《“多模光纤脉冲展宽”在实践教学中的作用.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《“多模光纤脉冲展宽”在实践教学中的作用.docx（6页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、 “多模光纤脉冲展宽”在实践教学中的作用 2数值孔径对多模光纤色散脉冲展宽的影响图4光源光谱宽度对多模光纤色度色散的影响散导致的脉冲展宽与光谱宽度无关,光源的光谱宽度主要影响多模光纤的模内色散。光源光谱宽度越窄,即输出光脉冲波长越单一,则光纤的色散越小。由这些理论计算结果所得的物理图象更加强化了学生在书本上学到的知识,同时激发了学生对专业理论知识探索的兴趣。1. 2实践结果和创新点设计步骤:将待测光纤两端接入北京邮电大学光通信中心研制开发的脉冲展宽仪,其内部光源发出的光脉冲经过光纤传输后回到展宽仪内,经过展宽仪内部的光电信号转换装置,输出一个射频信号,与Agilent infiniium-50
2、0MHz示波器相连,观测和采集脉冲波形和脉冲展宽宽度。毕业设计中,采用850 nm和1310 nm两种脉冲光源,选择8. 494 km的单模光纤、50 cm和2. 61 km的多模光纤做为待测光纤,分别进行了脉冲展宽波形检测,实验装置如图5所示。选择850 nm和1310 nm工作波长时,实验上完成了光脉冲经过距离为2.61 km多模光纤传输后的脉冲波形,如图6和图7所示。由图6和图7可见, 2.61 km的多模光纤在850 nm和1310 nm两种工作波长时均产生明显的脉冲展宽,而工作波长在850nm时产生的脉冲展宽明显比1310nm时的大。其原因就是色度色散在光波长1310 nm处非常小,
3、此时的色散主要以模间色散为主;而在光波长850 nm不仅存在模间色散,而且模内色散导致的展宽也是不可忽略的。对于工作波长为850 nm和1310 nm条件下,对单模光纤和多模光纤在不同传输距离下,得到了色散引起的脉冲宽度值,如表1所示。由表1知,光脉冲在多模光纤中传输50cm后的脉冲宽度大于在单模光图5实验装置图6850 nm工作波长时的脉冲波形图71310 nm工作波长的脉冲波形(下转第17页)14实验技术与管理过实践环节才能使学生真正掌握所学的理论知识,增加感性认识和能力锻炼,提高对新知识的获取和创新能力。近年来,我们为本科生开设了光电子与光通信专业物理实验的同时,加大了本科生利用专业实验
4、设备完成本科生毕业设计,并将毕业设计成果转化为本科生的实验项目。本文就是由指导教师选题,让学生结合相关文献,对多模光纤的色散特性影响光脉冲宽度展宽而进行的理论分析和实践。由于多模光纤模间色散大,导致了一定的脉冲展宽,而这种脉冲展宽又影响到了光纤中光的传输距离和信息容量,所以成为光通信研究领域的研究热点。在毕业设计中,采用了阶跃型多模光纤,通过北京邮电大学研制的脉冲展宽仪,得到了光源为850 nm和1310 nm的光在2. 61 km传输距离条件下的脉冲展宽,其脉冲宽度分别展宽为4. 09 ns和3. 07 ns。通过这一毕业设计即培养了学生在实践过程中,对光纤通信中的知识点和应用发展前景、光通
5、信的基本原理和研究方法的认知,又锻炼了学生的实践能力,增强了创新意识。1实施方案和步骤“多模光纤脉冲展宽的研究”毕业设计方案主要围绕着与设计题目相关的国内外参考文献的阅读,写出一篇不少于6000字的综述性文章,应用MatLab软件编程完成多模光纤的色散特性影响脉冲展宽的数值计算,使本科生在毕业设计有限的时间内,掌握一种基本软件工具。实验上设计并开发出在多模光纤应用于脉冲展宽仪后的脉冲展宽图形的获取方法。其理论和实验结果转化为本专业本科生的新的实验项目。在毕业设计过程中注重引导和启发,培养学生独立思考、自己动手和与指导教师讨论互动的实践研究的创新能力。1. 1理论分析和数值计算对于多模光纤,由于
6、光纤材料和波导结构及有多种模式的光脉冲信号在光纤中传输,所以色度色散和模间色散是引起光脉冲展宽的主要因素。对于渐变型多模光纤模间色散导致的脉冲展宽为3:tmodal= (Ln12) /(8c) = L(NA)4 /(32cn31).(1)多模光纤色度色散导致的脉冲展宽为tchrom=D()L=S04-403L. (2)在式(1)和(2)中,NA为光纤的数值孔径, n1为纤芯折射率, D ()为多模光纤中的色度色散参数, S0为零色散斜率,其量纲为ps/(nm2gkm),0是零色散波长,是工作波长。联立式(1)和(2),得到多模光纤中的总色散引起的脉冲展宽为ttotal=t2modal+t2ch
