光纖與光器件實驗的教學(xué)設(shè)計與探討

明憲兵

關(guān)鍵詞 光纖 光器件 實驗教學(xué)

中圖分類號：G424 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2019.09.051

Abstract According to the main teaching knowledge of optical communication， this paper designs the experimental content based on optical fiber and optical devices， which is closely combined with theoretical knowledge. The experimental results show that the experimental content is practical and the experimental time utilization efficiency is high， which is beneficial for students to master the main knowledge of optical communication experiment.

Keywords optical fiber; optical device; experiment teaching

0 引言

專業(yè)課的實驗教學(xué)是大學(xué)教育的重要環(huán)節(jié)，在鞏固專業(yè)課理論知識和培養(yǎng)大學(xué)生專業(yè)動手能力方面具有非常重要的作用，也為培養(yǎng)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)造能力提供了重要平臺。因此專業(yè)課的實驗過程必須以培養(yǎng)人才為目標(biāo)，以提升大學(xué)生綜合實踐能力宗旨，不斷將新的實驗教學(xué)方法引入到教學(xué)中，探索新時期的專業(yè)課實驗教學(xué)模式。

光通信是以光學(xué)纖維作為信息傳輸媒介的通信，在近幾十年中，光通信技術(shù)獲得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，已從實驗室研究熱點成為商業(yè)化的強大應(yīng)用實體。光通信技術(shù)作為一門進(jìn)入光通信領(lǐng)域的一門課程，目的是讓大學(xué)生學(xué)習(xí)和掌握光通信的基本理論、組成部件及系統(tǒng)設(shè)計測試相關(guān)知識，為學(xué)生今后從事光通信系統(tǒng)的研發(fā)、維護(hù)和應(yīng)用工作提供基礎(chǔ)。為培養(yǎng)光通信方面的專業(yè)人才，國內(nèi)外各高校的光電專業(yè)或通信專業(yè)均已開設(shè)了相關(guān)課程。光纖與光器件實驗是我校光電信息科學(xué)與工程專業(yè)培養(yǎng)方案中新開設(shè)的針對本科生第七學(xué)期的實驗課程，為今后學(xué)生在光通信領(lǐng)域就業(yè)或者繼續(xù)升學(xué)深造進(jìn)一步拓展了知識結(jié)構(gòu)。

1 目前實驗教學(xué)存在的問題

（1）存在課程內(nèi)容多和實驗學(xué)時少之間的矛盾。光通信系統(tǒng)涉及的內(nèi)容比較多，包括光通信系統(tǒng)的組成、光纖與光纜的基本結(jié)構(gòu)與性能、光傳輸理論與光波導(dǎo)技術(shù)、有源光器件和無源光器件的工作原理、同步數(shù)字體系與WDM光網(wǎng)絡(luò)、光通信系統(tǒng)的設(shè)計及測量等?？紤]到光通信系統(tǒng)的主要內(nèi)容及實驗學(xué)時的限制，如何協(xié)調(diào)光通信實驗內(nèi)容和實驗學(xué)時之間的矛盾是首要解決的問題。

（2）實驗儀器少和學(xué)生多之間的矛盾。光學(xué)類實驗材料或儀器價格偏貴又容易損壞，例如長度約20cm纖芯直徑4 m的單模光纖價值數(shù)千元，實驗耦合過程中容易折壞。而購買實驗儀器的經(jīng)費有限，實驗設(shè)備數(shù)量與學(xué)生人數(shù)不匹配，不能滿足學(xué)生每人一套實驗設(shè)備的條件，協(xié)調(diào)好實驗儀器少和學(xué)生多之間的矛盾也極為重要。

