電子信息工程專業的光纖通信課程教學方法研究

羅彬彬+鄒雪+石勝輝+湯斌+鐘年丙+宋濤+趙明富

摘要：本文闡述了光纖通信課程在電子信息工程專業教學中的重要性，并根據多年的教學經驗討論了電子信息工程專業教學中光纖通信課程的理論教學和實驗教學的內容、方法及手段等。

關鍵詞：光纖通信；理論教學；實驗教學

中圖分類號：G642.41 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）08-0167-03

當代信息高速公路的骨干網絡是由光纖通信網絡構成的，若沒有光纖的發明及相關有源和無源光纖器件的發明和發展，當今的高速信息網絡是無法想象的。但是當今信息產業的高速發展得益于微電子學、光電子學、計算機技術及通信工程等多門學科的快速發展及它們之間的交叉融合。因此，要想成為一名信息技術領域的電子信息工程師、計算機工程師或通信工程師，除了需要掌握本專業的課程知識以外，也應該熟悉現代信息技術的其他相關主要知識，比如光纖通信網絡及其相關器件等。本文從光纖通信技術的研究內容、應用及發展等方面說明其在電子信息工程專業教育中的重要性，并研討電子信息工程專業中的光纖通信課程的理論和實驗教學方法。

一、光纖通信技術簡介

1960年，美國人梅曼（Maiman）發明了第一臺紅寶石激光器[1]，給光通信帶來了新的希望。和普通光相比，激光具有波譜寬度窄，方向性極好，亮度極高，以及頻率和相位較一致的良好特性。激光是一種高度相干光，它的特性和無線電波相似，是一種理想的光載波。繼紅寶石激光器之后，氦—氖（He-Ne）激光器、二氧化碳（CO2）激光器先后出現，并投入實際應用。激光器的發明和應用，使沉睡了80年的光通信進入一個嶄新的階段。

1966年，英籍華裔學者高錕（C.K.Kao）和霍克哈姆（C.A.Hockham）發表了關于傳輸介質新概念的論文，指出了利用光纖（Optical Fiber）進行信息傳輸的可能性和技術途徑，奠定了現代光通信——光纖通信的基礎[2]。在以后的10年中，波長為1.55μm的光纖損耗：1979年是0.20 dB/km，1984年是0.157 dB/km，1986年是0.154 dB/km，接近了光纖最低損耗的理論極限。1970年，作為光纖通信用的光源也取得了實質性的進展。1977年，貝爾實驗室研制的半導體激光器壽命達到10萬小時（約11.4年），外推壽命達到100萬小時，完全滿足實用化的要求。由于光纖和半導體激光器的技術進步，使1970年成為光纖通信發展的一個重要里程碑之年。在今后的幾十年中，光纖通信網絡的逐步商用化帶動了相關信息產業鏈的蓬勃發展[3]。

由于在光纖通信系統中，作為載波的光波頻率比電波頻率高得多，而作為傳輸介質的光纖又比同軸電纜或波導管的損耗低得多[4]，因此相對于電纜通信或微波通信，光纖通信具有許多獨特的優點。綜上所述，可見光纖通信技術在現代信息產業技術中的重要地位，因此，光纖通信技術這門課程不僅是光學工程專業的基礎必修課程[5]，也應該作為電子信息工程專業的專業選修課程來開設。

二、光纖通信課程教學研究

（一）光纖通信課程的理論教學

電子信息工程專業的光纖通信課程的理論知識可以分為四個相互關聯的層次和內容，它們分別是：第一部分，光纖技術的基礎；第二部分，光纖通信器件技術基礎；第三部分，光纖通信系統和網絡；第四部分，光纖與光纖通信系統測量。這四個部分的關系層層遞進，逐漸深入。理論學時總共32學時。

