光波光學模擬的光纖通信課程教學模式分析

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摘要:針對光纖通信課程傳統(tǒng)教學模式存在的不足，探索性地將OptiWave光學模擬方法引入到該課程的理論和實踐教學中，并提出“數(shù)學推導+物理描述+光學模擬”的理論教學模式，以及“常規(guī)實驗與光學模擬相結(jié)合”的實踐教學模式。教學實踐證明，將光學模擬方法引入到光纖通信課程教學中，能節(jié)約教學資源，激發(fā)學生學習興趣，提高學生創(chuàng)新能力。

關鍵詞:光纖通信;光學模擬;教學模式;能力培養(yǎng)

為適應信息化時代的需求，國內(nèi)高校通信類專業(yè)基本上開設了光纖通信這門主干專業(yè)課程。光纖通信課程涉及的知識面非常廣，學習這門課程之前，需要先修電磁場與波、光學、半導體材料與物理、通信原理、計算機網(wǎng)絡、電子技術等課程。因此，該課程具有理論深度大、概念抽象、數(shù)學推導復雜、不易理解等特點，這就給該課程教學帶來許多困難［1－3］。目前，光纖通信課程教學主要采用“理論+實驗”的教學模式。對于理論教學，通常是采取課堂講授的傳統(tǒng)教學方法，主要講解光纖通信技術的原理、概念、方法以及相關的數(shù)學推導等，教學過程中通常只涉及到純理論講授，這使得學生學習起來感覺很枯燥，對理論知識理解不透徹，并逐漸失去學習興趣，從而導致理論教學效果不佳。對于實驗教學，除少部分條件好的高校外，大部分高校受經(jīng)費限制，僅僅按照課程教材在定制的光纖實驗箱上開設少許驗證性實驗，缺乏設計、應用和創(chuàng)新性等實踐環(huán)節(jié)，這不利于培養(yǎng)學生專業(yè)技能。基于此，本文探索性地將OptiWave的光學模擬軟件引入到光纖通信課程的理論和實踐教學中。在講授理論知識的同時，利用OptiWave中的各種模擬仿真使復雜抽象的理論形象化、具體化，從而激發(fā)學生學習興趣，幫助其理解和掌握光纖通信課程的相關理論知識;在實踐環(huán)節(jié)教學中，利用OptiWave中的OptiSystem搭建各種光纖器件或系統(tǒng)，能有效地彌補固定實驗箱或定制硬件實驗中存在的不足，從而提高學生分析和解決問題的能力，進一步培養(yǎng)學生的實踐創(chuàng)新能力。

1OptiWave光學模擬軟件組成

OptiWave光學模擬軟件主要包括OptiSystem(光通信系統(tǒng)與放大器設計軟件)、OptiFiber(光纖設計軟件)、OptiFDTD(時域光子學仿真軟件)、OptiBPM(光學波導設計軟件)、OptiGrating(集成光纖光柵設計軟件)和OptiSPICE(光電子線路設計軟件)等。OptiWave光學模擬軟件最顯著的特點是界面友好、操作方便、功能強大。用OptiSystem搭建的間接光調(diào)制激光器模型如圖1所示。

2理論教學模式

光纖通信課程理論教學內(nèi)容主要涉及到光纖通信導論、光纖的結(jié)構與導波特性、光器件及光波系統(tǒng)互聯(lián)技術、光端機、模擬光纖通信系統(tǒng)、數(shù)字光纖通信系統(tǒng)、光纖通信新技術和光纖通信網(wǎng)絡等，知識面非常廣泛，包含較深的理論基礎，整個理論體系中的公式或定理伴隨著復雜抽象的概念和嚴格的數(shù)學推導證明，這給課程教學帶來許多困難。鑒于這種情況，可以將“光學模擬”教學方法引入到課程理論教學中來。也就是說，在課程理論教學中，除了強調(diào)數(shù)學推導和物理概念描述相結(jié)合之外，對于復雜、抽象、理解困難的理論知識，利用光學模擬方法進一步解讀。簡單起見，關于數(shù)學推導和物理概念相結(jié)合的教學方法不再贅述，下面主要針對理論教學中的若干難點來說明如何在光纖通信理論教學中引入光學模擬。

2．1光器件模擬

在光纖通信理論教學中，無論是有源還是無源光器件，其宏觀結(jié)構及原理不難講解，學生也容易理解。然而，分析或測試光器件中的波傳播、反射、散射、衍射、偏振以及非線性現(xiàn)象，將涉及非常復雜的數(shù)學推導和電磁場求解問題，如果僅僅通過理論講解很難取得好的教學效果。對于這類問題，可以利用OptiWave的光學模擬軟件OptiFDTD來加以解決。

2．2光波導模擬

眾所周知，光波導是光纖通信的理論基礎。也就是說，要學好光纖通信，必須掌握并理解光波導理論。然而，光波導理論涉及到許多復雜問題，如光場沿波導截面的分布規(guī)律，光場沿波導的傳播規(guī)律，信號沿光波導傳播時的衰減、畸變，光波導模式間的耦合，光纖中的非線性效應，光場偏振態(tài)沿光波導的演變規(guī)律，以及復矢量法解模式問題等。在理論教學中，對于這些復雜的問題，通常采用的分析方法有幾何光學法、本地平面波法和波動光學法，其中，幾何光學法為近似分析法，比較容易理解，但后兩種方法，特別是波動光學分析法非常復雜，難以理解和掌握。為了幫助學生更好地理解光波導理論和波動光學分析法，可以將OptiBPM光波導模擬引入理論教學中。理論教學中，可用OptiBPM來模擬復雜的光波導以及這些波導中的光信號定向、耦合、開關、分波和復用/解復用。

