四位一体的光纤通信教学改革

王现彬，杨 洁，高彦彦，康元元

（石家庄学院 机电学院，河北 石家庄 050035）

0 引言

近年来国家相继提出了“互联网+”、“宽带中国”及“中国制造2025”等一系列强国富民战略举措，同时5G技术及5G网络发展得如火如荼，凡此种种都与超大带宽、超高速率的光纤通信密切相关.而承载光纤通信技术的课程——光纤通信课程也是通信电子类专业的专业方向课，是通信电子类学生拓宽专业口径、提升就业竞争力及提高自身动手实践能力的有力保障[1-3].光纤通信课程概念多、理论深、实践重，且一般在本科四年级开设，学生在考研及就业压力下课堂专注力难以保障，都为光纤通信课程教学设置了障碍[4-7].为提升学生实践动手能力，实验实训也是一个不可或缺的环节，但对于一些地方本科院校，实验室资金投入相对不足，且实验仪器老旧，难以跟上光纤通信发展步伐[8-12].在现有环境下如何提升光纤通信课程教学效果、提高学生在光纤通信方面的动手实践能力，成为光纤通信教学过程中一个亟待解决的难题[13-15].依托石家庄学院应用型转型，结合几年来的教学总结，提出了一种“数学推导简单化”、“概念术语实体化”、“系统性能可视化”和“动手实践工程化”四位一体的光纤通信教学新模式，为光纤通信教学改革提供了新思路.

1 数学推导简单化

光纤通信课程理论深、公式多，同时光纤通信课程与相关专业课联系紧密，如大学物理、信号与系统、模拟电路、通信原理及电磁场与微波等课程相关的知识点在光纤通信课程中都有所应用，特别是在光纤导光原理及接收机性能分析等部分.授课时如果按照传统教学方式，通过理论推导进行内容讲解，首先学生对于前期所学专业知识记忆已经模糊，其次“填鸭式”的满堂灌也容易引起学生的反感，使授课效果大打折扣.

为提升教学效果，在教学过程中简化理论推导，重在分析结果.如对于“光纤传光原理分析”部分，在授课时弱化麦克斯韦方程组求解，减少理论推导，重点分析亥姆霍兹方程在边界条件下的本征解，以理解光纤的传光原理与传光特性.在讲解该部分时为提高学生的感性认识，对于模式分析可以借助Optisystem软件来实现，以直观的图形加以显示，辅助理解该部分内容.Optisystem是一款创新性的光通信模拟仿真软件，其可以对光通信物理链路层展开各种形式的模拟，是光通信系统设计与分析的强有力工具.图1为采用Optisystem所连接的模式观测图.首先光源产生激光，再由模式发生器产生各种模式，最后通过观测仪进行结果观测.图2给出了通过观测仪所观测到的弱导光纤条件下几种低阶线偏振模LPnm，这是因为弱导条件下，导波模一般可用行波表示，而行波大部分都是线极化的，故称为线偏振模.其中LP01为基模，其由HE11构成.通过观测结果与理论分析相对比，加深了学生对理论知识的理解，同时通过学生自己动手仿真，可以提升其学习兴趣与学习积极性.

图2 几种低阶线偏振模

2 概念术语实体化

在光纤通信教学过程中，会遇到各种专业性的概念术语，如在讲解第二章“光纤”时，会涉及到光纤衰减系数、群速度色散、色散斜率、色散长度、偏振模色散、自相位调制、交叉相位调制等各种光纤特性有关的术语.在讲解时如果照本宣科，会使教学过程枯燥乏味，难以吸引学生的兴趣.以概念“色散长度LD”为例，其定义为经过LD距离的传输后，光脉冲会由于色散的原因展宽到原脉冲宽度的倍.如果在教学中只是以这样一句话来向学生传授色散长度的概念，学生只能囫囵吞枣、一知半解.长此以往，概念堆积，思维混乱，最终会损害学生学习光纤通信知识的热情.为改变这种长久以来的不利影响，在教学时采用“概念术语实体化”的策略，即借助Optisystem软件，将光纤衰减系数、群速度色散等涉及到光纤特性的概念术语进行数值具体化，如图3所示.图3给出了常规单模光纤的色散、偏振模色散及非线性效应等的具体参数值，结合这些实体化的概念，可以使学生加深对光纤通信中相关知识点的理解.

结合图3中“实体化”的相关概念，针对“色散长度LD”，依托Optisystem设计了图4所示的仿真系统.数据源产生二进制码串，高斯光脉冲发生器将二进制码串转换成高斯光脉冲，经过光纤传输后，通过示波器进行波形观测.

图3 单模光纤特性数值化

图4 观测色散长度LD的系统结构图

进行仿真时数据源产生二进制码串为0000000100000000，即只观测一个光脉冲，系统速率设定为40Gbit/s，故一个光脉冲的占时为25 ps.色散长度LD=T20/|β2|，其中光脉冲宽度T0=TFWHM/1.655，TFWHM为光脉冲的半高全宽（即光脉冲幅度一半处的宽度），在仿真中TFWHM=12.5 ps，则T0≈7.5 ps.β2是光脉冲在信号频率中心处的色散，即群速度色散，在单模光纤中当光源中心波长为1550 nm时，β2=-20 ps2/km，综合可得LD=2.812 km.在仿真时将光纤长度设定为2.812 km，忽略图3中偏振模色散和非线性效应的影响，只考虑色散的作用.图5为仿真后在发射端和接收端得到的高斯光脉冲，对比可以看出，通过传输2.812 km后，脉冲宽度约展宽到了原始光脉冲的倍，光脉冲幅度也有所降低.

