光纖與光器件實驗的教學設計與探討

明憲兵

關鍵詞 光纖 光器件 實驗教學

中圖分類號：G424 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2019.09.051

Abstract According to the main teaching knowledge of optical communication， this paper designs the experimental content based on optical fiber and optical devices， which is closely combined with theoretical knowledge. The experimental results show that the experimental content is practical and the experimental time utilization efficiency is high， which is beneficial for students to master the main knowledge of optical communication experiment.

Keywords optical fiber; optical device; experiment teaching

0 引言

專業課的實驗教學是大學教育的重要環節，在鞏固專業課理論知識和培養大學生專業動手能力方面具有非常重要的作用，也為培養大學生創新創造能力提供了重要平臺。因此專業課的實驗過程必須以培養人才為目標，以提升大學生綜合實踐能力宗旨，不斷將新的實驗教學方法引入到教學中，探索新時期的專業課實驗教學模式。

光通信是以光學纖維作為信息傳輸媒介的通信，在近幾十年中，光通信技術獲得了突飛猛進的發展，已從實驗室研究熱點成為商業化的強大應用實體。光通信技術作為一門進入光通信領域的一門課程，目的是讓大學生學習和掌握光通信的基本理論、組成部件及系統設計測試相關知識，為學生今后從事光通信系統的研發、維護和應用工作提供基礎。為培養光通信方面的專業人才，國內外各高校的光電專業或通信專業均已開設了相關課程。光纖與光器件實驗是我校光電信息科學與工程專業培養方案中新開設的針對本科生第七學期的實驗課程，為今后學生在光通信領域就業或者繼續升學深造進一步拓展了知識結構。

1 目前實驗教學存在的問題

（1）存在課程內容多和實驗學時少之間的矛盾。光通信系統涉及的內容比較多，包括光通信系統的組成、光纖與光纜的基本結構與性能、光傳輸理論與光波導技術、有源光器件和無源光器件的工作原理、同步數字體系與WDM光網絡、光通信系統的設計及測量等。考慮到光通信系統的主要內容及實驗學時的限制，如何協調光通信實驗內容和實驗學時之間的矛盾是首要解決的問題。

（2）實驗儀器少和學生多之間的矛盾。光學類實驗材料或儀器價格偏貴又容易損壞，例如長度約20cm纖芯直徑4 m的單模光纖價值數千元，實驗耦合過程中容易折壞。而購買實驗儀器的經費有限，實驗設備數量與學生人數不匹配，不能滿足學生每人一套實驗設備的條件，協調好實驗儀器少和學生多之間的矛盾也極為重要。

（3）實驗方法和教學手段單一，學生實驗積極性不高。傳統教學為指導老師講授實驗目標、實驗步驟、預期實驗結果等，學生被動的按照老師講授的固定步驟快速做完實驗的實驗教學模式。從表面上看學生已成功做完實驗，但學生收獲甚微，且學生思考空間有限，不能充分發揮學生的創新能力，學生的學習能動性不高。

（4）考核方式簡單。傳統的實驗教學考核主要以學生預習時寫得實驗報告和實驗結束后的實驗數據為主。這種考核方式不能綜合反映出學生的實驗知識掌握程度，問題探索分析能力、創新能力的考核在這過程中沒有得到充分的體現。

2 光纖與光器件實驗內容設計

實驗裝置是由西安超凡光電設備有限公司提供，共8個實驗，32個學時，單次實驗的人數為半個班級14人，2個班級輪流進行實驗教學。設計的具體每個實驗的名稱見圖1。實驗一是光源與光纖耦合實驗，把650nm半導體激光器產生的激光通過光耦合器最大限度地輸送到芯徑為4 m的單模光纖中，調節四維架使光功率計測得的光纖輸出功率最大。實驗二是光纖數值孔徑的測量實驗，數值孔徑是表征光纖接收光能力大小的重要參數，也是衡量光纖與光器件耦合效率的度量參數。本實驗用光斑直徑法測量光纖數值孔徑，測量光纖輸出端到白屏距離L及光斑直徑D，根據數學三角關系計算得到光纖數值孔徑大小。實驗三是光纖傳輸損耗的測量實驗。光纖傳輸損耗對光纖通信中光信號的傳輸距離有重要影響，本實驗使用插入法測量光纖對1310nm和1550nm波長激光的損耗。實驗四是光纖色散的測量實驗。在光纖中注入激光波長1550nm的脈沖，測量該脈沖通過一定長度L的光纖后的展寬量t，通過公式計算該光纖的色散。實驗五是波分復用/解復用器的測試實驗。波分復用/解復用是將兩種光波信號經復用器耦合到一根光纖內傳輸或將不同波長的光波信號進行分離。本實驗使用光功率計測量波分復用/解復用器對1310nm和1550nm光信號的串擾和隔離度進行測試。實驗六是光開關的測試實驗。在加電和不加電情況下，在監視端口上測試光開關對不同光路的切換。實驗七是光纖隔離器的測試實驗。測量隔離器正向和反向連接時對紅外光源的光功率，并計算得出對不同紅外光波的隔離度。實驗八是開放式光路的模擬仿真實驗，用光學軟件設計不同分支結構的光路器。

