依托科研實(shí)踐平臺(tái)輔助光纖通信教學(xué)

汪徐德，周 正，梁勤妹，李素文

（淮北師范大學(xué) 物理與電子信息學(xué)院，安徽 淮北 235000）

0 引言

光纖通信系統(tǒng)的發(fā)展始于二十世紀(jì)70 年代中期，它采用光波作為信息載體，光導(dǎo)纖維作為傳輸介質(zhì)，隨著激光和光纖技術(shù)的出現(xiàn)，光纖通信不僅大幅度提高信息的傳輸速率，同時(shí)也成倍降低建設(shè)、運(yùn)行和維護(hù)成本，因此成為通信技術(shù)發(fā)展的主要方向之一. 隨著光纖通信技術(shù)以驚人的速度發(fā)展，通信行業(yè)中光通信專(zhuān)業(yè)技術(shù)人才的需求將不斷增大，因此，如何培養(yǎng)具有光纖通信理論和一定實(shí)際操作能力的人才，成為高校通信工程專(zhuān)業(yè)教學(xué)中需要思考和亟需解決的問(wèn)題.

光纖通信課程是通信工程專(zhuān)業(yè)本科生的一門(mén)重要專(zhuān)業(yè)課程，主要講授光纖傳輸理論、光纖器件的工作原理及特性，以及光纖通信技術(shù)應(yīng)用情況等，是一門(mén)多學(xué)科交叉的課程，其理論性與實(shí)踐性很強(qiáng)，與工程實(shí)際結(jié)合較為密切［1］. 受實(shí)驗(yàn)條件的制約，該課程在教學(xué)過(guò)程中往往片面強(qiáng)調(diào)理論教學(xué)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)比較落后，不能充分利用現(xiàn)代信息教育技術(shù)和較為先進(jìn)的科研實(shí)踐平臺(tái)，特別是理論教學(xué)過(guò)程中涉及的一些概念和現(xiàn)象，較為抽象，給學(xué)生的學(xué)習(xí)帶來(lái)了很大的困難，極大地影響學(xué)生對(duì)該門(mén)課程的學(xué)習(xí)興趣和積極性［2-3］. 因此，根據(jù)教學(xué)內(nèi)容的特點(diǎn)，合理地將科研平臺(tái)以及科研軟件引入到光纖通信教學(xué)中，可以加深學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和實(shí)踐創(chuàng)新能力.

1 光纖通信教學(xué)存在的不足

目前光纖通信實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要以實(shí)驗(yàn)箱教學(xué)為主，實(shí)驗(yàn)手段單調(diào)，內(nèi)容偏于驗(yàn)證性，主要有激光器P-I特性試驗(yàn)測(cè)試、光發(fā)射機(jī)性能測(cè)試和波分復(fù)用技術(shù)實(shí)驗(yàn)等，學(xué)生做實(shí)驗(yàn)時(shí)僅僅按照要求接線(xiàn)，并不了解實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)部的具體結(jié)構(gòu)和部件功能，實(shí)驗(yàn)過(guò)程枯燥無(wú)趣，因此實(shí)驗(yàn)流于形式，不能達(dá)到既定的教學(xué)目的［4］.另外學(xué)生按照指導(dǎo)書(shū)按部就班地完成實(shí)驗(yàn)，沒(méi)有動(dòng)手設(shè)計(jì)完整系統(tǒng)的能力，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中缺乏必要的思考和探索過(guò)程，不能調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性和創(chuàng)造性. 利用實(shí)驗(yàn)箱的實(shí)驗(yàn)方法與工程實(shí)際的測(cè)試方法存在區(qū)別，學(xué)生難以真正掌握實(shí)際工程的測(cè)試方法. 在教學(xué)授課上以灌輸式為主，教師的科研工作未反映到實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的設(shè)置上來(lái)，創(chuàng)新性設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容很少，不能開(kāi)設(shè)一些面向本專(zhuān)業(yè)最新前沿的創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn). 因此，解決上述問(wèn)題的有效方法是依托科研實(shí)踐平臺(tái)，對(duì)光纖通信課程教學(xué)方法進(jìn)行一定程度的改革. 為加深學(xué)生對(duì)光纖基礎(chǔ)知識(shí)以及基本理論的理解，提高學(xué)生的工程應(yīng)用能力，本文利用科研實(shí)踐平臺(tái)所具備的硬件和軟件條件，輔助完成光纖通信教學(xué).

