光電技術(shù)實驗教學(xué)模式分析

周鋒 卞東 王筱雨

摘 要：為了提高光電技術(shù)實驗教學(xué)效果，使學(xué)生更好地掌握光電技術(shù)實驗技能，提出一種光電技術(shù)實驗系統(tǒng)。該系統(tǒng)以實驗室科研平臺為基礎(chǔ)，主要由信號源實驗、光源實驗、信號放大實驗和系統(tǒng)接收測試實驗4部分組成。在實驗中，學(xué)生按照分組形式依次對4部分進(jìn)行實驗，分別測量從而各部分實驗系統(tǒng)的性能，并分析其對應(yīng)的理論知識。該實驗教學(xué)系統(tǒng)的運行使學(xué)生對光電技術(shù)有了更深刻的理解，提高了教學(xué)質(zhì)量，同時使學(xué)生通過體驗真實的科研過程，為其將來的科研工作打下了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：光電技術(shù);實驗教學(xué);相干檢測;光譜信號

DOI：10. 11907/rjdk. 181119

中圖分類號：G436文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1672-7800（2019）001-0205-03

Abstract： In order to enhance the effect of experimental teaching and enable students to better grasp experimental skills in optoelectronics technology， an optoelectronics experimental system for students is proposed and experimental demonstrated. This system is built on the basis of laboratory research platform. The experimental part includes a signal source， the experimental part of the light source， signal amplification system and experiment receive test parts. In the experiment， the students in the form of a packet must follow these four parts of experiments， and the performance of each part of the experimental system is measured， and theoretical knowledge is analyzed corresponding to the experimental results. After finished the experiments， it can make the students have a more profound understanding of the optoelectronics technology. The quality of the education of students in the laboratory can be improved. At the same time， it can make the students to experience the real research work， and establishes the foundation for students' future research work.

Key Words： optoelectronics technology; experimental teaching; coherent detection;spectrum signal

0 引言

由于具有體積小、頻帶寬、損耗低和抗干擾能力強等優(yōu)點，光纖通信系統(tǒng)已成為現(xiàn)代通信中最主要的信息傳輸手段[1-7]。在本科生與研究生教育中，光電技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)工程、通信工程及電子信息工程專業(yè)一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，涉及的專業(yè)知識廣泛、理論性較強。因此，光電技術(shù)及光纖通信課程必須設(shè)置實驗教學(xué)內(nèi)容，以便通過實驗教學(xué)幫助學(xué)生理解光電子技術(shù)理論課程內(nèi)容，提高學(xué)生實踐動手能力與分析、解決問題的能力。目前，光電技術(shù)及光纖通信課程實驗內(nèi)容基本固定，且存在驗證性實驗過多等問題。為了提高光電技術(shù)及光纖通信原理實驗的教學(xué)質(zhì)量，切實提高學(xué)生的實踐能力以及創(chuàng)新應(yīng)用能力，需要改變傳統(tǒng)實驗教學(xué)方法，對光電子技術(shù)實驗進(jìn)行改革[8]。2011年，耿濤等[9]在原有的試驗箱系統(tǒng)基礎(chǔ)上建立基于項目式的實驗教學(xué)系統(tǒng)，獲得了較好效果;2012年，李力等[10]以實驗室科研平臺為基礎(chǔ)，設(shè)計并實現(xiàn)了相干檢測光纖實驗教學(xué)系統(tǒng)，該教學(xué)系統(tǒng)使研究生對相干光傳輸技術(shù)有了更深刻的理解，提高了教學(xué)質(zhì)量;同年，杜云剛等[11]在教學(xué)中將光纖通信理論與實驗教學(xué)、工程實踐、科研實踐三者有機結(jié)合起來，有效提高了學(xué)生的綜合能力;2015年，饒豐等[12-13]提出采用基于項目的分層次教學(xué)方法，通過分類實驗、軟件演示與播放實驗視頻等教學(xué)手段，提高了光纖通信實驗教學(xué)質(zhì)量;2016年，唐志軍等[14-15]將OptiWave光學(xué)模擬方法引入光纖通信課程的理論與實踐教學(xué)中，并提出“數(shù)學(xué)推導(dǎo)+物理描述+光學(xué)模擬”的理論教學(xué)模式，以及“常規(guī)實驗與光學(xué)模擬相結(jié)合”的實踐教學(xué)模式。教學(xué)實踐證明，該方法可以有效節(jié)約教學(xué)資源，提高學(xué)生創(chuàng)新能力;同年，侯金等[16]在對傳統(tǒng)光纖通信實驗教學(xué)箱進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，對實驗平臺進(jìn)行改進(jìn)，提高了學(xué)生的實際動手能力。以上教學(xué)研究成果，大大提高了光電子技術(shù)及光纖通信實驗教學(xué)質(zhì)量。本文在現(xiàn)有光纖通信實驗教學(xué)研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合本校的實際實驗儀器情況，為了在不影響科研工作的情況下讓學(xué)生盡快掌握光電及光纖通信技術(shù)實驗方法，本文設(shè)計并實現(xiàn)了一種光電技術(shù)實驗教學(xué)系統(tǒng)，讓學(xué)生在實驗中不僅能有效掌握光電技術(shù)基礎(chǔ)知識，還可以體驗到真實的科研活動。

