Optisystem軟件應(yīng)用于《光纖通信》課程中的教學(xué)設(shè)計

柯潤宇 題瀟穎 葉成蔭

摘要：目前光纖通信課程的講授，多以板書和多媒體相結(jié)合，學(xué)生對一些重點難點知識點，往往理解不透，且與實際脫節(jié)，缺乏未來工作中必備的系統(tǒng)設(shè)計能力，現(xiàn)將Optisystem應(yīng)用于課堂理論教學(xué)中，并對教學(xué)環(huán)節(jié)進行設(shè)計，教學(xué)效果表明，Optisystem軟件與教學(xué)的結(jié)合，使學(xué)生更易于理解課本內(nèi)容，提高了教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

關(guān)鍵詞：光纖通信； Optisystem； 教學(xué)設(shè)計

1 光纖通信理論教學(xué)存在問題及改進

光纖通信是一門多學(xué)科交叉融合的課程，具有涉及知識面廣、基礎(chǔ)理論深、技術(shù)更新快等特點。[1]目前光纖通信課程的教學(xué)通常是將光纖通信系統(tǒng)分為光纖、半導(dǎo)體光源、光發(fā)端機、光接收機等模塊分別進行講解，只有簡單的以框圖形式對光纖通信系統(tǒng)進行的總體功能描述，很少對各子模塊進行系統(tǒng)層面的介紹，造成學(xué)生不僅重要知識點理解不透，而且缺少綜合性的整體概念，更沒有形成完整系統(tǒng)的設(shè)計能力。同時，由于缺乏實際工程項目的訓(xùn)練，學(xué)生不能將所學(xué)理論知識和實際應(yīng)用結(jié)合起來，雖然通過理論和實踐教學(xué)環(huán)節(jié)學(xué)到了一些專業(yè)知識，但不清楚這些知識用在何處以及如何運用。[1]OptiSystem是一款實用的光通訊系統(tǒng)模擬軟件包，它能快速便捷地對不同光網(wǎng)絡(luò)進行設(shè)計和檢測，同時能利用各種虛擬觀測設(shè)備進行分析，操作簡單、結(jié)果直觀。[2]目前雖有把Optisystem軟件引入光纖通信課程實驗教學(xué)中的案例，但是因為實驗學(xué)時有限，且遠遠遲于理論教學(xué)，造成學(xué)生上實驗之時已缺乏學(xué)習(xí)興趣，理論理解不深，僅依靠有限的實驗已然不夠，可以提前將Optisystem軟件引入到理論教學(xué)中，讓學(xué)生對教材上的內(nèi)容有更直觀的理解。

2 利用OptiSystem進行光纖通信輔助教學(xué)的設(shè)計

光纖通信主要內(nèi)容包括光源的發(fā)光機理、特性以及以光源為主要組成部分的光發(fā)端機、光纖波導(dǎo)傳輸機理、光電檢測器的光電轉(zhuǎn)換原理及其特性以及以光電檢測器為主要組成部分的光接收機、波分復(fù)用技術(shù)和摻餌光纖放大器等光纖通信系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)。在這些主要內(nèi)容中，都可設(shè)計引入OptiSystem軟件，提供重要知識點的另一種呈現(xiàn)，加深學(xué)生對重要知識點的記憶和難點的理解。下面對光纖通信中幾個重要知識點OptiSystem的引入設(shè)計進行介紹。

2.1 光源教學(xué)中OptiSystem的引入

半導(dǎo)體激光器（LD）和半導(dǎo)體發(fā)光二極管（LED）是光纖通信系統(tǒng)中極其重要的光源元器件，它們位于光發(fā)端機，受到調(diào)制電流作用將電信號轉(zhuǎn)化為光信號，其中LED主要應(yīng)用于短距離低速率的數(shù)字光纖通信系統(tǒng)，而LD則廣泛應(yīng)用于長距離、高速的波分復(fù)用系統(tǒng)，無疑半導(dǎo)體激光器具有更廣泛的應(yīng)用，其性能直接影響到整個光纖通信系統(tǒng)的性能，而LD的PI曲線能夠反映LD重要的發(fā)射性能，[3]所以在介紹LD的PI曲線這一重要知識點時設(shè)計引入OptiSystem，對LD的發(fā)射性能做仿真并可在課堂上展開對仿真結(jié)果的討論。