第一部分，光纖技術的基礎。可以先講解光纖通信技術的一些概念性和歷史性的知識，比如：電信技術的發展，光通信的必要性及技術基礎，光纖通信技術的歷史、現狀與未來。此處，可詳細介紹人類對光通信探索的歷史及現代光纖通信技術從學術研究到商業應用的發展里程，并附帶介紹微波通信的發展里程，然后通過比較使用光波進行通信和使用微波進行通信的優缺點及使用光纖材料和使用同軸電纜進行通信的優缺點，讓學生了解光纖通信的巨大優勢。然后可以簡單介紹光纖傳輸的基礎理論——電磁場與電磁波理論中的一些基本概念和現象，重點介紹麥克斯韋方程。最后介紹光纖的模式理論、光纖的結構和類型、光纖的傳輸特性、光纖制造技術與光纜等知識。其中，光纖傳輸特性包括光纖的損耗特性和色散特性，這是該部分的重點知識。總之，筆者認為，第一部分內容的講解方法和手段是非常重要的，不宜講得深奧，而應該結合動畫或者視頻講解光纖的傳光原理，使學生易于接受，才能提高學生對這門課程的興趣，從而繼續學習往后部分的相對枯燥的知識。該部分學時安排為6H。

第二部分，光纖通信器件技術基礎。這部分講述光纖通信系統中的有源和無源光通信器件，這些器件是構成一個完成的光纖通信系統必不可少的部件，學好這部分內容有利于理解后面學習的光纖通信網絡的內容。這部分內容包括：基本光纖器件、光學濾波器、光纖放大器和半導體光電子器件。基本光纖器件包括分波/合波器、光纖活動連接器、光隔離器、環形器和衰減器等；光學濾波器的內容包括Fabry-Perot濾波器、介質膜濾波器、HiBi光纖Sagnac濾波器、Mach-Zender型濾波器、光纖光柵等；光纖放大器的內容包括：摻餌光纖放大器（EDFA）、光纖Raman放大器等。半導體光電子器件的內容包括：普通的半導體激光器（LD）和發光二極管（LED）、FP型雙異質結構激光器、動態單縱模激光器、半導體光放大器（OSA）、PN結光電二極管、PIN光電二極管、APD雪崩光電二極管等。對于每一個光纖器件，講解內容包括這些光纖器件的結構、工作原理、具體參數、應用場合等，應結合動畫或者視頻講解，甚至如果有條件的話，可以在課題上帶上一些體積很小的光纖器件實物給學生講解，比如光纖活動連接器、LD、LED、光纖光柵、PIN光電二極管價格便宜、體積小的光纖器件。該部分學時安排為10H。

第三部分，光纖通信系統和網絡。這部分是本門課程的核心和精華部分，包括光纖傳輸系統、光纖通信網、全光網技術及其發展三大部分。其中，光纖傳輸系統的內容包含：光纖傳輸系統的基本組成、光發送機組件、光接收機組件、光放大噪聲及其級聯、色散調節技術、光纖傳輸系統設計、光纖傳輸系統性能評估。光通信網絡的內容包含：通信網的拓撲結構和分類、準同步數字系統（PDH）、同步數字系統（SDH）、異步傳輸模式（ATM）、互聯網協議、光纖通信網的管理/保護/恢復。全光網技術及其發展的內容包含：通信網絡的發展過程、全光網絡中的傳輸技術（WDM、OTDM、OCDMA和分組交換技術）、無源光網絡（G-PON、E-PON、WDM-PON）、光傳送網（G.709OTN）、自動交換光網絡、全光網的網絡管理、全光網的安全問題。對于每一種光纖網絡技術，講解內容包括這些光纖網絡結構、功能、應用場合等，應盡量使用PPT的圖片、動畫進行講解，PPT上要盡量避免文字上描述。該部分學時安排為12H。

第四部分，光纖與光纖通信系統測量。該部分主要介紹光纖通信工程實施、檢測中一些常用的設備和儀器，在本門課程的實驗教學中都要使用到這些設備，是培養光纖通信工程師的基礎技能知識部分。該部分的內容包括：光功率計的使用、光纖幾何參數的測量、光纖衰減測量、光纖色散測量、光纖偏正特性測量、光纖的機械特性和強度測量、光時域反射計（OTDR）的使用；光接收機靈敏度和動態范圍的測量、光纖通信系統誤碼率和功率代價的測量、眼圖及其測量、光譜分析儀、光纖通信系統的在線監測技術。其中，重點講解光功率計、OTDR、眼圖示波器、光譜分析儀等儀器設備的功能和使用方法。該部分學時安排為4H。

