計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在光纖通信教學(xué)中的應(yīng)用

【中圖分類(lèi)號(hào)】G642.423 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1673-8209(2009)9-0244-02

基金項(xiàng)目:安徽省教育廳自然科學(xué)研究重點(diǎn)項(xiàng)目KJ2009A156，安徽省高校優(yōu)秀青年人才基金2009SQRZ022ZD。

【摘要】隨著計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的發(fā)展，光纖通信教學(xué)中原本復(fù)雜的數(shù)學(xué)推導(dǎo)和晦澀難懂的物理概念可以使用形象直觀的形式表現(xiàn)出來(lái)，豐富了課堂信息量，充分調(diào)動(dòng)了教師的積極性和學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，同時(shí)也為學(xué)生的學(xué)習(xí)和發(fā)展提供了新的學(xué)習(xí)環(huán)境。本文就計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)對(duì)光纖通信教學(xué)的影響作了說(shuō)明，介紹了計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在《光纖通信》課程教學(xué)中的一些應(yīng)用和效果。

【關(guān)鍵詞】計(jì)算機(jī)仿真技術(shù);光纖通信教學(xué)

隨著計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的發(fā)展，光纖通信教學(xué)中原本復(fù)雜的數(shù)學(xué)推導(dǎo)和晦澀難懂的物理概念可以使用形象直觀的形式表現(xiàn)出來(lái)，豐富了課堂信息量，充分調(diào)動(dòng)了教師的積極性和學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，同時(shí)也為學(xué)生的學(xué)習(xí)和發(fā)展提供了新的學(xué)習(xí)環(huán)境。

1 計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)對(duì)教師的影響

教師是教學(xué)過(guò)程的主導(dǎo)。教什么，怎么教，是由教師決定的。教師在教學(xué)中必須明確所授課程在學(xué)科專(zhuān)業(yè)、課程體系中的地位和作用、所授課程的教學(xué)目標(biāo)。一個(gè)好的大學(xué)教師，應(yīng)該具備較高的專(zhuān)業(yè)素養(yǎng)和學(xué)術(shù)造詣，在教學(xué)過(guò)程中幫助學(xué)生去接受、組織和管理知識(shí)，并達(dá)到自由運(yùn)用知識(shí)的境界。然而，當(dāng)遇到復(fù)雜的數(shù)學(xué)推導(dǎo)和晦澀難懂的物理概念時(shí)，只通過(guò)傳統(tǒng)的板書(shū)，學(xué)生無(wú)法接受教師所要教授的內(nèi)容，更不用說(shuō)去組織、管理并運(yùn)用所學(xué)的知識(shí)了。

下面是一個(gè)探究性的教學(xué)課例。課例以例1開(kāi)始，學(xué)習(xí)對(duì)稱(chēng)平板波導(dǎo)中場(chǎng)分布的特性。

對(duì)稱(chēng)平板波導(dǎo)如圖所示，設(shè)n2=2.29， n1=1.97， d=0.1μm，分別用公式說(shuō)明TE2、TE3兩個(gè)模電場(chǎng)跨越零點(diǎn)的次數(shù)。

解答:由《現(xiàn)代通信光電子學(xué)》一書(shū)中p376面的圖可知，最低的奇數(shù)TE模是TE2(m=2)，圖中的c點(diǎn)是TE3模。

偶數(shù)模式的解取做

Ey=Aexp[-p(|x|-d)-jβz]|x|≥d

Ey=Bcos(hx)exp(-jβz]|x|≤d

TE3的h參量應(yīng)滿(mǎn)足π

奇數(shù)模式的解取做

Ey=Aexp[-p(|x|-d)-jβz]|x|≥d

Ey=-Aexp[-p(|x|+d)-jβz]|x|≤-d

Ey=Bsin(hx)exp(-jβz]|x|≤d

TE2的h參量應(yīng)滿(mǎn)足π/2

上述例題在黑板上不易推導(dǎo)，即使花費(fèi)很大的功夫進(jìn)行詳細(xì)推導(dǎo)，大部分同學(xué)仍然很難理解。

下面，我們使用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)來(lái)共同學(xué)習(xí)和了解平板波導(dǎo)中場(chǎng)的分布特性。我們以‘現(xiàn)代通信光電子學(xué)’p374面的對(duì)稱(chēng)波導(dǎo)為例。由p376面的圖可知，要維持單模hd≤π/2，其中d為光波導(dǎo)的中間層的厚度。假設(shè)輸入光的波長(zhǎng)是0.6328μm，d=0.1μm。由于h為待定常數(shù)，且hd≤π/2，我們可以取h=π/4×107，即hd=π/4。由p376面的15式可以求得p=h。

