基于LabVIEW和FPGA的慢光效应实验系统

赵 佳，刘蕴红

（大连理工大学电气工程学院，辽宁大连116024）

1 引 言

以前，人们认为减少群速度以减慢或者储存光脉冲是不可能的.因此通常将光信号转化为电信号以达到缓冲或者处理的目的.近些年来，随着对不同光脉冲速度的深入研究，已经将其应用于光延迟线、量子信息处理和光学传感器等领域.此外，光群速度的减慢可以缩小光学器件（光放大器、光开关）的尺寸，也同时为时域光信号处理和非线性光学效应的增强提供了解决方案.

随着慢光技术研究的深入，更多实现慢光的机理不断被提出，主要包括：电磁诱导透明（EIT），相干布局振荡（CPO），受激布里渊散射（SBS），受激拉曼色散（SRS）等.比较各种方法，CPO不需要额外抽运光的辅助，可在室温下实现，且光速的可控范围广，产生的光延迟大，具有很高的实用价值.光纤作为光通讯的广泛载体，在研究可控光速用于全光通讯中有着广泛的应用前景.1993年，Freeman等[1]人在掺铒光纤中观察到了慢光现象.2006年Schweinsberg等[2]人在掺铒光纤中观测到慢光传输现象.

本文在现有实验设备的基础上，设计了可与计算机通讯的实验系统，通过控制信号光的调制频率对光脉冲的时间延迟进行控制.结合图形化语言LabVIEW进行上位机编程，实现了人机交互，便于数据的实时观测和处理分析.

2 CPO效应控制光速的原理

光波在介质中传播包含不同的频率部分，简称波包，它的传播速度为群速度，表达式为：

其中，c为光速，n为折射率，ω为光波频率.式中，dn／dω的改变会影响群速度的大小，色散项远远大于1，就会导致慢光；色散项小于一定的数值，得到快光或者负群速，进而实现光速的调控.

由文献[3]可知当抽运光强度为零时，掺铒光纤处于吸收状态.处于基态的铒离子将从调制信号前沿吸收光子并迅速跃迁到上吸收带且在很短的时间内弛豫到亚稳态.导致铒离子基态粒子数明显减少.由于铒离子基态粒子数明显减少导致铒离子对入射周期信号后续部分的吸收减弱，即探测光束在很窄的范围内经历了饱和吸收，由KK关系可知，吸收的变化对应着折射率在同样范围内迅速增加，群折射率变化也非常大，那么相应的群速度就会变得很小.物理上表现为脉冲传输延迟.

由研究[4]可知，泵浦场强度、调制输入光的频率及掺铒光纤的各参量（如光纤长度、掺杂浓度等）都会影响到光脉冲时间延迟.为了简化实验设备，在本实验系统中不采用泵浦光源辅助.且一旦选中掺铒光纤，它的掺杂离子浓度与掺铒光纤的长度无法用控制器进行控制，因此采用控制信号光的调制频率来控制光脉冲时间延迟.图1为信号光时间延迟T与调制频率f的关系.

图1 信号光时间延迟与调制频率的关系

3 实验系统设计

3.1 慢光实验系统的现状和本系统的设计理念

目前大部分的实验系统都将注意力集中在如何获得慢光，将在一定条件下获得的慢光与理论值进行人工比较，并没有实现光速在慢光方向的连续可调.另一方面，现有的系统缺少信号发生部分，不能满足与计算机通信，没有实现计算机数据采集与处理，这些因素限制了实验效果，并且不利于实时分析实验数据和结果.因此设计了如图2的实验系统.本实验系统可以在掺铒光纤中观测到慢光现象，实现光速可调.整个工作过程如下：激光信号由激光器发出，通过一个可调衰减器，可调衰减器可以调节输出信号的光强，以达到最佳的实验效果.在光束到达光纤之前，由分束器将2%的光束作为参考信号直接由探测器接收变成电信号送入数据采集卡，另外98%的部分作为主光路激光（信号光），经隔离器后进后掺铒光纤，进入同一型号的探测器进行接收，此探测器的信号也送入数据采集卡.2路信号的数据都输入计算机，通过Lab－VIEW编程对2路信号进行跟踪观察.本文利用FPGA产生信号对信号光源进行内调制[5].