（3）實驗方法和教學(xué)手段單一，學(xué)生實驗積極性不高。傳統(tǒng)教學(xué)為指導(dǎo)老師講授實驗?zāi)繕?biāo)、實驗步驟、預(yù)期實驗結(jié)果等，學(xué)生被動的按照老師講授的固定步驟快速做完實驗的實驗教學(xué)模式。從表面上看學(xué)生已成功做完實驗，但學(xué)生收獲甚微，且學(xué)生思考空間有限，不能充分發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)新能力，學(xué)生的學(xué)習(xí)能動性不高。

（4）考核方式簡單。傳統(tǒng)的實驗教學(xué)考核主要以學(xué)生預(yù)習(xí)時寫得實驗報告和實驗結(jié)束后的實驗數(shù)據(jù)為主。這種考核方式不能綜合反映出學(xué)生的實驗知識掌握程度，問題探索分析能力、創(chuàng)新能力的考核在這過程中沒有得到充分的體現(xiàn)。

2 光纖與光器件實驗內(nèi)容設(shè)計

實驗裝置是由西安超凡光電設(shè)備有限公司提供，共8個實驗，32個學(xué)時，單次實驗的人數(shù)為半個班級14人，2個班級輪流進(jìn)行實驗教學(xué)。設(shè)計的具體每個實驗的名稱見圖1。實驗一是光源與光纖耦合實驗，把650nm半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生的激光通過光耦合器最大限度地輸送到芯徑為4 m的單模光纖中，調(diào)節(jié)四維架使光功率計測得的光纖輸出功率最大。實驗二是光纖數(shù)值孔徑的測量實驗，數(shù)值孔徑是表征光纖接收光能力大小的重要參數(shù)，也是衡量光纖與光器件耦合效率的度量參數(shù)。本實驗用光斑直徑法測量光纖數(shù)值孔徑，測量光纖輸出端到白屏距離L及光斑直徑D，根據(jù)數(shù)學(xué)三角關(guān)系計算得到光纖數(shù)值孔徑大小。實驗三是光纖傳輸損耗的測量實驗。光纖傳輸損耗對光纖通信中光信號的傳輸距離有重要影響，本實驗使用插入法測量光纖對1310nm和1550nm波長激光的損耗。實驗四是光纖色散的測量實驗。在光纖中注入激光波長1550nm的脈沖，測量該脈沖通過一定長度L的光纖后的展寬量t，通過公式計算該光纖的色散。實驗五是波分復(fù)用/解復(fù)用器的測試實驗。波分復(fù)用/解復(fù)用是將兩種光波信號經(jīng)復(fù)用器耦合到一根光纖內(nèi)傳輸或?qū)⒉煌ㄩL的光波信號進(jìn)行分離。本實驗使用光功率計測量波分復(fù)用/解復(fù)用器對1310nm和1550nm光信號的串?dāng)_和隔離度進(jìn)行測試。實驗六是光開關(guān)的測試實驗。在加電和不加電情況下，在監(jiān)視端口上測試光開關(guān)對不同光路的切換。實驗七是光纖隔離器的測試實驗。測量隔離器正向和反向連接時對紅外光源的光功率，并計算得出對不同紅外光波的隔離度。實驗八是開放式光路的模擬仿真實驗，用光學(xué)軟件設(shè)計不同分支結(jié)構(gòu)的光路器。

（1）使用小班實驗教學(xué)。我校光電信息科學(xué)與工程共四個班，本門實驗每年選課人數(shù)約兩個班56人左右，每次實驗人數(shù)半個班14人，可以保證在實驗過程中與學(xué)生的充分溝通與交流。實驗分組時，對動手能力和創(chuàng)新能力強的學(xué)生合理分組搭配，達(dá)到優(yōu)勢互補和團(tuán)隊協(xié)作培養(yǎng)。本實驗還利用了網(wǎng)絡(luò)輔助的形式，把課程相關(guān)資料上傳于班級共享網(wǎng)絡(luò)平臺，學(xué)生可以提前預(yù)習(xí)或回顧復(fù)習(xí)實驗內(nèi)容。