在上述參數(shù)設(shè)定的基礎(chǔ)上，即可得到類(lèi)似與P376面A點(diǎn)的處模式。

相應(yīng)的程序如下:

d=1e-7;%定義參數(shù)d

h=0.25*pi*1e7; %定義參數(shù)h

hd=0.25*pi;

B=1;

A=0.5*2^(0.5);

p=h;

lamda=0.6328*1e-6; %定義波長(zhǎng)

beta=2*pi/lamda;%傳輸常數(shù)

[x，z]=meshgrid(linspace(-0.4e-6，0.4e-6，900)，linspace(0，10*lamda，900));%建立空間網(wǎng)格坐標(biāo)

%以下為電場(chǎng)強(qiáng)度的程序描述

if abs(x)<=0.5e-7;

E=B*cos(h*x)

else

E=A*exp(-p*(abs(x)-d));

end

Ey=E.*exp(-j*beta*z);

mesh(x，z，Ey)%繪制三維圖

在教學(xué)的過(guò)程中，我會(huì)詳細(xì)解釋程序中的每一條語(yǔ)句、特別是每一條語(yǔ)句對(duì)應(yīng)的物理意義。爭(zhēng)取做到全新的教學(xué)手段與傳統(tǒng)教學(xué)手段有機(jī)結(jié)合，相得益彰，各自發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，使理工科的課堂教學(xué)得到事半功倍的效果。

2 計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)對(duì)學(xué)生的影響

大學(xué)的教育要強(qiáng)調(diào)人的發(fā)展，一個(gè)好的大學(xué)是以它的學(xué)生質(zhì)量和科研水平來(lái)評(píng)價(jià)的。一位好的大學(xué)老師應(yīng)該有意識(shí)地培養(yǎng)學(xué)生的獨(dú)立思考能力，使其具有清晰的頭腦、豐富的想象力和洞察力。

在上一個(gè)例題中，我?guī)ьI(lǐng)學(xué)生仿真A點(diǎn)所示模式場(chǎng)的分布圖。向?qū)W生解釋清楚仿真的思路與具體的編程技巧，這是教師的職責(zé)。當(dāng)然，學(xué)生也有自己的任務(wù)，那就是自己回去把B、C兩點(diǎn)處所示的模式場(chǎng)分布圖做出來(lái)，并把三點(diǎn)的模式場(chǎng)加以分析比較。

計(jì)算機(jī)仿真手段的引入，學(xué)生的學(xué)習(xí)方式和手段、學(xué)習(xí)的平臺(tái)等也隨之發(fā)生了變化。帶來(lái)的主要好處如下:

(1)抽象的文字描述和數(shù)學(xué)表達(dá)轉(zhuǎn)化為具體的視覺(jué)畫(huà)面，豐富了學(xué)生的感知，增強(qiáng)了學(xué)生的理解力。

(2)學(xué)生可以專(zhuān)心聽(tīng)講，不再忙于記筆記。教師可以提供教學(xué)課件的下載，便于自學(xué)和復(fù)習(xí)。

(3)學(xué)生的學(xué)習(xí)自主性和主動(dòng)性提高了，學(xué)生可以在教師的指導(dǎo)下有目的地選擇感興趣的方向，凸顯個(gè)性的發(fā)展。

3 計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在《光纖通信》課程中的應(yīng)用

《光纖通信》課程涉及光學(xué)、通信、光電子技術(shù)等專(zhuān)業(yè)知識(shí)，對(duì)學(xué)生的基礎(chǔ)知識(shí)要求較高?！豆饫w通信》課程一般都開(kāi)設(shè)在大三下或大四上，學(xué)生面臨考研和就業(yè)的壓力，能夠投入課程學(xué)習(xí)的精力和時(shí)間有限。計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的使用，使得我們有機(jī)會(huì)把學(xué)生急需的計(jì)算機(jī)技和《光纖通信》課程的學(xué)習(xí)聯(lián)系在一起。例如，在啁啾脈沖傳輸?shù)闹v解上，我要求學(xué)生在我的指導(dǎo)下編程仿真啁啾脈沖在不同傳輸介質(zhì)中的傳輸特性。再順勢(shì)介紹預(yù)啁啾技術(shù)、啁啾脈沖放大等技術(shù)，以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

