四位一體的光纖通信教學(xué)改革

王現(xiàn)彬，楊 潔，高彥彥，康元元

（石家莊學(xué)院 機(jī)電學(xué)院，河北 石家莊 050035）

0 引言

近年來國家相繼提出了“互聯(lián)網(wǎng)+”、“寬帶中國”及“中國制造2025”等一系列強(qiáng)國富民戰(zhàn)略舉措，同時(shí)5G技術(shù)及5G網(wǎng)絡(luò)發(fā)展得如火如荼，凡此種種都與超大帶寬、超高速率的光纖通信密切相關(guān).而承載光纖通信技術(shù)的課程——光纖通信課程也是通信電子類專業(yè)的專業(yè)方向課，是通信電子類學(xué)生拓寬專業(yè)口徑、提升就業(yè)競爭力及提高自身動(dòng)手實(shí)踐能力的有力保障[1-3].光纖通信課程概念多、理論深、實(shí)踐重，且一般在本科四年級開設(shè)，學(xué)生在考研及就業(yè)壓力下課堂專注力難以保障，都為光纖通信課程教學(xué)設(shè)置了障礙[4-7].為提升學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力，實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)也是一個(gè)不可或缺的環(huán)節(jié)，但對于一些地方本科院校，實(shí)驗(yàn)室資金投入相對不足，且實(shí)驗(yàn)儀器老舊，難以跟上光纖通信發(fā)展步伐[8-12].在現(xiàn)有環(huán)境下如何提升光纖通信課程教學(xué)效果、提高學(xué)生在光纖通信方面的動(dòng)手實(shí)踐能力，成為光纖通信教學(xué)過程中一個(gè)亟待解決的難題[13-15].依托石家莊學(xué)院應(yīng)用型轉(zhuǎn)型，結(jié)合幾年來的教學(xué)總結(jié)，提出了一種“數(shù)學(xué)推導(dǎo)簡單化”、“概念術(shù)語實(shí)體化”、“系統(tǒng)性能可視化”和“動(dòng)手實(shí)踐工程化”四位一體的光纖通信教學(xué)新模式，為光纖通信教學(xué)改革提供了新思路.

1 數(shù)學(xué)推導(dǎo)簡單化

光纖通信課程理論深、公式多，同時(shí)光纖通信課程與相關(guān)專業(yè)課聯(lián)系緊密，如大學(xué)物理、信號與系統(tǒng)、模擬電路、通信原理及電磁場與微波等課程相關(guān)的知識點(diǎn)在光纖通信課程中都有所應(yīng)用，特別是在光纖導(dǎo)光原理及接收機(jī)性能分析等部分.授課時(shí)如果按照傳統(tǒng)教學(xué)方式，通過理論推導(dǎo)進(jìn)行內(nèi)容講解，首先學(xué)生對于前期所學(xué)專業(yè)知識記憶已經(jīng)模糊，其次“填鴨式”的滿堂灌也容易引起學(xué)生的反感，使授課效果大打折扣.

為提升教學(xué)效果，在教學(xué)過程中簡化理論推導(dǎo)，重在分析結(jié)果.如對于“光纖傳光原理分析”部分，在授課時(shí)弱化麥克斯韋方程組求解，減少理論推導(dǎo)，重點(diǎn)分析亥姆霍茲方程在邊界條件下的本征解，以理解光纖的傳光原理與傳光特性.在講解該部分時(shí)為提高學(xué)生的感性認(rèn)識，對于模式分析可以借助Optisystem軟件來實(shí)現(xiàn)，以直觀的圖形加以顯示，輔助理解該部分內(nèi)容.Optisystem是一款創(chuàng)新性的光通信模擬仿真軟件，其可以對光通信物理鏈路層展開各種形式的模擬，是光通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析的強(qiáng)有力工具.圖1為采用Optisystem所連接的模式觀測圖.首先光源產(chǎn)生激光，再由模式發(fā)生器產(chǎn)生各種模式，最后通過觀測儀進(jìn)行結(jié)果觀測.圖2給出了通過觀測儀所觀測到的弱導(dǎo)光纖條件下幾種低階線偏振模LPnm，這是因?yàn)槿鯇?dǎo)條件下，導(dǎo)波模一般可用行波表示，而行波大部分都是線極化的，故稱為線偏振模.其中LP01為基模，其由HE11構(gòu)成.通過觀測結(jié)果與理論分析相對比，加深了學(xué)生對理論知識的理解，同時(shí)通過學(xué)生自己動(dòng)手仿真，可以提升其學(xué)習(xí)興趣與學(xué)習(xí)積極性.

