趙 佳，劉蘊(yùn)紅

（大連理工大學(xué)電氣工程學(xué)院，遼寧大連116024）

1 引 言

以前，人們認(rèn)為減少群速度以減慢或者儲(chǔ)存光脈沖是不可能的.因此通常將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)以達(dá)到緩沖或者處理的目的.近些年來(lái)，隨著對(duì)不同光脈沖速度的深入研究，已經(jīng)將其應(yīng)用于光延遲線、量子信息處理和光學(xué)傳感器等領(lǐng)域.此外，光群速度的減慢可以縮小光學(xué)器件（光放大器、光開關(guān)）的尺寸，也同時(shí)為時(shí)域光信號(hào)處理和非線性光學(xué)效應(yīng)的增強(qiáng)提供了解決方案.

隨著慢光技術(shù)研究的深入，更多實(shí)現(xiàn)慢光的機(jī)理不斷被提出，主要包括：電磁誘導(dǎo)透明（EIT），相干布局振蕩（CPO），受激布里淵散射（SBS），受激拉曼色散（SRS）等.比較各種方法，CPO不需要額外抽運(yùn)光的輔助，可在室溫下實(shí)現(xiàn)，且光速的可控范圍廣，產(chǎn)生的光延遲大，具有很高的實(shí)用價(jià)值.光纖作為光通訊的廣泛載體，在研究可控光速用于全光通訊中有著廣泛的應(yīng)用前景.1993年，F(xiàn)reeman等[1]人在摻鉺光纖中觀察到了慢光現(xiàn)象.2006年Schweinsberg等[2]人在摻鉺光纖中觀測(cè)到慢光傳輸現(xiàn)象.

本文在現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)設(shè)備的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了可與計(jì)算機(jī)通訊的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，通過(guò)控制信號(hào)光的調(diào)制頻率對(duì)光脈沖的時(shí)間延遲進(jìn)行控制.結(jié)合圖形化語(yǔ)言LabVIEW進(jìn)行上位機(jī)編程，實(shí)現(xiàn)了人機(jī)交互，便于數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)觀測(cè)和處理分析.

2 CPO效應(yīng)控制光速的原理

光波在介質(zhì)中傳播包含不同的頻率部分，簡(jiǎn)稱波包，它的傳播速度為群速度，表達(dá)式為：

其中，c為光速，n為折射率，ω為光波頻率.式中，dn／dω的改變會(huì)影響群速度的大小，色散項(xiàng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于1，就會(huì)導(dǎo)致慢光；色散項(xiàng)小于一定的數(shù)值，得到快光或者負(fù)群速，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)光速的調(diào)控.

由文獻(xiàn)[3]可知當(dāng)抽運(yùn)光強(qiáng)度為零時(shí)，摻鉺光纖處于吸收狀態(tài).處于基態(tài)的鉺離子將從調(diào)制信號(hào)前沿吸收光子并迅速躍遷到上吸收帶且在很短的時(shí)間內(nèi)弛豫到亞穩(wěn)態(tài).導(dǎo)致鉺離子基態(tài)粒子數(shù)明顯減少.由于鉺離子基態(tài)粒子數(shù)明顯減少導(dǎo)致鉺離子對(duì)入射周期信號(hào)后續(xù)部分的吸收減弱，即探測(cè)光束在很窄的范圍內(nèi)經(jīng)歷了飽和吸收，由KK關(guān)系可知，吸收的變化對(duì)應(yīng)著折射率在同樣范圍內(nèi)迅速增加，群折射率變化也非常大，那么相應(yīng)的群速度就會(huì)變得很小.物理上表現(xiàn)為脈沖傳輸延遲.

