基于Optisystem的光纖通信雙語課程的教學(xué)實(shí)踐研究

盧嘉+王楊+劉劍飛

摘 要：光纖通信課程是通信與光電信息類專業(yè)的重要專業(yè)課程。針對(duì)光纖通信課程中的概念抽象，實(shí)驗(yàn)難度大等幾個(gè)主要問題，筆者利用OptiSystem軟件的特點(diǎn)，以O(shè)ptiSystem與課本相結(jié)合為主線，以知識(shí)構(gòu)建和應(yīng)用能力培養(yǎng)為重點(diǎn)，提出概念器件化的課程體系與先虛后實(shí)，先模擬后器件的分層次教學(xué)實(shí)驗(yàn)體系，并通過一個(gè)具體實(shí)例增強(qiáng)學(xué)生對(duì)光纖通信系統(tǒng)的正確認(rèn)知與創(chuàng)新能力。

關(guān)鍵詞：光纖通信 實(shí)驗(yàn) OptiSystem

中圖分類號(hào)：G642.44 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2016）09（b）-0006-04

光纖通信系統(tǒng)作為國(guó)家級(jí)電信網(wǎng)的骨干系統(tǒng)，光纖通信技術(shù)以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)成為我國(guó)發(fā)展最快的技術(shù)之一，因此“光纖通信”課程近年來一直作為我國(guó)理工科院校的重點(diǎn)專業(yè)課程。該課程開設(shè)的目的是使學(xué)生掌握光纖通信技術(shù)的基本原理、光纖通信系統(tǒng)的基本構(gòu)成以及系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，了解光纖通信技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用和最新發(fā)展方向，為今后從事通信領(lǐng)域的工作打好必要的專業(yè)基礎(chǔ)[1-2]。

由于課程涉及面廣以及物理概念繁雜深?yuàn)W，使學(xué)生理解起來非常困難。而且，由于光纖通信的設(shè)備器件都很昂貴，限制了國(guó)內(nèi)大部分院校的實(shí)驗(yàn)僅通過簡(jiǎn)單的光纖實(shí)驗(yàn)箱完成，對(duì)實(shí)驗(yàn)過程中的每個(gè)器件的輸出結(jié)果無法觀察分析，導(dǎo)致學(xué)生對(duì)光纖傳輸系統(tǒng)并沒有一個(gè)全局的認(rèn)識(shí)。目前，針對(duì)“光纖通信”的教學(xué)實(shí)踐中存在以下幾個(gè)問題：（1）概念抽象難懂，器件構(gòu)造原理復(fù)雜，不適合學(xué)生融會(huì)貫通掌握知識(shí)。（2）課堂教學(xué)模式單一，不能很好地調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性與創(chuàng)造性[3]。（3）實(shí)驗(yàn)設(shè)備簡(jiǎn)單，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容涉及面窄。

目前國(guó)內(nèi)研究光纖通信的主流軟件包括VPI和OptiSystem。由于VPI軟件昂貴，多用于科學(xué)研究，用于本科教學(xué)不現(xiàn)實(shí)。而OptiSystem是一款創(chuàng)新的光通訊系統(tǒng)模擬軟件包，它集設(shè)計(jì)、測(cè)試和優(yōu)化各種類型寬帶光網(wǎng)絡(luò)物理層的虛擬光連接等功能于一身，從長(zhǎng)距離通訊系統(tǒng)到LANS和MANS都可使用。OptiSystem具有強(qiáng)大的模擬環(huán)境和真實(shí)的器件與系統(tǒng)的分級(jí)定義。它的性能可以通過附加的用戶器件庫和完整的界面進(jìn)行擴(kuò)展，而成為一系列廣泛使用的工具。全面的圖形用戶界面控制光子器件設(shè)計(jì)、器件模型和演示，巨大的有源和無源器件庫包括實(shí)際波長(zhǎng)相關(guān)的參數(shù)[4]。

筆者將OptiSystem引入“光纖通信”教學(xué)中，以O(shè)ptiSystem與課本相結(jié)合為主線，以知識(shí)構(gòu)建和應(yīng)用能力培養(yǎng)為重點(diǎn)，選擇與專業(yè)核心要素有關(guān)的基礎(chǔ)理論知識(shí)，用OptiSystem中的光器件理解抽象概念，用課本中的概念去指導(dǎo)實(shí)踐中器件的選擇。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行光纖通信課程的實(shí)踐教學(xué)體系的構(gòu)建，將OptiSystem模擬仿真與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)光纖通信系統(tǒng)的正確認(rèn)知能力與創(chuàng)新能力。

