（沈阳航空航天算夜学 研究生院，辽宁 沈阳 110136）
：设计了一种基于ST公司CortexM4内核的ARM系列产品STM32F407ZG偏振干系损耗丈量系统，包括系统设计理论、软硬件设计构造及实现方法。光通过偏振掌握器调度偏振态，通过待测物后送今后续的光电转换模块，经放大过滤到达A/D采集模块，末了送往主控单元M4进行处理完成丈量。
：偏振干系损耗；STM32F407ZG；偏振掌握器；丈量系统
：TP913.7文献标识码：ADOI： 10.19358/j.issn.1674-7720.2017.01.010
引用格式：徐宏宇，刘潇. 基于STM32的偏振干系损耗丈量系统设计［J］.微型机与运用，2017,36（1）：32-34.
0弁言
偏振干系损耗（Polarization Dependent Loss, PDL）是针对光存在偏振的情形下，通过光无源器件后，引起光功率值的变革。由于旗子暗记在传输过程中偏振不仅仅存在于光纤网络内，还会沿着光纤链路不断地增长，给传输质量带来严重影响，而且当某个光无源器件的PDL在系统内功率颠簸较大时，会使系统的比特缺点率增大，因此对偏振干系损耗的丈量变得非常必要。
1偏振干系损耗理论剖析
偏振干系损耗的基本定义式如下：
PDL=10log(Pmax/Pmin)（1）
单位为dB，个中Pmax是光通过全部偏振态后的功率最大值，Pmin是光通过全部偏振态后的功率最小值。
光是一种横波，从光的颠簸来剖析偏振干系损耗。当光以入射角θ1从折射率为n1的介质入射到折射率为n2的介质中，折射角为θ2。又由于光是电磁波，则假定s是振动方向平行于入射面的电矢量，p是振动方向垂直于入射面的电矢量，设ts是s方向光能量的复振幅透射系数，tp是p方向的复振幅透射系数。由颠簸光学理论可得如下公式：
由上式可知ts与tp不相等，则会产生偏振干系损耗。由PDL基本定义可得单一界面产生的偏振干系损耗为：
PDL=－20log［cos(θ1－θ2)］（4）
由折射定律n1sin(θ1)=n2sin(θ2)可得到θ1的表达式，则可推出：
PDL=－20log{cos［θ1－arcsin(n1sinθ1/n2)］}（5）
由式（5）可知PDL紧张与光入射角和光学界面两边媒质折射率干系，为进一步剖析其与入射角的关系，对式（5）求θ1偏导得：
在实际中θ1的值一样平常比较小，在0~80范围内，由式（6）可知当n1≥n2时，由折射定律可知θ1≤θ2，可推出tg(θ1－θ2)≤0，1－n1cosθ1n2cosθ2≤0，由此可得出对θ1的一阶偏导大于即是0，而当θ1≥θ2时同理可得其仍旧成立。
从以上剖析可得偏振干系损耗PDL会随着入射角的增大而增大，与其成正比。同时由式（5）知PDL还与两媒质折射率差值Δn有关，差值越大，偏振干系损耗越大。由式（5）可知，在知道光无源器件的折射率、入射端面角度等参数下，可以在理论上估计其偏振干系损耗的理论极限值。
2偏振干系损耗丈量方案
IEC：2009（E）61300-3-2规定了两种测试偏振干系损耗的方法，分别为全状态扫描法和mueller矩阵法［12］。
2.1全状态扫描法
全状态扫描法又分为步进扫描法和韶光扫描法。步进扫描法是掌握偏振掌握器沿着设定的轨迹在邦加球上扫描，扫描办法有经线步进纬线扫描或纬线步进经线扫描两种。完成扫描后找到光功率最大值和最小值，即可得到PDL。但对付丈量精确度哀求较高的场合下，其测试的步距变小，测试点数大大增加，也增加了测试韶光。韶光扫描法与步进扫描法基本类似，紧张差异是给偏振掌握器发送一条扫描韶光长度的掌握指令，让偏振掌握器在规定韶光内产生各种偏振态的光，但不知道偏振态数量和偏振方向。其重复性不如步进扫描法，且与韶光连接比较紧密，扫描韶光越长精度越高，重复性越好。
2.2mueller矩阵法
mueller矩阵法是利用了其与邦加球有很好的对应关系，利用此方法只须要用到光的4个偏振态结合mueller矩阵以及数学中求极值公式即可得到被测件的偏振干系损耗。其公式为：
