光电技术实验教学模式分析

周锋 卞东 王筱雨

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，分别测量从而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，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。

关键词：光电技术;实验教学;相干检测;光谱信号

DOI：10. 11907/rjdk. 181119

中图分类号：G436文献标识码：A文章编号：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（Pulse Pattern Generator）和隔离器（ISO），可调谐激光器（TLS）发出的光经过偏振控制器（PC）后进入电光调制器（EOM），电光调制器由码型发生器（Pulse Pattern Generator）驱动产生所需的信号脉冲。为了防止高功率泵浦信号进入到电光调制器中，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1 510～1 570nm，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的普通單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。激光载波信号的电场强度表示为：

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。其中，振幅调制即载波振幅随着调制信号发生改变，简称调幅，实验中利用强度调制器（EOM）完成调幅信号加载过程。若调制信号为余弦信号，表示为：

其中，[ma=AmAc]，称为调幅系数，从公式（4）可以看出，振幅调制波包含3个频率成分，第1项是载频分量，第2、3项是因调制产生的新分量，称为边频分量。通过实验，利用相干检测技术测得的信号频谱如图2所示。从图中可以看出，中心频率为载波信号，边频信号为调制信号频率，这与理论公式的推导相似。因此，通过信号源部分实验可使学生充分理解调制的基本分类与工作原理，并掌握相干检测的初步知识。

光源实验部分采用基于半导体光放大器（SOA）构成的环形腔激光器，通过该实验可以使学生理解激光器产生原理、激光器纵模间隔与激光器线宽等基本知识。半导体光放大器的工作机制为非均匀展宽机制，由于这一特性，该环形腔激光器可以产生稳定的多纵模，若改变环形腔长度，即可获得一定纵模宽度的多纵模激光器。通过该部分实验可使学生充分理解非均匀展宽机制和均匀展宽机制原理，然后结合直接测量和相干测量方法进一步分析激光器的基本知识。通过频谱分析仪（ESA）直接測量输出的激光光束，获得的纵模间隔如图3所示，从图中可以看出，该激光器的纵模间隔约为6MHz。环形腔激光器的纵模间隔可以表示为：

其中，[c]为真空中的光速，[n]为折射率，[L]为环形腔长度。环形腔激光器的模式间隔及腔长与光纤折射率呈反比，与真空中的光速呈正比。实验中折射率和光速不变，因此该纵模间隔的激光器对应于32m的环形腔长度。通过与窄线宽激光器（TLS线宽约为100KHz）的输出光进行差频，获得环形腔激光器频谱。光电探测器将光信号转换成电信号，利用频谱分析仪分析该电信号，获得的激光频谱如图3所示。通过纵模间隔与频谱性质的测量，可使学生充分掌握直接测量与相干测量的基本方法，理解环形器激光器工作原理，再结合数据分析即可掌握光电子技术中关于激光器及检测的主要知识。

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本知识，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。

参考文献：

[1] WANG Y， ZHANG J， YAO J. An optoelectronic oscillator for high sensitivity temperature sensing[J]. IEEE Photonics Technology Letters， 2016， 28（13）： 1458-1461.

[2] WANG S， LU P， MAO L， et al. Cascaded interferometers structure based on dual-pass Mach-Zehnder interferometer and Sagnac interferometer for dual-parameter sensing[J]. Optics express， 2015， 23（2）： 674-680.

[3] ZHOU J， XIA L， CHENG R， et al. Radio-frequency unbalanced M–Z interferometer for wavelength interrogation of fiber Bragg grating sensors[J]. Optics letters， 2016， 41（2）： 313-316.

[4] GONZALEZ-REYNA M A，ALVARADO-MENDEZ E，ESTUDILLO-AYALA J M，et al. Laser temperature sensor based on a fiber Bragg grating[J]. IEEE Photonics Technology Letters，2015，27（11）： 1141-1144.

[5] 文常保，马琼，姚世朋，等. 用于矢量网络分析仪的校准与测试系统[J]. 实验技术与管理， 2016， 33（7）：87-91.

[6] 薛雪，刘晓文，陈桂真，等. 波形发生器开放实验实践[J].实验技术与管理， 2015， 32（12）：37-39.

[7] 徐文云. 实验与仿真在光纤通信教学改革中的应用研究[J]. 重庆邮电大学学报：社会科学版， 2007， 19（s1）：183-186.

[8] 王艳芬，张晓光，王刚，等. 电子信息类专业信号处理课程群的建设与改革实践[J]. 实验技术与管理， 2015， 32（4）：11-18.

[9] 耿涛， 冉天纲. 基于项目式的光纤通信实验教学改革[J]. 实验室科学， 2011， 14（5）：27-29.

[10] 李力，李巨浩，罗雅枝，等.相干检测光纤通信实验教学系统设计[J].实验技术与管理，2012，29（2）：64-67.

[11] 杜云刚， 李继军， 刘闽华.光纤通信实验教学的改革实践[J].实验技术与管理，2012，29（8）：168-170.

[12] 饶丰， 张媛媛， 赵霜，等. 光纤通信实验教学的探索与实践[J].学周刊a版，2015（1）：17-18.

[13] 唐志军， 胡仕刚， 席在芳，等. 基于OptiWave光学模拟的光纤通信课程教学模式探索[J].当代教育理论与实践， 2016， 8（3）：54-56.

[14] 李理敏， 曾国强， 阮秀凯，等.“光纤通信”课程教学改革的探索与实践[J]. 软件导刊·教育技术，2017， 16 （9）：64-65.

[15] 王文珍， 侯金. 光纤通信实验教学改革探析[J]. 中国新通信， 2016， 18（15）：129.

[16] 侯金，王文珍. 改进光纤通信实验以提升学生创新实践能力[J].实验科学与技术，2016，14（3）： 13-15.