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1、基于光纤光栅和光环行器的光分插复用原理实验设计 摘要:本文依据高校本科创新型人才培育的须要,对“光纤通信原理”课程创新型试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试验内容,利用探讨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试验系统,给出了试验系统的组成、原理和试验结果。以科研项目为依托,设计创新型试验,使教学与科研有机地结合起来,有效地调动了学生参加创新型试验的主动性和主动性,提高了试验教学的效果。 关键词:光分插复用;光纤光栅;光环行器;试验教学 作者简介:张淑娥(1964-),女,满族,辽宁沈阳人,华北电力高校电子与通信工程系,
2、副教授,工学硕士,主要探讨方向:光纤通信与微波测量;李永倩(1958-),男,河北定州人,华北电力高校电子与通信工程系,教授,工学博士,主要探讨方向:光纤通信与光纤传感。(河北 保定 073013) 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)的探讨成果。 “光纤通信原理”课程是一门理论性和实践性很强的课程,试验教学对培育学生的动手实力、探究精神和创新意识具有不行替代的作用。为了适应培育基础理论扎实、分析设计实力强、科研素养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试验
3、作为创新型综合设计试验,1对“光纤通信原理”课程创新型试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,主要供应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。2OADM的原理是“光纤通信原理”课程要求重点驾驭的一部分内容,学生在学习该部分学问时主要是通过阅读教材和老师的讲解理解分插复用的概念。教学过程中发觉,仅凭教材和老师的讲解,学生往往不能精确、透彻地理解此部分内容。假如在教学过程中辅以教学试验,则可大大提高该部分的教学效果。光分插复用原理教学试验可以利用WDM光纤通信设备中的OADM和光谱分析仪来实现,
4、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,考虑到本试验的目的是使学生驾驭光分插复用的原理,对试验系统的性能参数没有过高的要求,本文利用课程组在担当国家高技术探讨发展安排(863安排)课题“光纤温度链及测量技术”探讨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试验系统,作为创新型开放试验面对具有探究精神和创新意识的学有余力的学生开设选做试验。 一、试验系统构成及原理 基于光纤光栅和光环行器的四波长光分插复用原理试验系统如图1所示。 试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
5、反射特性实现光分插复用。系统中采纳宽带光源模拟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,待光源启动后再依据观测波形渐渐减小可变衰减器的衰减。通常,为了使学生能够清晰地视察到“分”、“插”后各个光信号的光谱结构,须要用光谱分析仪观测光信号的光谱,本试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。 在光信号的分出试验中,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。试验中所用FB
6、G的反射带宽应足够窄,以防不同信道间信号的串扰。依据光纤光栅的特性,假设FBG1-FBG4的中心波长分别为1-4,则当可调谐F-P滤波器限制器产生的锯齿波限制F-P滤波器扫描时,宽带光源中与光纤光栅中心波长一样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1-4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。 在光信号的插入试验中,将光环行器1-光环行器4端口3输出的波长为1、2和3、4的光信号分别送入3dB耦合器5和6,在二耦合器
7、的输出端可以得到含有波长1、2的光信号和含有波长3、4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1、2和3、4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1、2、3和4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、试验结果与分析 在图1所示试验系统中,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101.8 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
8、描电压范围,采纳此可调谐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。 在光信号的分出试验中,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1、2、3、4的光信号的光谱,如图3所示。在光信号的插入试验中,分别测量测试点E、F的信号光谱,可以分别观测
9、将波长为1和2的光信号插入复用通道1及将波长为3和4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1和2、3和4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样,说明图1所示试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,而且其性能也能满意光分插复用原理试验教学的要求。 由上述试验结果可见,学生通过本试验可以直观、清楚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
10、以使学生清晰地理解和坚固地驾驭光插分复用原理,还可以使学生娴熟操作宽带光源、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,提高试验技能和创新实力。 三、结束语 试验教学是培育学生创新意识和创新实力的重要教学环节。为了适应高等院校培育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、探究创新型”的分层次实践教学体系的目标,并对探究创新型试验的设计问题进行了探讨和实践。本文利用课程组在担当863安排课题探讨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试验系统,作为创新型开放试
11、验面对具有探究精神和创新意识的学有余力的学生开设选做试验,要求学生独立完成,以培育学生的动手实力、创新思维和创新实力。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,设计和开设创新型试验,可以有效地调动学生参加创新型试验的主动性和主动性,提高试验教学的效果。 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,2022. 2惠战强,陈素果.光网络中的光分/插复用器探讨J.西安邮电学院学报,2022,12(1):59-62. (责任编辑:麻剑飞) 第7页 共7页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页