董 鵬，趙 莉，田艷杰，徐志杰

（中國石油大學(xué)（華東） 理學(xué)院，山東 青島 266580）

開展研究型綜合實驗教學(xué)是高校培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的一個重要途徑。在實驗教學(xué)中，教師結(jié)合學(xué)生專業(yè)基礎(chǔ)和學(xué)科學(xué)術(shù)前沿設(shè)計研究型綜合實驗教學(xué)內(nèi)容，指導(dǎo)學(xué)生自主開展研究性實驗，有助于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神、科學(xué)思維和實驗技能，使學(xué)生成為具有綜合性思維和科研探索能力的應(yīng)用型人才，為以后工作和進一步深造打下良好的實踐基礎(chǔ)。近年來，國內(nèi)外高校在專業(yè)實驗教學(xué)中都非常注重引入一定比例的研究型綜合實驗項目。

光纖作為一種具有獨特優(yōu)勢的光學(xué)介質(zhì)被廣泛應(yīng)用于光通信、光器件、光傳感、光測量等技術(shù)領(lǐng)域，在上述應(yīng)用中，光纖中發(fā)生的各種非線性光學(xué)效應(yīng)因其或作為須竭力規(guī)避的因素、或作為可借以利用的因素引起了人們廣泛而深入的研究興趣，逐漸發(fā)展成為一個廣受關(guān)注的研究領(lǐng)域和前沿交叉學(xué)科。為了將專業(yè)學(xué)術(shù)前沿融入專業(yè)教學(xué)中，開闊學(xué)生的學(xué)術(shù)視野、培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維，我們面向光學(xué)專業(yè)本科生，開設(shè)了“非線性光纖光學(xué)研究型綜合實驗”項目。在該實驗項目的實施中，針對光纖內(nèi)豐富的非線性效應(yīng)及其廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，指導(dǎo)學(xué)生自主選題，開展研究性實驗。對于取得較好結(jié)果的實驗，鼓勵學(xué)生積極申報大學(xué)生創(chuàng)新項目，進一步加深研究，更好地完善實驗結(jié)果。

1 研究型綜合實驗的設(shè)計依據(jù)

石英光纖固有的非線性系數(shù)較之大多數(shù)非線性介質(zhì)小兩個數(shù)量級甚至更多[1]，但由于光纖的芯徑?。▎文９饫w＜10 μm）、損耗低（單模光纖中1.0～1.6 μm 波段＜1 dB/km），使得光纖中的非線性效應(yīng)在較小的入射功率下也非常容易發(fā)生。光纖中最常見的非線性效應(yīng)為調(diào)制不穩(wěn)定性、四波混頻、受激拉曼散射、受激布里淵散射、色散波、自陡、自相位調(diào)制、交叉相位調(diào)制等。在光纖通信系統(tǒng)與光纖器件中，各種非線性效應(yīng)分別扮演著不同的角色。例如，四波混頻可引起波分復(fù)用系統(tǒng)的信道串擾[2-3]，也可以用來實現(xiàn)波長轉(zhuǎn)換、相位共軛、參量放大[4-6]；受激拉曼散射可引起光信號的消耗和Stokes 信號噪聲[7]，也可以用來實現(xiàn)光信號的分布放大[8]等；以上各種非線性效應(yīng)，通常情況下會同時發(fā)生，結(jié)果導(dǎo)致入射光的光譜極大展寬，即超連續(xù)譜的產(chǎn)生。在超連續(xù)譜產(chǎn)生中調(diào)制不穩(wěn)定性，由此引發(fā)的光孤子和色散波都是頻譜展開的關(guān)鍵因素[9]。光纖中各種非線性效應(yīng)的發(fā)生依賴于入射光參數(shù)（波長、偏振）和光纖參數(shù)（色散系數(shù)、非線性系數(shù)）[1]。

基于光纖內(nèi)豐富的非線性效應(yīng)及其廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，指導(dǎo)學(xué)生在此研究背景下，自主查閱文獻，選擇實驗內(nèi)容，開展實驗研究。

2 實驗材料與器件

本綜合實驗項目用的實驗材料和器件主要包括：高非線性光纖、放大自發(fā)輻射（ASE）光源、陣列波導(dǎo)光柵（AWG）、光纖放大器（EDFA）、偏振片、可調(diào)諧濾波器（OTF）、光譜儀（OSA）。下面分別予以介紹。

