依托科研实践平台辅助光纤通信教学

汪徐德，周 正，梁勤妹，李素文

（淮北师范大学 物理与电子信息学院，安徽 淮北 235000）

0 引言

光纤通信系统的发展始于二十世纪70 年代中期，它采用光波作为信息载体，光导纤维作为传输介质，随着激光和光纤技术的出现，光纤通信不仅大幅度提高信息的传输速率，同时也成倍降低建设、运行和维护成本，因此成为通信技术发展的主要方向之一. 随着光纤通信技术以惊人的速度发展，通信行业中光通信专业技术人才的需求将不断增大，因此，如何培养具有光纤通信理论和一定实际操作能力的人才，成为高校通信工程专业教学中需要思考和亟需解决的问题.

光纤通信课程是通信工程专业本科生的一门重要专业课程，主要讲授光纤传输理论、光纤器件的工作原理及特性，以及光纤通信技术应用情况等，是一门多学科交叉的课程，其理论性与实践性很强，与工程实际结合较为密切［1］. 受实验条件的制约，该课程在教学过程中往往片面强调理论教学，实验教学比较落后，不能充分利用现代信息教育技术和较为先进的科研实践平台，特别是理论教学过程中涉及的一些概念和现象，较为抽象，给学生的学习带来了很大的困难，极大地影响学生对该门课程的学习兴趣和积极性［2-3］. 因此，根据教学内容的特点，合理地将科研平台以及科研软件引入到光纤通信教学中，可以加深学生对理论知识的理解，提高学生的学习积极性和实践创新能力.

1 光纤通信教学存在的不足

目前光纤通信实验教学主要以实验箱教学为主，实验手段单调，内容偏于验证性，主要有激光器P-I特性试验测试、光发射机性能测试和波分复用技术实验等，学生做实验时仅仅按照要求接线，并不了解实验箱内部的具体结构和部件功能，实验过程枯燥无趣，因此实验流于形式，不能达到既定的教学目的［4］.另外学生按照指导书按部就班地完成实验，没有动手设计完整系统的能力，实验过程中缺乏必要的思考和探索过程，不能调动学生的积极性和创造性. 利用实验箱的实验方法与工程实际的测试方法存在区别，学生难以真正掌握实际工程的测试方法. 在教学授课上以灌输式为主，教师的科研工作未反映到实验内容的设置上来，创新性设计实验内容很少，不能开设一些面向本专业最新前沿的创新性实验. 因此，解决上述问题的有效方法是依托科研实践平台，对光纤通信课程教学方法进行一定程度的改革. 为加深学生对光纤基础知识以及基本理论的理解，提高学生的工程应用能力，本文利用科研实践平台所具备的硬件和软件条件，辅助完成光纤通信教学.

2 依托科研实践平台辅助光纤通信教学

2.1 科研实践平台在教学上的优势

与常规实验教学相比，科研实践平台可以提供更为便利的条件和资源. 一方面科研实验室拥有先进的设备和仪器，为培养学生的实践能力和创新能力提供硬件基础. 另一方面科研实验室能够把当前新的科学技术、学科研究的最新动态引入教学和实验中，从而拓宽学生的知识面，促进学生创造能力的形成和发展［5-6］. 依托科研实践平台有利于学生综合实践技能的培养和创新能力的提高［7-8］. 比如结合社会上企业对专业型人才的需求，开设应用性较强的实验题目，例如增设光纤熔接实验，讲解光纤熔接的实际操作流程，光纤熔接机和光纤切割刀的使用方法，由教师演示并指导学生亲自动手实践，掌握光纤熔接的基本技术，并使用工程相关的测试仪器，培养学生的应用型技能［9-10］. 鼓励学生参与教师的科研课题并开发一些前沿性和创新性的实验项目，学生在实验过程中综合运用所学知识，提出问题、分析问题并解决问题，可培养学生独立自主从事科学研究和创新实践的能力，最终促进学生综合素质的提高.

2.2 依托科研平台所开展的教学实践

对于光纤类实验，学生针对实验室提供的实验器材，需要学会熟练地切割光纤，清洁光纤断面；正确地熔接光纤，利用耦合器、隔离器和波分复用器等搭建光纤链路；熟练地使用示波器、光谱仪和自相关等测量仪器，对光信号的时域和频率特性进行分析；会使用仿真软件如Matlab和Optisystem等，对光传输特性进行仿真.

（1）光纤端面处理以及熔接机的使用. 实验前，光纤类器件务必要清洁，经常使用的器件，端面不可避免会出现脏污和擦痕情况，这样器件不适合直接接入到光纤链路当中. 光纤端面状态可以使用光纤端面检测仪来查看. 通过端面检测仪可以清晰地看到光纤端面清洁度情况，如图1所示，脏污的端面使用前需要用酒精和擦镜纸小心擦拭干净，而端面擦痕比较严重的光纤器件，一般不适宜用在实验当中，影响导光质量. 图1（d）是光纤中通入激光的情况，可以看到纤芯处的光斑，从而判断光纤器件是否导通.

图1 光纤端面状态

在搭建光纤链路时，一般需要熔接机进行熔接. 进行熔接的两段光纤要用光纤切割刀切割整齐. 利用熔接机的光纤成像系统可以查看裸纤的端面状态图，如图2所示. 在切割前，首先用剥线钳剥去光纤的涂覆层，用擦镜纸将光纤表面擦拭干净，然后放到切割刀中切割. 图2（a）和2（b）为切割刀操作不当而出现的2种典型情况切割面，一种为断裂的端面，可观察到表面参差不齐有裂痕，表明光纤没有有效地切割，另一种切割面倾斜，这两种情况都不适宜在熔接机进行下一步的熔接，需要重新进行切割. 正确切割后的光纤端面平整清洁，近似垂直于光纤轴，如图2（c）所示.

