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“數學(xué)推導+物理描述+光學(xué)模擬”的理論教學(xué)模式，以及“常規實(shí)驗與光學(xué)模擬相結合”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，能節約教學(xué)資源，激發(fā)學(xué)生學(xué)習興趣，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
為適應信息化時(shí)代的需求，國內高校通信類(lèi)專(zhuān)業(yè)基本上開(kāi)設了光纖通信這門(mén)主干專(zhuān)業(yè)課程。光纖通信課程涉及的知識面非常廣，學(xué)習這門(mén)課程之前，需要先修電磁場(chǎng)與波、光學(xué)、半導體材料與物理、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、數學(xué)推導復雜、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”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)的數學(xué)推導等，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)習起來(lái)感覺(jué)很枯燥，對理論知識理解不透徹，并逐漸失去學(xué)習興趣，從而導致理論教學(xué)效果不佳。對于實(shí)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(shí)驗箱上開(kāi)設少許驗證性實(shí)驗，缺乏設計、應用和創(chuàng )新性等實(shí)踐環(huán)節，這不利于培養學(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。在講授理論知識的同時(shí)，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(xué)生學(xué)習興趣，幫助其理解和掌握光纖通信課程的相關(guān)理論知識;在實(shí)踐環(huán)節教學(xué)中，利用OptiWave中的OptiSystem搭建各種光纖器件或系統，能有效地彌補固定實(shí)驗箱或定制硬件實(shí)驗中存在的不足，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(光通信系統與放大器設計軟件)、OptiFiber(光纖設計軟件)、OptiFDTD(時(shí)域光子學(xué)仿真軟件)、OptiBPM(光學(xué)波導設計軟件)、OptiGrating(集成光纖光柵設計軟件)和OptiSPICE(光電子線(xiàn)路設計軟件)等。OptiWave光學(xué)模擬軟件最顯著(zhù)的特點(diǎn)是界面友好、操作方便、功能強大。用OptiSystem搭建的間接光調制激光器模型如圖1所示。
2理論教學(xué)模式
光纖通信課程理論教學(xué)內容主要涉及到光纖通信導論、光纖的結構與導波特性、光器件及光波系統互聯(lián)技術(shù)、光端機、模擬光纖通信系統、數字光纖通信系統、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，整個(gè)理論體系中的公式或定理伴隨著(zhù)復雜抽象的概念和嚴格的數學(xué)推導證明，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，除了強調數學(xué)推導和物理概念描述相結合之外，對于復雜、抽象、理解困難的理論知識，利用光學(xué)模擬方法進(jìn)一步解讀。簡(jiǎn)單起見(jiàn)，關(guān)于數學(xué)推導和物理概念相結合的教學(xué)方法不再贅述，下面主要針對理論教學(xué)中的若干難點(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(guān)結構及原理不難講解，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(xiàn)性現象，將涉及非常復雜的'數學(xué)推導和電磁場(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光波導模擬
