摘要:本文根据大学本科创新型人才培养的需要,对“光纤通信原理”课程创新型实验的设计问题进行了探讨和实践。将光分插复用器实现光信号分插复用的原理作为创新型综合设计实验内容,利用研究室现有设备设计了一套基于光纤光栅和光环行器的光分插复用原理实验系统,给出了实验系统的组成、原理和实验结果。以科研项目为依托,设计创新型实验,使教学与科研有机地结合起来,有效地调动了学生参与创新型实验的积极性和主动性,提高了实验教学的效果。
关键词:光分插复用;光纤光栅;光环行器;实验教学
作者简介:张淑娥(1964-),女,满族,辽宁沈阳人,华北电力大学电子与通信工程系,副教授,工学硕士,主要研究方向:光纤通信与微波测量;李永倩(1958-),男,河北定州人,华北电力大学电子与通信工程系,教授,工学博士,主要研究方向:光纤通信与光纤传感。(河北 保定 071003)
基金项目:本文系河北省高等学校省级精品课程“光纤通信原理”建设项目(项目编号:121106)的研究成果。
“光纤通信原理”课程是一门理论性和实践性很强的课程,实验教学对培养学生的动手能力、探索精神和创新意识具有不可替代的作用。为了适应培养基础理论扎实、分析设计能力强、科研素质好的创新型人才的目标,课程组将波分复用(WDM)全光网络中的基本节点设备光分插复用器(OADM)实现光信号分插复用的原理实验作为创新型综合设计实验,[1]对“光纤通信原理”课程创新型实验的设计问题进行了探讨和实践。
OADM位于多节点光纤通信网的中间节点处,主要提供光信号的分出或插入功能,即把某个波长的光信号从传输系统中分出下载,或把某个波长的光信号插入传输系统进行传输。[2]OADM的原理是“光纤通信原理”课程要求重点掌握的一部分内容,学生在学习该部分知识时主要是通过阅读教材和教师的讲解理解分插复用的概念。教学过程中发现,仅凭教材和教师的讲解,学生往往不能准确、透彻地理解此部分内容。如果在教学过程中辅以教学实验,则可大大提高该部分的教学效果。光分插复用原理教学实验可以利用WDM光纤通信设备中的OADM和光谱分析仪来实现,但是所需设备比较昂贵,而且学生也不能直观地了解OADM的内部结构。针对这些问题,考虑到本实验的目的是使学生掌握光分插复用的原理,对实验系统的性能参数没有过高的要求,本文利用课程组在承担国家高技术研究发展计划(863计划)课题“光纤温度链及测量技术”研究中建成的光纤传感技术科研创新平台的现有仪器设备,设计并搭建了一套基于光纤光栅和光环行器的四波长光分插复用原理实验系统,作为创新型开放实验面向具有探索精神和创新意识的学有余力的学生开设选做实验。
一、实验系统构成及原理
基于光纤光栅和光环行器的四波长光分插复用原理实验系统如图1所示。
实验系统主要利用光纤布拉格光栅(FBG)对特定波长光信号的选择性反射特性实现光分插复用。系统中采用宽带光源模拟WDM光纤传输系统中的多波长复用光信号。由于宽带光源输出功率较大,为了防止光电检测器饱和或损毁,系统在宽带光源后接入一个可变衰减器,并将其衰减值调至最大,待光源启动后再根据观测波形逐渐减小可变衰减器的衰减。通常,为了使学生能够清楚地观察到“分”、“插”后各个光信号的光谱结构,需要用光谱分析仪观测光信号的光谱,本实验系统利用可调谐法布里-珀罗(F-P)滤波器、光电检测器和示波器代替光谱分析仪,实现了相同的功能。
在光信号的分出实验中,通过在可调谐F-P滤波器后串接四个由光环行器和光纤光栅组成的光滤波器,分别实现四个波长光信号的分出下载。实验中所用FBG的反射带宽应足够窄,以防不同信道间信号的串扰。根据光纤光栅的特性,假设FBG1-FBG4的中心波长分别为λ1-λ4,则当可调谐F-P滤波器控制器产生的锯齿波控制F-P滤波器扫描时,宽带光源中与光纤光栅中心波长一致的光信号在光纤光栅处发生反射,其余波长的光信号透射,这样就可以在光环行器1-光环行器4的端口3分别得到波长为λ1-λ4的光信号,从而实现将四个波长的光信号从WDM光纤通信系统复用通道中分出下载。将分出的光信号利用光电检测器转换为电信号,即可用示波器观测分出信号的光谱。