7、rom. (3)对(3)式进行数值计算,分别得到了多模光纤中各种色散、不同的数值孔径、不同的纤芯材料和不同的光谱线宽引起的脉冲展宽随传输距离的关系曲线,如图1、图2、图3和图4所示。由图2可知,光纤的数值孔径NA与生产光纤所用的介质材料折射率的平均值和相对差有关,随着数值孔径的增大,多模光纤色散也随之增加,且数值孔径越大,色散引起的脉冲展宽越大。由图3知,不同的介质材料拥有不同的折射率,从而直接影响到光纤的色散。随着纤芯折射率的增加,脉冲展宽随着传输距离增大。除了光纤本身的物理性质外,光源辐射出的光束质量也对光纤中的脉冲展宽产生重要的影响。由图4可知光谱线宽在增加时,对于模内色散引起的脉冲展宽
8、的绝对值是增大的,由于模间色图1多模光纤各种色散随传输距离比较图3不同纤芯材料多模光纤总色散导致的脉冲展宽13王丽,等:本科生毕业设计“多模光纤脉冲展宽”在实践教学中的作用摘要:结合本科生毕业设计“多模光纤脉冲展宽”的实践过程,实现了对多模光纤的材料色散、波导色散和模间色散的理论分析,使学生在有限的时间内,基本了解了MatLab应用软件,获得了光纤通信中的传输距离、工作波长、数值孔径和介质折射率对光纤色散及脉冲展宽的数值结果。在实践过程中掌握了脉冲展宽测试仪器的应用技术,获得了光源为850 nm和1310 nm,在多模光纤中传输距离为2. 61 km的条件下,脉冲宽度被展宽了4. 09 ns和
9、3. 07 ns和脉冲波形的变化。通过对多模光纤脉冲展宽的研究,不仅是学生完成了毕业设计论文,更重要的是在实践和科研思维能力上得到了锻炼,并发挥了学生在实践教学过程中的作用,为本科生的专业物理实验课程提供了一个新的实验项目。关键词:实践教学;本科生毕设;光纤色散;脉冲展宽;多模光纤中图分类号:G642. 477文献标识码:A文章编号:1002-4956(2007)05-0012-03Function of“pulsewidth expanded ofmulti-mode optical fiber”forbachelor thesis in process ofpractice teachin
10、gWANG L,i SONG Yang(Department ofApplied Physics, BeijingUniversity ofTechnology, Beijing 100022, China)Abstract:A new experiment of“pulsewidth expanded ofmulti-mode optical fiber”was finished using undergraduatebachelor thesis in teaching practice process. Thematerialdispersion, wave guide dispersi
11、on and dispersion inmultimo-de fiberwere analyzed in theory and simulation, at the same time the softwareMatlab has known by undergraduate inlimited periods. Itwas found out the dispersion and pulse width expanded thatwere affected by propagation distance,wavelength, numericalaperture and refractive
12、 index. The pulsewidth expanded of4.09ns and 3.07nsweremeasured u-sing the instrumentofpulsewidth expanded in 2.61km propagation distanceswith thewavelength of850nm and 1310nmin experiment respectively. The improving and cultivating of undergraduate with knowledge structure, ability training,scienti
13、fic technology, and resolving problem are importantby thesis design in practice teaching process.Key words:practice teaching; undergraduate thesis; fiber dispersion; pulse width expanded; multimodeoptical fiber收稿日期:2006-08-14作者简介:王丽(1958),女,河南省太康市人,博士,教授,博士生导师,现任应用数理学院副院长,从事物理教学和科研工作,重点研究光学频率交换、激光超短
