專業(yè)軟件在光電信息科學(xué)與工程專業(yè)實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用

【摘 要】培養(yǎng)具備光電信息科學(xué)與工程的基本理論、基本知識(shí)和專業(yè)技能，可從事光電工程、通信工程以及電子信息科學(xué)等領(lǐng)域的科學(xué)研究、產(chǎn)品開發(fā)的高級(jí)專門人才，是光電信息科學(xué)與工程專業(yè)的人才培養(yǎng)目標(biāo)。實(shí)踐教學(xué)是加深基礎(chǔ)知識(shí)理解、培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問題的綜合能力和創(chuàng)新精神的重要環(huán)節(jié)。本文從光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件、光通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件、波動(dòng)光學(xué)模擬軟件、Matlab在光信息處理中的應(yīng)用四個(gè)方面，討論了專業(yè)軟件在光電信息科學(xué)與工程專業(yè)實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】光電信息科學(xué)與工程 實(shí)踐教學(xué) 專業(yè)軟件

【中圖分類號(hào)】G642 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-4810（2014）12-0013-02

光電信息科學(xué)與工程專業(yè)是教育部在2012年9月下發(fā)文件，將原屬于電子信息科學(xué)類的光信息科學(xué)與技術(shù)、光電子技術(shù)科學(xué)專業(yè)，與原屬于電氣信息類的信息顯示與光電技術(shù)、光電信息工程、光電子材料與器件五個(gè)專業(yè)統(tǒng)一修訂后而形成的。本專業(yè)旨在培養(yǎng)具有現(xiàn)代科學(xué)意識(shí)、理論基礎(chǔ)扎實(shí)、知識(shí)面寬、創(chuàng)新能力強(qiáng)，可從事光學(xué)工程、光通信、圖像與信息處理等技術(shù)領(lǐng)域的科學(xué)研究，以及相關(guān)領(lǐng)域的產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造、科技開發(fā)與應(yīng)用、運(yùn)行管理等工作，能夠適應(yīng)當(dāng)代信息化社會(huì)高速發(fā)展需要的應(yīng)用型人才。

我校光電信息科學(xué)與工程專業(yè)的前身是光信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)，在光纖通信、光電子器件和光信息處理等領(lǐng)域具有鮮明的特色和較強(qiáng)的學(xué)科優(yōu)勢。近年來，以軟件設(shè)計(jì)和分析為特色的光學(xué)系統(tǒng)與器件設(shè)計(jì)在實(shí)際中的應(yīng)用日益廣泛，這就促進(jìn)了企業(yè)和社會(huì)對(duì)這方面人才需求的增加。同時(shí)，相比于大型實(shí)驗(yàn)設(shè)備，軟件設(shè)計(jì)起點(diǎn)低，使學(xué)生能夠更快地與實(shí)際課題接軌。因此，專業(yè)軟件的學(xué)習(xí)和應(yīng)用成為本專業(yè)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的重點(diǎn)內(nèi)容之一。本專業(yè)教師通過在專業(yè)軟件教學(xué)中的不斷摸索，開設(shè)了為數(shù)不少的光電信息專業(yè)軟件實(shí)踐課程，可總結(jié)為以下四個(gè)方面：