1 建立基于OptiSystem的概念器件化的教學(xué)方法

突出基本理論基本分析方法和知識(shí)的應(yīng)用，讓學(xué)生在首次接觸該課程時(shí)，從了解生動(dòng)的發(fā)展歷史入手，接觸到一個(gè)開闊的視野，對(duì)所有相關(guān)課程的融會(huì)貫通，以突出“光纖通信”課程的理論性和完整的系統(tǒng)性，而不是讓其產(chǎn)生理論堆積的錯(cuò)覺。所謂“概念器件化”就是將光器件引入基本概念的講解中，每個(gè)光器件都對(duì)應(yīng)著相關(guān)參數(shù)，而這些參數(shù)對(duì)光通信系統(tǒng)的影響，可以通過設(shè)置OptiSystem中相關(guān)光器件參數(shù)改變系統(tǒng)傳輸，從而讓學(xué)生對(duì)抽象的概念有更加形象的認(rèn)識(shí)。

以光纖通信課程中光纖一章為例，此章占全課程的課時(shí)最多，重要程度可見一斑。以光纖相關(guān)概念為例，課程涉及到光纖及光波導(dǎo)的基礎(chǔ)知識(shí)，光波導(dǎo)中模式、色散、損耗和偏振等基本概念，以及光纖的類型。這些理論是相當(dāng)抽象的，傳統(tǒng)的教學(xué)無非是將一些動(dòng)畫Flash與PPT相結(jié)合，觀察光線在光纖中的傳播路徑，而對(duì)于光纖的線性與非線性效應(yīng)還是不能透徹理解。而OptiSystem中光纖的種類很多，引入光纖通信中的一些難懂的概念并對(duì)其進(jìn)行模擬，就能將抽象的概念形象化，有助于學(xué)生的理解。以標(biāo)準(zhǔn)光纖為例，在OptiSystem中標(biāo)準(zhǔn)光纖的參數(shù)設(shè)定參數(shù)如圖1所示。

圖1（a）為標(biāo)準(zhǔn)光纖的主參數(shù)設(shè)置，其中主要包括光纖的參考波長(zhǎng)，傳輸長(zhǎng)度和衰減系數(shù)等。圖1（b）中為標(biāo)準(zhǔn)光纖的色散參數(shù)相關(guān)設(shè)置，主要包括群速度色散，三階色散和色散參數(shù)等。當(dāng)然關(guān)于光纖的參數(shù)還有其他選項(xiàng)卡可以設(shè)置，常用的有偏振模選項(xiàng)卡和非線性選項(xiàng)卡等如圖1（b）所示，這里就不一一介紹了。這些參數(shù)均在“光纖通信”課程中有理論講解，但是概念非常抽象難懂。如果在OptiSystem中對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行設(shè)置與仿真，通過改變相關(guān)參數(shù)用頻譜儀觀察波形變化，可以使學(xué)生對(duì)這些概念的理解更加深入。

針對(duì)課程，筆者對(duì)所有章節(jié)所需要的相關(guān)光器件進(jìn)行分類，在講授相關(guān)章節(jié)時(shí)重點(diǎn)進(jìn)行介紹。對(duì)于第三、四章，主要介紹標(biāo)準(zhǔn)單模光纖與非線性光纖。第五章光發(fā)送機(jī)主要將LED（發(fā)光二極管）與LD（激光器）引入課程。第六章接收機(jī)主要引入PIN（光電二極管）與APD（雪崩二極管）。第七章光網(wǎng)絡(luò)中將引入偽隨機(jī)序列，信號(hào)發(fā)生器，波分復(fù)用器，光調(diào)制器，摻餌光纖放大器，光濾波器，光頻譜儀，電頻譜儀，誤碼分析儀等。這些有源與無源光器件的引入有利于后續(xù)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證。

2 先虛后實(shí)，先模擬后器件的分層次教學(xué)實(shí)驗(yàn)體系

分層次的實(shí)踐教學(xué)模式，將實(shí)踐教學(xué)劃分為基礎(chǔ)認(rèn)知型、綜合型和創(chuàng)新設(shè)計(jì)型3個(gè)層次。另外，由于目前 “光纖通信”課程的實(shí)驗(yàn)都是基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，由于光器件的昂貴和易損特性，因此這些基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)都是通過實(shí)驗(yàn)箱完成的。涉及的實(shí)驗(yàn)結(jié)果都是僅僅通過示波器觀察最后的波形，結(jié)果形式單一，操作過于簡(jiǎn)單，而且?guī)讉€(gè)實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容過于基礎(chǔ)已經(jīng)滿足不了發(fā)展迅速的光通信現(xiàn)狀，因此，采用低成本、更貼近實(shí)驗(yàn)的OptiSystem軟件來更深入地學(xué)習(xí)“光纖通信”課程勢(shì)在必行。在傳統(tǒng)的“光纖通信”課程實(shí)驗(yàn)中，由于學(xué)生對(duì)器件的不了解和操作方法不當(dāng)，實(shí)驗(yàn)箱上很多小器件的都被燒壞。如果在實(shí)驗(yàn)前，學(xué)生能夠先使用Optisystem進(jìn)行搭建與模擬仿真，就可以避免這種情況的發(fā)生。而且學(xué)生還可以通過頻譜分析儀觀察每個(gè)光器件的輸出結(jié)果，這樣有利于對(duì)結(jié)果的分析與對(duì)錯(cuò)誤結(jié)果的調(diào)整，也有利于學(xué)生在實(shí)驗(yàn)箱上的正確操作和對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的正確認(rèn)知。此外，筆者還將在基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上增加綜合性實(shí)驗(yàn)和擴(kuò)展性實(shí)驗(yàn)，以提高學(xué)生的綜合分析能力和實(shí)踐能力。

