基于Optisystem的光纖通信雙語課程的教學實踐研究

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的重要專業課程。針對光纖通信課程中的概念抽象，實驗難度大等幾個主要問題，筆者利用OptiSystem軟件的特點，以OptiSystem與課本相結合為主線，以知識構建和應用能力培養為重點，提出概念器件化的課程體系與先虛后實，先模擬后器件的分層次教學實驗體系，并通過一個具體實例增強學生對光纖通信系統的正確認知與創新能力。

關鍵詞：光纖通信 實驗 OptiSystem

中圖分類號：G642.44 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）09（b）-0006-04

光纖通信系統作為國家級電信網的骨干系統，光纖通信技術以其獨特的優勢成為我國發展最快的技術之一，因此“光纖通信”課程近年來一直作為我國理工科院校的重點專業課程。該課程開設的目的是使學生掌握光纖通信技術的基本原理、光纖通信系統的基本構成以及系統設計方法，了解光纖通信技術的實際應用和最新發展方向，為今后從事通信領域的工作打好必要的專業基礎[1-2]。

由于課程涉及面廣以及物理概念繁雜深奧，使學生理解起來非常困難。而且，由于光纖通信的設備器件都很昂貴，限制了國內大部分院校的實驗僅通過簡單的光纖實驗箱完成，對實驗過程中的每個器件的輸出結果無法觀察分析，導致學生對光纖傳輸系統并沒有一個全局的認識。目前，針對“光纖通信”的教學實踐中存在以下幾個問題：（1）概念抽象難懂，器件構造原理復雜，不適合學生融會貫通掌握知識。（2）課堂教學模式單一，不能很好地調動學生的積極性與創造性[3]。（3）實驗設備簡單，實驗內容涉及面窄。

目前國內研究光纖通信的主流軟件包括VPI和OptiSystem。由于VPI軟件昂貴，多用于科學研究，用于本科教學不現實。而OptiSystem是一款創新的光通訊系統模擬軟件包，它集設計、測試和優化各種類型寬帶光網絡物理層的虛擬光連接等功能于一身，從長距離通訊系統到LANS和MANS都可使用。OptiSystem具有強大的模擬環境和真實的器件與系統的分級定義。它的性能可以通過附加的用戶器件庫和完整的界面進行擴展，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計、器件模型和演示，巨大的有源和無源器件庫包括實際波長相關的參數[4]。

筆者將OptiSystem引入“光纖通信”教學中，以OptiSystem與課本相結合為主線，以知識構建和應用能力培養為重點，選擇與專業核心要素有關的基礎理論知識，用OptiSystem中的光器件理解抽象概念，用課本中的概念去指導實踐中器件的選擇。在此基礎上進行光纖通信課程的實踐教學體系的構建，將OptiSystem模擬仿真與實驗相結合，增強學生對光纖通信系統的正確認知能力與創新能力。

1 建立基于OptiSystem的概念器件化的教學方法

突出基本理論基本分析方法和知識的應用，讓學生在首次接觸該課程時，從了解生動的發展歷史入手，接觸到一個開闊的視野，對所有相關課程的融會貫通，以突出“光纖通信”課程的理論性和完整的系統性，而不是讓其產生理論堆積的錯覺。所謂“概念器件化”就是將光器件引入基本概念的講解中，每個光器件都對應著相關參數，而這些參數對光通信系統的影響，可以通過設置OptiSystem中相關光器件參數改變系統傳輸，從而讓學生對抽象的概念有更加形象的認識。

以光纖通信課程中光纖一章為例，此章占全課程的課時最多，重要程度可見一斑。以光纖相關概念為例，課程涉及到光纖及光波導的基礎知識，光波導中模式、色散、損耗和偏振等基本概念，以及光纖的類型。這些理論是相當抽象的，傳統的教學無非是將一些動畫Flash與PPT相結合，觀察光線在光纖中的傳播路徑，而對于光纖的線性與非線性效應還是不能透徹理解。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其進行模擬，就能將抽象的概念形象化，有助于學生的理解。以標準光纖為例，在OptiSystem中標準光纖的參數設定參數如圖1所示。

圖1（a）為標準光纖的主參數設置，其中主要包括光纖的參考波長，傳輸長度和衰減系數等。圖1（b）中為標準光纖的色散參數相關設置，主要包括群速度色散，三階色散和色散參數等。當然關于光纖的參數還有其他選項卡可以設置，常用的有偏振模選項卡和非線性選項卡等如圖1（b）所示，這里就不一一介紹了。這些參數均在“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中對這些參數進行設置與仿真，通過改變相關參數用頻譜儀觀察波形變化，可以使學生對這些概念的理解更加深入。