个中m11、m21、m31、m41为mueller矩阵第一列的元素，只需求得mueller矩阵的第一列元素即可求得PDL。这种方法能够实现快速丈量，但随意马虎受到光源稳定性和偏振态的影响。
本文根据以上测试方法的优缺陷，对偏振掌握器的掌握进行改变，改变其扫描步长及扫描韶光，使输出的偏振光尽可能地落在椭圆偏振态，对付特定波长的PDL，既缩短了测试韶光，又使得测试方案大略易操作，而且对偏振态稳定性的依赖降落，同时降落了对偏振掌握器掌握的繁芜度，丈量偏差比较小。
3系统设计理论
偏振干系损耗（PDL）测试系统［3］紧张由光源、偏振掌握器、光功率计模块［45］、A/D转换模块及MCU等组成。图1为系统框架图。
光功率计模块包括光电探测器、放大器和A/D转换模块。通过改变偏振掌握器［67］对光纤的压力调度偏振态，得到不同状态的偏振光，通过待测物经光电转换、仪表放大过滤，送往A/D转换模块，末了经由DMA送往MCU处理显示。
4硬件电路设计
4.1偏振掌握电路设计
对偏振掌握器的精确掌握是全体系统的关键部分，设计采取STM32掌握步进电机及外围驱动电路掌握偏振掌握器，步进电机能够对速率和位置精确掌握，且没有累计偏差,因此能够准确地得到所需的偏振态。其电路连接如图2所示。
4.2前置放大电路设计
偏振光经由光电探测器转换后的光电流比较微弱，须要进行放大后才能够送给A/D转换模块进行处理。在这里利用噪声比较低、价格相对便宜的CAN型OP放大器LF356H作为前置放大电路器件，其特性如下：
（1）电流—电压变换增益为1 V/μA;
（2）振幅—频率特性：在100 kHz时，-3 dB以内最大输出电压±10 V，其电路如图3所示。
经由前置放大电路［89］往后由于输出电压比较小，旗子暗记比较微弱，还需经由第二级放大电路放大。本设计采取可编程增益仪表放大器［1011］AD8253进行第二级放大，其具有GΩ级输入阻抗、低输出噪声、低失落真特性，能很好地驱动高采样速率的模数转换器(ADC)，使其成为ADC驱动器的绝佳选择，并且其可实现1、10、100、1 000放大量程的切换，可根据输入旗子暗记大小来切换量程。
4.3主控电路和A/D电路
综合考虑本钱，主控芯片性能以及系统低功耗、可靠性、准确性等，主控电路采取ST公司的STM32F407最小系统，为使电路最大程度地集成化，减少外围电路，则A/D转换电路采取STM32F407自带的A/D转换芯片。
主控芯片电路图如图4所示。
图4是本次设计系统的主控芯片，事情电压为5 V，其外围连接了一些LED,用于指示程序正在运行。
STM32F4的ADC是12位逐次逼近型的仿照数字转换器。它有19个通道，这些通道的 A/D 转换可以单次、连续、扫描或间断模式实行，其最大转换速率可达2.4 MHz。该性能能够很好地知足设计哀求，而且为电路设计和后续的软件编程带来方便。
5系统软件设计
图5软件系统流程图旗子暗记经由硬件电路采集往后，须要软件部分进行处理显示，软件部分程序流程图如图5所示。在A/D采集前系统应判断输入旗子暗记是否在A/D可采集的范围内，若不是，系统需调度AD8253的放大倍数来使旗子暗记符合A/D采集旗子暗记大小，此部分由系统自动识别判断。然后根据前面所给出的公式打算出光功率，并根据PDL公式打算出偏振干系损耗。
采取1 310 nm的DFB稳定光源进行测试，得到不同测试次数下PDL的数据如表1所示。
由表1可知此丈量系统能很好地完成PDL的测试，且偏差比较小，知足丈量精度。
6结论
基于STM32F4的偏振干系损耗丈量系统，依赖偏振掌握器改变光的输出偏振态，能够很好地丈量出光通过无源器件后偏振干系损耗。而且STM32F4在速率、功耗、本钱等方面表现出其自身的上风，自带ADC使设计大略化，而且能够扩展丰富外设。
参考文献
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