（二）光纖通信課程的實驗教學

對于電子信息工程本科專業而言，畢竟培養的學生不屬于光學工程或光電子技術領域的人才，而且電子信息工程專業本身都有很多屬于自己專業的實驗課程及課程設計，因此，筆者認為光纖通信技術課程的實驗教學應根據該專業學生的理論基礎和將來他們最可能需要的工程能力而設置。因而，筆者建議光纖通信課程的總學時設置為48學時，理論教學學時為32學時，7個實驗的教學學時為16學時。

根據筆者10年來給電子信息工程專業本科學生講授這門課的經驗，認為具體的實驗課程設置如下。

1.插入法測光纖的平均損耗系數。采用插入法測量待測光纖在1310nm和1550nm處的平均損耗系數。掌握插入法測量光纖損耗系數的原理，熟悉光纖多用表的使用方法。學時設置為2個課時。

2.光時域反射計（OTDR）測光纖鏈路特性。用光時域反射計測量光纖鏈路的平均損耗、接頭損耗、光纖長度和故障點位置。了解光時域反射計工作原理及操作方法，學習用光時域反射計測量光纖平均損耗、接頭損耗、光纖長度和故障點位置。學時設置為2個課時。

3.光波分復用（WDM）系統實驗及其誤碼率測量構建1310nm/1550nm光纖波分復用系統并測試其誤碼率，了解光波分復用傳輸系統的工作原理和系統組成熟悉誤碼、誤碼率的概念及其測量方法。學時設置為2個課時。

4.數字光纖通信系統信號眼圖測試。構建數字光纖通信系統并且用數字示波器觀測系統的信號眼圖，并從眼圖中確定數字光纖通信系統的性能。了解眼圖產生的基礎，根據眼圖測量數字通信系統性能的原理；學習通過數字示波器調試、觀測眼圖；掌握判別眼圖質量的指標；熟練使用數字示波器和誤碼儀。學時設置為3個課時。

5.光纖切割與焊接技術演示實驗。利用全自動熔接機向學生演示光纖熔接的全過程，了解光纖的結構和光纖電弧放電焊接原理；了解全自動焊接光纖的過程和使用方法。學時設置為2個課時。

6.光纖光柵光譜特性測試系統的設計實驗。測量光環行器的插入損耗、隔離度、方向性、回波損耗參數；利用PC光譜儀、光環行器和光纖光柵設計光纖光柵光譜特性的測試系統；了解光環行器的工作原理和主要功能；了解光環行器性能參數的測試原理；了解光纖光柵的光譜特性；學習PC光譜儀的使用方法。學時設置為3個課時。

7.光帶通濾波器的設計。測量光耦合器的插入損耗、分光比和附加損耗等參數；利用光耦合器或者光環行器和光纖光柵設計光帶通濾波器。了解2X2光耦合器的工作原理，了解光耦合器各項參數的測試方法。學時設置為2個課時。

通過以上實驗課程，能夠使電子信息工程本科學生對光纖通信系統的基本器件、基本測量系統等有一個比較感觀的認識，而且能夠更加深刻地掌握它們工作的基本原理和基本特性，為將來在具體的工程設計及進一步深造中奠定基礎。

三、結束語

光纖通信技術在國家的信息產業、國防工業中具有舉足輕重的地位，電子信息技術與光學信息技術的結合也越來越緊密。對于當今的電子信息工程專業的學生而言，除了需要掌握本專業牢固的知識和技能以外，了解和掌握光纖通信技術的基礎知識和相關的技術發展趨勢也是必不可缺的。本文通過對電子信息工程專業特點和光纖通信課程內容的分析，討論了該門課程與該專業的內在聯系，分析其重要性，并根據筆者10年來在重慶理工大學電子信息工程專業講授該門課程的經驗，提出了本門課程在電子信息工程專業中的理論及實驗的教學內容、教學重點、教學方法及課程設置等方面的一些意見和建議。

參考文獻：

[1]高旸.激光技術應用現狀與分析[J].物理通報，2007，（11）：50-52.

[2]龍泉.光通信發展的回顧與展望電信網技術[J].2008，（2）：30-32.

[3]曲鵬.光纖通信技術的應用及展望[J].硅谷，2014，7（24）：2-2.

[4]史為超.光纖通信技術應用及發展探究[J].硅谷，2010，（15）：26-26.

[5]耿敏明，張振榮.光纖通信課程教學改革探索[J].大眾科技，2014，16（7）：158-159.