高非線性光纖：為了便于觀察非線性效應(yīng)，實驗選用非線性系數(shù)γ較高的高非線性光纖。本實驗中采用的高非線性光纖的零色散波長為λ0=1543 nm，非線性系數(shù)為γ=10 W–1·km–1。

ASE 光源：鑒于大部分非線性效應(yīng)的發(fā)生都與光纖的色散有關(guān)，而光纖色散又與入射光的波長有關(guān)，因此在選擇實驗用光源時，應(yīng)該確保光源的光譜覆蓋高非線性光纖的零色散波長。本實驗采用放大自發(fā)輻射（ASE）寬帶光源（型號為Opticwave BLS-C），光源的3 dB 帶寬約為40 nm，光譜如圖1 所示。

陣列波導(dǎo)光柵（AWG）：為了方便地濾出ASE 光源中每個波長，本實驗還采用了相應(yīng)工作波段的陣列波導(dǎo)光柵（AWG）來對光源的光譜進行分割。本實驗采用的 AWG 具有 40 個通道，通道波長范圍為1530.33～1561.34 nm，基本與ASE 光源波段范圍一致；通道間隔為0.8 nm；單通道3 dB 帶寬為0.4 nm。濾出的每個通道信號頻譜都呈高斯分布，如圖2 所示，其中第18 通道的中心波長為1543.4 nm。該波長接近實驗中所采用的高非線性光纖的零色散波長（1543 nm）。每個通道具有獨立開關(guān)，可單獨開通或者與其他通道一起開通。

圖1 ASE 光源的光譜

圖2 ASE 光源經(jīng)陣列波導(dǎo)光柵分割后的光譜

光纖放大器：在需要較高功率的光信號時，可以使用光纖放大器對光信號進行放大。本實驗采用摻鉺光纖放大器（EDFA），最大輸出功率為2 W。

濾波器：一般光信號經(jīng)光纖放大器放大后會產(chǎn)生放大噪聲，為了避免噪聲的影響，可以使用濾波器濾掉噪聲。本實驗中采用可調(diào)諧濾波器（Santec OTF 930），其最大承載功率為300 mW，可調(diào)諧波長范圍為1528～1568 nm，–3 dB 濾波帶寬為0.7 nm。

偏振片：在研究光信號的偏振態(tài)對非線性效應(yīng)的影響時，需要使用偏振片將從光源發(fā)出的自然光變?yōu)榫€偏振光。

光譜儀：為了從頻域觀察非線性效應(yīng)的發(fā)生，我們采用光譜儀來觀察和記錄從高非線性光纖輸出的光信號。

3 實驗教學(xué)設(shè)計

3.1 實驗預(yù)習(xí)

實驗前，學(xué)生通過自主查閱專業(yè)書籍或相關(guān)文獻，了解光纖內(nèi)各種非線性效應(yīng)發(fā)生的條件和特點，以及它們的研究現(xiàn)狀和應(yīng)用背景。在此基礎(chǔ)上自主設(shè)計具體實驗內(nèi)容。

3.2 實驗操作

實驗課上教師首先就該實驗項目的選題背景、研究現(xiàn)狀以及學(xué)生所選取的具體實驗內(nèi)容展開交流討論，通過討論使學(xué)生明白實驗意義、實驗?zāi)康暮蛯嶒炘?。然后教師以引?dǎo)的方式講解實驗器材的選擇、實驗裝置的搭建以及實驗數(shù)據(jù)的采集。下面以研究非線性光纖中發(fā)生的調(diào)制不穩(wěn)定性現(xiàn)象為例來加以介紹，對于選擇研究其他光纖非線性現(xiàn)象的實驗也采用類似的方法。

3.2.1 實驗意義和實驗?zāi)康?/p>

調(diào)制不穩(wěn)定性現(xiàn)象最早在20 世紀60 年代被科學(xué)界發(fā)現(xiàn)，被認為是一種廣泛存在于各種非線性系統(tǒng)中的非線性效應(yīng)。自然界中大多數(shù)系統(tǒng)都具有某種擾動或隨機起伏，這種廣泛存在的擾動在一定的色散（或衍射）和非線性條件下，會對系統(tǒng)自身產(chǎn)生一種不穩(wěn)定調(diào)制。這種現(xiàn)象就稱之為調(diào)制不穩(wěn)定性現(xiàn)象[1]。調(diào)制不穩(wěn)定性的時域表現(xiàn)是將連續(xù)或準連續(xù)輻射分裂成一列超短脈沖，而相應(yīng)的頻域表現(xiàn)是引起入射光頻譜展寬。因此，調(diào)制不穩(wěn)定性是導(dǎo)致連續(xù)光在一定色散條件下頻譜展寬的主要因素之一，這對采用連續(xù)光作為泵浦光來產(chǎn)生超連續(xù)譜具有指導(dǎo)意義。