1 光電技術(shù)實驗教學(xué)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

光電技術(shù)實驗教學(xué)系統(tǒng)如圖1所示，系統(tǒng)分為4個部分，分別為信號源實驗、光源實驗、信號放大實驗和系統(tǒng)接收測試實驗。其中，信號源實驗部分如圖1（1）所示，包括可調(diào)諧激光器（TLS）、偏振控制器（PC）、電光調(diào)制器（EOM）、碼型發(fā)生器（Pulse Pattern Generator）和隔離器（ISO），可調(diào)諧激光器（TLS）發(fā)出的光經(jīng)過偏振控制器（PC）后進(jìn)入電光調(diào)制器（EOM），電光調(diào)制器由碼型發(fā)生器（Pulse Pattern Generator）驅(qū)動產(chǎn)生所需的信號脈沖。為了防止高功率泵浦信號進(jìn)入到電光調(diào)制器中，在電光調(diào)制器與單模光纖之間增加了隔離器。光源實驗部分是一個基于半導(dǎo)體光放大器（SOA）的環(huán)形腔激光器，如圖1（2）所示，其包括偏振控制器（PC）、半導(dǎo)體光放大器（SOA）、可調(diào)諧光濾波器（OCTF）、兩個光隔離器（ISO）、可變光衰減器（VOA）和一個光耦合器（80：20）?？烧{(diào)諧光濾波器（OCTF）的波長可調(diào)諧范圍約為1 510～1 570nm，其3dB帶寬約為0.12nm，該可調(diào)諧光濾波器決定了環(huán)形腔激光器的輸出波長和激光譜形。在環(huán)形腔中，可變光衰減器（VOA）被用來改變環(huán)形腔的損耗，以便改變環(huán)形腔激光器的激光譜寬，將耦合器（coupler1）20%的輸出端輸出的激光作為光源輸出。信號放大實驗部分如圖1（3）所示，主要包括摻鉺光纖放大器（EDFA），從圖1（1）中光源部分輸出的激光首先進(jìn)入摻鉺光纖放大器（EDFA）的輸入端進(jìn)行放大后作為放大的光源，放大后的泵浦光經(jīng)環(huán)形器（OC1）進(jìn)入到22km的普通單模光纖中產(chǎn)生布里淵散射。系統(tǒng)接收測試實驗部分如圖1（4）所示，主要包括經(jīng)環(huán)形器（OC1）、光譜分析儀（OSA）、可變光衰減器（VOA2）、光電探測器（PD）和頻譜分析儀（ESA），當(dāng)從EDFA輸出的泵浦信號在單模光纖中產(chǎn)生的斯托克斯光信號波長等于信號源輸出波長時，信號源則會被放大，被放大的信號源經(jīng)環(huán)形器（OC1）第3個端口輸出到耦合器（Coupler2），其中一路信號進(jìn)入光譜分析儀（OSA），另一路信號經(jīng)可變光衰減器（VOA2）后進(jìn)入光電探測器轉(zhuǎn)換成電信號，電信號通過示波器進(jìn)行采集分析。

2 教學(xué)過程及分析

學(xué)生實驗過程順序為：①信號源實驗部分;②光源實驗部分;③信號放大實驗部分;④系統(tǒng)接收測試實驗部分。學(xué)生按照分組方法依次按照上述分塊順序進(jìn)行實驗，可使其循序漸進(jìn)地掌握光電系統(tǒng)主要知識。

信號源實驗需要學(xué)生掌握的主要理論知識為調(diào)制技術(shù)，為了讓學(xué)生對電光強度調(diào)制機理有更深刻的理解，該實驗部分不再使用自動偏置控制器控制電光強度調(diào)制器的偏置電壓，而是利用直流穩(wěn)壓電源進(jìn)行手動調(diào)節(jié)，以獲得電光調(diào)制器的線性偏置點和最佳消光比。激光載波信號的電場強度表示為：

其中，[Ac]為振幅，[ωc]為角頻率，[φc]為初相位。從公式（1）可以看出，激光信號的光波特性受到其振幅、角頻率、初相位和偏振態(tài)等參量影響，如果改變光波某一參量，使其按照調(diào)制信號進(jìn)行變化，光波即受到信號調(diào)制，可達(dá)到加載信息的目的。實現(xiàn)激光調(diào)制的方法很多，根據(jù)激光器和調(diào)制器的位置關(guān)系，可分為內(nèi)部調(diào)制和外部調(diào)制兩種方式。激光調(diào)制按照調(diào)制性質(zhì)可以分為調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相和強度調(diào)制等。從圖1中，學(xué)生可以清晰直觀地理解內(nèi)部調(diào)制和外部調(diào)制的結(jié)構(gòu)特性，結(jié)合調(diào)制特性掌握振幅、頻率、相位和強度調(diào)制基本知識。其中，振幅調(diào)制即載波振幅隨著調(diào)制信號發(fā)生改變，簡稱調(diào)幅，實驗中利用強度調(diào)制器（EOM）完成調(diào)幅信號加載過程。若調(diào)制信號為余弦信號，表示為：