半導(dǎo)體激光器框圖的搭建可以在OptiSystem元件庫選擇電域的非歸零脈沖編碼發(fā)生器作為信號源，選擇Laser Rate Equations激光器作為調(diào)制光源，激光器輸出端連接光功率計，以及光譜儀（Optical spectrum analyzer），設(shè)置系統(tǒng)數(shù)據(jù)速率，激光器的工作波長，閾值電流，將偏置電流設(shè)為線性變化。半導(dǎo)體LD的PI曲線需要添加二維圖形才能看到，具體可通過Report窗口，選擇Opti2DGraph建立圖例，拖動激光器的偏置電流和光功率計中總光功率到圖例，[3]獲得半導(dǎo)體LD的PI曲線圖。傳統(tǒng)教學(xué)通常直接通過教科書上已有LD的PI曲線圖介紹閾值電流的概念，小于閾值電流時光源發(fā)射的是譜寬較寬且功率較低的熒光，大于閾值電流時光源發(fā)射的是譜寬較窄且功率較高的激光，引入Optisystem于光纖通信激光光源的教學(xué)中，不僅可以通過設(shè)計光源子系統(tǒng)，設(shè)置參數(shù)，獲取LD的PI曲線圖而且還可以輔之以光譜儀測量的光譜圖，通過實際數(shù)據(jù)使學(xué)生自己觀察得到閾值電流是光源發(fā)射LED熒光和LD激光的分界點。

2.2 光纖色散教學(xué)中OptiSystem的引入

色散是由于經(jīng)光源調(diào)制的光脈沖具有不同的頻率分量，當不同譜線寬度的光脈沖進入到傳輸系統(tǒng)的時候，將導(dǎo)致不同的傳播速度，在接收端時將產(chǎn)生時延差，因而信號在系統(tǒng)傳送的過程中脈沖會呈現(xiàn)展寬的現(xiàn)象。[4]數(shù)據(jù)傳送速度越快，脈沖展寬越大，色散越嚴重，這一重要結(jié)論可以通過引入OptiSystem軟件仿真給予直觀的演示。

研究色散的仿真系統(tǒng)可以在OptiSystem元件庫中選擇用戶自定義序列發(fā)生器作為信號源，連接高斯光脈沖產(chǎn)生器，產(chǎn)生高斯形狀的光脈沖，經(jīng)過一段普通單模光纖的傳輸，連接到光時域觀察儀（Optical time domain visualizer），設(shè)置10Gbit/s和40Gbit/s兩種不同傳輸速率，通過光時域觀察儀讓學(xué)生觀察光脈沖形狀發(fā)生的變化，通過仿真結(jié)果學(xué)生們可以直觀并印象深刻的得到這樣的結(jié)論，即系統(tǒng)傳輸速率在較低時色散展寬并不明顯，速率變高時，脈寬大幅度展寬，導(dǎo)致嚴重的脈沖失真，在傳輸過程中會引起嚴重的碼間串擾，所以傳輸速率越高色散導(dǎo)致的系統(tǒng)傳輸性能越差。

2.3 光接收機靈敏度教學(xué)中OptiSystem的引入

靈敏度是光接收機的重要特性指標之一，是在給定的誤碼率（BER）或信噪比條件下光接收機所能接收的最小光功率，反映光接收機接收微弱信號的能力。[4]對靈敏度的課堂講授通常僅僅向?qū)W生介紹概念，學(xué)生只是從字面上了解，并不知道這一重要參數(shù)在實際中如何測試并獲取。在講授光接收機靈敏度一節(jié)時，可以利用Optisystem軟件搭建光接收機靈敏度測試平臺，不僅從實際出發(fā)拓展了課本知識，并且加深了對靈敏度這一重要參數(shù)的掌握和理解。

