光電類課程虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)的構(gòu)建與應(yīng)用*

陳琳

金陵科技學(xué)院 網(wǎng)絡(luò)與通信工程學(xué)院 江蘇 南京 211169

引言

中華人民共和國教育部《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃》指出虛擬仿真實驗教學(xué)是高等教育信息化建設(shè)的重要內(nèi)容，是學(xué)科專業(yè)與信息技術(shù)深度融合的產(chǎn)物，是實驗教學(xué)方式的重要補充[1]。此外，教育部先后下發(fā)了《關(guān)于 2017-2020 年開展示范性虛擬仿真實驗教學(xué)項目建設(shè)的通知》（教高廳[2017]4號）[2]和教育部《關(guān)于開展國家虛擬仿真實驗教學(xué)項目建設(shè)工作的通知》（教高函[2018]5號）[3]等文件，足見對虛擬仿真教學(xué)的重視。近年來國內(nèi)各高校也積極響應(yīng)教育部的號召，廣泛開展虛擬仿真實驗教學(xué)項目申報，競爭激烈。虛擬仿真實驗教學(xué)越來越受到各大高校的歡迎和重視。

光電技術(shù)產(chǎn)業(yè)擁有巨大的發(fā)展?jié)摿蛷V闊的應(yīng)用前景[4-6]。我國是光電技術(shù)產(chǎn)業(yè)大國，隨著新技術(shù)和相關(guān)產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，光電技術(shù)產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為新的經(jīng)濟增長點和國家的支柱產(chǎn)業(yè)。光電技術(shù)行業(yè)的飛速發(fā)展，意味著企業(yè)對光電技術(shù)相關(guān)人才的高度需求，因此，為了滿足社會需求，近10年來，許多高校先后創(chuàng)辦了光電技術(shù)相關(guān)專業(yè)。

光電技術(shù)相關(guān)專業(yè)多為新興專業(yè)，普遍存在專業(yè)辦學(xué)時間短、實驗教學(xué)條件不夠完善的問題，加上專業(yè)自身存在的一些常規(guī)實驗教學(xué)條件下無法開展的、高成本的、不可及及不可逆的實驗，如：①光電器件及材料的研究和教學(xué)過程中，大量的微觀結(jié)構(gòu)及變化過程需要深入原子、電子和分子等微觀層次，常規(guī)實驗條件難以觀測。②教學(xué)及研究中涉及的新光電器件及材料，存在開發(fā)過程耗時長、難以實現(xiàn)等問題。如光電器件的開發(fā)，通常需要理論模擬設(shè)計及優(yōu)化、實物研制的過程，研究周期長，并且需要投入大量的人力物力財力，常規(guī)實驗條件難以實現(xiàn)。③行業(yè)最新成果轉(zhuǎn)化到本科教學(xué)的周期長，往往需要成果成熟并投入市場之后才可以實現(xiàn)，造成教學(xué)和產(chǎn)業(yè)需要的脫軌。④光電器件與材料的研制，需要用到易燃、易爆等危險性材料，難以保證學(xué)生在安全的前提下，順利完成實驗，無法在本科教學(xué)中開展。⑤光電器件性能的研究，涉及其工作時內(nèi)部發(fā)生的光、電、熱、力等過程，這些過程難以直觀地展示給學(xué)生，只能通過外部測試加虛擬仿真實驗的手段來分析。由此可見，在光電技術(shù)相關(guān)專業(yè)教學(xué)中引入虛擬仿真實驗教學(xué)尤為必要也勢在必行。

1 虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)

當前，各高校虛擬仿真實驗內(nèi)容上通常是針對某一門課或某一組相近實驗，本項目將光電技術(shù)相關(guān)專業(yè)的相關(guān)知識點綜合提煉為一個工程系統(tǒng)，包括3個光電模塊（如圖1）：①光信息的產(chǎn)生（電光轉(zhuǎn)換）；②光信息的傳輸（光通信）；③光信息的探測（光電轉(zhuǎn)換）。學(xué)生在學(xué)習過程中既可以鞏固光電的專業(yè)基礎(chǔ)知識，又接觸到綜合知識以及行業(yè)產(chǎn)業(yè)的最新成果，促進學(xué)生知識能力素質(zhì)的有機融合，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜問題的綜合能力。

圖1 光電工程系統(tǒng)

模塊一：光信息的產(chǎn)生。

此模塊解決的主要問題就是電信號到光信號的轉(zhuǎn)換過程，可實現(xiàn)電光轉(zhuǎn)換的器件有發(fā)光二極管、激光器、液晶顯示器、陰極射線管以及等離子顯示板等器件，其中最具代表性的當屬激光器，它功率很高，激光射出沾到易燃物引起火災(zāi)，在運行時會可能會產(chǎn)生有害氣體，最重要的是激光會對人的眼睛和對皮膚造成損害，而且對眼睛的傷害是永久性的，正因為它的高危險性，不可能將激光器引入本科實驗教學(xué)中，此外，激光器結(jié)構(gòu)及工作原理較復(fù)雜，僅憑二維圖片講解，教學(xué)手段較生硬，教學(xué)過程較枯燥，教學(xué)效果不理想，因此需要構(gòu)建虛擬仿真實驗系統(tǒng)，CST STUDIO SUIT 是適于模擬激光器進行的一個專業(yè)軟件。