眾所周知，光波導是光纖通信的理論基礎。也就是說(shuō)，要學(xué)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(wèn)題，如光場(chǎng)沿波導截面的分布規律，光場(chǎng)沿波導的傳播規律，信號沿光波導傳播時(shí)的衰減、畸變，光波導模式間的耦合，光纖中的非線(xiàn)性效應，光場(chǎng)偏振態(tài)沿光波導的演變規律，以及復矢量法解模式問(wèn)題等。在理論教學(xué)中，對于這些復雜的問(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)分析法非常復雜，難以理解和掌握。為了幫助學(xué)生更好地理解光波導理論和波動(dòng)光學(xué)分析法，可以將OptiBPM光波導模擬引入理論教學(xué)中。理論教學(xué)中，可用OptiBPM來(lái)模擬復雜的光波導以及這些波導中的光信號定向、耦合、開(kāi)關(guān)、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，是光纖通信系統組成的三大部分之一。從宏觀(guān)角度，光纖的基本概念、結構及導光原理比較容易理解，但是，光纖的參數如截面尺寸、材料成分和折射率分布如何影響光纖的線(xiàn)性和非線(xiàn)性效應等光學(xué)性能問(wèn)題則比較復雜，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(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)模擬復雜的集成光纖光柵或波導光柵。
2．4光纖通信系統模擬
在光纖通信課程理論教學(xué)中，在講授光纖通信系統時(shí)，通常按照“系統框架→系統模塊→組件功能→光電子線(xiàn)路→光器件”這一線(xiàn)索進(jìn)行講解，基本上是通用光纖通信系統功能性描述，學(xué)生掌握系統及模塊大體功能沒(méi)有多大問(wèn)題。然而，在系統規劃、設計、應用及性能評估等方面的講解，不能只依賴(lài)于理論講授，還需要針對具體應用的光纖通信系統實(shí)例進(jìn)行講解。為解決這個(gè)困惑，可以引入OptiSystem幫助學(xué)生模擬具體應用的光纖通信系統。
3實(shí)踐教學(xué)模式
專(zhuān)業(yè)主干課程的實(shí)踐教學(xué)應是多層次實(shí)踐教學(xué)，包括驗證性實(shí)驗、系統測試實(shí)驗、綜合性實(shí)驗、自主開(kāi)發(fā)研究性實(shí)驗和應用性實(shí)驗等。然而，在光纖通信課程實(shí)踐教學(xué)過(guò)程中，由于受實(shí)驗或實(shí)訓條件的限制，國內大部分高校采用定制好的“光纖通信實(shí)驗平臺”或“光纖通信實(shí)驗箱”進(jìn)行實(shí)踐教學(xué)。這種實(shí)踐教學(xué)模式雖然能滿(mǎn)足光纖通信基本原理的驗證、部分光纖通信器件參數的測試和常規光纖通信系統的測試等，但對于復雜光器件測量、自主開(kāi)發(fā)研究性和應用性等實(shí)驗來(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)驗平臺”或“光纖通信實(shí)驗箱”，學(xué)生只需按照指導書(shū)的實(shí)驗步驟簡(jiǎn)單操作，開(kāi)發(fā)設計性環(huán)節非常有限，這很難激發(fā)學(xué)生做實(shí)驗的興趣，從而限制了學(xué)生創(chuàng )新能力的培養。為節省教學(xué)經(jīng)費并彌補常規實(shí)驗教學(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“常規實(shí)驗+光學(xué)模擬”的實(shí)踐教學(xué)模式。也就是說(shuō)，對于原理性驗證、簡(jiǎn)單參數測量等實(shí)驗，在“光纖通信實(shí)驗平臺”或“光纖通信實(shí)驗箱”上進(jìn)行，而對于復雜光器件設計及測量、自主開(kāi)發(fā)研究性和典型應用性等實(shí)驗，采用OptiSystem軟件進(jìn)行模擬仿真。常規性實(shí)驗在此不再贅述，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。圖2為基于OptiSystem搭建的一個(gè)10G單模光纖通信系統仿真模型。在搭建該模型時(shí)，首先要根據實(shí)驗要求確定系統的功能框圖，接著(zhù)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)組件的參數設置→仿真執行→參數觀(guān)測分析→參數調整→組件調整等，直到滿(mǎn)足實(shí)驗要求。限于篇幅，系統仿真結果不再給出。此外，在搭建系統模型過(guò)程中，當實(shí)驗所需的組件在OptiSystem自帶組件庫里找不到時(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。在該課程教學(xué)過(guò)程中，既要注重理論教學(xué)方法，也要強調實(shí)踐教學(xué)方法，也就是說(shuō)要兩者并重。本文針對光纖通信傳統教學(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)習興趣，培養學(xué)生的實(shí)踐和創(chuàng )新能力，取得較好的教學(xué)效果。當然，光纖通信課程教學(xué)模式的改革與探索是一個(gè)長(cháng)期的過(guò)程，只有把提高教學(xué)效果和培養學(xué)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。
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