一 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件

光學(xué)設(shè)計(jì)是一門理論緊密聯(lián)系實(shí)踐、注重操作性的學(xué)科。近年來，隨著新領(lǐng)域、新需求的不斷出現(xiàn)，對(duì)光學(xué)設(shè)計(jì)提出了新的要求，同時(shí)也使當(dāng)代的光學(xué)設(shè)計(jì)在內(nèi)容和方法上都有別于傳統(tǒng)的光學(xué)設(shè)計(jì)。這一時(shí)期，國內(nèi)外涌現(xiàn)出各種功能強(qiáng)大的自動(dòng)設(shè)計(jì)軟件，一方面為高質(zhì)、高效的設(shè)計(jì)提供了可能，另一方面也促進(jìn)了光學(xué)設(shè)計(jì)的發(fā)展。為了適應(yīng)新技術(shù)的發(fā)展和人才培養(yǎng)的要求，讓學(xué)生掌握光學(xué)系統(tǒng)及光電儀器設(shè)計(jì)的基本理論和實(shí)際知識(shí)，學(xué)習(xí)光學(xué)設(shè)計(jì)的像差理論和像差校正方法，能夠熟練運(yùn)用光學(xué)自動(dòng)設(shè)計(jì)軟件對(duì)各類典型光學(xué)儀器進(jìn)行設(shè)計(jì)，將光學(xué)原理、計(jì)算機(jī)輔助光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)等前期課程所學(xué)的理論知識(shí)進(jìn)行綜合運(yùn)用，本專業(yè)開設(shè)了光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程。

目前，主流的國外光學(xué)設(shè)計(jì)軟件有美國Optical Research Associates公司的CODE-V、LightTools軟件，F(xiàn)ocus Software Inc開發(fā)的Zemax軟件，英國Kidger Optics公司的SIGMA軟件等。國內(nèi)較有影響的光學(xué)設(shè)計(jì)軟件有北京理工大學(xué)研制的SOD88、Gold以及中科院長春光機(jī)所開發(fā)的CIOES等。這些軟件能夠解決光學(xué)系統(tǒng)建模、光路追跡計(jì)算等基本問題，同時(shí)具有像質(zhì)評(píng)價(jià)、照明分析、自動(dòng)優(yōu)化、公差分析等功能。近幾年來，Zemax由于其優(yōu)越的性價(jià)比在光學(xué)設(shè)計(jì)軟件市場所占的份額越來越大，為了使學(xué)生在就業(yè)競爭中更具優(yōu)勢，課程設(shè)計(jì)采用Zemax軟件，要求學(xué)生實(shí)現(xiàn)照相物鏡、望遠(yuǎn)物鏡、顯微物鏡和惠更斯目鏡的設(shè)計(jì)。光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)與軟件的應(yīng)用已成為光電信息科學(xué)與工程專業(yè)學(xué)生需具備的重要能力之一。

二 光通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件

光纖通信技術(shù)是一個(gè)多學(xué)科專業(yè)交叉滲透的技術(shù)綜合體。因此，無論是系統(tǒng)的規(guī)劃與設(shè)計(jì)，還是新型傳輸系統(tǒng)的探索與研究，都會(huì)遇到冗長復(fù)雜的計(jì)算。為了驗(yàn)證其性能是否合乎要求，還需反復(fù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究與測試。如果每次都直接用真實(shí)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，耗資昂貴，費(fèi)工費(fèi)時(shí)，因此，解決上述問題的有效方法是采用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，通過建立器件乃至系統(tǒng)模型完成對(duì)光通信設(shè)備及系統(tǒng)的分析、設(shè)計(jì)以及性能優(yōu)化與評(píng)估測試。

OptiSystem是加拿大國家實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的一套創(chuàng)新的光通信系統(tǒng)仿真軟件，此軟件可以設(shè)計(jì)、測試、優(yōu)化各種類型寬帶光網(wǎng)絡(luò)物理層的虛擬光連接，從長距離通信系統(tǒng)到LANS和MANS都能使用。OptiSystem具有強(qiáng)大的模擬環(huán)境和真實(shí)的器件和系統(tǒng)的分級(jí)定義，它的性能可以通過附加的用戶器件庫和完整的界面進(jìn)行擴(kuò)展，而成為一系列廣泛使用的工具。本專業(yè)在開設(shè)通信原理、光通信器件等理論課程的基礎(chǔ)上，開設(shè)了專業(yè)實(shí)驗(yàn)，利用OptiSystem軟件實(shí)現(xiàn)光發(fā)射機(jī)、光接收機(jī)、光放大器、40G單模光纖的單信道傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

