谈光电技术实验教学模式

光电技术的实验教学模式在现今时代有不一样的创新，提高教学质量，下面小编就为大家带来了谈光电技术实验教学模式，感兴趣的朋友可以看一看哦！

摘要:为了提高光电技术实验教学效果,使学生更好地掌握光电技术实验技能,提出一种光电技术实验系统。该系统以实验室科研平台为基础,主要由信号源实验、光源实验、信号放大实验和系统接收测试实验4部分组成。在实验中,学生按照分组形式依次对4部分进行实验,分别测量各部分实验系统的性能,并分析其对应的理论知识。该实验教学系统的运行使学生对光电技术有了更深刻的理解,从而提高了教学质量,同时使学生通过体验真实的科研过程,为其将来的科研工作打下了基础。

引言

由于具有体积小、频带宽、损耗低和抗干扰能力强等优点,光纤通信系统已成为现代通信中最主要的信息传输手段[1-7]。在本科生与研究生教育中,光电技术是物联网工程、通信工程及电子信息工程专业一门重要的专业基础课,涉及的专业知识广泛、理论性较强。因此,光电技术及光纤通信课程必须设置实验教学内容,以便通过实验教学帮助学生理解光电子技术理论课程内容,提高学生实践动手能力与分析、解决问题的能力。目前,光电技术及光纤通信课程实验内容基本固定,且存在验证性实验过多等问题。为了提高光电技术及光纤通信原理实验的教学质量,切实提高学生的实践能力以及创新应用能力,需要改变传统实验教学方法,对光电子技术实验进行改革[8]。2011年,耿涛等[9]在原有的试验箱系统基础上建立基于项目式的实验教学系统,获得了较好效果;2012年,李力等[10]以实验室科研平台为基础,设计并实现了相干检测光纤实验教学系统,该教学系统使研究生对相干光传输技术有了更深刻的理解,提高了教学质量;同年,杜云刚等[11]在教学中将光纤通信理论与实验教学、工程实践、科研实践三者有机结合起来,有效提高了学生的综合能力;2015年,饶丰等[12-13]提出采用基于项目的分层次教学方法,通过分类实验、软件演示与播放实验视频等教学手段,提高了光纤通信实验教学质量;2016年,唐志军等[14-15]将OptiWave光学模拟方法引入光纤通信课程的理论与实践教学中,并提出“数学推导+物理描述+光学模拟”的理论教学模式,以及“常规实验与光学模拟相结合”的实践教学模式。教学实践证明,该方法可以有效节约教学资源,提高学生创新能力;同年,侯金等[16]在对传统光纤通信实验教学箱进行分析的基础上,对实验平台进行改进,提高了学生的实际动手能力。以上教学研究成果,大大提高了光电子技术及光纤通信实验教学质量。本文在现有光纤通信实验教学研究的基础上,结合本校的实际实验仪器情况,为了在不影响科研工作的情况下让学生尽快掌握光电及光纤通信技术实验方法,本文设计并实现了一种光电技术实验教学系统,让学生在实验中不仅能有效掌握光电技术基础知识,还可以体验到真实的科研活动。

