Optisystem軟件應用于《光纖通信》課程中的教學設計

柯潤宇 題瀟穎 葉成蔭

摘要：目前光纖通信課程的講授，多以板書和多媒體相結合，學生對一些重點難點知識點，往往理解不透，且與實際脫節，缺乏未來工作中必備的系統設計能力，現將Optisystem應用于課堂理論教學中，并對教學環節進行設計，教學效果表明，Optisystem軟件與教學的結合，使學生更易于理解課本內容，提高了教學質量和學生的學習興趣。

關鍵詞：光纖通信； Optisystem； 教學設計

1 光纖通信理論教學存在問題及改進

光纖通信是一門多學科交叉融合的課程，具有涉及知識面廣、基礎理論深、技術更新快等特點。[1]目前光纖通信課程的教學通常是將光纖通信系統分為光纖、半導體光源、光發端機、光接收機等模塊分別進行講解，只有簡單的以框圖形式對光纖通信系統進行的總體功能描述，很少對各子模塊進行系統層面的介紹，造成學生不僅重要知識點理解不透，而且缺少綜合性的整體概念，更沒有形成完整系統的設計能力。同時，由于缺乏實際工程項目的訓練，學生不能將所學理論知識和實際應用結合起來，雖然通過理論和實踐教學環節學到了一些專業知識，但不清楚這些知識用在何處以及如何運用。[1]OptiSystem是一款實用的光通訊系統模擬軟件包，它能快速便捷地對不同光網絡進行設計和檢測，同時能利用各種虛擬觀測設備進行分析，操作簡單、結果直觀。[2]目前雖有把Optisystem軟件引入光纖通信課程實驗教學中的案例，但是因為實驗學時有限，且遠遠遲于理論教學，造成學生上實驗之時已缺乏學習興趣，理論理解不深，僅依靠有限的實驗已然不夠，可以提前將Optisystem軟件引入到理論教學中，讓學生對教材上的內容有更直觀的理解。

2 利用OptiSystem進行光纖通信輔助教學的設計

光纖通信主要內容包括光源的發光機理、特性以及以光源為主要組成部分的光發端機、光纖波導傳輸機理、光電檢測器的光電轉換原理及其特性以及以光電檢測器為主要組成部分的光接收機、波分復用技術和摻餌光纖放大器等光纖通信系統相關技術。在這些主要內容中，都可設計引入OptiSystem軟件，提供重要知識點的另一種呈現，加深學生對重要知識點的記憶和難點的理解。下面對光纖通信中幾個重要知識點OptiSystem的引入設計進行介紹。

2.1 光源教學中OptiSystem的引入

半導體激光器（LD）和半導體發光二極管（LED）是光纖通信系統中極其重要的光源元器件，它們位于光發端機，受到調制電流作用將電信號轉化為光信號，其中LED主要應用于短距離低速率的數字光纖通信系統，而LD則廣泛應用于長距離、高速的波分復用系統，無疑半導體激光器具有更廣泛的應用，其性能直接影響到整個光纖通信系統的性能，而LD的PI曲線能夠反映LD重要的發射性能，[3]所以在介紹LD的PI曲線這一重要知識點時設計引入OptiSystem，對LD的發射性能做仿真并可在課堂上展開對仿真結果的討論。

半導體激光器框圖的搭建可以在OptiSystem元件庫選擇電域的非歸零脈沖編碼發生器作為信號源，選擇Laser Rate Equations激光器作為調制光源，激光器輸出端連接光功率計，以及光譜儀（Optical spectrum analyzer），設置系統數據速率，激光器的工作波長，閾值電流，將偏置電流設為線性變化。半導體LD的PI曲線需要添加二維圖形才能看到，具體可通過Report窗口，選擇Opti2DGraph建立圖例，拖動激光器的偏置電流和光功率計中總光功率到圖例，[3]獲得半導體LD的PI曲線圖。傳統教學通常直接通過教科書上已有LD的PI曲線圖介紹閾值電流的概念，小于閾值電流時光源發射的是譜寬較寬且功率較低的熒光，大于閾值電流時光源發射的是譜寬較窄且功率較高的激光，引入Optisystem于光纖通信激光光源的教學中，不僅可以通過設計光源子系統，設置參數，獲取LD的PI曲線圖而且還可以輔之以光譜儀測量的光譜圖，通過實際數據使學生自己觀察得到閾值電流是光源發射LED熒光和LD激光的分界點。