3 系统性能可视化

图5 发射端和接收端高斯光脉冲对比

在学生掌握了一些光纤通信的基本理论之后，需将学生的视野上升到光纤通信系统级别，在此基础上进一步学习光纤通信的特点及传输性能.学生在通信原理等专业课程中已对误码率（BER）、眼图及Q值等概念有了基本认识，如何将这些理论概念迁移到光纤通信中来，借助这些概念以强化对光纤通信系统的理解，是理论联系实际的关键，而借助Optisystem可以实现这一转化.现以基于外调制的40 Gbit/s非归零码（NRZ）色散补偿光纤传输系统为例，来说明光纤通信系统的“性能可视化”.图6给出了基本的系统结构，首先数据源产生待传数据，即二进制码串，由非归零码发生器将二进制码串变成电非归零码，随后控制光调制器，将信息加载到光源输出的激光上，实现了电/光调制.在光纤通道上采用具有负色散系数的色散补偿光纤对常规光纤中的色散进行补偿，色散补偿光纤的色散系数为-80 ps/（nm·km）.采用掺铒光纤放大器来弥补常规光纤和色散补偿光纤产生的损耗，以延长其有效传输距离.接收端首先采用光带通滤波器进行噪声滤除，随后采用PIN接收机实现光/电变换，再进行电域的低通滤波，以滤除带外噪声，最后通过分析仪进行相关数据观测与分析.图7给出了接收光功率变化时误码率的变化曲线，可以看出，随着接收机接收到的光功率的变大，误码率随之变小，同时在图7中给出了两个眼图，从眼图张开度的变化上也反映出了这一事实.通过这种示例设计与讲解，学生对光纤通信系统性能有了更加深刻的认识，同时对学生以前所学的相关通信知识进行了复习与巩固.而借助“系统性能可视化”这一手段也可以拓宽学生的知识范畴，激发学生的学习动力.

图6 基于外调制的NRZ色散补偿光纤传输系统

图7 接收光功率与误码率的对应关系

4 动手实践工程化

光纤通信课程的最终归结点还是学生动手实践能力的提高.前期的仿真教学可以在有限的环境中最大程度地提升学生的认知水平，而为了进一步增强学生的实践能力，把学生培养成行业与社会所需的创新性应用型人才，在课程教学中有序地开展工程化的实习实训项目也是必不可少的一个环节.为此在光纤通信教学中，力争“动手实践工程化”，以工程实际为导向，以石家庄学院应用型转型为契机，结合机电学院实习实训基地，真做真练，为学生毕业后能尽快适应工作岗位提供基础保障.

在基于实际工程的实践环节中，学生能够进行光纤熔接是学习光纤通信最基本要求，为此采用光纤剥纤钳、光纤切割刀（住友FC-6S）和光纤熔接机（住友T-400S+）等实验器材，设计实训内容，让每个学生参与进来.首先采用剥纤钳去掉光纤保护套，并去除涂覆层，留下裸露的纤芯和包层，让学生直观感受光纤的基本结构.随后采用无水酒精擦拭裸纤，保证其整洁度，用光纤熔接机自带的成像系统进行观测，结果如图8（a）所示，此时断面呈不规则锥形，不适于熔接.采用切割刀切割光纤，可以有效保证断面的平整度，便于后续熔接，结果如图8（b）所示.图8（c）为一个切割过的裸纤（左）和未切割的裸纤（右）对比图，若该情况下进行熔接，光纤熔接机会提示错误“右侧切割角度超限”.图8（d）为正常情况下两根裸纤熔接后的效果图（熔接后光纤熔接机估算的损耗为0.01 dB），最后再加上热缩管，借助光纤熔接机的加热功能将裸纤保护住.通过该方式，让学生动手练习，提升学生的工程实际操作能力.

在机电学院的光纤通信实训室，已初步建成了基于华为SDH设备Optix155/622的光传输网，借助该平台，可以让学生将学到的SDH相关理论知识在实际中加以应用，同时熟悉常用商用SDH传输设备特性，对SDH光传输网的组成及信号传输过程有较全面的认识，真正做到“动手实践工程化”.在后续推进中会整合机电学院其他实验实训设施，如程控交换平台、无线通信及数据传输平台等，构建一套完整的现代通信综合实训网，为进一步实施“动手实践工程化”提供硬件支撑.

5 结论

图8 光纤熔接各阶段图像

石家庄学院作为河北省首批“十所转型发展试点高校”之一，在推动学校转型发展、全面提升应用型人才培养质量方面任重而道远，而课程教学的应用型转型是其出发点与着力点.光纤通信课程作为通信电子类专业的专业方向课，是提升通信电子类学生动手实践能力、培养光纤通信应用型人才、推动通信电子类业应用型转型发展的一个核心环节.为适应石家庄学院向应用型高校转型，结合几年来的教学总结，提出了一套“数学推导简单化”、“概念术语实体化”、“系统性能可视化”和“动手实践工程化”四位一体的光纤通信教学新模式.该模式弱化理论推导，强调概念应用，结合仿真分析，提升应用能力，从而为光纤通信教学改革提供了新思路，也为学校应用型转型注入了新活力.