（2）實驗與光通信研究的主要內(nèi)容緊密結(jié)合。實驗覆蓋了光通信領(lǐng)域的重要知識點，既包含光通信基礎(chǔ)知識的理解又注重光器件的測試操作的訓(xùn)練。例如實驗二是根據(jù)光路的傳輸原理進(jìn)行設(shè)計，需要學(xué)生了解數(shù)值孔徑實驗系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理，自行搭建光路，根據(jù)光的折射原理推導(dǎo)驗證數(shù)值孔徑的表達(dá)式。從實驗操作中學(xué)生可以熟悉光纖的分類和結(jié)構(gòu)特點，了解數(shù)值孔徑的定義和物理計算方程，掌握測試數(shù)值孔徑的方法。

（3）前后實驗聯(lián)系緊密，關(guān)聯(lián)性強。例如實驗一光源與光纖耦合實驗是實驗二是光纖數(shù)值孔徑的測量實驗的基礎(chǔ)，實驗一把波長650nm激光通過光耦合器輸送到4 m的光纖中，使光功率計測得的光纖輸出功率最大，把光纖輸出光通過準(zhǔn)直裝置入射到十字白屏上即可測試實驗二的數(shù)值孔徑。

（4）實驗組織合理，注重設(shè)計操作。每次的實驗分為教師理論講解部分和學(xué)生實踐操作部分。理論講解多采用提出問題的方式，比如講到光在光纖中傳輸時就結(jié)合光的折射原理和全反射原理對學(xué)生進(jìn)行考察，提高學(xué)生的積極性。學(xué)生在實驗中，針對具體實驗?zāi)康倪M(jìn)行進(jìn)行光路的搭建和參數(shù)的測量，實驗難易程度適中，多為設(shè)計操作型實驗。

（5）增加光路模擬仿真，豐富實驗內(nèi)容。在開設(shè)光通信常規(guī)實驗的同時，開展光學(xué)軟件模擬仿真教學(xué)，利用Rsoft/BPM軟件設(shè)計不同分支結(jié)構(gòu)的光路圖，實驗中用光學(xué)軟件進(jìn)行仿真設(shè)計可以使實驗變得更具有開發(fā)性，培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計復(fù)雜光路能力，提高學(xué)生對光信號傳輸?shù)恼J(rèn)識，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。模擬實驗不收實驗儀器的限制，更加靈活經(jīng)濟。

（6）改進(jìn)教學(xué)方法和考核方式。采用教師引導(dǎo)為輔、學(xué)生自主學(xué)習(xí)為主的實驗教學(xué)方式，并利用電子教案、動畫模擬視頻和網(wǎng)絡(luò)課件等現(xiàn)代化工具輔助實驗教學(xué)，提高教學(xué)質(zhì)量。實驗內(nèi)容按照先易后難的順序，例如先從光纖耦合開始理解光纖的機構(gòu)，接下來做一些光器件的測試，最后給定一個光路設(shè)計主題，學(xué)生靈活運用光通信理論自主設(shè)計不同分支結(jié)構(gòu)不同功能的光路。這種自主漸進(jìn)式實驗方式可以激發(fā)學(xué)生實驗興趣、提高創(chuàng)新能力。對于光路設(shè)計實驗，針對設(shè)計光路實用性和創(chuàng)新性進(jìn)行綜合評估，考核學(xué)生的創(chuàng)新能力和設(shè)計能力，減少實驗報告和實驗數(shù)據(jù)在考核結(jié)果中的比重。

4 結(jié)束語

光纖與光器件實驗是我校光電信息科學(xué)與工程專業(yè)新開設(shè)的針的實驗課程，內(nèi)容定位為光通信系統(tǒng)的理論知識和光器件間光路的設(shè)計與搭建。32個學(xué)時內(nèi)安排了8個實驗，實驗內(nèi)容充實，光通信理論知識與實驗內(nèi)容緊密結(jié)合，難度適中，實驗對培養(yǎng)動手能力強光通信人才具有一定的意義。

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