光波光學(xué)模擬的光纖通信課程教學(xué)模式分析
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摘要:針對(duì)光纖通信課程傳統(tǒng)教學(xué)模式存在的不足，探索性地將OptiWave光學(xué)模擬方法引入到該課程的理論和實(shí)踐教學(xué)中，并提出“數(shù)學(xué)推導(dǎo)+物理描述+光學(xué)模擬”的理論教學(xué)模式，以及“常規(guī)實(shí)驗(yàn)與光學(xué)模擬相結(jié)合”的實(shí)踐教學(xué)模式。教學(xué)實(shí)踐證明，將光學(xué)模擬方法引入到光纖通信課程教學(xué)中，能節(jié)約教學(xué)資源，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生創(chuàng)新能力。
關(guān)鍵詞:光纖通信;光學(xué)模擬;教學(xué)模式;能力培養(yǎng)
為適應(yīng)信息化時(shí)代的需求，國(guó)內(nèi)高校通信類(lèi)專(zhuān)業(yè)基本上開(kāi)設(shè)了光纖通信這門(mén)主干專(zhuān)業(yè)課程。光纖通信課程涉及的知識(shí)面非常廣，學(xué)習(xí)這門(mén)課程之前，需要先修電磁場(chǎng)與波、光學(xué)、半導(dǎo)體材料與物理、通信原理、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、電子技術(shù)等課程。因此，該課程具有理論深度大、概念抽象、數(shù)學(xué)推導(dǎo)復(fù)雜、不易理解等特點(diǎn)，這就給該課程教學(xué)帶來(lái)許多困難［1－3］。目前，光纖通信課程教學(xué)主要采用“理論+實(shí)驗(yàn)”的教學(xué)模式。對(duì)于理論教學(xué)，通常是采取課堂講授的傳統(tǒng)教學(xué)方法，主要講解光纖通信技術(shù)的原理、概念、方法以及相關(guān)的數(shù)學(xué)推導(dǎo)等，教學(xué)過(guò)程中通常只涉及到純理論講授，這使得學(xué)生學(xué)習(xí)起來(lái)感覺(jué)很枯燥，對(duì)理論知識(shí)理解不透徹，并逐漸失去學(xué)習(xí)興趣，從而導(dǎo)致理論教學(xué)效果不佳。對(duì)于實(shí)驗(yàn)教學(xué)，除少部分條件好的高校外，大部分高校受經(jīng)費(fèi)限制，僅僅按照課程教材在定制的光纖實(shí)驗(yàn)箱上開(kāi)設(shè)少許驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，缺乏設(shè)計(jì)、應(yīng)用和創(chuàng)新性等實(shí)踐環(huán)節(jié)，這不利于培養(yǎng)學(xué)生專(zhuān)業(yè)技能?；诖?，本文探索性地將OptiWave的光學(xué)模擬軟件引入到光纖通信課程的理論和實(shí)踐教學(xué)中。在講授理論知識(shí)的同時(shí)，利用OptiWave中的各種模擬仿真使復(fù)雜抽象的理論形象化、具體化，從而激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，幫助其理解和掌握光纖通信課程的相關(guān)理論知識(shí);在實(shí)踐環(huán)節(jié)教學(xué)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(bǔ)固定實(shí)驗(yàn)箱或定制硬件實(shí)驗(yàn)中存在的不足，從而提高學(xué)生分析和解決問(wèn)題的能力，進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力。
1OptiWave光學(xué)模擬軟件組成
OptiWave光學(xué)模擬軟件主要包括OptiSystem(光通信系統(tǒng)與放大器設(shè)計(jì)軟件)、OptiFiber(光纖設(shè)計(jì)軟件)、OptiFDTD(時(shí)域光子學(xué)仿真軟件)、OptiBPM(光學(xué)波導(dǎo)設(shè)計(jì)軟件)、OptiGrating(集成光纖光柵設(shè)計(jì)軟件)和OptiSPICE(光電子線路設(shè)計(jì)軟件)等。OptiWave光學(xué)模擬軟件最顯著的特點(diǎn)是界面友好、操作方便、功能強(qiáng)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(xué)模式