圖2 幾種低階線偏振模

2 概念術(shù)語實(shí)體化

在光纖通信教學(xué)過程中，會(huì)遇到各種專業(yè)性的概念術(shù)語，如在講解第二章“光纖”時(shí)，會(huì)涉及到光纖衰減系數(shù)、群速度色散、色散斜率、色散長度、偏振模色散、自相位調(diào)制、交叉相位調(diào)制等各種光纖特性有關(guān)的術(shù)語.在講解時(shí)如果照本宣科，會(huì)使教學(xué)過程枯燥乏味，難以吸引學(xué)生的興趣.以概念“色散長度LD”為例，其定義為經(jīng)過LD距離的傳輸后，光脈沖會(huì)由于色散的原因展寬到原脈沖寬度的倍.如果在教學(xué)中只是以這樣一句話來向?qū)W生傳授色散長度的概念，學(xué)生只能囫圇吞棗、一知半解.長此以往，概念堆積，思維混亂，最終會(huì)損害學(xué)生學(xué)習(xí)光纖通信知識的熱情.為改變這種長久以來的不利影響，在教學(xué)時(shí)采用“概念術(shù)語實(shí)體化”的策略，即借助Optisystem軟件，將光纖衰減系數(shù)、群速度色散等涉及到光纖特性的概念術(shù)語進(jìn)行數(shù)值具體化，如圖3所示.圖3給出了常規(guī)單模光纖的色散、偏振模色散及非線性效應(yīng)等的具體參數(shù)值，結(jié)合這些實(shí)體化的概念，可以使學(xué)生加深對光纖通信中相關(guān)知識點(diǎn)的理解.

結(jié)合圖3中“實(shí)體化”的相關(guān)概念，針對“色散長度LD”，依托Optisystem設(shè)計(jì)了圖4所示的仿真系統(tǒng).數(shù)據(jù)源產(chǎn)生二進(jìn)制碼串，高斯光脈沖發(fā)生器將二進(jìn)制碼串轉(zhuǎn)換成高斯光脈沖，經(jīng)過光纖傳輸后，通過示波器進(jìn)行波形觀測.

圖3 單模光纖特性數(shù)值化

圖4 觀測色散長度LD的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

進(jìn)行仿真時(shí)數(shù)據(jù)源產(chǎn)生二進(jìn)制碼串為0000000100000000，即只觀測一個(gè)光脈沖，系統(tǒng)速率設(shè)定為40Gbit/s，故一個(gè)光脈沖的占時(shí)為25 ps.色散長度LD=T20/|β2|，其中光脈沖寬度T0=TFWHM/1.655，TFWHM為光脈沖的半高全寬（即光脈沖幅度一半處的寬度），在仿真中TFWHM=12.5 ps，則T0≈7.5 ps.β2是光脈沖在信號頻率中心處的色散，即群速度色散，在單模光纖中當(dāng)光源中心波長為1550 nm時(shí)，β2=-20 ps2/km，綜合可得LD=2.812 km.在仿真時(shí)將光纖長度設(shè)定為2.812 km，忽略圖3中偏振模色散和非線性效應(yīng)的影響，只考慮色散的作用.圖5為仿真后在發(fā)射端和接收端得到的高斯光脈沖，對比可以看出，通過傳輸2.812 km后，脈沖寬度約展寬到了原始光脈沖的倍，光脈沖幅度也有所降低.