筆者將以一個(gè)擴(kuò)展性實(shí)驗(yàn)實(shí)例來說明OptiSystem引入教學(xué)實(shí)驗(yàn)體系的重要性。該實(shí)例是復(fù)用信號(hào)的全光波長(zhǎng)變換實(shí)驗(yàn)如圖2。里面涉及到光纖通信的若干知識(shí)點(diǎn)，包括偏振復(fù)用，四波混頻，光信號(hào)調(diào)制與解調(diào)等。此系統(tǒng)采用連續(xù)激光模塊（CW laser）生成系統(tǒng)光載波，其中泵浦光CW1、CW2參數(shù)設(shè)置分別為：頻率為193.24 THz、193.2 THz（，信號(hào)光參數(shù)設(shè)置為，頻率為193.05 THz。信號(hào)光經(jīng)過偏振器（Power Splitter）后成為一對(duì)正交的偏振光，調(diào)制后經(jīng)偏振合束器（Polarization Combiner）合束后與兩個(gè)平行的泵浦光經(jīng)耦合器耦合并送入半導(dǎo)體光放大器（SOA）中進(jìn)行全光波長(zhǎng)變換。

調(diào)制部分用偽隨機(jī)發(fā)生序列器（Pseudo Random Bit Sequence Generator）產(chǎn)生速率為2.5 Gbit/s的偽隨機(jī)比特流，比特序列輸入NRZ產(chǎn)生器（NRZ Pulse Generator）調(diào)制，經(jīng)偏振分束器分兩路驅(qū)動(dòng)MZ（Mach-Zehnder Modulator）調(diào)制器，MZ調(diào)制器消光比為30 dB，偏振合束器實(shí)現(xiàn)兩路MZ輸出信號(hào)的耦合。

解調(diào)部分采用光電探測(cè)器（PD，Photo Detector PIN），PD響應(yīng)度設(shè)為1 A/W，暗電流設(shè)為10 nA，在經(jīng)過低通濾波器在接收端觀察眼圖。

圖3（a）和（b）分別表示全光波長(zhǎng)變換前后的頻譜圖，可以更直觀的了解四波混頻效應(yīng)。圖4（a）和（b）分別表示接收端的偏振復(fù)用信號(hào)的眼圖。該實(shí)驗(yàn)還可以通過改變泵浦之間的間距、信號(hào)速率、泵浦與信號(hào)光之間的間距來觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果，得到最優(yōu)化的參數(shù)。以SOA的注入電流項(xiàng)為例，圖5為改變SOA注入電流后，得到偏振復(fù)用信號(hào)的眼圖與誤碼率曲線。

通過這個(gè)擴(kuò)展性實(shí)驗(yàn)，可以利用軟件仿真的方式，更加直觀地掌握各個(gè)參數(shù)對(duì)光通信系統(tǒng)的性能影響，彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的局限性，開闊學(xué)生的視野與知識(shí)面同時(shí)提高學(xué)生的動(dòng)手能力。

3 結(jié)語

該文將OptiSystem軟件引入光纖通信課堂，提出概念器件化的課程體系與先虛后實(shí)，先模擬后器件的分層次教學(xué)實(shí)驗(yàn)體系，并利用OptiSystem設(shè)計(jì)了光纖通信實(shí)驗(yàn)的一個(gè)擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)，可以更加直觀地掌握各個(gè)參數(shù)對(duì)光通信系統(tǒng)的性能影響，彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的局限性，開闊學(xué)生的視野與知識(shí)面，同時(shí)提高學(xué)生的認(rèn)知能力、動(dòng)手能力。通過該文提出的教學(xué)改革與實(shí)踐，可以解決光纖通信課程中的概念抽象難懂、器件構(gòu)造原理復(fù)雜、課堂教學(xué)模式單一、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容涉及面窄等問題。

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