“多模光纤脉冲展宽”在实践教学中的作用

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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Agilentinf

2、iniium-500MHz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850nm和1310nm两种脉冲光源,选择8.494km的单模光纤、50cm和2.61km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850nm和1310nm工作波长时,实验上完成了光脉冲经过距离为2.61km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,2.61km的多模光纤在850nm和1310nm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1310nm处

3、非常小,此时的色散主要以模间色散为主;而在光波长850nm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850nm和1310nm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6　850nm工作波长时的脉冲波形图7　1310nm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

4、实验的同时,加大了本科生利用专业实验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850nm和1310nm的光在2.61km传输距离条件下的脉冲展宽,其脉冲宽度分别展宽为4.09ns和3.07ns。通过这一毕业设计即培养了学生在实践过程中,

5、对光纤通信中的知识点和应用发展前景、光通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

6、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]:Δtmodal=(Ln1Δ2)/(8c)=[L(NA)4]/(32cn31).(1)多模光纤色度色散导致的脉冲展宽为Δtchrom=D(λ)LΔλ=S04λ-λ40λ3LΔλ.(2)　　在式(1)和(2)中,NA为光纤的数值孔径,n1为纤芯折射率,D(λ)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)],λ0是零色散波长,λ是工

7、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Δttotal=Δt2modal+Δt2chrom.(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