光接收機靈敏度測試平臺的搭建可以在OptiSystem元件庫選擇偽隨機碼發(fā)生器和非歸零碼（NRZ）脈沖發(fā)生器構(gòu)成信號發(fā)生器，采用激光器和馬赫-曾德爾調(diào)制器構(gòu)成的外調(diào)制方式，接收端采用光接收機，并將其與誤碼率測試儀進行連接，通過optisystem提供的參數(shù)掃描功能，可進行不同input power（輸入功率）下的仿真計算，模擬改變?nèi)肷涞焦饨邮諜C上的光功率。仿真結(jié)束后，通過Opti2DGraph建立關(guān)于入射功率和誤碼率最小對數(shù)值之間關(guān)系的曲線圖。

通過曲線圖可以讓學(xué)生討論入射光功率與誤碼率之間的關(guān)系，最終得出隨著接收機接收到的光功率降低，誤碼率增加這一結(jié)論。為了降低誤碼率，需要增加接收機接收到的光功率。在此光接收機靈敏度測試平臺下，還可以設(shè)置不同的調(diào)制速率，讓學(xué)生觀察不同傳輸速率對誤碼率的影響，最終得出結(jié)論當傳輸?shù)拇a速增加時，誤碼率也在增加，為了獲得在較高碼元速率情況下能與低碼元速率具有相同的誤碼率，只能提高發(fā)射機的光功率，所以調(diào)制速率和靈敏度是一對矛盾體。

3 結(jié)論

本文首先分析了光纖通信課程的特點和教學(xué)中存在的問題，提出將Optisystem仿真軟件引入到光纖通信技術(shù)的課堂理論教學(xué)之中，Optisystem軟件可以應(yīng)用于光纖通信課程中多處教學(xué)環(huán)節(jié)，本文僅對重要的幾處進行了詳細的教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)計，利用Optisystem仿真平臺進行輔助教學(xué)，既可以使理論知識直觀形象化，便于學(xué)生的理解，同時可以使學(xué)生將所學(xué)理論知識和實際應(yīng)用結(jié)合起來，提高學(xué)生的系統(tǒng)設(shè)計能力。在以后的光纖通信理論教學(xué)中應(yīng)思考如何更多的引入Optisystem并合理的進行教學(xué)設(shè)計，以便進一步提高教學(xué)效果和質(zhì)量。

參考文獻：

[1]李理敏，曾國強.“光纖通信”課程教學(xué)改革的探索與實踐[J].《軟件導(dǎo)刊（教育技術(shù)）》.2017（09）：6465.

[2]周玲.《光纖通信》課程教學(xué)改革的探討[J].湖南科技學(xué)院學(xué)報.2015（10）期：3940.

[3]段武.基于OptiSystem的半導(dǎo)體激光器PI曲線仿真研究[J].信息化建設(shè)，2016（3）：240241.

[4]王曉艷.通信系統(tǒng)中的色散管理與設(shè)計[J].中國新通信，2018：2526.

[5]李明宇.光收發(fā)模塊時域特性測試仿真及實驗教學(xué)[J].實驗技術(shù)與管理，2018（1）：2526.

[6]趙崇俊.高速光纖通信系統(tǒng)中調(diào)制格式與四波混頻效應(yīng)研究[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2012.

作者簡介：柯潤宇（1998），男，漢族，江蘇蘇州人，學(xué)生，研究方向：光纖通信系統(tǒng)；題瀟穎（1983），女，漢族，遼寧沈陽人，碩士，講師，研究方向：光纖通信系統(tǒng)；葉成蔭（1977），男，漢族，遼寧撫順人，博士，副教授，研究方向：計算機網(wǎng)絡(luò)。