由研究[4]可知，泵浦場(chǎng)強(qiáng)度、調(diào)制輸入光的頻率及摻鉺光纖的各參量（如光纖長(zhǎng)度、摻雜濃度等）都會(huì)影響到光脈沖時(shí)間延遲.為了簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)設(shè)備，在本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中不采用泵浦光源輔助.且一旦選中摻鉺光纖，它的摻雜離子濃度與摻鉺光纖的長(zhǎng)度無(wú)法用控制器進(jìn)行控制，因此采用控制信號(hào)光的調(diào)制頻率來(lái)控制光脈沖時(shí)間延遲.圖1為信號(hào)光時(shí)間延遲T與調(diào)制頻率f的關(guān)系.

圖1 信號(hào)光時(shí)間延遲與調(diào)制頻率的關(guān)系

3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 慢光實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的現(xiàn)狀和本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念

目前大部分的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)都將注意力集中在如何獲得慢光，將在一定條件下獲得的慢光與理論值進(jìn)行人工比較，并沒(méi)有實(shí)現(xiàn)光速在慢光方向的連續(xù)可調(diào).另一方面，現(xiàn)有的系統(tǒng)缺少信號(hào)發(fā)生部分，不能滿足與計(jì)算機(jī)通信，沒(méi)有實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集與處理，這些因素限制了實(shí)驗(yàn)效果，并且不利于實(shí)時(shí)分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)果.因此設(shè)計(jì)了如圖2的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng).本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可以在摻鉺光纖中觀測(cè)到慢光現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)光速可調(diào).整個(gè)工作過(guò)程如下：激光信號(hào)由激光器發(fā)出，通過(guò)一個(gè)可調(diào)衰減器，可調(diào)衰減器可以調(diào)節(jié)輸出信號(hào)的光強(qiáng)，以達(dá)到最佳的實(shí)驗(yàn)效果.在光束到達(dá)光纖之前，由分束器將2%的光束作為參考信號(hào)直接由探測(cè)器接收變成電信號(hào)送入數(shù)據(jù)采集卡，另外98%的部分作為主光路激光（信號(hào)光），經(jīng)隔離器后進(jìn)后摻鉺光纖，進(jìn)入同一型號(hào)的探測(cè)器進(jìn)行接收，此探測(cè)器的信號(hào)也送入數(shù)據(jù)采集卡.2路信號(hào)的數(shù)據(jù)都輸入計(jì)算機(jī)，通過(guò)Lab－VIEW編程對(duì)2路信號(hào)進(jìn)行跟蹤觀察.本文利用FPGA產(chǎn)生信號(hào)對(duì)信號(hào)光源進(jìn)行內(nèi)調(diào)制[5].

圖2 在摻鉺光纖中觀測(cè)光速可調(diào)的實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)圖

3.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的硬件組成和原理

光速可調(diào)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)框圖如圖3，主要由以下功能模塊構(gòu)成：

圖3 光速可調(diào)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)框圖

1）調(diào)制信號(hào)產(chǎn)生模塊.利用可編程器件FPGA設(shè)計(jì)了信號(hào)發(fā)生器.采用Altera公司的Cyclone II系列芯片EP2C8Q208，利用硬件描述語(yǔ)言verilog實(shí)現(xiàn)DDS模塊[6].DDS原理如圖4所示.通過(guò)由上位機(jī)傳遞的不同的頻率控制字來(lái)改變相位累加器的累加速度，得到的相位碼對(duì)波形存儲(chǔ)器進(jìn)行尋址，使之輸出相應(yīng)的幅度，該幅度經(jīng)過(guò)D／A轉(zhuǎn)換可以得到相應(yīng)的模擬波形，經(jīng)過(guò)調(diào)理后的波形信號(hào)可以對(duì)信號(hào)光源進(jìn)行直接調(diào)制.該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)調(diào)制信號(hào)產(chǎn)生模塊的嵌入省去了信號(hào)發(fā)生器的使用，簡(jiǎn)化了實(shí)驗(yàn)設(shè)備，節(jié)約了成本.

圖4 DDS原理

2）激光傳輸前置模塊.激光器采用1 550nm的半導(dǎo)體激光器作為信號(hào)光源.經(jīng)過(guò)調(diào)制的信號(hào)光先通過(guò)1個(gè)可調(diào)衰減器，然后由1個(gè)分束器將2%的光束作為參考信號(hào)，另外98%的部分作為主光路激光（信號(hào)光），進(jìn)入光纖進(jìn)行傳輸.