2.2 光纖色散教學中OptiSystem的引入

色散是由于經光源調制的光脈沖具有不同的頻率分量，當不同譜線寬度的光脈沖進入到傳輸系統的時候，將導致不同的傳播速度，在接收端時將產生時延差，因而信號在系統傳送的過程中脈沖會呈現展寬的現象。[4]數據傳送速度越快，脈沖展寬越大，色散越嚴重，這一重要結論可以通過引入OptiSystem軟件仿真給予直觀的演示。

研究色散的仿真系統可以在OptiSystem元件庫中選擇用戶自定義序列發生器作為信號源，連接高斯光脈沖產生器，產生高斯形狀的光脈沖，經過一段普通單模光纖的傳輸，連接到光時域觀察儀（Optical time domain visualizer），設置10Gbit/s和40Gbit/s兩種不同傳輸速率，通過光時域觀察儀讓學生觀察光脈沖形狀發生的變化，通過仿真結果學生們可以直觀并印象深刻的得到這樣的結論，即系統傳輸速率在較低時色散展寬并不明顯，速率變高時，脈寬大幅度展寬，導致嚴重的脈沖失真，在傳輸過程中會引起嚴重的碼間串擾，所以傳輸速率越高色散導致的系統傳輸性能越差。

2.3 光接收機靈敏度教學中OptiSystem的引入

靈敏度是光接收機的重要特性指標之一，是在給定的誤碼率（BER）或信噪比條件下光接收機所能接收的最小光功率，反映光接收機接收微弱信號的能力。[4]對靈敏度的課堂講授通常僅僅向學生介紹概念，學生只是從字面上了解，并不知道這一重要參數在實際中如何測試并獲取。在講授光接收機靈敏度一節時，可以利用Optisystem軟件搭建光接收機靈敏度測試平臺，不僅從實際出發拓展了課本知識，并且加深了對靈敏度這一重要參數的掌握和理解。

光接收機靈敏度測試平臺的搭建可以在OptiSystem元件庫選擇偽隨機碼發生器和非歸零碼（NRZ）脈沖發生器構成信號發生器，采用激光器和馬赫-曾德爾調制器構成的外調制方式，接收端采用光接收機，并將其與誤碼率測試儀進行連接，通過optisystem提供的參數掃描功能，可進行不同input power（輸入功率）下的仿真計算，模擬改變入射到光接收機上的光功率。仿真結束后，通過Opti2DGraph建立關于入射功率和誤碼率最小對數值之間關系的曲線圖。

通過曲線圖可以讓學生討論入射光功率與誤碼率之間的關系，最終得出隨著接收機接收到的光功率降低，誤碼率增加這一結論。為了降低誤碼率，需要增加接收機接收到的光功率。在此光接收機靈敏度測試平臺下，還可以設置不同的調制速率，讓學生觀察不同傳輸速率對誤碼率的影響，最終得出結論當傳輸的碼速增加時，誤碼率也在增加，為了獲得在較高碼元速率情況下能與低碼元速率具有相同的誤碼率，只能提高發射機的光功率，所以調制速率和靈敏度是一對矛盾體。

3 結論

本文首先分析了光纖通信課程的特點和教學中存在的問題，提出將Optisystem仿真軟件引入到光纖通信技術的課堂理論教學之中，Optisystem軟件可以應用于光纖通信課程中多處教學環節，本文僅對重要的幾處進行了詳細的教學環節設計，利用Optisystem仿真平臺進行輔助教學，既可以使理論知識直觀形象化，便于學生的理解，同時可以使學生將所學理論知識和實際應用結合起來，提高學生的系統設計能力。在以后的光纖通信理論教學中應思考如何更多的引入Optisystem并合理的進行教學設計，以便進一步提高教學效果和質量。

參考文獻：

[1]李理敏，曾國強.“光纖通信”課程教學改革的探索與實踐[J].《軟件導刊（教育技術）》.2017（09）：6465.

[2]周玲.《光纖通信》課程教學改革的探討[J].湖南科技學院學報.2015（10）期：3940.

[3]段武.基于OptiSystem的半導體激光器PI曲線仿真研究[J].信息化建設，2016（3）：240241.

[4]王曉艷.通信系統中的色散管理與設計[J].中國新通信，2018：2526.

[5]李明宇.光收發模塊時域特性測試仿真及實驗教學[J].實驗技術與管理，2018（1）：2526.

[6]趙崇俊.高速光纖通信系統中調制格式與四波混頻效應研究[D].西安：西安電子科技大學，2012.

作者簡介：柯潤宇（1998），男，漢族，江蘇蘇州人，學生，研究方向：光纖通信系統；題瀟穎（1983），女，漢族，遼寧沈陽人，碩士，講師，研究方向：光纖通信系統；葉成蔭（1977），男，漢族，遼寧撫順人，博士，副教授，研究方向：計算機網絡。