2 依托科研實(shí)踐平臺(tái)輔助光纖通信教學(xué)

2.1 科研實(shí)踐平臺(tái)在教學(xué)上的優(yōu)勢(shì)

與常規(guī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)相比，科研實(shí)踐平臺(tái)可以提供更為便利的條件和資源. 一方面科研實(shí)驗(yàn)室擁有先進(jìn)的設(shè)備和儀器，為培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力提供硬件基礎(chǔ). 另一方面科研實(shí)驗(yàn)室能夠把當(dāng)前新的科學(xué)技術(shù)、學(xué)科研究的最新動(dòng)態(tài)引入教學(xué)和實(shí)驗(yàn)中，從而拓寬學(xué)生的知識(shí)面，促進(jìn)學(xué)生創(chuàng)造能力的形成和發(fā)展［5-6］. 依托科研實(shí)踐平臺(tái)有利于學(xué)生綜合實(shí)踐技能的培養(yǎng)和創(chuàng)新能力的提高［7-8］. 比如結(jié)合社會(huì)上企業(yè)對(duì)專(zhuān)業(yè)型人才的需求，開(kāi)設(shè)應(yīng)用性較強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)題目，例如增設(shè)光纖熔接實(shí)驗(yàn)，講解光纖熔接的實(shí)際操作流程，光纖熔接機(jī)和光纖切割刀的使用方法，由教師演示并指導(dǎo)學(xué)生親自動(dòng)手實(shí)踐，掌握光纖熔接的基本技術(shù)，并使用工程相關(guān)的測(cè)試儀器，培養(yǎng)學(xué)生的應(yīng)用型技能［9-10］. 鼓勵(lì)學(xué)生參與教師的科研課題并開(kāi)發(fā)一些前沿性和創(chuàng)新性的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)，提出問(wèn)題、分析問(wèn)題并解決問(wèn)題，可培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立自主從事科學(xué)研究和創(chuàng)新實(shí)踐的能力，最終促進(jìn)學(xué)生綜合素質(zhì)的提高.

2.2 依托科研平臺(tái)所開(kāi)展的教學(xué)實(shí)踐

對(duì)于光纖類(lèi)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生針對(duì)實(shí)驗(yàn)室提供的實(shí)驗(yàn)器材，需要學(xué)會(huì)熟練地切割光纖，清潔光纖斷面；正確地熔接光纖，利用耦合器、隔離器和波分復(fù)用器等搭建光纖鏈路；熟練地使用示波器、光譜儀和自相關(guān)等測(cè)量?jī)x器，對(duì)光信號(hào)的時(shí)域和頻率特性進(jìn)行分析；會(huì)使用仿真軟件如Matlab和Optisystem等，對(duì)光傳輸特性進(jìn)行仿真.

（1）光纖端面處理以及熔接機(jī)的使用. 實(shí)驗(yàn)前，光纖類(lèi)器件務(wù)必要清潔，經(jīng)常使用的器件，端面不可避免會(huì)出現(xiàn)臟污和擦痕情況，這樣器件不適合直接接入到光纖鏈路當(dāng)中. 光纖端面狀態(tài)可以使用光纖端面檢測(cè)儀來(lái)查看. 通過(guò)端面檢測(cè)儀可以清晰地看到光纖端面清潔度情況，如圖1所示，臟污的端面使用前需要用酒精和擦鏡紙小心擦拭干凈，而端面擦痕比較嚴(yán)重的光纖器件，一般不適宜用在實(shí)驗(yàn)當(dāng)中，影響導(dǎo)光質(zhì)量. 圖1（d）是光纖中通入激光的情況，可以看到纖芯處的光斑，從而判斷光纖器件是否導(dǎo)通.

圖1 光纖端面狀態(tài)

在搭建光纖鏈路時(shí)，一般需要熔接機(jī)進(jìn)行熔接. 進(jìn)行熔接的兩段光纖要用光纖切割刀切割整齊. 利用熔接機(jī)的光纖成像系統(tǒng)可以查看裸纖的端面狀態(tài)圖，如圖2所示. 在切割前，首先用剝線(xiàn)鉗剝?nèi)ス饫w的涂覆層，用擦鏡紙將光纖表面擦拭干凈，然后放到切割刀中切割. 圖2（a）和2（b）為切割刀操作不當(dāng)而出現(xiàn)的2種典型情況切割面，一種為斷裂的端面，可觀(guān)察到表面參差不齊有裂痕，表明光纖沒(méi)有有效地切割，另一種切割面傾斜，這兩種情況都不適宜在熔接機(jī)進(jìn)行下一步的熔接，需要重新進(jìn)行切割. 正確切割后的光纖端面平整清潔，近似垂直于光纖軸，如圖2（c）所示.

