基于LabVIEW和FPGA的慢光效應實驗系統

趙 佳，劉蘊紅

（大連理工大學電氣工程學院，遼寧大連116024）

1 引 言

以前，人們認為減少群速度以減慢或者儲存光脈沖是不可能的.因此通常將光信號轉化為電信號以達到緩沖或者處理的目的.近些年來，隨著對不同光脈沖速度的深入研究，已經將其應用于光延遲線、量子信息處理和光學傳感器等領域.此外，光群速度的減慢可以縮小光學器件（光放大器、光開關）的尺寸，也同時為時域光信號處理和非線性光學效應的增強提供了解決方案.

隨著慢光技術研究的深入，更多實現慢光的機理不斷被提出，主要包括：電磁誘導透明（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不需要額外抽運光的輔助，可在室溫下實現，且光速的可控范圍廣，產生的光延遲大，具有很高的實用價值.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用前景.1993年，Freeman等[1]人在摻鉺光纖中觀察到了慢光現象.2006年Schweinsberg等[2]人在摻鉺光纖中觀測到慢光傳輸現象.

本文在現有實驗設備的基礎上，設計了可與計算機通訊的實驗系統，通過控制信號光的調制頻率對光脈沖的時間延遲進行控制.結合圖形化語言LabVIEW進行上位機編程，實現了人機交互，便于數據的實時觀測和處理分析.

2 CPO效應控制光速的原理

光波在介質中傳播包含不同的頻率部分，簡稱波包，它的傳播速度為群速度，表達式為：

其中，c為光速，n為折射率，ω為光波頻率.式中，dn／dω的改變會影響群速度的大小，色散項遠遠大于1，就會導致慢光；色散項小于一定的數值，得到快光或者負群速，進而實現光速的調控.

由文獻[3]可知當抽運光強度為零時，摻鉺光纖處于吸收狀態.處于基態的鉺離子將從調制信號前沿吸收光子并迅速躍遷到上吸收帶且在很短的時間內弛豫到亞穩態.導致鉺離子基態粒子數明顯減少.由于鉺離子基態粒子數明顯減少導致鉺離子對入射周期信號后續部分的吸收減弱，即探測光束在很窄的范圍內經歷了飽和吸收，由KK關系可知，吸收的變化對應著折射率在同樣范圍內迅速增加，群折射率變化也非常大，那么相應的群速度就會變得很小.物理上表現為脈沖傳輸延遲.

由研究[4]可知，泵浦場強度、調制輸入光的頻率及摻鉺光纖的各參量（如光纖長度、摻雜濃度等）都會影響到光脈沖時間延遲.為了簡化實驗設備，在本實驗系統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度無法用控制器進行控制，因此采用控制信號光的調制頻率來控制光脈沖時間延遲.圖1為信號光時間延遲T與調制頻率f的關系.

圖1 信號光時間延遲與調制頻率的關系

3 實驗系統設計

3.1 慢光實驗系統的現狀和本系統的設計理念

目前大部分的實驗系統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行人工比較，并沒有實現光速在慢光方向的連續可調.另一方面，現有的系統缺少信號發生部分，不能滿足與計算機通信，沒有實現計算機數據采集與處理，這些因素限制了實驗效果，并且不利于實時分析實驗數據和結果.因此設計了如圖2的實驗系統.本實驗系統可以在摻鉺光纖中觀測到慢光現象，實現光速可調.整個工作過程如下：激光信號由激光器發出，通過一個可調衰減器，可調衰減器可以調節輸出信號的光強，以達到最佳的實驗效果.在光束到達光纖之前，由分束器將2%的光束作為參考信號直接由探測器接收變成電信號送入數據采集卡，另外98%的部分作為主光路激光（信號光），經隔離器后進后摻鉺光纖，進入同一型號的探測器進行接收，此探測器的信號也送入數據采集卡.2路信號的數據都輸入計算機，通過Lab－VIEW編程對2路信號進行跟蹤觀察.本文利用FPGA產生信號對信號光源進行內調制[5].

圖2 在摻鉺光纖中觀測光速可調的實驗裝置簡圖

3.2 實驗系統的硬件組成和原理

光速可調實驗系統框圖如圖3，主要由以下功能模塊構成：

圖3 光速可調實驗系統框圖

1）調制信號產生模塊.利用可編程器件FPGA設計了信號發生器.采用Altera公司的Cyclone II系列芯片EP2C8Q208，利用硬件描述語言verilog實現DDS模塊[6].DDS原理如圖4所示.通過由上位機傳遞的不同的頻率控制字來改變相位累加器的累加速度，得到的相位碼對波形存儲器進行尋址，使之輸出相應的幅度，該幅度經過D／A轉換可以得到相應的模擬波形，經過調理后的波形信號可以對信號光源進行直接調制.該實驗系統對調制信號產生模塊的嵌入省去了信號發生器的使用，簡化了實驗設備，節約了成本.

