基于STM32的偏振相关损耗测量系统设计
徐宏宇，刘 潇
【摘 要】设计了一种基于ST公司Cortex-M4内核的ARM系列产品STM32F407ZG偏振相关损耗测量系统，包括系统设计理论、软硬件设计结构及实现方法。光通过偏振控制器调整偏振态，通过待测物后送往后续的光电转换模块，经放大过滤到达A/D采集模块，最后送往主控单元M4进行处理完成测量。
【期刊名称】微型机与应用 【年(卷),期】2017(036)001 【总页数】3
【关键词】偏振相关损耗；STM32F407ZG；偏振控制器；测量系统
0 引言
偏振相关损耗(Polarization Dependent Loss, PDL)是针对光存在偏振的情况下，通过光无源器件后，引起光功率值的变化。由于信号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在系统内功率波动较大时，会使系统的比特错误率增大，因此对偏振相关损耗的测量变得非常必要。
1 偏振相关损耗理论分析
偏振相关损耗的基本定义式如下： PDL=10log(Pmax/Pmin) (1)
单位为dB，其中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，从光的波动来分析偏振相关损耗。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。又因为光是电磁波，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。由波动光学理论可得如下公式： (2) (3)
由上式可知ts与tp不相等，则会产生偏振相关损耗。由PDL基本定义可得单一界面产生的偏振相关损耗为： 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主要与光入射角和光学界面两边媒质折射率相关，为进一步分析其与入射角的关系，对式(5)求θ1偏导得： (6)
在实际中θ1的值一般比较小，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≤0，由此可得出对θ1的一阶偏导大于等于0，而当θ1≥θ2时同理可得其仍然成立。
从以上分析可得偏振相关损耗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，偏振相关损耗越大。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相关损耗的理论极限值。
2 偏振相关损耗测量方案
IEC：2009(E)61300-3-2规定了两种测试偏振相关损耗的方法，分别为全状态扫描法和mueller矩阵法[1-2]。 2.1 全状态扫描法
全状态扫描法又分为步进扫描法和时间扫描法。步进扫描法是控制偏振控制器沿着设定的轨迹在邦加球上扫描，扫描方式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。但对于测量精确度要求较高的场合下，其测试的步距变小，测试点数大大增加，也增加了测试时间。时间扫描法与步进扫描法基本类似，主要区别是给偏振控制器发送一条扫描时间长度的控制指令，让偏振控制器在规定时间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，且与时间连接比较紧密，扫描时间越长精度越高，重复性越好。 2.2 mueller矩阵法
mueller矩阵法是利用了其与邦加球有很好的对应关系，利用此方法只需要用到光的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相关损耗。其公式为： (7)
其中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测量，但容
基于STM32的偏振相关损耗测量系统设计