其中，[ma=AmAc]，稱為調(diào)幅系數(shù)，從公式（4）可以看出，振幅調(diào)制波包含3個頻率成分，第1項是載頻分量，第2、3項是因調(diào)制產(chǎn)生的新分量，稱為邊頻分量。通過實驗，利用相干檢測技術(shù)測得的信號頻譜如圖2所示。從圖中可以看出，中心頻率為載波信號，邊頻信號為調(diào)制信號頻率，這與理論公式的推導(dǎo)相似。因此，通過信號源部分實驗可使學(xué)生充分理解調(diào)制的基本分類與工作原理，并掌握相干檢測的初步知識。

光源實驗部分采用基于半導(dǎo)體光放大器（SOA）構(gòu)成的環(huán)形腔激光器，通過該實驗可以使學(xué)生理解激光器產(chǎn)生原理、激光器縱模間隔與激光器線寬等基本知識。半導(dǎo)體光放大器的工作機制為非均勻展寬機制，由于這一特性，該環(huán)形腔激光器可以產(chǎn)生穩(wěn)定的多縱模，若改變環(huán)形腔長度，即可獲得一定縱模寬度的多縱模激光器。通過該部分實驗可使學(xué)生充分理解非均勻展寬機制和均勻展寬機制原理，然后結(jié)合直接測量和相干測量方法進(jìn)一步分析激光器的基本知識。通過頻譜分析儀（ESA）直接測量輸出的激光光束，獲得的縱模間隔如圖3所示，從圖中可以看出，該激光器的縱模間隔約為6MHz。環(huán)形腔激光器的縱模間隔可以表示為：

其中，[c]為真空中的光速，[n]為折射率，[L]為環(huán)形腔長度。環(huán)形腔激光器的模式間隔及腔長與光纖折射率呈反比，與真空中的光速呈正比。實驗中折射率和光速不變，因此該縱模間隔的激光器對應(yīng)于32m的環(huán)形腔長度。通過與窄線寬激光器（TLS線寬約為100KHz）的輸出光進(jìn)行差頻，獲得環(huán)形腔激光器頻譜。光電探測器將光信號轉(zhuǎn)換成電信號，利用頻譜分析儀分析該電信號，獲得的激光頻譜如圖3所示。通過縱模間隔與頻譜性質(zhì)的測量，可使學(xué)生充分掌握直接測量與相干測量的基本方法，理解環(huán)形器激光器工作原理，再結(jié)合數(shù)據(jù)分析即可掌握光電子技術(shù)中關(guān)于激光器及檢測的主要知識。

對于整個系統(tǒng)的連接測試，是為了使學(xué)生掌握光電通信系統(tǒng)基本構(gòu)成、系統(tǒng)測試、通信質(zhì)量分析方法等內(nèi)容。因此，本文測量了通信系統(tǒng)的誤碼率和接收端信號的眼圖質(zhì)量等數(shù)據(jù)。脈沖碼型發(fā)生器及誤碼分析儀采用安立MP1764D與高速數(shù)字存儲示波器，在做該部分實驗時，先由指導(dǎo)教師現(xiàn)場演示，再由學(xué)生進(jìn)行實驗。

利用該方法，可以使學(xué)生充分理解光電子技術(shù)中的基本知識，對于每個模塊的實驗部分，都要求寫出實驗報告，作好詳細(xì)的實驗記錄。通過對實驗數(shù)據(jù)結(jié)果的評價、分析，著重對比分析實驗現(xiàn)象中的理論知識，并報告實驗中遇到的問題與解決方法。

3 結(jié)語

為了提高光電技術(shù)實驗教學(xué)效果，使學(xué)生更好地掌握光電技術(shù)實驗技能，提出并驗證了一種結(jié)構(gòu)簡單的光電通信實驗系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由信號源實驗、光源實驗、信號放大實驗和系統(tǒng)接收測試實驗4部分組成。在實驗中，學(xué)生按照分組形式依次對各部分進(jìn)行實驗。通過對實驗教學(xué)系統(tǒng)的調(diào)試與操作，使學(xué)生對光電技術(shù)有了更深刻的理解，增強了學(xué)生分析、解決問題的能力，提高了教學(xué)質(zhì)量。同時學(xué)生通過體驗真實的科研活動，可為其未來的科研工作打下堅實的基礎(chǔ)。

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