2．3光纖和集成光柵模擬

光纖和集成光柵為光信號傳輸組件，是光纖通信系統(tǒng)組成的三大部分之一。從宏觀角度，光纖的基本概念、結(jié)構及導光原理比較容易理解，但是，光纖的參數(shù)如截面尺寸、材料成分和折射率分布如何影響光纖的線性和非線性效應等光學性能問題則比較復雜，單純從理論上講解，學生難以理解透徹。對于光纖和集成光柵的理論教學，可以引入OptiFiber和OptiGrating來模擬，利用OptiFiber模擬各種常用光纖并分析其光學性能，利用OptiGrating來模擬復雜的集成光纖光柵或波導光柵。

2．4光纖通信系統(tǒng)模擬

在光纖通信課程理論教學中，在講授光纖通信系統(tǒng)時，通常按照“系統(tǒng)框架→系統(tǒng)模塊→組件功能→光電子線路→光器件”這一線索進行講解，基本上是通用光纖通信系統(tǒng)功能性描述，學生掌握系統(tǒng)及模塊大體功能沒有多大問題。然而，在系統(tǒng)規(guī)劃、設計、應用及性能評估等方面的講解，不能只依賴于理論講授，還需要針對具體應用的光纖通信系統(tǒng)實例進行講解。為解決這個困惑，可以引入OptiSystem幫助學生模擬具體應用的光纖通信系統(tǒng)。

3實踐教學模式

專業(yè)主干課程的實踐教學應是多層次實踐教學，包括驗證性實驗、系統(tǒng)測試實驗、綜合性實驗、自主開發(fā)研究性實驗和應用性實驗等。然而，在光纖通信課程實踐教學過程中，由于受實驗或?qū)嵱枟l件的限制，國內(nèi)大部分高校采用定制好的“光纖通信實驗平臺”或“光纖通信實驗箱”進行實踐教學。這種實踐教學模式雖然能滿足光纖通信基本原理的驗證、部分光纖通信器件參數(shù)的測試和常規(guī)光纖通信系統(tǒng)的測試等，但對于復雜光器件測量、自主開發(fā)研究性和應用性等實驗來說，這種教學模式就存在一定的缺陷。此外，采用定制的“光纖通信實驗平臺”或“光纖通信實驗箱”，學生只需按照指導書的實驗步驟簡單操作，開發(fā)設計性環(huán)節(jié)非常有限，這很難激發(fā)學生做實驗的興趣，從而限制了學生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。為節(jié)省教學經(jīng)費并彌補常規(guī)實驗教學中的不足，可以將光學模擬實踐方法引入到光纖通信課程實踐教學中來，采用“常規(guī)實驗+光學模擬”的實踐教學模式。也就是說，對于原理性驗證、簡單參數(shù)測量等實驗，在“光纖通信實驗平臺”或“光纖通信實驗箱”上進行，而對于復雜光器件設計及測量、自主開發(fā)研究性和典型應用性等實驗，采用OptiSystem軟件進行模擬仿真。常規(guī)性實驗在此不再贅述，下面主要通過實例來說明如何使用OptiSystem搭建及模擬典型的光纖通信系統(tǒng)。圖2為基于OptiSystem搭建的一個10G單模光纖通信系統(tǒng)仿真模型。在搭建該模型時，首先要根據(jù)實驗要求確定系統(tǒng)的功能框圖，接著按照功能框圖選取OptiSystem組件，如比特序列發(fā)生器、非歸零脈沖發(fā)生器、直接調(diào)制激光器、復用器、光纖信道、摻鉺光纖放大器(EDFA)、解復用器、光檢測器和濾波器等，然后根據(jù)它們的關系將其關聯(lián)起來，就可以完成仿真模型的搭建。接下來就是各個組件的參數(shù)設置→仿真執(zhí)行→參數(shù)觀測分析→參數(shù)調(diào)整→組件調(diào)整等，直到滿足實驗要求。限于篇幅，系統(tǒng)仿真結(jié)果不再給出。此外，在搭建系統(tǒng)模型過程中，當實驗所需的組件在OptiSystem自帶組件庫里找不到時，可以用Matlab創(chuàng)建所需組件，然后進行OptiSystem與Matlab聯(lián)合仿真。

4結(jié)語

光纖通信是通信類專業(yè)的主干必修課程，其理論性和實踐性都很強。在該課程教學過程中，既要注重理論教學方法，也要強調(diào)實踐教學方法，也就是說要兩者并重。本文針對光纖通信傳統(tǒng)教學模式存在的缺陷，將光學模擬方法引入理論教學和實際教學中，能夠進一步激發(fā)學生的學習興趣，培養(yǎng)學生的實踐和創(chuàng)新能力，取得較好的教學效果。當然，光纖通信課程教學模式的改革與探索是一個長期的過程，只有把提高教學效果和培養(yǎng)學生綜合能力作為衡量課程改革和探索的標準，才能把握其正確方向。

參考文獻:

［1］黃永清，陳雪，李蔚，等．“光纖通信”課程的教學改革［J］．電氣電子教學學報，2010，32(6):12－13．

［2］李永倩，張淑娥．“光纖通信原理”課程實驗教學內(nèi)容研究［J］．中國電力教育，2010(6):129－130．

［3］焦學輝，陳麗茹．“光纖通信”課程教學模式改革的探索［J］．中國電力教育，2011(26):105－106．

作者：唐志軍 胡仕剛 席在芳 吳笑峰 歐青立 單位：湖南科技大學信息與電氣工程學院