在光信号的插入实验中,将光环行器1-光环行器4端口3输出的波长为λ1、λ2和λ3、λ4的光信号分别送入3dB耦合器5和6,在二耦合器的输出端可以得到含有波长λ1、λ2的光信号和含有波长λ3、λ4的光信号,可以看作分别将两组光信号插入了两个不同光纤链路,即分别将波长为λ1、λ2和λ3、λ4的光信号插入了复用通道1和2。同理,再将3dB耦合器5和6的输出光信号送入3dB耦合器7,在耦合器7的输出端可以得到含有λ1、λ2、λ3和λ4的光信号,从而实现了将四个波长的光信号插入WDM光纤传输系统中的功能。
二、实验结果与分析
在图1所示实验系统中,宽带光源的中心波长为1550 nm,带宽为78.2 nm;可调谐F-P滤波器的中心波长为1550 nm,自由光谱范围为98.8 nm。由于可调谐F-P滤波器的自由光谱范围大于宽带光源的带宽,所以只要设置合适的扫描电压范围,采用此可调谐F-P滤波器就可以扫描宽带光源的整个光谱。利用光电检测器分别将宽带光源和七个3dB耦合器输出的光信号转换成电信号,即可在示波器上对系统中各点的信号光谱进行观测。图2给出了在可调谐F-P滤波器输出端测得的宽带光源的光谱,图中的锯齿波为F-P滤波器的扫描电压,不同扫描电压值对应不同的光信号波长。
在光信号的分出实验中,分别测量测试点A、B、C、D的信号光谱,可以观测分别由光环行器1和FBG1、光环行器2和FBG2、光环行器3和FBG3、光环行器4和FBG4分出的波长为λ1、λ2、λ3、λ4的光信号的光谱,如图3所示。在光信号的插入实验中,分别测量测试点E、F的信号光谱,可以分别观测将波长为λ1和λ2的光信号插入复用通道1及将波长为λ3和λ4的光信号插入复用通道2的信号光谱,如图4所示。同理,在测试点G可以观测将来自复用通道1和2的波长为λ1和λ2、λ3和λ4的光信号插入复用通道3的信号光谱,如图5所示。由图3～图5可以看出,被分出的各个波长的光信号对应的锯齿波电压和将这些光信号插入到某一复用通道后对应的锯齿波电压一致,说明图1所示实验系统不但可实现四波长光信号的分出、二波长和四波长光信号的插入功能,而且其性能也能满足光分插复用原理实验教学的要求。
由上述实验结果可见,学生通过本实验可以直观、清晰地看到光信号的分插复用过程和分、插后的信号光谱,在大脑中建立起关于光分插复用的物理图像,不仅可以使学生清楚地理解和牢固地掌握光插分复用原理,还可以使学生熟练操作宽带光源、可调谐F-P滤波器、光纤光栅、光环行器和光电检测器等常用光电子设备,提高实验技能和创新能力。
三、结束语
实验教学是培养学生创新意识和创新能力的重要教学环节。为了适应高等院校培养创新型人才的发展方向,“光纤通信原理”课程组提出了构建“基础型、基础综合型、综合设计型、探索创新型”的分层次实践教学体系的目标,并对探索创新型实验的设计问题进行了探讨和实践。本文利用课程组在承担863计划课题研究中建成的光纤传感技术科研创新平台的现有仪器设备,设计并搭建了一套基于光纤光栅和光环行器的四波长光分插复用原理实验系统,作为创新型开放实验面向具有探索精神和创新意识的学有余力的学生开设选做实验,要求学生独立完成,以培养学生的动手能力、创新思维和创新能力。实践表明,以科研项目为依托,使教学与科研有机地结合起来,设计和开设创新型实验,可以有效地调动学生参与创新型实验的积极性和主动性,提高实验教学的效果。
参考文献:
[1]顾婉仪,黄永清,等.光纤通信[M].北京:人民邮电出版社,2007.
[2]惠战强,陈素果.光网络中的光分/插复用器研究[J].西安邮电学院学报,2007,12(1):59-62.
(责任编辑:麻剑飞)