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域都有著廣泛的應用。在光纖通信系統(tǒng)中，準確地控制光纖中的偏振態(tài)，關系著系統(tǒng)的穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼`碼率。然而在消偏型光纖陀螺中，準確測量光的偏振度也是保證光纖陀螺精度的有效措施。因此，偏振控制器(PC)作為一種改變輸入光偏振態(tài)的光器件是不可缺少的一種偏振控制器件，在PMD動態(tài)補償、偏振度(DOP)測試等方面發(fā)揮著重要的作用。
但是在實際運用中，偏振控制器的半波電壓與廠家給出的標稱值并不完全一致，導致了使用的不便。因此在使用時需要有與之配套的驅動電路。但是，許多廠家并不提供配套的驅動電路，即使提供，價格也昂貴，在實際工程開發(fā)中不能達到最佳性價比。因此，自主研制DPC的驅動電路是很有必要的。
本文以光纖擠壓型偏振控制器為研究對象，運用邦加球圖示法分析了其工作原理，并介紹基于DDS技術和FPGA的動態(tài)偏振控制器驅動電路的工作原理、系統(tǒng)結構及軟、硬件設計。測試結果表明，設計實現(xiàn)了驅動電路的預定功能，生成了4路頻率幅值均可調(diào)的正弦驅動信號。
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)部結構如圖1所示。它由4個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°，各擠壓器對應的驅動電壓為V1，V2，V3，V4。分別在4個擠壓器上加電壓信號驅動，產(chǎn)生相應的壓力擠壓光纖，形成線性雙折射，改變?nèi)肷涔獠ǖ南辔徊?，從而實現(xiàn)任意偏振態(tài)轉換。
由文獻[3—5]和上述偏振控制器內(nèi)部結構，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。
(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。
圖2為d1，d2，d3，d4對偏振態(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軸順時針旋轉。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軸逆時針旋轉。
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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)都可以通過操作至少2個擠壓器改變到任意一個偏振態(tài)。
2 DPC的驅動電路設計
DPC驅動電路的設計基于DDS技術，系統(tǒng)主要由Xilinx Spartan-3系列FPGA、數(shù)／模轉換器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查表法映射成波形幅度碼，經(jīng)模／數(shù)轉換和低通濾波后產(chǎn)生波形，其框圖如圖3所示。它主要由參考時鐘fref、相位累加器、相位寄存器、波形存儲器、數(shù)模轉換器及低通濾波器等部分構成。
DDS工作時，它將在時鐘脈沖的控制下，對頻率控制字F用累加器進行處理，以得到相應的相位碼；然后由相位碼尋址波形存儲器進行相位碼——幅度編碼變換后輸出不同的幅度編碼；再經(jīng)過數(shù)模轉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的驅動電路是基于偏振度測試系統(tǒng)平臺(見圖4)研制的。DPC用于將輸入光擾偏后輸出，再經(jīng)檢偏器和探測器將光強信息轉化為數(shù)字量送人FPGA，F(xiàn)PGA對數(shù)據(jù)進行處理后再對DPC的驅動電壓做出調(diào)整并輸出，以達到完全擾偏的目的。
要實現(xiàn)完全擾偏，也即是讓輸入偏振態(tài)在一定時間內(nèi)遍歷各個偏振態(tài)。根據(jù)DPC的工作原理及實驗嘗試，測試系統(tǒng)使用4路正弦信號同時驅動4個光纖擠壓器。根據(jù)DPC自身性質，所需提供電壓最大值應小于2 V，正弦波頻率應小于2 000 Hz。因此，驅動電路需要提供4路大于零的正弦波驅動信號，其峰值應小于2 V。且正弦波頻率各不相等，均小于2 000 Hz。
驅動電路的硬件結構如圖5所示，4路電壓驅動設計均相同。采用16位高精度數(shù)／模轉換器LTC1668，將FPGA輸出的數(shù)據(jù)轉換為模擬電流，再經(jīng)運放LT1812將電流轉換為電壓。
LTC1668工作在士5 V雙極性電壓供電情況下，其參考電壓由內(nèi)部提供，輸出采用單端電流輸出模式。寬帶放大器LT1812完成電流一電壓轉換，最終輸出符合要求的正弦信號。
2．3 軟件設計
FPGA是驅動電路的控制核心。FPGA接收ADC轉換的光強信息數(shù)據(jù)，并傳送給DSP；再根據(jù)DSP計算所得的數(shù)據(jù)(即正弦驅動信號的頻率f)判斷是否符合要求，若符合要求則進入DDS子模塊，得到幅度碼并發(fā)送給LTC1668，以輸出需要的正弦波。FPGA主模塊流程圖如圖6(a)所示。
式中：fo是輸出頻率；fref為DDS參考時鐘頻率，由FPGA將晶振輸入時鐘經(jīng)內(nèi)部鎖相環(huán)分頻后產(chǎn)生。
由相位步進累加可得到相位碼，再尋址波形存儲器即可完成相位——幅度轉換，得到相應的幅度碼，輸出給主模塊。由于驅動信號為正弦波，波形存儲器直接調(diào)用FPGA內(nèi)部模塊sin_COS_lookup_table，輸入與輸出數(shù)據(jù)位寬均為16位。DDS子模塊流程圖如圖6(b)所示。
2．4 實驗測試結果
實驗時設定4路正弦驅動信號V1，V2，V3，V4的頻率分別為f1=2 000 Hz，f2=1 000 Hz，f3=1 800 Hz，f4=1 500 Hz。
示波器上觀測的波形如圖7所示。
波形使用雙通道示波器觀測，2通道探頭設置為10檔。從圖7中可以看出，輸出波形較為穩(wěn)定。如果在FPGA程序內(nèi)增大sin_COS_lookup_table模塊的輸入數(shù)據(jù)位寬，也即增大采樣點數(shù)，可以得到精度更高的輸出波形。
3 結 語
動態(tài)偏振控制器目前廣泛應用于光纖通信和傳感領域，是一種重要的偏振控制器件。分析動態(tài)偏振控制器的工作原理，并以光纖擠壓型偏振控制器為研究對象，設計了基于DDS技術和FPGA的調(diào)制電路，該設計以偏振度測試系統(tǒng)為實驗平臺。實驗測試結果表明，所設計的調(diào)制電路能夠輸出4路頻率可調(diào)的正弦信號，輸出信號穩(wěn)定，控制靈活，工作性能可靠。該方法思路簡單，采用Verilog語言設計并調(diào)用FPGA內(nèi)部模塊，設計靈活透明，且外圍電路較為簡易，具有良好的實用性和性價比。
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