光波光學(xué)模擬的光纖通信課程教學(xué)模式分析論文
摘要:針對光纖通信課程傳統(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)實驗與光學(xué)模擬相結(jié)合”的實踐教學(xué)模式。教學(xué)實踐證明，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)信息化時代的需求，國內(nèi)高校通信類專業(yè)基本上開設(shè)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(xué)習(xí)這門課程之前，需要先修電磁場與波、光學(xué)、半導(dǎo)體材料與物理、通信原理、計算機網(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，這就給該課程教學(xué)帶來許多困難［1－3］。目前，光纖通信課程教學(xué)主要采用“理論+實驗”的教學(xué)模式。對于理論教學(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)起來感覺很枯燥，對理論知識理解不透徹，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。對于實驗教學(xué)，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(shè)少許驗證性實驗，缺乏設(shè)計、應(yīng)用和創(chuàng)新性等實踐環(huán)節(jié)，這不利于培養(yǎng)學(xué)生專業(yè)技能。基于此，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踐教學(xué)中。在講授理論知識的同時，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;在實踐環(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)，能有效地彌補固定實驗箱或定制硬件實驗中存在的不足，從而提高學(xué)生分析和解決問題的能力，進一步培養(yǎng)學(xué)生的實踐創(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)計軟件)、OptiFiber(光纖設(shè)計軟件)、OptiFDTD(時域光子學(xué)仿真軟件)、OptiBPM(光學(xué)波導(dǎo)設(shè)計軟件)、OptiGrating(集成光纖光柵設(shè)計軟件)和OptiSPICE(光電子線路設(shè)計軟件)等。OptiWave光學(xué)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(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、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，知識面非常廣泛，包含較深的理論基礎(chǔ)，整個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。也就是說，在課程理論教學(xué)中，除了強調(diào)數(shù)學(xué)推導(dǎo)和物理概念描述相結(jié)合之外，對于復(fù)雜、抽象、理解困難的理論知識，利用光學(xué)模擬方法進一步解讀。簡單起見，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，下面主要針對理論教學(xué)中的若干難點來說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，無論是有源還是無源光器件，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)和電磁場求解問題，如果僅僅通過理論講解很難取得好的教學(xué)效果。對于這類問題，可以利用OptiWave的光學(xué)模擬軟件OptiFDTD來加以解決。
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，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)雜問題，如光場沿波導(dǎo)截面的分布規(guī)律，光場沿波導(dǎo)的傳播規(guī)律，信號沿光波導(dǎo)傳播時的衰減、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)矢量法解模式問題等。在理論教學(xué)中，對于這些復(fù)雜的問題，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來模擬復(fù)雜的光波導(dǎo)以及這些波導(dǎo)中的光信號定向、耦合、開關(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。對于光纖和集成光柵的理論教學(xué)，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(xué)性能，利用OptiGrating來模擬復(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，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(xué)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(shè)計、應(yīng)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(yīng)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(xué)生模擬具體應(yīng)用的光纖通信系統(tǒng)。
3實踐教學(xué)模式
專業(yè)主干課程的實踐教學(xué)應(yīng)是多層次實踐教學(xué)，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(yīng)用性實驗等。然而，在光纖通信課程實踐教學(xué)過程中，由于受實驗或?qū)嵱?xùn)條件的限制，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(xué)。這種實踐教學(xué)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(fù)雜光器件測量、自主開發(fā)研究性和應(yīng)用性等實驗來說，這種教學(xué)模式就存在一定的缺陷。此外，采用定制的“光纖通信實驗平臺”或“光纖通信實驗箱”，學(xué)生只需按照指導(dǎo)書的實驗步驟簡單操作，開發(fā)設(shè)計性環(huán)節(jié)非常有限，這很難激發(fā)學(xué)生做實驗的興趣，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)費并彌補常規(guī)實驗教學(xué)中的不足，可以將光學(xué)模擬實踐方法引入到光纖通信課程實踐教學(xué)中來，采用“常規(guī)實驗+光學(xué)模擬”的實踐教學(xué)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(fù)雜光器件設(shè)計及測量、自主開發(fā)研究性和典型應(yīng)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(fù)用器、光纖信道、摻鉺光纖放大器(EDFA)、解復(fù)用器、光檢測器和濾波器等，然后根據(jù)它們的關(guān)系將其關(guān)聯(lián)起來，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(shè)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(dāng)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(xué)過程中，既要注重理論教學(xué)方法，也要強調(diào)實踐教學(xué)方法，也就是說要兩者并重。本文針對光纖通信傳統(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)和實際教學(xué)中，能夠進一步激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的實踐和創(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長期的過程，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。
參考文獻:
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