圖4 DDS原理

2）激光傳輸前置模塊.激光器采用1 550nm的半導體激光器作為信號光源.經過調制的信號光先通過1個可調衰減器，然后由1個分束器將2%的光束作為參考信號，另外98%的部分作為主光路激光（信號光），進入光纖進行傳輸.

3）光纖傳輸模塊.實現光信號的傳輸功能，采用摻鉺光纖作為傳輸介質.

4）信號采集和處理模塊.傳統的實驗中接收到的信號都是用示波器進行顯示，這樣對信號的處理較為困難且容易出現誤差.本實驗系統將光接收器接收到的兩路信號（一路為2%的參考信號，另一路為主光路信號）轉化為電信號，并將其通過數據采集卡輸入計算機，在上位機利用Lab－VIEW編程對2路信號進行分析和處理.本實驗中使用NI公司研制的ELVIS中所帶的采集功能進行波形數據采集.

3.3 實驗系統的軟件設計

FPGA編程采用verilog HDL硬件編程語言，實現波形信號的產生.我們著重來分析系統的上位機軟件設計，主要功能為產生調制信號的頻率控制字和最終信號的分析與處理.

使用LabVIEW狀態機[7]的模塊化編程方法實現對系統的實時監控，主要分為以下幾個部分：

1）主界面模塊.登陸界面，設置界面和波形顯示界面.

2）數據采集模塊.LabVIEW和ELVIS的接口編程，用于接收下位機傳遞的信號信息.

3）數據分析模塊.將采集到的2路信號進行延時時間分析，計算當前光速數據.

4）數據存儲模塊.利用LabVIEW強大的I／O函數將采集到的信號數據定時以波形文件的形式存儲在二進制文件或表單文件中.

上位機軟件控制流程圖見圖5.對采集的2路信號在上位機界面進行顯示，計算出時間延時、光群速度并記錄信號頻率.將其與設定的光群速度進行比較，根據差值利用LabVIEW自帶PID工具VI計算出控制量，經過串口傳遞給FPGA，向增大或減小方向改變其頻率控制字，從而改變調制信號的波形頻率，最終實現光速調節.

圖5 軟件控制流程圖

圖6為上位機波形顯示界面，用于設定光速和顯示實時的光速、時間延遲和當前的頻率.不同的光纖參量不同，實驗中觀察的現象也不同[8]，為了增加實驗精度，將延遲控制在可測范圍內，采用的實驗設備相關參量如下：光纖長度10m，纖芯半徑1.66μm，濃度為0.5×1025m－3，信號光波長為1 550nm，功率為4.05mW.

圖6 波形顯示界面

4 結束語

設計了在常溫下基于LabVIEW和FPGA的光速可調的實驗系統，將傳統實驗裝置與計算機聯系，解決了傳統裝置中信號處理能力弱、價格昂貴等缺點.該系統運用于慢光研究，可較直觀地觀察到調制頻率與光群速度之間的關系.

[1] Freeman J，Conradi J.Gain modulation response of erbium－doped fiber amplifiers[J].IEEE Photon.Technol.Lett.，1993，5（2）：224－226.

[2] Schweinsberg A，Lepeshkin N N，Bigelow M S，et al.Observation of superluminal and slow light propagation in erbium－doped optical fiber[J].Europhys.Lett.，2006，73（2）：218－224.

[3] 王號，掌蘊東，葉建波，等.在摻鉺光纖中直接觀測慢光和超光速信號的演化[J].光學學報，2009，29（7）：1938－1942.

[4] 葉建波.摻鉺光纖中光速可控及脈沖形變的研究[R].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2008.

[5] 羅毅，徐建明，黃縉，等.基于直接調制和外調制的高速半導體激光光源[J].紅外與激光工程，2008，37（2）：200－204.

[6] 王水魚，沈航，高軍芳.基于FPGA和LabVIEW的任意波形發生器設計[J].計算機測量與控制，2009，17（4）：800－802.

[7] 陳錫輝，張銀鴻.LabVIEW 8.20程序設計從入門到精通[M].北京：清華大學出版社，2007.

[8] 邱巍，掌蘊東，葉建波，等.室溫條件下摻鉺光纖中光脈沖群速可控特性的研究[J].物理學報，2007，56（12）：7009－7014.

[9] 劉佳，孫立.基于FPGA的視頻信號數字化光纖傳輸實驗接收裝置的設計與實現[J].物理實驗，2011，31（7）：17－20.

[10] 林偉華，楊晨，南凡，等.基于LabVIEW的表面等離激元共振測量液體折射率[J].物理實驗，2011，31（4）：1－4.