三 波動(dòng)光學(xué)模擬軟件

光波導(dǎo)是光子器件的關(guān)鍵部分，它扮演著引導(dǎo)、耦合、開關(guān)、分開、復(fù)合和解復(fù)合光信號(hào)的角色。無源光波導(dǎo)、光電子器件、發(fā)送器、接收器和驅(qū)動(dòng)電子設(shè)備可以用類似于微電子的平面技術(shù)集成在一個(gè)芯片上。盡管波導(dǎo)器件的工作原理已經(jīng)被很深入地研究和了解，但它們具體的特性與許多參數(shù)有關(guān)，包括幾何形狀、波長、初始場分布、材料數(shù)據(jù)、電光驅(qū)動(dòng)條件以及其他參數(shù)。在制造器件之前，這些參數(shù)必須先被優(yōu)化。

OptiBPM是加拿大國家實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的一套功能強(qiáng)大、使用界面友好的波動(dòng)光學(xué)設(shè)計(jì)仿真軟件，它提供各種集成光學(xué)問題的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)。OptiBPM的核心——光束傳播法或者BPM，是一種步進(jìn)式的、模擬光在任何波導(dǎo)介質(zhì)中的通道的理論。BPM提供計(jì)算機(jī)模擬完成后的光場分布的觀察，可以同時(shí)檢測輻射模和導(dǎo)模。OptiBPM對(duì)于設(shè)計(jì)和模擬光波導(dǎo)來說是理想的。本專業(yè)在開設(shè)集成光學(xué)、光傳輸技術(shù)等理論課程的基礎(chǔ)上，開設(shè)了專業(yè)實(shí)驗(yàn)，利用OptiBPM軟件實(shí)現(xiàn)階躍型（漸變型）光纖、多模干涉耦合器、各向異性光波導(dǎo)、彎曲波導(dǎo)、馬赫-曾德干涉儀的設(shè)計(jì)。

四 Matlab在光信息處理中的應(yīng)用

光信息處理是以傅里葉分析方法為核心，研究光學(xué)成像和光學(xué)變換的理論和技術(shù)。它以光子傳遞信息，利用光學(xué)或光電子器件進(jìn)行操作，用光的折射、干涉和衍射等特性來實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入信息的各種變換和處理。光信息處理具有高速度、并行性及互連性的優(yōu)點(diǎn)，引起了人們的廣泛關(guān)注。

Matlab是美國MathWorks公司出品的商用數(shù)學(xué)軟件，主要包括Matlab和Simulink兩大部分。作為強(qiáng)大的科學(xué)計(jì)算平臺(tái)，它幾乎可以滿足所有的計(jì)算需求，將數(shù)值分析、矩陣計(jì)算、科學(xué)數(shù)據(jù)可視化以及非線性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強(qiáng)大功能集成在一個(gè)易于使用的視窗環(huán)境中，為科學(xué)研究、工程設(shè)計(jì)等眾多科學(xué)領(lǐng)域提供了一種全面的解決方案，并在很大程度上擺脫了傳統(tǒng)非交互式程序設(shè)計(jì)語言（如C、Fortran）的編輯模式，代表了當(dāng)今國際科學(xué)計(jì)算軟件的先進(jìn)水平。本專業(yè)在開設(shè)信息光學(xué)、激光原理、光電圖像處理等理論課程的基礎(chǔ)上，開設(shè)了專業(yè)實(shí)驗(yàn)，利用Matlab軟件實(shí)現(xiàn)全息透鏡的設(shè)計(jì)、光柵衍射、傅里葉變換與空間濾波、激光光束及其自由傳輸仿真、平行光束的透鏡聚焦、高斯光束的透鏡聚焦、圖像的增強(qiáng)和識(shí)別等。

參考文獻(xiàn)

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〔責(zé)任編輯：龐遠(yuǎn)燕〕