14、脉冲、非线性光学及光纤通信的理论和应用等基金项目:北京市精品课程建设项目,北京工业大学教育教学基金项目资助.实践教学环节已经成为国内外各高等院校培养新世纪创新人才的重要举措1, 2, 4, 5, 6, 7。近几年来,我校在“211工程”教学基地的建设中,加大对本科生和研究生的实践教学环节的投入力度,我院应用物理专业(光电子与光通信)在实践教学环节中,增加了本科生的实践环节学时、投入了近500万元购置光通信实践教学仪器,设备并增加了相应的实践教学内容。由于光纤通信在民用和军事应用上有着重要位置,所以该领域的理论知识和新技术研究成为了学生非常感兴趣的研究范围。学生在光通信理论专业的学习中,只能获得
15、理性上的认识,学示范中心的标准而建。近5年以加强本科生实验教学为重点,生化类实验室更新、购置了一批较先进的实验教学仪器。批量配备以笔记本电脑、多功能图像分析系统、全进口的PCR、HPLC、冷冻离心机以及网络化、视频化、数字化、实时化、互动化、自动化、多媒体化、计算机仿真实验化等现代化实验教学设备已经全部应用于本科生的实验教学。通过计算机化亦实现了实验教学计划、仪器设备基本信息等网络化管理。实验仪器设备、固定资产等随时可以通过网上查询。合理地调配和共享安排仪器设备的使用,给实验室的管理注入了活力,提高了仪器设备的使用率。实验教学的改革与创新得到了专家们的认可,受到了学生们的欢迎。通过近几年一系列
16、的实验教学改革我们课程组先后获得江苏省教学成果类一等奖6个,南京大学教学成果特等奖1个,南京大学优秀教学成果一等奖2个。实验教学在高校的发展中有着举足轻重的地位,因此加大改革与创新的力度对实验教学的发展,对培养学生的兴趣、个性及创新意识起到了很好的促进作用。参考文献(References):1屠萍官,吴庆余.生命科学实验教学体系构建与创新人才培养J.实验技术与管理, 2002, 19 (1): 2-4.2丁益.开拓教学思路提高教学质量 J.高教研究与探索,1996 (2): 26-28.3陈建群,陈建秀,金济民.严格教学管理是高质量人才培养的保证C /面向21世纪生物学教学改革研究.北京:高等
17、教育出版社, 2000.4张楚富,陈汉华,邵雪玲,等.生物化学实验教学内容系列化改革探讨J.理工高教研究, 2003, 22 (4): 111-112.5郝福英,许崇任,苏都莫日根.整合实验资源,深化实验改革,培养生命科学基础人才J.中国大学教学, 2006 (1):47-48.6厉旭云,陆源,夏强,等.开设实验研究型课程,培养学生科研创新能力J.实验室研究与探索, 2005, 24 (9): 75-76.7陈汝筑,林明栋,王竹立,等.生物生理科学创新教育的探索与实践J.实验技术与管理, 2004, 21 (2): 173-177.(上接第14页)纤中传输8494 m后的脉冲宽度,说明多模光纤
18、的色散和脉冲展宽远远大于单模光纤。该单模和多模光光纤脉冲展宽的设计和实验结果的成果,为我院应用物理(光电子与光通信)专业的本科生开发一个新实验项目。表1色散引起的脉冲宽度展宽值光纤性质光纤长度/m脉冲宽度/ns850 nm 1310 nm单模光纤8494无脉冲1. 836多模光纤0. 5 1. 873 2. 000多模光纤2610 4. 091 3. 0732实践预期的效果在多模光纤脉冲展宽的毕业设计过程中,克服了本科生实验教学受课堂内容局限性的困扰,采取了在规定的时段内,先查阅和综述所研究课题的国内外相关文献和专著,拓展了学生接触科学研究的方法和思路,锻炼了学生安排处理完成课题的能力。在实践
19、过程中突出体现了知识、能力、科研素质提高和创新意识的培养,注重学生分析问题和解决问题的能力的锻炼,注重学生探索和自己开发实践过程中的创新意识的培养,将所研究的结果撰写为学术论文。通过多模光纤脉冲展宽的研究,培养了学生对科学研究的方法和理论与应用结合的能力,为本科生将来继续深造或就业奠定了良好的科研素质基础,增强了本科生对知识学习的兴趣和实践能力。参考文献(References):1张晓鹏.美国大学创新人才培养模式探析J.中国大学教学,2006 (3): 7-11.2汪劲松,张文雪,汪慧,等.探索研究型本科教学体系J.中国大学教学, 2005 (11): 10-12.3 Djafar K.Myn
20、baev, Lowell L. Scheiner. Fibeer-optic communica-tions technology/ M.北京:科学出版社, 2002.4练玉春,武迪新.以实践教学促人才培养N.光明日报,2004-11-25.5刘汉兰,陈浩,马中华,等.深化实践教学改革,培养学生创新能力J.实验技术与管理, 2006, 23 (5): 14-17.6阳太林.以学生创新能力的培养为中心,改革高校实验教学J.实验技术与管理, 2005, 22 (10): 34-38.7朱清时.创建一流大学需要从欧洲借鉴什麽J.学位与研究生教育, 2001 (104): 1-2.17庄苏星,等:生物技术实验教学的改革与创新