動態(tài)偏振控制器驅(qū)動電路分析

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。實際運用中，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。因此在使用時需要有與之配套的驅(qū)動電路。但是，許多廠家并不提供配套的驅(qū)動電路，即使提供，價格也昂貴，在實際工程開發(fā)中不能達(dá)到最佳性價比。因此，自主研制DPC的驅(qū)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(shù)和FPGA的動態(tài)偏振控制器驅(qū)動電路的工作原理、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及軟、硬件設(shè)計。測試結(jié)果表明，設(shè)計實現(xiàn)了驅(qū)動電路的預(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(jié)構(gòu)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(yīng)的驅(qū)動電壓為V1，V2，V3，V4。分別在4個擠壓器上加電壓信號驅(qū)動，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南辔徊睿瑥亩鴮崿F(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(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)都可以通過操作至少2個擠壓器改變到任意一個偏振態(tài)。

　　2 DPC的驅(qū)動電路設(shè)計

　　DPC驅(qū)動電路的設(shè)計基于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。它主要由參考時鐘fref、相位累加器、相位寄存器、波形存儲器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器及低通濾波器等部分構(gòu)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(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(qiáng)信息轉(zhuǎn)化為數(shù)字量送入FPGA，F(xiàn)PGA對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后再對DPC的驅(qū)動電壓做出調(diào)整并輸出，以達(dá)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(qū)動4個光纖擠壓器。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)動電路需要提供4路大于零的正弦波驅(qū)動信號，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)動電路的硬件結(jié)構(gòu)如圖5所示，4路電壓驅(qū)動設(shè)計均相同。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)運放LT1812將電流轉(zhuǎn)換為電壓。