針對課程，筆者對所有章節所需要的相關光器件進行分類，在講授相關章節時重點進行介紹。對于第三、四章，主要介紹標準單模光纖與非線性光纖。第五章光發送機主要將LED（發光二極管）與LD（激光器）引入課程。第六章接收機主要引入PIN（光電二極管）與APD（雪崩二極管）。第七章光網絡中將引入偽隨機序列，信號發生器，波分復用器，光調制器，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實驗的設計與驗證。

2 先虛后實，先模擬后器件的分層次教學實驗體系

分層次的實踐教學模式，將實踐教學劃分為基礎認知型、綜合型和創新設計型3個層次。另外，由于目前 “光纖通信”課程的實驗都是基礎實驗，由于光器件的昂貴和易損特性，因此這些基礎性實驗都是通過實驗箱完成的。涉及的實驗結果都是僅僅通過示波器觀察最后的波形，結果形式單一，操作過于簡單，而且幾個實驗的內容過于基礎已經滿足不了發展迅速的光通信現狀，因此，采用低成本、更貼近實驗的OptiSystem軟件來更深入地學習“光纖通信”課程勢在必行。在傳統的“光纖通信”課程實驗中，由于學生對器件的不了解和操作方法不當，實驗箱上很多小器件的都被燒壞。如果在實驗前，學生能夠先使用Optisystem進行搭建與模擬仿真，就可以避免這種情況的發生。而且學生還可以通過頻譜分析儀觀察每個光器件的輸出結果，這樣有利于對結果的分析與對錯誤結果的調整，也有利于學生在實驗箱上的正確操作和對實驗結果的正確認知。此外，筆者還將在基礎實驗的基礎上增加綜合性實驗和擴展性實驗，以提高學生的綜合分析能力和實踐能力。

筆者將以一個擴展性實驗實例來說明OptiSystem引入教學實驗體系的重要性。該實例是復用信號的全光波長變換實驗如圖2。里面涉及到光纖通信的若干知識點，包括偏振復用，四波混頻，光信號調制與解調等。此系統采用連續激光模塊（CW laser）生成系統光載波，其中泵浦光CW1、CW2參數設置分別為：頻率為193.24 THz、193.2 THz（，信號光參數設置為，頻率為193.05 THz。信號光經過偏振器（Power Splitter）后成為一對正交的偏振光，調制后經偏振合束器（Polarization Combiner）合束后與兩個平行的泵浦光經耦合器耦合并送入半導體光放大器（SOA）中進行全光波長變換。

調制部分用偽隨機發生序列器（Pseudo Random Bit Sequence Generator）產生速率為2.5 Gbit/s的偽隨機比特流，比特序列輸入NRZ產生器（NRZ Pulse Generator）調制，經偏振分束器分兩路驅動MZ（Mach-Zehnder Modulator）調制器，MZ調制器消光比為30 dB，偏振合束器實現兩路MZ輸出信號的耦合。

解調部分采用光電探測器（PD，Photo Detector PIN），PD響應度設為1 A/W，暗電流設為10 nA，在經過低通濾波器在接收端觀察眼圖。

圖3（a）和（b）分別表示全光波長變換前后的頻譜圖，可以更直觀的了解四波混頻效應。圖4（a）和（b）分別表示接收端的偏振復用信號的眼圖。該實驗還可以通過改變泵浦之間的間距、信號速率、泵浦與信號光之間的間距來觀察實驗結果，得到最優化的參數。以SOA的注入電流項為例，圖5為改變SOA注入電流后，得到偏振復用信號的眼圖與誤碼率曲線。

通過這個擴展性實驗，可以利用軟件仿真的方式，更加直觀地掌握各個參數對光通信系統的性能影響，彌補實驗設備的局限性，開闊學生的視野與知識面同時提高學生的動手能力。

3 結語

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，先模擬后器件的分層次教學實驗體系，并利用OptiSystem設計了光纖通信實驗的一個擴展實驗，可以更加直觀地掌握各個參數對光通信系統的性能影響，彌補實驗設備的局限性，開闊學生的視野與知識面，同時提高學生的認知能力、動手能力。通過該文提出的教學改革與實踐，可以解決光纖通信課程中的概念抽象難懂、器件構造原理復雜、課堂教學模式單一、實驗內容涉及面窄等問題。

參考文獻

[1] 黃永清，陳雪，李蔚，等.光纖通信課程的教學改革[J].電氣電子教學學報，2010（6）：12-13.

[2] 黃震，畢衛紅，張保軍，等.光纖通信教學實踐與總結[J].教學研究，2011，34（3）：58-59.

[3] 徐文云.實驗與仿真在光纖通信教學改革中的應用研究[J]重慶郵電大學學報：社會科學版，2007（S1）：183-186.

[4] 唐志軍，吳笑峰，席在芳，等.基于OptiSystem的光纖通信實驗教學探索[J].西部素質教育，2015，1（12）：48-49.