圖2 切割端面狀態(tài)圖

圖3 熔接實(shí)驗(yàn)過(guò)程

將切割好的光纖放入熔接機(jī)中，熔接機(jī)在自動(dòng)熔接前會(huì)根據(jù)當(dāng)前光纖的狀況判斷是否執(zhí)行熔接，一般情況下，光纖端面有臟污，端面切割不整齊，端面切割傾斜，左右光纖放置過(guò)近或者過(guò)遠(yuǎn)等，熔接機(jī)將會(huì)出現(xiàn)警告提示. 圖3 給出的是熔接實(shí)驗(yàn)過(guò)程圖，熔接機(jī)自動(dòng)對(duì)齊纖芯，然后放電熔接，左右光纖熔接好后，顯示器中會(huì)給出熔接點(diǎn)的損耗，根據(jù)損耗大小確定是否需要重新熔接.

（2）Matlab 軟件仿真和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)結(jié)合：光纖孤子脈沖的產(chǎn)生. 利用軟件仿真和實(shí)驗(yàn)測(cè)量是進(jìn)行科學(xué)研究的常規(guī)方法. 軟件仿真一方面能夠有效地彌補(bǔ)硬件實(shí)驗(yàn)中存在的缺點(diǎn)，另一方面可以將抽象的理論知識(shí)具體化，形象化，便于和實(shí)驗(yàn)觀(guān)察結(jié)果相互印證，從中可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，深入理解實(shí)驗(yàn)的物理內(nèi)涵［11-12］. 下面以光通信系統(tǒng)中的孤子的產(chǎn)生為例，從Matlab仿真和實(shí)驗(yàn)測(cè)量2方面對(duì)這一知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行研究. 孤子通信技術(shù)是當(dāng)前最為先進(jìn)的技術(shù)形式，孤子超強(qiáng)的傳輸能力于1988年已被實(shí)驗(yàn)所驗(yàn)證. 教材中對(duì)孤子的產(chǎn)生解釋為群速度色散和非線(xiàn)性之間的平衡，在平衡狀態(tài)下，孤子脈沖在長(zhǎng)距離傳播中能夠保持波形不變，但很多同學(xué)對(duì)什么是孤子并沒(méi)有清晰的認(rèn)識(shí). 孤子脈沖在光纖中傳輸過(guò)程可以用Mat?lab軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，采用的方法為分步傅里葉法，光脈沖傳輸方程用非線(xiàn)性薛定諤方程組來(lái)描述，光纖鏈路中的器件用瓊斯矩陣來(lái)等效. 圖4給出的是仿真和實(shí)驗(yàn)中輸出的孤子脈沖，4（a）為仿真結(jié)果，可以看出激光器輸出間隔相等、振幅大小一致的脈沖序列，4（b）為高速示波器中觀(guān)察到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，輸出的脈沖序列與仿真結(jié)果保持一致，圖4（c）為自相關(guān)測(cè)出的單個(gè)孤子的輪廓，為雙曲正割型. 由于知識(shí)結(jié)構(gòu)的差異，光纖中孤子傳輸?shù)姆抡婺M對(duì)于本科學(xué)生有些困難，要求學(xué)生有較強(qiáng)的物理建模能力，這一課題的開(kāi)展需要在老師的指導(dǎo)下進(jìn)行，通過(guò)編程，學(xué)生能夠深刻地理解孤子在激光器中產(chǎn)生物理機(jī)制，然后學(xué)生結(jié)合實(shí)驗(yàn)操作，直觀(guān)地觀(guān)察到孤子的產(chǎn)生，仿真模擬與科研實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，更能激發(fā)出學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生獲得學(xué)習(xí)成就感，能夠達(dá)到很好的教學(xué)效果.

