创新物理实验教学:光学实验在光纤通信中的应用实践

2023-12-28韩建卫张立彬

大学物理实验 2023年6期

钟瑞,韩建卫,过聪,王拴,纪纬,张立彬

(哈尔滨工业大学(深圳)实验与创新实践教育中心,广东深圳 518055)

大学物理实验作为理工科专业的一门必修课,对于培养学生的创造性思维和科学实验能力、提高学生的科学实验素养具有重要作用。但长期以来,课程教学内容大多以经典实验为主,缺乏现代科学技术的新元素,使学生在实验过程中很难找到实验项目与专业前沿技术的结合点,往往会觉得实验枯燥乏味、陈旧落后,部分学生甚至产生抵触情绪,敷衍了事。长此以往,学生的学习主动性和积极性受到极大的影响,从而影响教学效果。因此,如何将大学物理实验教学与应用实践相结合,让学生真正认识到学有所用,是一个亟待解决的问题。国内外众多高校对此问题做过许多研究和试验,并取得了积极的成果[1-8]。

近年来,哈尔滨工业大学(深圳)物理实验中心团队在“新基建”背景下,以光学实验与光纤通信技术的联系为切入点,通过丰富教学内容、改进考核方法、结合竞赛与科研等方式,极大地提升了教学效果。学生在此过程中,提高了学习的积极性和主动性,增强了创新思维和动手实践能力,并在全国大学生物理实验竞赛(创新)中取得了优异的成绩。

1 光纤通信与光学实验的联系

光通信技术具有超大容量、超高速率、超长距离传输等方面的优势。因此,遍布全球的光纤网络已成为高清视频直播、网络电商、社交媒体、国防、金融、线上会议、远程医疗等应用的物理基础。另一方面,随着碳达峰、碳中和目标的提出,降低网络单位能耗和绿色节能显得更为重要,全光网将迎来新的发展机遇,“光进铜退”已成为全球范围内一个必然的趋势。

光纤通信的本质,就是采用光学方法实现二进制代码(1/0)的调制、传输和解调,如图1所示。大学物理实验课程中,光学实验占有相当大比重,这些实验背后的原理涉及到光纤通信领域的一些关键技术。通过教师在实验课上的启发,我校光电、通信专业的本科生组成的团队自制了科普视频《高速光纤通信技术的物理原理》。该视频以光学实验原理与高速光纤通信技术的联系作为切入点,生动形象地展示了信号的调制、传输、解调以及波分复用技术,并介绍了其涉及到的部分物理原理(干涉、衍射、全反射、电光效应、内光电效应等)。该作品获得2022年第八届全国大学生物理实验竞赛(创新)自选类一等奖。

图1 光纤通信的过程

2 创新教学方法

2.1 课程思政,丰富教学内容

任课教师提前做好功课,在实验讲解部分向学生展示该实验相关的原理在工程技术和前沿科研中的应用。展示内容包括理论讲解和实物展示,从而加深学生对相关原理和技术的认识。

例如在光的等厚干涉实验中,实验教师向学生讲解了薄膜干涉、增反膜、增透膜等概念。并结合生活中的实际案例,介绍了薄膜滤波片(Thin Film Filter,TFF)及其在高速光纤通信中的应用,包括波分复用(Wavelength Division Multiplexing,WDM)、光插分复用(Optical Add-Drop Multiplexer,OADM)、波分复用型无源光网络(Wavelength Division Multiplexing Passive Optical Network,WDM-PON)等,如图2所示。

图2 在课件中向学生展示薄膜干涉在光纤通信中的应用

在用分光计和衍射光栅测定光的波长实验中,实验教师向学生展示了衍射光栅在波分复用、信号光耦合中的应用,并介绍了基于衍射光栅和罗兰圆组合的变形而制作的阵列波导光栅(Arrayed Waveguide Grating,AWG),分别如图3和图4所示。

