MATLAB 圖形用戶界面在光纖模式理論課堂教學中的應用

胡新廣，程健，鄧子豪

MATLAB 圖形用戶界面在光纖模式理論課堂教學中的應用

胡新廣，程健，鄧子豪

（黃山學院 信息工程學院，安徽 黃山 245041）

光纖模式理論是光纖通信教學中的重點和難點，如何運用現代科學技術將抽象的理論概念形象化具體化來提高教學效果，是課程教學面臨的一個迫切問題．MATLAB常被廣泛應用于數值計算、數據可視化及分析等領域，將其用戶圖形界面設計引入到光纖模式理論的教學中，可以通過圖像來展示抽象的理論和概念，有助于調動學生學習和探討知識的積極性，提高教學效果．

光纖模式理論；MATLAB；圖形用戶界面；仿真

光纖通信是光電、通信類專業本科生的重要專業課程．在光纖通信中，對光纖模式概念的建立和理解是本門課程教學的重點和難點，它是研究光信號在光纖中傳播的理論基礎，在理論和實驗研究中均扮演著十分重要的角色．然而，如同大多數的電磁理論領域一樣，光纖模式理論內容往往涉及大量的數學推導和高超的電磁求解方法，對數學物理功底要求較高；同時其結果較為復雜抽象，不利于學生理解和掌握．

科學計算方法和技術的發展，為人們求解復雜問題帶來了便利，利用其中的可視化編程界面，將復雜數學公式的物理圖像直觀化、形象化，對于提高教學質量[1]和培養學生的基本編程素養以及科學計算能力[2]，是十分有益的．MATLAB在工程分析、科學計算、數據可視化等方面具有十分強大的功能[3]，近年來，其在輔助光學類課程教學方面得到了廣泛應用[4-6]．利用MATLAB軟件提供的圖形用戶界面（Graphical User Interface，GUI），通過任務分解和編程，設計了可用于直觀顯示光纖端面模場分布的仿真界面，實現了對光纖模式的可視化仿真，進而實現了將抽象的理論和概念轉化為形象的視圖化界面，既調動了學生學習的積極性，又提高了教學效果．

1 光纖模式理論

圖1 光纖結構示意圖及其折射率分布

在纖芯和包層的折射率差值較小的情況下（稱為弱導光纖[9]，一般光纖均滿足），式（3）可近似簡化為

在弱導光纖中，EHm+1、HEm-1模式簡并為線偏振模LPm[10]，其橫向電場為

顯然，無論是描述弱導光纖特征方程的式（4），還是描述弱導光纖模場橫截面分布的式（5）都是較為復雜的，如果不采用科學計算和繪圖手段將其形象化具體化處理，是無法透徹理解光纖的模式理論及其所對應的物理含義和物理圖像的．同時，也會使課堂教學顯得枯燥、空洞，降低學生學習的積極性，進而影響對后續內容的理解和掌握．MATLAB提供的圖形用戶界面，恰好可以將復雜抽象的概念和理論進行視圖化處理，為解決光纖模式理論的形象化具體化提供了便利．式（4）（5）是利用MATLAB通過GUI設計分析光纖模式的理論依據．

2 MATLAB圖形用戶界面設計輔助光纖模式理論教學

2.1 弱導光纖中光纖模式值的數值計算

2.2 光纖模場分布的GUI界面設計與仿真

圖2 弱導光纖部分模式的色散曲線

圖3 光纖模場分布的GUI設計界面

對光纖模式色散曲線和模場分布的視圖化分析表明，將MATLAB的GUI界面設計應用到光纖模式理論的課堂教學中，可以將抽象的模式理論概念通過圖示參數的變化而加以直觀化顯示，加深了學生對光纖模式理論的理解和認知．同時，GUI界面設計中涉及的繪圖技能有利于培養學生的科學計算和數據處理能力，GUI界面設計面板的靈活性和回調函數的運用則調動了學生學習的積極性，提升了教學效果．

圖4 利用GUI設計界面繪制的不同模式的模場分布

3 結語

通過MATLAB的GUI界面設計，實現了對部分光纖模式模場分布的可視化仿真．通過對該設計界面的任務分解和編程，有助于使學生準確認識和理解光纖中的模式概念，激發學生對人機交換界面設計的興趣；有助于進一步激發學生學習和練習使用GUI界面設計的熱情，同時培養學生具備基本的科學計算和繪圖能力．此外，由于該GUI設計避免了課堂教學中直接面對程序代碼的枯燥，使教師授課方式更為生動靈活，提高了教學效率和質量．

[1] 元梓雯，張瀚予，陶維俱，等．MATLAB 數值計算輔助光纖光學實驗教學[J]．廣西物理，2018，39（1）：38-41

[2] 周雷．MATLAB在光學教學中的應用及學生應用能力的培養[J]．課程教育研究，2019（48）：44-45

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[4] 歐攀，戴一堂，王愛民，等．高等光學仿真（MATLAB版）——光波導·激光[M]．3版．北京：北京航空航天大學出版社，2019：20-272

[5] 馬愈昭，許明妍，范懿，等．基于Matlab的弱導光纖模式特性仿真[J]．電氣電子教學學報，2016，38（5）：127-136

[6] 鄭改革，詹煜．Matlab在光信息類本科專業課程教學中的應用[J]．科技創新導報，2013（1）：183-184

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[10] 廖延彪，黎敏．光纖光學[M]．2版．北京：清華大學出版社，2013：14-17

Application of MATLAB graphical user interface in classroom teaching of optical fiber mode theory

HU Xinguang，CHENG Jian，DENG Zihao

（School of Information Engineering，Huangshan University，Huangshan 245041，China）

The theory of optical fiber mode is the key and difficult point in the teaching of optical fiber communication．How to visualize and embody the abstract theoretical concepts by using of modern science and technology is an urgent problem in course teaching．MATLAB is widely used in the fields of numerical calculation， data visualization，and analysis．By introducing the graphical user interface in MATLAB into teaching course，it is convenient to understand abstract theoretical concepts through visualization，which will arouse enthusiasm for learning and exploring knowledge among students，and to the end，improve teaching result．

optical fiber mode theory；MATLAB；graphical user interface；simulation

1007-9831（2020）07-0070-04

TN252∶G642.0

A

10.3969/j.issn.1007-9831.2020.07.017

2020-02-13

安徽省重點教研項目（2016jyxm0974）；教育部光電信息科學與工程專業教學指導委員會2019年教學研究項目（gdxgk28）

胡新廣（1981-），河南商水人，講師，博士，從事光纖通信教學及微納器件設計的研究．E-mail：hxgxtu@hsu.edu.cn