采用非相干光作為泵浦光在光纖中產(chǎn)生超連續(xù)譜，原因是泵浦的非相干性會通過增強調(diào)制不穩(wěn)定性來促進光譜的展寬。此后有大量關(guān)于非相干光泵浦的超連續(xù)譜產(chǎn)生的研究[10-11]。但在這些研究中具體分析光纖中非相干光調(diào)制不穩(wěn)定性對光譜展寬的增強機制的研究卻很少。本實驗采用ASE 非相干光源，旨在系統(tǒng)研究非相干光調(diào)制不穩(wěn)定性發(fā)生的條件和規(guī)律，研究結(jié)果將對非相干光泵浦下超連續(xù)譜的產(chǎn)生具有指導(dǎo)作用。

3.2.2 實驗原理

從描述光在光纖中傳輸?shù)姆蔷€性薛定諤方程（NLSE）出發(fā)，利用微擾理論，在忽略光纖損耗的情況下，可以得出調(diào)制不穩(wěn)定性發(fā)生在反常色散區(qū)，即二階色散系數(shù)滿足β2＜0 ，并且明顯特征是在入射光頻率ω0兩側(cè)產(chǎn)生峰值位于頻率ω0±Ωmax的兩個對稱旁瓣，其中：

Ωmax對應(yīng)峰值增益頻移，γ是非線性系數(shù)，P0是入射功率。兩個對稱旁瓣的峰值功率增益系數(shù)為gmax=2γP0。考慮光纖損耗時，需要將P0替換為P0exp(-αz)，其中α為光纖損耗系數(shù)，z為光纖傳輸距離，這時調(diào)制不穩(wěn)定性的峰值增益頻移Ωmax和峰值增益gmax都將變小。

關(guān)于高階色散和高階非線性對調(diào)制不穩(wěn)定性的影響，現(xiàn)有的研究表明：三階色散3β并不影響調(diào)制不穩(wěn)定的增益譜，自陡的主要影響是減小增長率并使增益頻率范圍減小。

3.2.3 實驗裝置

實驗裝置如圖3 所示，其中，EDFA 和OTF 用虛線框出，表示為可選器件。從ASE 光源發(fā)出的光經(jīng)AWG（陣列波導(dǎo)光柵）分割成40 個通道，實驗中可選擇開通其中的中心波長符合要求的一個通道m(xù)，將之作為泵浦光耦合入高非線性光纖，經(jīng)光譜儀觀察非線性效應(yīng)的發(fā)生。如果需要觀察隨著泵浦光光強增大非線性效應(yīng)的變化情況，則需要將該通道的信號接入EDFA 進行放大。一般情況下，EDFA 的接入會引入放大噪聲，如果噪聲影響到對現(xiàn)象的觀察，這時需要使用OTF 進行濾波，將噪聲濾掉。

圖3 實驗裝置示意圖

3.2.4 實驗數(shù)據(jù)采集與結(jié)果分析

1）觀察不同色散條件下調(diào)制不穩(wěn)定性的發(fā)生。

首先保持耦合入光纖的光功率不變（濾波器后的測量值為18 dBm），選擇不同的通道進行調(diào)制不穩(wěn)定性現(xiàn)象的對比觀察。實驗結(jié)果如圖4 所示。