图3 在课件中向学生展示衍射光栅在光纤通信中的应用

图4 在课件中向学生展示AWG在光纤通信中的应用

在迈克尔逊干涉仪实验中,实验教师结合干涉相长、干涉相消与光程差(相位差)的关系进行拓展,向学生展示了光纤通信中一种非常重要的调制信号光的器件:马赫增德尔调制器(Mach-Zehnder Modulator,MZM),如图5所示。这种调制器利用了电光效应原理,通过改变电光晶体(例如铌酸锂,LiNbO3)的外加电压,控制其折射率,进而控制光程差(相位差),实现信号的调制(在发射端,将电信号转换为光信号)。

图5 在课件中向学生展示MZM在光纤通信中的应用

而在光电效应实验中,实验教师在讲解实验原理时同样进行了拓展,展示了内光电效应的原理以及如何利用其实现信号的解调(在接收端,将光信号转换为电信号),如图6所示。

图6 在课件中向学生展示内光电效应在光纤通信中的应用

此外,双光栅检测微弱振动、磁光效应等实验也与光纤通信技术有着紧密联系。我们通过课程思政,丰富教学内容,将这些知识点传递给学生。让他们在完成实验的同时,也对光纤通信中信号的调制、传输、解调整个过程有了基本的认识,更加深刻地体会到了学以致用。

2.2 改进考核方法

鼓励学生检索相关的资料,例如实验涉及的前沿科学技术、产品、工艺、标准、相关厂家和市场等等,并整理之后作为实验报告的附件一起提交,形式不限(例如视频、图片、论文、产品规格书、行业标准等等)。教师根据报告对学生给予加分、减少实验项目等鼓励,极大地激发了其学习的主动性和积极性。

例如在牛顿环实验中,要求学生测量凸透镜球面的曲率半径。在分光计实验中,要求学生利用分光计和衍射光栅测定汞灯发出的光的波长。有学生主动尝试观察汞灯光的牛顿环现象,并将这两个实验中观察到的现象进行对比分析。结果发现采用衍射光栅可以很容易地将汞灯的双黄光分离,而在牛顿环实验中甚至都无法将绿光和黄光分离,如图7所示。

(a)

随后,该学生结合实验教师在实验讲解中提到的密集波分复用(Dense Wavelength Division Multiplexing,DWDM)和粗波分复用(Coarse Wavelength Division Multiplexing,CWDM)的区别,在实验报告中提到,这个现象可以非常通俗形象地展示DWDM与CWDM的区别,以及二者的技术方案选择。因为汞灯的光谱中,双黄光的波长相差不到2 nm,而绿光与双黄光的波长差超过30nm,这与国际电信联盟(International Telecommunication Union,ITU)制定的DWDM、CWDM的信道间隔非常接近[9-10]。受此启发,该学生在后面制作科普视频《高速光纤通信技术的物理原理》时,引入了赛车、跨栏比赛等元素,通俗地展示了DWDM与CWDM的区别,如图8所示。

图8 学生在科普视频中展示DWDM与CWDM的对比

2.3 结合竞赛与科研

任课教师中有相当一部分来自科研一线。他们不仅为本科生走进科研实验室参与科研项目提供了条件,还将自己的部分科研成果进行转化,指导学生参加全国大学生物理实验竞赛(创新)、全国大学生物理学术竞赛,并取得了不俗的成绩。

另外,在学校的大力支持下,物理实验中心团队面向全校本科生开设了创新竞赛选修课,学生通过课程训练不仅获得了学分,创新能力、竞赛水平也得到了极大提升。

以上举措在大幅提升学生的学习积极性和主动性的同时,也成功实现了科技型人才的创新训练向本科阶段前移,加速了科技人才的培养进程。例如科普视频《高速光纤通信技术的物理原理》的创作团队成员吴优同学积极参与科研活动,在导师的指导下,以第一作者身份在2023年美国光纤通信会议(Optical Fiber Communication Conference,OFC)上发表了高水平学术论文,如图9所示[11]。

图9 学生发表的光纤通信领域学术论文

3 教学成果

通过以上三种创新教学方法,我们将大学物理实验课程中的光学实验与光纤通信应用实践相结合,学生的学习积极性和主动性有了显著提高,创新思维能力也得到了大幅提升。部分学生在课程中深受启发,自制了科普视频《高速光纤通信技术的物理原理》,并获得2022年第八届全国大学生物理实验竞赛(创新)自选类一等奖,如图10所示。