图2 在掺铒光纤中观测光速可调的实验装置简图

3.2 实验系统的硬件组成和原理

光速可调实验系统框图如图3，主要由以下功能模块构成：

图3 光速可调实验系统框图

1）调制信号产生模块.利用可编程器件FPGA设计了信号发生器.采用Altera公司的Cyclone II系列芯片EP2C8Q208，利用硬件描述语言verilog实现DDS模块[6].DDS原理如图4所示.通过由上位机传递的不同的频率控制字来改变相位累加器的累加速度，得到的相位码对波形存储器进行寻址，使之输出相应的幅度，该幅度经过D／A转换可以得到相应的模拟波形，经过调理后的波形信号可以对信号光源进行直接调制.该实验系统对调制信号产生模块的嵌入省去了信号发生器的使用，简化了实验设备，节约了成本.

图4 DDS原理

2）激光传输前置模块.激光器采用1 550nm的半导体激光器作为信号光源.经过调制的信号光先通过1个可调衰减器，然后由1个分束器将2%的光束作为参考信号，另外98%的部分作为主光路激光（信号光），进入光纤进行传输.

3）光纤传输模块.实现光信号的传输功能，采用掺铒光纤作为传输介质.

4）信号采集和处理模块.传统的实验中接收到的信号都是用示波器进行显示，这样对信号的处理较为困难且容易出现误差.本实验系统将光接收器接收到的两路信号（一路为2%的参考信号，另一路为主光路信号）转化为电信号，并将其通过数据采集卡输入计算机，在上位机利用Lab－VIEW编程对2路信号进行分析和处理.本实验中使用NI公司研制的ELVIS中所带的采集功能进行波形数据采集.

3.3 实验系统的软件设计

FPGA编程采用verilog HDL硬件编程语言，实现波形信号的产生.我们着重来分析系统的上位机软件设计，主要功能为产生调制信号的频率控制字和最终信号的分析与处理.

使用LabVIEW状态机[7]的模块化编程方法实现对系统的实时监控，主要分为以下几个部分：

1）主界面模块.登陆界面，设置界面和波形显示界面.

2）数据采集模块.LabVIEW和ELVIS的接口编程，用于接收下位机传递的信号信息.

3）数据分析模块.将采集到的2路信号进行延时时间分析，计算当前光速数据.

4）数据存储模块.利用LabVIEW强大的I／O函数将采集到的信号数据定时以波形文件的形式存储在二进制文件或表单文件中.

上位机软件控制流程图见图5.对采集的2路信号在上位机界面进行显示，计算出时间延时、光群速度并记录信号频率.将其与设定的光群速度进行比较，根据差值利用LabVIEW自带PID工具VI计算出控制量，经过串口传递给FPGA，向增大或减小方向改变其频率控制字，从而改变调制信号的波形频率，最终实现光速调节.

图5 软件控制流程图

图6为上位机波形显示界面，用于设定光速和显示实时的光速、时间延迟和当前的频率.不同的光纤参量不同，实验中观察的现象也不同[8]，为了增加实验精度，将延迟控制在可测范围内，采用的实验设备相关参量如下：光纤长度10m，纤芯半径1.66μm，浓度为0.5×1025m－3，信号光波长为1 550nm，功率为4.05mW.

图6 波形显示界面

4 结束语

设计了在常温下基于LabVIEW和FPGA的光速可调的实验系统，将传统实验装置与计算机联系，解决了传统装置中信号处理能力弱、价格昂贵等缺点.该系统运用于慢光研究，可较直观地观察到调制频率与光群速度之间的关系.

[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] 王号，掌蕴东，叶建波，等.在掺铒光纤中直接观测慢光和超光速信号的演化[J].光学学报，2009，29（7）：1938－1942.

[4] 叶建波.掺铒光纤中光速可控及脉冲形变的研究[R].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2008.

[5] 罗毅，徐建明，黄缙，等.基于直接调制和外调制的高速半导体激光光源[J].红外与激光工程，2008，37（2）：200－204.

[6] 王水鱼，沈航，高军芳.基于FPGA和LabVIEW的任意波形发生器设计[J].计算机测量与控制，2009，17（4）：800－802.

[7] 陈锡辉，张银鸿.LabVIEW 8.20程序设计从入门到精通[M].北京：清华大学出版社，2007.

[8] 邱巍，掌蕴东，叶建波，等.室温条件下掺铒光纤中光脉冲群速可控特性的研究[J].物理学报，2007，56（12）：7009－7014.

[9] 刘佳，孙立.基于FPGA的视频信号数字化光纤传输实验接收装置的设计与实现[J].物理实验，2011，31（7）：17－20.

[10] 林伟华，杨晨，南凡，等.基于LabVIEW的表面等离激元共振测量液体折射率[J].物理实验，2011，31（4）：1－4.