圖4 給出了6 個通道的實驗結(jié)果。(a)—(f) 6 個通道的中心波長（泵浦波長）由小到大，依次為1530.8 nm，1541.9 nm，1542.7 nm，1543.9 nm，1545.1 nm，1557.9 nm。其中(a)—(c)的中心波長位于高非線性光纖的正常色散區(qū)，(d)—(f)的中心波長位于高非線性光纖的反常色散區(qū)。為了突出光在高非線性光纖中發(fā)生的非線性效應(yīng)，每個圖都給出了連接高非線性光纖前后的光譜。很明顯，中心波長位于高非線性光纖正常色散區(qū)的(a)—(c)基本沒有發(fā)生調(diào)制不穩(wěn)定性（泵浦光右側(cè)的譜峰為受激拉曼散射的Stokes 光）。中心波長位于高非線性光纖反常色散區(qū)的(d)—(f)都發(fā)生了明顯的調(diào)制不穩(wěn)定性，表現(xiàn)為在泵浦光兩側(cè)出現(xiàn)了頻譜旁瓣。這一結(jié)論與相干光的調(diào)制不穩(wěn)定性基本一致，但也有所不同。根據(jù)相干光調(diào)制不穩(wěn)定性理論，調(diào)制不穩(wěn)定性發(fā)生時會在泵浦光兩側(cè)產(chǎn)生對稱而明顯的頻譜旁瓣，而在本實驗結(jié)果中發(fā)現(xiàn)：在零色散波長附近，調(diào)制不穩(wěn)定性的邊帶為比較寬的頻譜旁瓣；隨著反常色散增強，旁瓣頻譜才變得越來越明晰。

圖4 相同功率、不同色散條件下調(diào)制不穩(wěn)定的實驗結(jié)果

對圖4 中6 組實驗結(jié)果進行對比，發(fā)現(xiàn)：隨著色散的增強，產(chǎn)生的頻譜旁瓣越來越窄，這與理論預(yù)測一致。由式（1）知，調(diào)制不穩(wěn)定性的峰值增益頻移Ωmax與(|1/22β|)成反比，由此可知隨著色散系數(shù)絕對值|2β| 的增大，旁瓣譜越來越窄。

2）色散不變的條件下研究調(diào)制不穩(wěn)定性的頻譜結(jié)構(gòu)隨泵浦功率的變化。

選擇一個位于反常色散區(qū)的通道（1550.0 nm），研究調(diào)制不穩(wěn)定性的頻譜結(jié)構(gòu)隨泵浦功率的變化，得到圖5 的結(jié)果。

圖5 色散不變條件下調(diào)制不穩(wěn)定性的頻譜結(jié)構(gòu)隨泵浦功率的變化

圖5 所示結(jié)果表明：在高功率下，調(diào)制不穩(wěn)定性導(dǎo)致泵浦光頻譜產(chǎn)生了高階旁瓣。高階旁瓣的出現(xiàn)表明對泵浦光的調(diào)制增強了，結(jié)果會導(dǎo)致連續(xù)的泵浦光在時域演化為脈沖。在后續(xù)拓展實驗中，可以在時域觀測泵浦光，驗證這一實驗現(xiàn)象。

3）色散不變的條件下，調(diào)制不穩(wěn)定性旁瓣峰值隨泵浦功率的變化。

選取位于反常色散區(qū)的中心波長為1543.9 nm 的通道作為泵浦光，對調(diào)制不穩(wěn)定性從細節(jié)上進行觀察，發(fā)現(xiàn)隨著泵浦功率的提高，調(diào)制不穩(wěn)定性產(chǎn)生的旁瓣逐漸增強，并且旁瓣相對泵浦的頻移增大，如圖6(a)所示。圖6(b)為旁瓣峰值波長隨泵浦功率的變化曲線，其中虛線為實驗測結(jié)果，實線為理論計算結(jié)果。

式中采用的參數(shù)為：光纖損耗系數(shù)α：(2 dB/km)/4.343=0.4605 dB·km–1；傳輸距離z：1 km；泵浦光的二階色散系數(shù)β2（1543.9 nm）：–0.022 ps2km–1。

實驗結(jié)果在低功率時大于理論值，而在高功率時小于理論值。這是因為本實驗采用的光源為非相干光，其發(fā)生的調(diào)制不穩(wěn)定性的旁瓣頻移量大于適用于相干光的理論頻移量。而在高功率時，除了發(fā)生調(diào)制不穩(wěn)定性外，由圖5 知受激拉曼散射等其他非線性效應(yīng)也同時發(fā)生，消耗了泵浦能量，因此這時調(diào)制不穩(wěn)定性產(chǎn)生的旁瓣的頻移量實驗值小于理論值。