圖4 孤子脈沖的產(chǎn)生

（3）Optisystem 軟件仿真和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)結(jié)合：四波混頻現(xiàn)象的觀(guān)察. Matlab 自編程序進(jìn)行仿真，對(duì)學(xué)生的知識(shí)能力要求較高，對(duì)于更復(fù)雜的系統(tǒng)研究和分析，可以選用系統(tǒng)仿真軟件Optisystem來(lái)完成［13-14］. 學(xué)生在仿真的過(guò)程中，可以自由設(shè)定各個(gè)通信模塊的參數(shù)，從而對(duì)整個(gè)通信系統(tǒng)有一個(gè)直觀(guān)的印象［15］. 下面對(duì)光纖傳輸過(guò)程中的四波混頻現(xiàn)象的觀(guān)察為例，從Optisystem仿真和實(shí)驗(yàn)角度來(lái)探索這一知識(shí)點(diǎn). 如圖5（a）所示，在Optisystem 軟件中選擇合適模塊搭建系統(tǒng)，如激光器模塊、波分復(fù)用模塊、光纖模塊以及光譜儀模塊等，系統(tǒng)搭建簡(jiǎn)單明了，激光器發(fā)出的兩個(gè)波長(zhǎng)不同的光（稱(chēng)為泵浦光）通過(guò)波分復(fù)用器耦合至光纖中傳輸，設(shè)置好各個(gè)模塊的參數(shù)，運(yùn)行后點(diǎn)擊光譜儀模塊，就可以顯示出四波混頻的光譜圖，如圖5（b）所示，可以看出兩泵浦光相互作用，將能量轉(zhuǎn)移到長(zhǎng)波長(zhǎng)和短波長(zhǎng)波段，產(chǎn)生2個(gè)新的頻率成分，這個(gè)現(xiàn)象就是四波混頻. 在實(shí)驗(yàn)中，我們可以搭建激光器平臺(tái)來(lái)研究這一現(xiàn)象，如圖5（c）所示，利用F-P濾波器產(chǎn)生梳狀濾波，高非線(xiàn)性光纖增強(qiáng)腔內(nèi)非線(xiàn)性效應(yīng)，調(diào)節(jié)偏振控制器，便可得到四波混頻鎖模光譜，如圖5（d）所示，多個(gè)波長(zhǎng)的光在四波混頻效應(yīng)作用下，能量相互轉(zhuǎn)移，形成邊帶能量逐漸減低的類(lèi)三角形輪廓的梳狀光譜. 通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)，同學(xué)們很容易理解四波混頻產(chǎn)生所需要的條件，物理概念明確，并能夠直接觀(guān)察到四波混頻的現(xiàn)象. 因此這一科研課題的研究體現(xiàn)教學(xué)的綜合性、系統(tǒng)性和自主性，學(xué)生運(yùn)用自身已具備的知識(shí)體系和實(shí)踐技能，主動(dòng)地探究科學(xué)規(guī)律，獨(dú)立完成具體科研任務(wù)，增強(qiáng)自主實(shí)踐能力.

圖5 四波混頻現(xiàn)象的觀(guān)察

利用科研平臺(tái)中現(xiàn)有的各種條件和資源，通過(guò)科研軟件仿真和動(dòng)手實(shí)踐的方式，合理地設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，對(duì)光纖通信課程中的一些物理現(xiàn)象進(jìn)行觀(guān)察和研究，可以使枯燥的理論知識(shí)具體化和形象化. 因此，依托科研平臺(tái)輔助光纖通信教學(xué)，可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性，讓學(xué)生在實(shí)踐中學(xué)習(xí)，在實(shí)踐中培養(yǎng)分析和解決問(wèn)題的能力，從而達(dá)到這門(mén)課程的教學(xué)效果.

3 結(jié)論

依托科研實(shí)踐平臺(tái)進(jìn)行教學(xué)可作為光纖通信課程課堂教學(xué)的重要補(bǔ)充，在培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神和實(shí)踐應(yīng)用能力方面具有重要的作用. 本文以通過(guò)3個(gè)教學(xué)實(shí)例，把理論教學(xué)、工程實(shí)踐和科研實(shí)踐三者有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，充分地體現(xiàn)了教學(xué)促進(jìn)科研，科研反哺教學(xué)的教學(xué)理念. 因此，整合現(xiàn)有科研平臺(tái)資源，加大光纖通信課程教學(xué)改革力度，使科研平臺(tái)成為培養(yǎng)創(chuàng)新應(yīng)用型人才的基地.