例2 高斯脈沖經(jīng)光纖傳輸后，仍保持為高斯脈沖，而脈寬則隨z而變化。

T1T0=1+Cβ2zT202+

β2zT2021/2

其中，T1是輸出脈沖的1/e強(qiáng)度半寬度。上式所描述的脈寬變化如圖2所示。

由圖2可知，啁啾高斯脈沖展寬因子T1/T0隨傳輸距離(z/LD)的變化具有如下特性:(1)對(duì)于自由啁啾脈沖，無(wú)論β2符號(hào)如何，色散將導(dǎo)致脈沖展寬。(2)對(duì)于有啁啾脈沖，脈沖的展寬依賴(lài)于β2和C的相對(duì)符號(hào)。當(dāng)β2C>0，高斯脈沖單調(diào)展寬，當(dāng)β2C<0，脈沖有一個(gè)初始窄化階段，而后迅速展寬。在距離Zmin=CLD/(1+C2)時(shí)，達(dá)到最小寬度

Tmin1=t0/(1+C)1/2，式中LD為色散長(zhǎng)度。

為了更加深入了解脈沖展寬的機(jī)理，進(jìn)行相應(yīng)的仿真研究。輸入信號(hào)是一個(gè)中心頻率在1.55μm、脈沖峰值能量6.4mw、初始脈寬為100ps的高斯脈沖。光纖的長(zhǎng)度為1.5LD、色散參數(shù)β2=-20*10-27 s2/m。利用MATLAB軟件通過(guò)傅立葉分步積分法，進(jìn)行仿真，其結(jié)果如下:

圖3 無(wú)啁啾高斯光脈沖 圖4 負(fù)啁啾高斯光脈沖

隨傳輸距離演變 (C=-2)隨傳輸距離演變

圖5 正啁啾高斯光脈沖(C=2)隨傳輸距離演變圖

圖3-5，分別顯示了自由啁啾高斯光脈沖、負(fù)啁啾高斯光脈沖(C=-2)和正啁啾高斯光脈沖(C=2)在反常色散光纖中傳輸時(shí)，脈沖的演變。從圖3-5可以看出，自由啁啾高斯光脈沖在負(fù)色散光纖中傳輸時(shí)，脈寬隨傳輸距離成比例展寬。負(fù)啁啾光脈沖在負(fù)色散光纖中傳輸時(shí)，不但脈寬隨傳輸距離展寬，而且脈沖自身發(fā)生了“分裂”。這是因?yàn)樨?fù)啁啾光脈沖的載頻并非常數(shù)，而是啁啾的，其載頻可以分為不同的頻率群，不同的頻率群以不同的速度傳播。從而引起展寬和自身的“分裂”。正啁啾光脈沖在負(fù)色散光纖中傳輸時(shí)，在傳輸初始階段脈沖寬度變窄，而后迅速展寬。

4 小結(jié)

計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的發(fā)展，豐富了課堂信息量，充分調(diào)動(dòng)了教師的積極性和學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，同時(shí)也為學(xué)生的學(xué)習(xí)和發(fā)展提供了新的學(xué)習(xí)環(huán)境。本文就計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)對(duì)光纖通信教學(xué)的影響作了說(shuō)明，詳細(xì)論述了計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)對(duì)教師教學(xué)和學(xué)生學(xué)習(xí)產(chǎn)生的影響，舉例介紹了計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在《光纖通信》課程教學(xué)中的一些應(yīng)用和效果。

參考文獻(xiàn)

[1] Govind P.AgrawalNonlinear Fiber Optics， Third Edition Application of Nonlinear Fiber Opticspp263-266

[2] Gerd Keiser， “Optical Fiber Communications Third Edition” Electronics Industry Gerd Keiser 著，李玉權(quán)，崔敏，蒲濤等譯 “光纖通信，第三版”，電子工業(yè)出版社，2002