光纖通信課程理論教學(xué)內(nèi)容主要涉及到光纖通信導(dǎo)論、光纖的結(jié)構(gòu)與導(dǎo)波特性、光器件及光波系統(tǒng)互聯(lián)技術(shù)、光端機(jī)、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(shù)和光纖通信網(wǎng)絡(luò)等，知識(shí)面非常廣泛，包含較深的理論基礎(chǔ)，整個(gè)理論體系中的公式或定理伴隨著復(fù)雜抽象的概念和嚴(yán)格的數(shù)學(xué)推導(dǎo)證明，這給課程教學(xué)帶來(lái)許多困難。鑒于這種情況，可以將“光學(xué)模擬”教學(xué)方法引入到課程理論教學(xué)中來(lái)。也就是說(shuō)，在課程理論教學(xué)中，除了強(qiáng)調(diào)數(shù)學(xué)推導(dǎo)和物理概念描述相結(jié)合之外，對(duì)于復(fù)雜、抽象、理解困難的理論知識(shí)，利用光學(xué)模擬方法進(jìn)一步解讀。簡(jiǎn)單起見(jiàn)，關(guān)于數(shù)學(xué)推導(dǎo)和物理概念相結(jié)合的教學(xué)方法不再贅述，下面主要針對(duì)理論教學(xué)中的若干難點(diǎn)來(lái)說(shuō)明如何在光纖通信理論教學(xué)中引入光學(xué)模擬。
2．1光器件模擬
在光纖通信理論教學(xué)中，無(wú)論是有源還是無(wú)源光器件，其宏觀結(jié)構(gòu)及原理不難講解，學(xué)生也容易理解。然而，分析或測(cè)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(fù)雜的數(shù)學(xué)推導(dǎo)和電磁場(chǎng)求解問(wèn)題，如果僅僅通過(guò)理論講解很難取得好的教學(xué)效果。對(duì)于這類(lèi)問(wèn)題，可以利用OptiWave的光學(xué)模擬軟件OptiFDTD來(lái)加以解決。
2．2光波導(dǎo)模擬
眾所周知，光波導(dǎo)是光纖通信的理論基礎(chǔ)。也就是說(shuō)，要學(xué)好光纖通信，必須掌握并理解光波導(dǎo)理論。然而，光波導(dǎo)理論涉及到許多復(fù)雜問(wèn)題，如光場(chǎng)沿波導(dǎo)截面的分布規(guī)律，光場(chǎng)沿波導(dǎo)的傳播規(guī)律，信號(hào)沿光波導(dǎo)傳播時(shí)的衰減、畸變，光波導(dǎo)模式間的耦合，光纖中的非線性效應(yīng)，光場(chǎng)偏振態(tài)沿光波導(dǎo)的演變規(guī)律，以及復(fù)矢量法解模式問(wèn)題等。在理論教學(xué)中，對(duì)于這些復(fù)雜的問(wèn)題，通常采用的分析方法有幾何光學(xué)法、本地平面波法和波動(dòng)光學(xué)法，其中，幾何光學(xué)法為近似分析法，比較容易理解，但后兩種方法，特別是波動(dòng)光學(xué)分析法非常復(fù)雜，難以理解和掌握。為了幫助學(xué)生更好地理解光波導(dǎo)理論和波動(dòng)光學(xué)分析法，可以將OptiBPM光波導(dǎo)模擬引入理論教學(xué)中。理論教學(xué)中，可用OptiBPM來(lái)模擬復(fù)雜的光波導(dǎo)以及這些波導(dǎo)中的光信號(hào)定向、耦合、開(kāi)關(guān)、分波和復(fù)用/解復(fù)用。
2．3光纖和集成光柵模擬
光纖和集成光柵為光信號(hào)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(gòu)及導(dǎo)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(yīng)等光學(xué)性能問(wèn)題則比較復(fù)雜，單純從理論上講解，學(xué)生難以理解透徹。對(duì)于光纖和集成光柵的理論教學(xué)，可以引入OptiFiber和OptiGrating來(lái)模擬，利用OptiFiber模擬各種常用光纖并分析其光學(xué)性能，利用OptiGrating來(lái)模擬復(fù)雜的集成光纖光柵或波導(dǎo)光柵。
2．4光纖通信系統(tǒng)模擬
在光纖通信課程理論教學(xué)中，在講授光纖通信系統(tǒng)時(shí)，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(jìn)行講解，基本上是通用光纖通信系統(tǒng)功能性描述，學(xué)生掌握系統(tǒng)及模塊大體功能沒(méi)有多大問(wèn)題。然而，在系統(tǒng)規(guī)劃、設(shè)計(jì)、應(yīng)用及性能評(píng)估等方面的講解，不能只依賴于理論講授，還需要針對(duì)具體應(yīng)用的光纖通信系統(tǒng)實(shí)例進(jìn)行講解。為解決這個(gè)困惑，可以引入OptiSystem幫助學(xué)生模擬具體應(yīng)用的光纖通信系統(tǒng)。
3實(shí)踐教學(xué)模式
