稱值并不完全一致，導(dǎo)致了使用的不便。因此在使用時(shí)需要有與之配套的驅(qū)動(dòng)電路。但是，許多廠家并不提供配套的驅(qū)動(dòng)電路，即使提供，價(jià)格也昂貴，在實(shí)際工程開(kāi)發(fā)中不能達(dá)到最佳性價(jià)比。因此，自主研制DPC的驅(qū)動(dòng)電路是很有必要的。

　　本文以光纖擠壓型偏振控制器為研究對(duì)象，運(yùn)用邦加球圖示法分析了其工作原理，并介紹基于DDS技術(shù)和FPGA的動(dòng)態(tài)偏振控制器驅(qū)動(dòng)電路的工作原理、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及軟、硬件設(shè)計(jì)。測(cè)試結(jié)果表明，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了驅(qū)動(dòng)電路的預(yù)定功能，生成了4路頻率幅值均可調(diào)的正弦驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

　　1 DPC的工作原理

　　這里研究的光纖擠壓型偏振控制器，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。它由4個(gè)壓電陶瓷光纖擠壓器(稱為擠壓器F1，F(xiàn)2，F(xiàn)3，F(xiàn)4)組成，其方位角分別為0°，45°，O°，45°，各擠壓器對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電壓為V1，V2，V3，V4。分別在4個(gè)擠壓器上加電壓信號(hào)驅(qū)動(dòng)，產(chǎn)生相應(yīng)的壓力擠壓光纖，形成線性雙折射，改變?nèi)肷涔獠ǖ南辔徊睿瑥亩鴮?shí)現(xiàn)任意偏振態(tài)轉(zhuǎn)換。

　　由文獻(xiàn)[3—5]和上述偏振控制器內(nèi)部結(jié)構(gòu)，可將擠壓器中的四段光纖(分別稱為d1，d2，d3，d4)看成不同方位角的相位延遲器。

　　(1)d1，d3可看成方位角為零的相位延遲器，只改變輸入光的相位延遲而不改變其偏振方向，在邦加球上表現(xiàn)為輸入偏振態(tài)繞S1軸的旋轉(zhuǎn)。

　　(2)d2，d4可看成方位角為45°的相位延遲器，也即旋光器和相位角為零的相位延遲器的合成，不僅改變輸入光的相位延遲，也改變其偏振方向，其偏振態(tài)變換在邦加球上表現(xiàn)為繞S2的旋轉(zhuǎn)。

　　圖2為d1，d2，d3，d4對(duì)偏振態(tài)變換在邦加球上的顯示。如圖2所示，在邦加球上，隨所加電壓的變化，d1或d3的輸出光起始偏振態(tài)S繞S1軸順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。d2，d4的輸出光偏振態(tài)S'隨所加電壓變化在邦加球上繞S2軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。

　　圖2光纖擠壓器偏振態(tài)隨電壓變化的邦加球示意圖由此可知，只要輸入光的偏振態(tài)與F1和F2的方向都不垂直，則輸入光的偏振態(tài)都可以通過(guò)操作至少2個(gè)擠壓器改變到任意一個(gè)偏振態(tài)。

　　2 DPC的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

　　DPC驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)基于DDS技術(shù)，系統(tǒng)主要由Xilinx Spartan-3系列FPGA、數(shù)/模轉(zhuǎn)換器LTC1668及寬帶放大器LT1812組成。

　　2.1 DDS的基本原理

　　DDS的基本原理是基于采樣定理。將相位累加器輸出的相位碼通過(guò)查表法映射成波形幅度碼，經(jīng)模/數(shù)轉(zhuǎn)換和低通濾波后產(chǎn)生波形，其框圖如圖3所示。它主要由參考時(shí)鐘fref、相位累加器、相位寄存器、波形存儲(chǔ)器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器及低通濾波器等部分構(gòu)成。

　　DDS工作時(shí)，它將在時(shí)鐘脈沖的控制下，對(duì)頻率控制字F用累加器進(jìn)行處理，以得到相應(yīng)的相位碼;然后由相位碼尋址波形存儲(chǔ)器進(jìn)行相位碼——幅度編碼變換后輸出不同的幅度編碼;再經(jīng)過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換器和低通濾波器處理，即可得到由頻率控制字決定的連續(xù)變化的輸出波形。

　　2.2 硬件組成

　　DPC的驅(qū)動(dòng)電路是基于偏振度測(cè)試系統(tǒng)平臺(tái)(見(jiàn)圖4)研制的。DPC用于將輸入光擾偏后輸出，再經(jīng)檢偏器和探測(cè)器將光強(qiáng)信息轉(zhuǎn)化為數(shù)字量送入FPGA，F(xiàn)PGA對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后再對(duì)DPC的驅(qū)動(dòng)電壓做出調(diào)整并輸出，以達(dá)到完全擾偏的目的。

　　要實(shí)現(xiàn)完全擾偏，也即是讓輸入偏振態(tài)在一定時(shí)間內(nèi)遍歷各個(gè)偏振態(tài)。根據(jù)DPC的工作原理及實(shí)驗(yàn)嘗試，測(cè)試系統(tǒng)使用4路正弦信號(hào)同時(shí)驅(qū)動(dòng)4個(gè)光纖擠壓器。根據(jù)DPC自身性質(zhì)，所需提供電壓最大值應(yīng)小于2 V，正弦波頻率應(yīng)小于2 000 Hz。因此，驅(qū)動(dòng)電路需要提供4路大于零的正弦波驅(qū)動(dòng)信號(hào)，其峰值應(yīng)小于2 V。且正弦波頻率各不相等，均小于2 000 Hz。

　　驅(qū)動(dòng)電路的硬件結(jié)構(gòu)如圖5所示，4路電壓驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)均相同。采用16位高精度數(shù)/模轉(zhuǎn)換器LTC1668，將FPGA輸出的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為模擬電流，再經(jīng)運(yùn)放LT1812將電流轉(zhuǎn)換為電壓。