光纤损耗谱工程全场景再现教学实验系统_赵丽娟.pdf
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1、第 45 卷第 3 期2023 年 6 月电气电子教学学报Journal of Electrical and Electronic EducationVol 45No 3Jun 2023收稿日期:2021-10-18;修回日期:2022-05-01基金项目:教育部 2020 年产学合作协同育人项目(202002288044);华北电力大学 2020 年优秀青年教师支持计划;华北电力大学“双一流”建设项目第一作者:赵丽娟(1981),女,博士,副教授,主要从事光纤传感与光纤通信的研究工作,E-mail:hdzlj126 com通信作者:徐志钮(1979),男,博士,副教授,主要从事分布式光纤传感
2、及其在电气设备状态监测和故障诊断中应用的研究工作,E-mail:wzcnjxx sohu com光纤损耗谱工程全场景再现教学实验系统赵丽娟1,2,3卜洋1徐志钮1杨志1(1 华北电力大学电 气与电子工程学院,保定 071003)(2 华北电力大学 河北省电力物联网技术重点实验室,保定 071003)(3 华北电力大学 保定市光纤传感与光通信技术重点实验室,保定 071003)摘要:光纤损耗特性是“光纤通信原理”课程必须要掌握的关键知识点。为了让学生更形象直观地学习损耗谱知识,本课程将工程测量和标定方法植入到课程实验教学中,利用工程全场景再现的理念,设计了一套全新的光纤损耗谱测量实验系统,系统测
3、量光纤在 700 1750 nm 波长范围内的损耗谱,学生通过光路设计、连接、计算机拟合、绘制曲线等多个操作步骤,融入到工程实测场景中,更好地掌握光纤损耗理论知识。关键词:光纤损耗谱;插入法;教学实验系统;工程全场景再现中图分类号:TN929 11文献标识码:A文章编号:1008-0686(2023)03-0197-05Optical Fiber Loss Spectrum Engineering Full scene eproductionTeaching Experiment SystemZHAO Lijuan1,2,3BU Yang1XU Zhiniu1YANG Zhi1(1 Schoo
4、l of Electrical and Electronic Engineering,North China Electric Power University,Baoding 071003,China)(2 Hebei Key Laboratory of Power Internet of Things Technology,North China Electric Power University,Baoding 071003,China)(3 Baoding Key Laboratory of Optical Fiber Sensing and Optical Communication
5、 Technology,North China Electric PowerUniversity,Baoding 071003,China)Abstract:Optical fiber loss characteristics are the key knowledge points that must be mastered in the course Principles of OpticalFiber Communication In order to allow students to learn loss spectrum knowledge more vividly,this co
6、urse implants engineeringmeasurement and calibration methods into the course experimental teaching,and uses the concept of full-scene reproduction of en-gineering to design a new optical fiber loss spectrum measurement experimental system To measure the loss spectrum of opticalfiber in the wavelengt
7、h range of 700 1750 nm,students can integrate into the actual engineering measurement scene throughmultiple operation steps such as optical path design,connection,computer fitting,and curve drawing,so as to better grasp thetheoretical knowledge of optical fiber lossKeywords:optical fiber loss spectr
8、um;insertion method;teaching experiment system;engineering full-scene reproduction光纤通信是现代通信主要方式之一,其中光纤特性中的传输损耗是决定光纤传输稳定性和可靠性的重要因素之一。根据“光纤通信原理”这一课程特点,秉承理论与实践学习相结合的原则1 4,并且根据现有的光纤通信原理综合实验平台资源,结合 光纤通信原理 课本知识及现有实验仪器,设计并且经过测试组建了一套基于插入法测量光纤损耗测量实验系统,通过全场景再现的理念让学生在理论学习的基础上,动手对实验进行操作,体验科学研究的过程。目前有很多光纤损耗测量实验的
9、文献报道,有截断法、背向散射法5 9。截断法是严格按照光纤损耗常数的定义建立起来的测量方法,测量准确度较高,但是每次测量都需要截断光纤,当授课学生较多时对光纤耗费较大,且实验结果也不够直观。背向散射法是通过测试光纤长度上各点返回到始端的背向散射信号的强度来测量光纤的损耗和衰减,该方法是一种非破坏性的测量方法,只需要选取一段光纤就可以完成测量,但是该方法只能针对单一波长或某几个特定波长的光纤损耗进行测量,无法获取光纤在一定波长范围的光纤损耗谱,因此必须对光纤损耗的测量实验进行重新设计,满足“光纤通信原理”课程多层次、多方位的教学需要。损耗谱实验是“光纤通信原理”课程理解中重要的实验内容,损耗谱是
10、光纤材料的重要特性,为了提升学生的实践能力和教学效果,深化场景融合理念,实验室利用光纤通信原理综合实验平台资源,设计了一套基于插入法测量光纤损耗谱的测量实验系统,让学生巩固理论知识的同时,加强时间学习的本领,在自主学习搭建系统测量数据中提高动手操作能力。1光纤损耗研究石英光纤的损耗谱曲线10 13 如图 1 所示,光纤通信中存在三个低损耗“窗口”,又称为三个低损耗谷,分别为 850 nm 波段 短波长波段、1310 nm波段和 1550 nm 波段 长波长波段14。图 1光纤损耗谱通过光纤损耗谱能够观察到波长与损耗的关系。从第一窗口和第二窗口可以看出,损耗会随波长的增大而整体呈现减小趋势;在1
11、385 nm 附近处损耗出现峰值,这与 OH 离子吸收有很大的关系。现阶段,根据光纤的制造工艺的不断改善,能够做到降低甚至消除光纤在峰值波长处 OH 离子吸收的影响,降低吸收峰,使得光纤在 1300 1600 nm 波段损耗呈降低趋势,并且在 1600 nm 附近处损耗达到最小15,当波长大于 1600 nm 时,因为石英玻璃的弯曲损耗和吸收损耗,以及红外吸收的增加,损耗极速增长。2实验方法实验设计过程中,测量光纤损耗的方法采用插入损耗法,该方法利用光纤连接头与原有光纤耦合,相对比插入前的光接收功率和插入后的功率,从而计算出光纤损耗。插入损耗法的测量原理图如图 2 所示。图 2插入法测光纤损耗
12、基本测量原理为:标准光源发出光信号,设置波长可变光源的波长为,测量时,先测量损耗可忽略的短光纤跳线输出功率 P1,然后,通过光纤连接器将待测光纤插入,测量待测光纤输出功率为P0,根据式(1)计算出此波长的光纤损耗值。()=10(lgP1 lgP0)/L(1)式中,L 为待测光纤长度,单位为 km,()为波长 的光纤损耗,单位为 dB/km,改变可变光源的波长,记录光功率值,计算待测光纤的损耗值,绘制光纤损耗谱曲线,并进行观察分析。3实验设备介绍本文设计的基于插入法测量光纤损耗谱实验系统设备系统主要包括卤素灯、光栅单色仪、锁相放大器、斩波器、25 km 光纤、光电传感器、软件工作站以及光功率计等
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