專(zhuān)業(yè)主干課程的實(shí)踐教學(xué)應(yīng)是多層次實(shí)踐教學(xué)，包括驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)、系統(tǒng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)、綜合性實(shí)驗(yàn)、自主開(kāi)發(fā)研究性實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用性實(shí)驗(yàn)等。然而，在光纖通信課程實(shí)踐教學(xué)過(guò)程中，由于受實(shí)驗(yàn)或?qū)嵱?xùn)條件的限制，國(guó)內(nèi)大部分高校采用定制好的“光纖通信實(shí)驗(yàn)平臺(tái)”或“光纖通信實(shí)驗(yàn)箱”進(jìn)行實(shí)踐教學(xué)。這種實(shí)踐教學(xué)模式雖然能滿足光纖通信基本原理的驗(yàn)證、部分光纖通信器件參數(shù)的測(cè)試和常規(guī)光纖通信系統(tǒng)的測(cè)試等，但對(duì)于復(fù)雜光器件測(cè)量、自主開(kāi)發(fā)研究性和應(yīng)用性等實(shí)驗(yàn)來(lái)說(shuō)，這種教學(xué)模式就存在一定的缺陷。此外，采用定制的“光纖通信實(shí)驗(yàn)平臺(tái)”或“光纖通信實(shí)驗(yàn)箱”，學(xué)生只需按照指導(dǎo)書(shū)的實(shí)驗(yàn)步驟簡(jiǎn)單操作，開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)性環(huán)節(jié)非常有限，這很難激發(fā)學(xué)生做實(shí)驗(yàn)的興趣，從而限制了學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。為節(jié)省教學(xué)經(jīng)費(fèi)并彌補(bǔ)常規(guī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的不足，可以將光學(xué)模擬實(shí)踐方法引入到光纖通信課程實(shí)踐教學(xué)中來(lái)，采用“常規(guī)實(shí)驗(yàn)+光學(xué)模擬”的實(shí)踐教學(xué)模式。也就是說(shuō)，對(duì)于原理性驗(yàn)證、簡(jiǎn)單參數(shù)測(cè)量等實(shí)驗(yàn)，在“光纖通信實(shí)驗(yàn)平臺(tái)”或“光纖通信實(shí)驗(yàn)箱”上進(jìn)行，而對(duì)于復(fù)雜光器件設(shè)計(jì)及測(cè)量、自主開(kāi)發(fā)研究性和典型應(yīng)用性等實(shí)驗(yàn)，采用OptiSystem軟件進(jìn)行模擬仿真。常規(guī)性實(shí)驗(yàn)在此不再贅述，下面主要通過(guò)實(shí)例來(lái)說(shuō)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(gè)10G單模光纖通信系統(tǒng)仿真模型。在搭建該模型時(shí)，首先要根據(jù)實(shí)驗(yàn)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(fù)用器、光纖信道、摻鉺光纖放大器(EDFA)、解復(fù)用器、光檢測(cè)器和濾波器等，然后根據(jù)它們的關(guān)系將其關(guān)聯(lián)起來(lái)，就可以完成仿真模型的搭建。接下來(lái)就是各個(gè)組件的參數(shù)設(shè)置→仿真執(zhí)行→參數(shù)觀測(cè)分析→參數(shù)調(diào)整→組件調(diào)整等，直到滿足實(shí)驗(yàn)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(guò)程中，當(dāng)實(shí)驗(yàn)所需的組件在OptiSystem自帶組件庫(kù)里找不到時(shí)，可以用Matlab創(chuàng)建所需組件，然后進(jìn)行OptiSystem與Matlab聯(lián)合仿真。
4結(jié)語(yǔ)
光纖通信是通信類(lèi)專(zhuān)業(yè)的主干必修課程，其理論性和實(shí)踐性都很強(qiáng)。在該課程教學(xué)過(guò)程中，既要注重理論教學(xué)方法，也要強(qiáng)調(diào)實(shí)踐教學(xué)方法，也就是說(shuō)要兩者并重。本文針對(duì)光纖通信傳統(tǒng)教學(xué)模式存在的缺陷，將光學(xué)模擬方法引入理論教學(xué)和實(shí)際教學(xué)中，能夠進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐和創(chuàng)新能力，取得較好的教學(xué)效果。當(dāng)然，光纖通信課程教學(xué)模式的改革與探索是一個(gè)長(zhǎng)期的過(guò)程，只有把提高教學(xué)效果和培養(yǎng)學(xué)生綜合能力作為衡量課程改革和探索的標(biāo)準(zhǔn)，才能把握其正確方向。
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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(xué)信息與電氣工程學(xué)院