图2 切割端面状态图

图3 熔接实验过程

将切割好的光纤放入熔接机中，熔接机在自动熔接前会根据当前光纤的状况判断是否执行熔接，一般情况下，光纤端面有脏污，端面切割不整齐，端面切割倾斜，左右光纤放置过近或者过远等，熔接机将会出现警告提示. 图3 给出的是熔接实验过程图，熔接机自动对齐纤芯，然后放电熔接，左右光纤熔接好后，显示器中会给出熔接点的损耗，根据损耗大小确定是否需要重新熔接.

（2）Matlab 软件仿真和实验平台结合：光纤孤子脉冲的产生. 利用软件仿真和实验测量是进行科学研究的常规方法. 软件仿真一方面能够有效地弥补硬件实验中存在的缺点，另一方面可以将抽象的理论知识具体化，形象化，便于和实验观察结果相互印证，从中可以激发学生的学习兴趣，深入理解实验的物理内涵［11-12］. 下面以光通信系统中的孤子的产生为例，从Matlab仿真和实验测量2方面对这一知识点进行研究. 孤子通信技术是当前最为先进的技术形式，孤子超强的传输能力于1988年已被实验所验证. 教材中对孤子的产生解释为群速度色散和非线性之间的平衡，在平衡状态下，孤子脉冲在长距离传播中能够保持波形不变，但很多同学对什么是孤子并没有清晰的认识. 孤子脉冲在光纤中传输过程可以用Mat⁃lab软件进行数值模拟，采用的方法为分步傅里叶法，光脉冲传输方程用非线性薛定谔方程组来描述，光纤链路中的器件用琼斯矩阵来等效. 图4给出的是仿真和实验中输出的孤子脉冲，4（a）为仿真结果，可以看出激光器输出间隔相等、振幅大小一致的脉冲序列，4（b）为高速示波器中观察到的实验现象，输出的脉冲序列与仿真结果保持一致，图4（c）为自相关测出的单个孤子的轮廓，为双曲正割型. 由于知识结构的差异，光纤中孤子传输的仿真模拟对于本科学生有些困难，要求学生有较强的物理建模能力，这一课题的开展需要在老师的指导下进行，通过编程，学生能够深刻地理解孤子在激光器中产生物理机制，然后学生结合实验操作，直观地观察到孤子的产生，仿真模拟与科研实验相结合，更能激发出学生的学习兴趣，使学生获得学习成就感，能够达到很好的教学效果.

图4 孤子脉冲的产生

（3）Optisystem 软件仿真和实验平台结合：四波混频现象的观察. Matlab 自编程序进行仿真，对学生的知识能力要求较高，对于更复杂的系统研究和分析，可以选用系统仿真软件Optisystem来完成［13-14］. 学生在仿真的过程中，可以自由设定各个通信模块的参数，从而对整个通信系统有一个直观的印象［15］. 下面对光纤传输过程中的四波混频现象的观察为例，从Optisystem仿真和实验角度来探索这一知识点. 如图5（a）所示，在Optisystem 软件中选择合适模块搭建系统，如激光器模块、波分复用模块、光纤模块以及光谱仪模块等，系统搭建简单明了，激光器发出的两个波长不同的光（称为泵浦光）通过波分复用器耦合至光纤中传输，设置好各个模块的参数，运行后点击光谱仪模块，就可以显示出四波混频的光谱图，如图5（b）所示，可以看出两泵浦光相互作用，将能量转移到长波长和短波长波段，产生2个新的频率成分，这个现象就是四波混频. 在实验中，我们可以搭建激光器平台来研究这一现象，如图5（c）所示，利用F-P滤波器产生梳状滤波，高非线性光纤增强腔内非线性效应，调节偏振控制器，便可得到四波混频锁模光谱，如图5（d）所示，多个波长的光在四波混频效应作用下，能量相互转移，形成边带能量逐渐减低的类三角形轮廓的梳状光谱. 通过仿真和实验，同学们很容易理解四波混频产生所需要的条件，物理概念明确，并能够直接观察到四波混频的现象. 因此这一科研课题的研究体现教学的综合性、系统性和自主性，学生运用自身已具备的知识体系和实践技能，主动地探究科学规律，独立完成具体科研任务，增强自主实践能力.

图5 四波混频现象的观察

利用科研平台中现有的各种条件和资源，通过科研软件仿真和动手实践的方式，合理地设计实验项目，对光纤通信课程中的一些物理现象进行观察和研究，可以使枯燥的理论知识具体化和形象化. 因此，依托科研平台辅助光纤通信教学，可以激发学生的学习主动性，让学生在实践中学习，在实践中培养分析和解决问题的能力，从而达到这门课程的教学效果.

3 结论

依托科研实践平台进行教学可作为光纤通信课程课堂教学的重要补充，在培养学生创新精神和实践应用能力方面具有重要的作用. 本文以通过3个教学实例，把理论教学、工程实践和科研实践三者有机地结合起来，充分地体现了教学促进科研，科研反哺教学的教学理念. 因此，整合现有科研平台资源，加大光纤通信课程教学改革力度，使科研平台成为培养创新应用型人才的基地.