1光电技术实验教学系统总体结构

光电技术实验教学系统如图1所示,系统分为4个部分,分别为信号源实验、光源实验、信号放大实验和系统接收测试实验。其中,信号源实验部分如图1(1)所示,包括可调谐激光器(TLS)、偏振控制器(PC)、电光调制器(EOM)、码型发生器(PulsePatternGenerator)和隔离器(ISO),可调谐激光器(TLS)发出的光经过偏振控制器(PC)后进入到电光调制器(EOM),电光调制器由码型发生器(PulsePatternGenerator)驱动产生所需的信号脉冲。为了防止高功率泵浦信号进入电光调制器中,在电光调制器与单模光纤之间增加了隔离器。光源实验部分是一个基于半导体光放大器(SOA)的环形腔激光器,如图1(2)所示,其包括偏振控制器(PC)、半导体光放大器(SOA)、可调谐光滤波器(OCTF)、两个光隔离器(ISO)、可变光衰减器(VOA)和一个光耦合器(80:20)。可调谐光滤波器(OCTF)的波长可调谐范围约为1510~1570nm,其3dB带宽约为0.12nm,该可调谐光滤波器决定了环形腔激光器的输出波长和激光谱形。在环形腔中,可变光衰减器(VOA)被用来改变环形腔的损耗,以便改变环形腔激光器的激光谱宽,将耦合器(coupler1)20%的输出端输出的激光作为光源输出。信号放大实验部分如图1(3)所示。主要包括掺铒光纤放大器(EDFA),从图1(1)中光源部分输出的激光首先进入掺铒光纤放大器(EDFA)的输入端进行放大后作为放大的光源,放大后的泵浦光经环形器(OC1)进入到22km的普通单模光纤中产生布里渊散射。系统接收测试实验部分如图1(4)所示,主要包括经环形器(OC1)、光谱分析仪(OSA)、可变光衰减器(VOA2)、光电探测器(PD)和频谱分析仪(ESA),当从EDFA输出的泵浦信号在单模光纤中产生的斯托克斯光信号波长等于信号源输出波长时,信号源则会被放大,被放大的信号源经环形器(OC1)第3个端口输出到耦合器(Coupler2),其中一路信号进入光谱分析仪(OSA),另一路信号经可变光衰减器(VOA2)后进入光电探测器转换成电信号,电信号通过示波器进行采集分析。

2教学过程及分析

学生实验过程顺序为:①信号源实验部分;②光源实验部分;③信号放大实验部分;④系统接收测试实验部分。学生按照分组方法依次按照上述分块顺序进行实验,可使其循序渐进地掌握光电系统主要知识。信号源实验需要学生掌握的主要理论知识为调制技术,为了让学生对电光强度调制机理有更深刻的理解,该实验部分不再使用自动偏置控制器控制电光强度调制器的偏置电压,而是利用直流稳压电源进行手动调节,以获得电光调制器的线性偏置点和最佳消光比。(1)其中,Ac为振幅,ωc为角频率,φc为初相位。从公式(1)可以看出,激光信号的光波特性受到其振幅、角频率、初相位和偏振态等参量影响,如果改变光波某一参量,使其按照调制信号进行变化,光波即受到信号调制,可达到加载信息的目的。实现激光调制的方法很多,根据激光器和调制器的位置关系,可分为内部调制和外部调制两种方式。激光调制按照调制性质可以分为调幅、调频、调相和强度调制等。从图1中,学生可以清晰直观地理解内部调制和外部调制的结构特性,结合调制特性掌握振幅、频率、相位和强度调制基本知识。对于整个系统的连接测试,是为了使学生掌握光电通信系统基本构成、系统测试、通信质量分析方法等内容。因此,本文测量了通信系统的误码率和接收端信号的眼图质量等数据。脉冲码型发生器及误码分析仪采用安立MP1764D与高速数字存储示波器,在做该部分实验时,先由指导教师现场演示,再由学生进行实验。利用该方法,可以使学生充分理解光电子技术中的基础知识,对于每个模块的实验部分,都要求写出实验报告,作好详细的实验记录。通过对实验数据结果的评价、分析,着重对比分析实验现象中的理论知识,并报告实验中遇到的问题与解决方法。

3结语

为了提高光电技术实验教学效果,使学生更好地掌握光电技术实验技能,提出并验证了一种结构简单的光电通信实验系统。该系统主要由信号源实验、光源实验、信号放大实验和系统接收测试实验4部分组成。在实验中,学生按照分组形式依次对各部分进行实验。通过对实验教学系统的调试与操作,使学生对光电技术有了更深刻的理解,增强了学生分析、解决问题的能力,提高了教学质量。同时学生通过体验真实的科研活动,可为其未来的科研工作打下坚实的基础。

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