3 系統(tǒng)性能可視化

圖5 發(fā)射端和接收端高斯光脈沖對比

在學(xué)生掌握了一些光纖通信的基本理論之后，需將學(xué)生的視野上升到光纖通信系統(tǒng)級別，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步學(xué)習(xí)光纖通信的特點(diǎn)及傳輸性能.學(xué)生在通信原理等專業(yè)課程中已對誤碼率（BER）、眼圖及Q值等概念有了基本認(rèn)識，如何將這些理論概念遷移到光纖通信中來，借助這些概念以強(qiáng)化對光纖通信系統(tǒng)的理解，是理論聯(lián)系實(shí)際的關(guān)鍵，而借助Optisystem可以實(shí)現(xiàn)這一轉(zhuǎn)化.現(xiàn)以基于外調(diào)制的40 Gbit/s非歸零碼（NRZ）色散補(bǔ)償光纖傳輸系統(tǒng)為例，來說明光纖通信系統(tǒng)的“性能可視化”.圖6給出了基本的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，首先數(shù)據(jù)源產(chǎn)生待傳數(shù)據(jù)，即二進(jìn)制碼串，由非歸零碼發(fā)生器將二進(jìn)制碼串變成電非歸零碼，隨后控制光調(diào)制器，將信息加載到光源輸出的激光上，實(shí)現(xiàn)了電/光調(diào)制.在光纖通道上采用具有負(fù)色散系數(shù)的色散補(bǔ)償光纖對常規(guī)光纖中的色散進(jìn)行補(bǔ)償，色散補(bǔ)償光纖的色散系數(shù)為-80 ps/（nm·km）.采用摻鉺光纖放大器來彌補(bǔ)常規(guī)光纖和色散補(bǔ)償光纖產(chǎn)生的損耗，以延長其有效傳輸距離.接收端首先采用光帶通濾波器進(jìn)行噪聲濾除，隨后采用PIN接收機(jī)實(shí)現(xiàn)光/電變換，再進(jìn)行電域的低通濾波，以濾除帶外噪聲，最后通過分析儀進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)觀測與分析.圖7給出了接收光功率變化時(shí)誤碼率的變化曲線，可以看出，隨著接收機(jī)接收到的光功率的變大，誤碼率隨之變小，同時(shí)在圖7中給出了兩個(gè)眼圖，從眼圖張開度的變化上也反映出了這一事實(shí).通過這種示例設(shè)計(jì)與講解，學(xué)生對光纖通信系統(tǒng)性能有了更加深刻的認(rèn)識，同時(shí)對學(xué)生以前所學(xué)的相關(guān)通信知識進(jìn)行了復(fù)習(xí)與鞏固.而借助“系統(tǒng)性能可視化”這一手段也可以拓寬學(xué)生的知識范疇，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)力.

圖6 基于外調(diào)制的NRZ色散補(bǔ)償光纖傳輸系統(tǒng)

圖7 接收光功率與誤碼率的對應(yīng)關(guān)系

4 動(dòng)手實(shí)踐工程化

光纖通信課程的最終歸結(jié)點(diǎn)還是學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐能力的提高.前期的仿真教學(xué)可以在有限的環(huán)境中最大程度地提升學(xué)生的認(rèn)知水平，而為了進(jìn)一步增強(qiáng)學(xué)生的實(shí)踐能力，把學(xué)生培養(yǎng)成行業(yè)與社會(huì)所需的創(chuàng)新性應(yīng)用型人才，在課程教學(xué)中有序地開展工程化的實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目也是必不可少的一個(gè)環(huán)節(jié).為此在光纖通信教學(xué)中，力爭“動(dòng)手實(shí)踐工程化”，以工程實(shí)際為導(dǎo)向，以石家莊學(xué)院應(yīng)用型轉(zhuǎn)型為契機(jī)，結(jié)合機(jī)電學(xué)院實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)基地，真做真練，為學(xué)生畢業(yè)后能盡快適應(yīng)工作崗位提供基礎(chǔ)保障.