3.3 實驗內(nèi)容拓展

以上只是在頻域?qū)φ{(diào)制不穩(wěn)定性現(xiàn)象進行了觀察和數(shù)據(jù)分析，還可以將圖3 中的光譜儀換成示波器，在時域觀察光信號的變化。理論表明，調(diào)制不穩(wěn)定性的時域表現(xiàn)是將連續(xù)或準連續(xù)輻射分裂成一列超短脈沖，而且當色散系數(shù)和非線性系數(shù)滿足匹配條件時，短脈沖將會以光孤子的形式出現(xiàn)。

此外，如圖5 所示，隨著泵浦功率的增大，泵浦光頻譜中產(chǎn)生的高階旁瓣越來越多，泵浦功率繼續(xù)增大時，其他非線性效應(yīng)，例如受激拉曼散射、色散波等可能都會發(fā)生，多種非線性效應(yīng)共同作用的效果便是泵浦光頻譜極大展開，即超連續(xù)譜的產(chǎn)生。

上述現(xiàn)象都可以作為調(diào)制不穩(wěn)定性實驗的拓展內(nèi)容來展開研究。在非線性光纖光學(xué)綜合實驗，除了調(diào)制不穩(wěn)定性，光纖中豐富的非線性效應(yīng)均可以結(jié)合當前研究熱點和應(yīng)用背景展開研究。拓展內(nèi)容可作為不同實驗內(nèi)容進行課堂教學(xué)，也可作為有興趣學(xué)生的大學(xué)生創(chuàng)新研究內(nèi)容。

圖6 色散不變的條件下，調(diào)制不穩(wěn)定性旁瓣峰值隨泵浦功率的變化

3.4 實驗報告

實驗課后，要求學(xué)生將實驗內(nèi)容和實驗結(jié)果及分析按照科研論文的格式撰寫實驗報告。對于研究內(nèi)容、實驗結(jié)果具有一定學(xué)術(shù)價值的同學(xué)，其實驗報告由教師專門指導(dǎo)，按照科技論文的要求修改，向?qū)I(yè)期刊投稿。

4 綜合實驗運行模式與教學(xué)效果

研究型綜合實驗的運行模式是教師選定研究領(lǐng)域和方向，由教師和學(xué)生共同討論決定具體研究內(nèi)容。首先教師向?qū)W生概括介紹非線性光纖光學(xué)的發(fā)展狀況、應(yīng)用領(lǐng)域、當前的研究熱點、各種非線性效應(yīng)發(fā)生的基本原理，然后詳細介紹光纖非線性效應(yīng)的實驗方法和實驗儀器。學(xué)生通過了解儀器、查閱文獻等方式自主設(shè)計實驗內(nèi)容，教師審核實驗內(nèi)容，并與學(xué)生討論實驗方案的可行性。確定實驗方案后，學(xué)生自主開展實驗，實驗前，教師需要向?qū)W生詳解介紹儀器的使用方法和強調(diào)實驗注意事項。在實驗中，學(xué)生自主實驗，教師適時指導(dǎo)，但不過多干涉實驗，在實驗安全的前提下，給學(xué)生自由探索的空間，允許走彎路，允許推翻重來，保護學(xué)生探索的興趣。鼓勵學(xué)生在現(xiàn)有實驗的基礎(chǔ)上開展更深入更系統(tǒng)的研究。

在研究型綜合實驗的每個環(huán)節(jié)，自主能力的培養(yǎng)始終貫穿其中。學(xué)生自主查閱文獻、設(shè)計實驗內(nèi)容、進行實驗操作、對實驗結(jié)果進行分析和討論。在整個實驗過程中，學(xué)生通過實驗方案設(shè)計、實驗操作、數(shù)據(jù)采集、結(jié)果分析以及實驗報告撰寫，從理論和實驗兩個層面均得到了全方位的鍛煉。因此，該研究型綜合實驗有助于全面培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和探索意識，鍛煉學(xué)生的知識應(yīng)用能力和科研能力，有助于培養(yǎng)復(fù)合型創(chuàng)新人才。

本文以觀察和研究非線性光纖中調(diào)制不穩(wěn)定性現(xiàn)象為例，闡述了研究型綜合性實驗教學(xué)對培養(yǎng)學(xué)生的科研探索能力的作用。研究型綜合性實驗涵蓋的知識面廣，涉及實驗技能豐富。通過系統(tǒng)的綜合性實驗訓(xùn)練，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新意識、合作意識以及自主探索能力。依托綜合性實驗，學(xué)生在申請項目，撰寫論文、各項賽事以及申請專利方面均獲得了喜人的成果。