CST STUDIO SUIT（CST）是一款專業(yè)的三維電磁場模擬仿真軟件，該軟件在有限積分法的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了復(fù)雜結(jié)構(gòu)下的多物理場的數(shù)值求解。相比于其他的電磁仿真軟件，CST具有操作簡單、功能全面、界面友好等諸多優(yōu)勢。

利用CST對激光器進行三維結(jié)構(gòu)建模，如圖2所示，學(xué)生和教師一起觀察器件內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其工作情況，不僅形象生動，也可以使學(xué)生的在學(xué)習中更具主動性，調(diào)動學(xué)生的積極性，達到更好的教學(xué)效果。

圖2 激光器三維結(jié)構(gòu)

模塊二：光信息的傳輸。

此模塊解決的主要問題是光通信技術(shù)，即將模塊一產(chǎn)生的光信號進行傳輸，其主要載體是光纖，從1991年起，我國開始大力發(fā)展光纖通信，同時十分重視光通信器件的研發(fā)，通過國家技術(shù)發(fā)展計劃安排專題，組織技術(shù)攻關(guān)，跟蹤國際先進技術(shù)等措施的實施，極大地推動了光通信器件的研究開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化工作。然而，1970年以前，由于光纖的傳輸損耗非常大，光學(xué)通信技術(shù)只是一個在學(xué)術(shù)上討論的問題。1970年，研究人員首次公開表示可以制造低損耗的光纖。在過去，光纖的傳輸損耗為 2000dB/km，而現(xiàn)在這一損耗已降至20dB/km。低損耗的光纖仍然是目前研究的熱點，然而，傳輸損耗涉及大量的微觀結(jié)構(gòu)及過程，需要從原子核、電子、原子和分子等微觀粒子的層次出發(fā)，傳統(tǒng)實驗手段無法觀測及評估不同材料的傳輸損耗，利用COMSOL Multiphysics進行虛擬仿真可以解決這一問題。

COMSOL Multiphysics是一款數(shù)據(jù)仿真軟件，具有集成度高、仿真速度快等優(yōu)點。在材料微觀特性如光傳播、熱特性以及電導(dǎo)率等方面，COMSOL表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢。

利用COMSOL建立石英玻璃制成的單個階躍折射率波導(dǎo)模型。內(nèi)部纖芯由折射率為 n1=1.4457的純石英玻璃制成，包層添加了其他物質(zhì)，折射率為n2=1.4378。圖3是仿真結(jié)果，該圖是在有效模式折射率為1.4444時繪制的。將該虛擬仿真實驗引入教學(xué)中，從微觀角度觀測光纖傳輸損耗，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習興趣。

圖3 電場z分量的表面圖

模塊三：光信息的探測。

此模塊解決的主要問題就是光信號到電信號的轉(zhuǎn)換過程，即接收模塊二傳輸來的光信號并將其轉(zhuǎn)化為電信號，可實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的器件有光敏電阻、光電池、PIN管、CCD、光電管以及光電倍增管等器件，其中最能代表光電行業(yè)發(fā)展的最新成果的當屬電倍增管，它種類繁多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價格昂貴，不可能大量購買投入到教學(xué)中，因此應(yīng)用虛擬仿真實驗教學(xué)顯得很有必要。

以一款國內(nèi)光電行業(yè)的尖端器件--大面積微通道板型光電倍增管為例，該光電倍增管擁有完全自主知識產(chǎn)權(quán)，用于江門中微子探測實驗，具備探測面積大、增益高以及探測效高等優(yōu)點，目前雖已批量生產(chǎn)，但僅用于科研實驗，暫時無法投入到日常教學(xué)當中。若采用虛擬仿真軟件，教師在參閱文獻的基礎(chǔ)上，可對該光電管進行建模并運行，結(jié)果如圖4。學(xué)生即可通過電腦，觀察該器件的三維結(jié)構(gòu)，也可以觀察到實際中不可能看到的電子從光電陰極到陽極的運行軌跡，該模型實現(xiàn)了將行業(yè)的最新發(fā)展成果到教學(xué)內(nèi)容的即時轉(zhuǎn)化，使教學(xué)內(nèi)容“不過時”。

圖4 CST模擬的大面積微通道板型光電倍增管的三維模型

以上內(nèi)容僅為三個模塊的幾個虛擬仿真實驗部分實例，構(gòu)建虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)，既需要大量的教學(xué)模型保證系統(tǒng)的完整性，又要求選取的模型可以涵蓋較全面的專業(yè)的知識點。

2 結(jié)束語

積極響應(yīng)國家號召，開展虛擬仿真教學(xué)，不僅遵循教師教學(xué)和學(xué)生學(xué)習規(guī)律，做到理論和實踐相結(jié)合，讓學(xué)生不斷試錯中學(xué)習和實踐，循序漸進，真正實現(xiàn)學(xué)生的探究性學(xué)習和自主學(xué)習，實現(xiàn)理論和實踐能力的雙重提升，而且可將行業(yè)發(fā)展的最新成果、技術(shù)及時投入到本科教學(xué)中，確保教學(xué)內(nèi)容的精彩，實現(xiàn)教學(xué)對科研的實時更進，適應(yīng)經(jīng)濟社會快速發(fā)展對人才培養(yǎng)的新要求，達到立德樹人的教學(xué)目的。