在基于實(shí)際工程的實(shí)踐環(huán)節(jié)中，學(xué)生能夠進(jìn)行光纖熔接是學(xué)習(xí)光纖通信最基本要求，為此采用光纖剝纖鉗、光纖切割刀（住友FC-6S）和光纖熔接機(jī)（住友T-400S+）等實(shí)驗(yàn)器材，設(shè)計(jì)實(shí)訓(xùn)內(nèi)容，讓每個(gè)學(xué)生參與進(jìn)來.首先采用剝纖鉗去掉光纖保護(hù)套，并去除涂覆層，留下裸露的纖芯和包層，讓學(xué)生直觀感受光纖的基本結(jié)構(gòu).隨后采用無水酒精擦拭裸纖，保證其整潔度，用光纖熔接機(jī)自帶的成像系統(tǒng)進(jìn)行觀測，結(jié)果如圖8（a）所示，此時(shí)斷面呈不規(guī)則錐形，不適于熔接.采用切割刀切割光纖，可以有效保證斷面的平整度，便于后續(xù)熔接，結(jié)果如圖8（b）所示.圖8（c）為一個(gè)切割過的裸纖（左）和未切割的裸纖（右）對比圖，若該情況下進(jìn)行熔接，光纖熔接機(jī)會(huì)提示錯(cuò)誤“右側(cè)切割角度超限”.圖8（d）為正常情況下兩根裸纖熔接后的效果圖（熔接后光纖熔接機(jī)估算的損耗為0.01 dB），最后再加上熱縮管，借助光纖熔接機(jī)的加熱功能將裸纖保護(hù)住.通過該方式，讓學(xué)生動(dòng)手練習(xí)，提升學(xué)生的工程實(shí)際操作能力.

在機(jī)電學(xué)院的光纖通信實(shí)訓(xùn)室，已初步建成了基于華為SDH設(shè)備Optix155/622的光傳輸網(wǎng)，借助該平臺(tái)，可以讓學(xué)生將學(xué)到的SDH相關(guān)理論知識在實(shí)際中加以應(yīng)用，同時(shí)熟悉常用商用SDH傳輸設(shè)備特性，對SDH光傳輸網(wǎng)的組成及信號傳輸過程有較全面的認(rèn)識，真正做到“動(dòng)手實(shí)踐工程化”.在后續(xù)推進(jìn)中會(huì)整合機(jī)電學(xué)院其他實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)設(shè)施，如程控交換平臺(tái)、無線通信及數(shù)據(jù)傳輸平臺(tái)等，構(gòu)建一套完整的現(xiàn)代通信綜合實(shí)訓(xùn)網(wǎng)，為進(jìn)一步實(shí)施“動(dòng)手實(shí)踐工程化”提供硬件支撐.

5 結(jié)論

圖8 光纖熔接各階段圖像

石家莊學(xué)院作為河北省首批“十所轉(zhuǎn)型發(fā)展試點(diǎn)高校”之一，在推動(dòng)學(xué)校轉(zhuǎn)型發(fā)展、全面提升應(yīng)用型人才培養(yǎng)質(zhì)量方面任重而道遠(yuǎn)，而課程教學(xué)的應(yīng)用型轉(zhuǎn)型是其出發(fā)點(diǎn)與著力點(diǎn).光纖通信課程作為通信電子類專業(yè)的專業(yè)方向課，是提升通信電子類學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐能力、培養(yǎng)光纖通信應(yīng)用型人才、推動(dòng)通信電子類業(yè)應(yīng)用型轉(zhuǎn)型發(fā)展的一個(gè)核心環(huán)節(jié).為適應(yīng)石家莊學(xué)院向應(yīng)用型高校轉(zhuǎn)型，結(jié)合幾年來的教學(xué)總結(jié)，提出了一套“數(shù)學(xué)推導(dǎo)簡單化”、“概念術(shù)語實(shí)體化”、“系統(tǒng)性能可視化”和“動(dòng)手實(shí)踐工程化”四位一體的光纖通信教學(xué)新模式.該模式弱化理論推導(dǎo)，強(qiáng)調(diào)概念應(yīng)用，結(jié)合仿真分析，提升應(yīng)用能力，從而為光纖通信教學(xué)改革提供了新思路，也為學(xué)校應(yīng)用型轉(zhuǎn)型注入了新活力.