3）光纖傳輸模塊.實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的傳輸功能，采用摻鉺光纖作為傳輸介質(zhì).

4）信號(hào)采集和處理模塊.傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)中接收到的信號(hào)都是用示波器進(jìn)行顯示，這樣對(duì)信號(hào)的處理較為困難且容易出現(xiàn)誤差.本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)將光接收器接收到的兩路信號(hào)（一路為2%的參考信號(hào)，另一路為主光路信號(hào)）轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，并將其通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡輸入計(jì)算機(jī)，在上位機(jī)利用Lab－VIEW編程對(duì)2路信號(hào)進(jìn)行分析和處理.本實(shí)驗(yàn)中使用NI公司研制的ELVIS中所帶的采集功能進(jìn)行波形數(shù)據(jù)采集.

3.3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

FPGA編程采用verilog HDL硬件編程語(yǔ)言，實(shí)現(xiàn)波形信號(hào)的產(chǎn)生.我們著重來(lái)分析系統(tǒng)的上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)，主要功能為產(chǎn)生調(diào)制信號(hào)的頻率控制字和最終信號(hào)的分析與處理.

使用LabVIEW狀態(tài)機(jī)[7]的模塊化編程方法實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，主要分為以下幾個(gè)部分：

1）主界面模塊.登陸界面，設(shè)置界面和波形顯示界面.

2）數(shù)據(jù)采集模塊.LabVIEW和ELVIS的接口編程，用于接收下位機(jī)傳遞的信號(hào)信息.

3）數(shù)據(jù)分析模塊.將采集到的2路信號(hào)進(jìn)行延時(shí)時(shí)間分析，計(jì)算當(dāng)前光速數(shù)據(jù).

4）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊.利用LabVIEW強(qiáng)大的I／O函數(shù)將采集到的信號(hào)數(shù)據(jù)定時(shí)以波形文件的形式存儲(chǔ)在二進(jìn)制文件或表單文件中.

上位機(jī)軟件控制流程圖見(jiàn)圖5.對(duì)采集的2路信號(hào)在上位機(jī)界面進(jìn)行顯示，計(jì)算出時(shí)間延時(shí)、光群速度并記錄信號(hào)頻率.將其與設(shè)定的光群速度進(jìn)行比較，根據(jù)差值利用LabVIEW自帶PID工具VI計(jì)算出控制量，經(jīng)過(guò)串口傳遞給FPGA，向增大或減小方向改變其頻率控制字，從而改變調(diào)制信號(hào)的波形頻率，最終實(shí)現(xiàn)光速調(diào)節(jié).

圖5 軟件控制流程圖

圖6為上位機(jī)波形顯示界面，用于設(shè)定光速和顯示實(shí)時(shí)的光速、時(shí)間延遲和當(dāng)前的頻率.不同的光纖參量不同，實(shí)驗(yàn)中觀察的現(xiàn)象也不同[8]，為了增加實(shí)驗(yàn)精度，將延遲控制在可測(cè)范圍內(nèi)，采用的實(shí)驗(yàn)設(shè)備相關(guān)參量如下：光纖長(zhǎng)度10m，纖芯半徑1.66μm，濃度為0.5×1025m－3，信號(hào)光波長(zhǎng)為1 550nm，功率為4.05mW.

圖6 波形顯示界面

4 結(jié)束語(yǔ)

設(shè)計(jì)了在常溫下基于LabVIEW和FPGA的光速可調(diào)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，將傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置與計(jì)算機(jī)聯(lián)系，解決了傳統(tǒng)裝置中信號(hào)處理能力弱、價(jià)格昂貴等缺點(diǎn).該系統(tǒng)運(yùn)用于慢光研究，可較直觀地觀察到調(diào)制頻率與光群速度之間的關(guān)系.

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