（1）使用小班實驗教學。我校光電信息科學與工程共四個班，本門實驗每年選課人數約兩個班56人左右，每次實驗人數半個班14人，可以保證在實驗過程中與學生的充分溝通與交流。實驗分組時，對動手能力和創新能力強的學生合理分組搭配，達到優勢互補和團隊協作培養。本實驗還利用了網絡輔助的形式，把課程相關資料上傳于班級共享網絡平臺，學生可以提前預習或回顧復習實驗內容。

（2）實驗與光通信研究的主要內容緊密結合。實驗覆蓋了光通信領域的重要知識點，既包含光通信基礎知識的理解又注重光器件的測試操作的訓練。例如實驗二是根據光路的傳輸原理進行設計，需要學生了解數值孔徑實驗系統的基本結構和工作原理，自行搭建光路，根據光的折射原理推導驗證數值孔徑的表達式。從實驗操作中學生可以熟悉光纖的分類和結構特點，了解數值孔徑的定義和物理計算方程，掌握測試數值孔徑的方法。

（3）前后實驗聯系緊密，關聯性強。例如實驗一光源與光纖耦合實驗是實驗二是光纖數值孔徑的測量實驗的基礎，實驗一把波長650nm激光通過光耦合器輸送到4 m的光纖中，使光功率計測得的光纖輸出功率最大，把光纖輸出光通過準直裝置入射到十字白屏上即可測試實驗二的數值孔徑。

（4）實驗組織合理，注重設計操作。每次的實驗分為教師理論講解部分和學生實踐操作部分。理論講解多采用提出問題的方式，比如講到光在光纖中傳輸時就結合光的折射原理和全反射原理對學生進行考察，提高學生的積極性。學生在實驗中，針對具體實驗目的進行進行光路的搭建和參數的測量，實驗難易程度適中，多為設計操作型實驗。

（5）增加光路模擬仿真，豐富實驗內容。在開設光通信常規實驗的同時，開展光學軟件模擬仿真教學，利用Rsoft/BPM軟件設計不同分支結構的光路圖，實驗中用光學軟件進行仿真設計可以使實驗變得更具有開發性，培養學生設計復雜光路能力，提高學生對光信號傳輸的認識，激發學生的學習興趣。模擬實驗不收實驗儀器的限制，更加靈活經濟。

（6）改進教學方法和考核方式。采用教師引導為輔、學生自主學習為主的實驗教學方式，并利用電子教案、動畫模擬視頻和網絡課件等現代化工具輔助實驗教學，提高教學質量。實驗內容按照先易后難的順序，例如先從光纖耦合開始理解光纖的機構，接下來做一些光器件的測試，最后給定一個光路設計主題，學生靈活運用光通信理論自主設計不同分支結構不同功能的光路。這種自主漸進式實驗方式可以激發學生實驗興趣、提高創新能力。對于光路設計實驗，針對設計光路實用性和創新性進行綜合評估，考核學生的創新能力和設計能力，減少實驗報告和實驗數據在考核結果中的比重。

4 結束語

光纖與光器件實驗是我校光電信息科學與工程專業新開設的針的實驗課程，內容定位為光通信系統的理論知識和光器件間光路的設計與搭建。32個學時內安排了8個實驗，實驗內容充實，光通信理論知識與實驗內容緊密結合，難度適中，實驗對培養動手能力強光通信人才具有一定的意義。

參考文獻

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