創(chuàng)新物理實(shí)驗(yàn)教學(xué):光學(xué)實(shí)驗(yàn)在光纖通信中的應(yīng)用實(shí)踐

鐘 瑞,韓建衛(wèi),過(guò) 聰,王 拴,紀(jì) 緯,張立彬

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)(深圳)實(shí)驗(yàn)與創(chuàng)新實(shí)踐教育中心,廣東 深圳 518055)

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)作為理工科專(zhuān)業(yè)的一門(mén)必修課,對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維和科學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?、提高學(xué)生的科學(xué)實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)具有重要作用。但長(zhǎng)期以來(lái),課程教學(xué)內(nèi)容大多以經(jīng)典實(shí)驗(yàn)為主,缺乏現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的新元素,使學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中很難找到實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目與專(zhuān)業(yè)前沿技術(shù)的結(jié)合點(diǎn),往往會(huì)覺(jué)得實(shí)驗(yàn)枯燥乏味、陳舊落后,部分學(xué)生甚至產(chǎn)生抵觸情緒,敷衍了事。長(zhǎng)此以往,學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性和積極性受到極大的影響,從而影響教學(xué)效果。因此,如何將大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)與應(yīng)用實(shí)踐相結(jié)合,讓學(xué)生真正認(rèn)識(shí)到學(xué)有所用,是一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。國(guó)內(nèi)外眾多高校對(duì)此問(wèn)題做過(guò)許多研究和試驗(yàn),并取得了積極的成果[1-8]。

近年來(lái),哈爾濱工業(yè)大學(xué)(深圳)物理實(shí)驗(yàn)中心團(tuán)隊(duì)在“新基建”背景下,以光學(xué)實(shí)驗(yàn)與光纖通信技術(shù)的聯(lián)系為切入點(diǎn),通過(guò)豐富教學(xué)內(nèi)容、改進(jìn)考核方法、結(jié)合競(jìng)賽與科研等方式,極大地提升了教學(xué)效果。學(xué)生在此過(guò)程中,提高了學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性,增強(qiáng)了創(chuàng)新思維和動(dòng)手實(shí)踐能力,并在全國(guó)大學(xué)生物理實(shí)驗(yàn)競(jìng)賽(創(chuàng)新)中取得了優(yōu)異的成績(jī)。

1 光纖通信與光學(xué)實(shí)驗(yàn)的聯(lián)系

光通信技術(shù)具有超大容量、超高速率、超長(zhǎng)距離傳輸?shù)确矫娴膬?yōu)勢(shì)。因此,遍布全球的光纖網(wǎng)絡(luò)已成為高清視頻直播、網(wǎng)絡(luò)電商、社交媒體、國(guó)防、金融、線上會(huì)議、遠(yuǎn)程醫(yī)療等應(yīng)用的物理基礎(chǔ)。另一方面,隨著碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)的提出,降低網(wǎng)絡(luò)單位能耗和綠色節(jié)能顯得更為重要,全光網(wǎng)將迎來(lái)新的發(fā)展機(jī)遇,“光進(jìn)銅退”已成為全球范圍內(nèi)一個(gè)必然的趨勢(shì)。

光纖通信的本質(zhì),就是采用光學(xué)方法實(shí)現(xiàn)二進(jìn)制代碼(1/0)的調(diào)制、傳輸和解調(diào),如圖1所示。大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程中,光學(xué)實(shí)驗(yàn)占有相當(dāng)大比重,這些實(shí)驗(yàn)背后的原理涉及到光纖通信領(lǐng)域的一些關(guān)鍵技術(shù)。通過(guò)教師在實(shí)驗(yàn)課上的啟發(fā),我校光電、通信專(zhuān)業(yè)的本科生組成的團(tuán)隊(duì)自制了科普視頻《高速光纖通信技術(shù)的物理原理》。該視頻以光學(xué)實(shí)驗(yàn)原理與高速光纖通信技術(shù)的聯(lián)系作為切入點(diǎn),生動(dòng)形象地展示了信號(hào)的調(diào)制、傳輸、解調(diào)以及波分復(fù)用技術(shù),并介紹了其涉及到的部分物理原理(干涉、衍射、全反射、電光效應(yīng)、內(nèi)光電效應(yīng)等)。該作品獲得2022年第八屆全國(guó)大學(xué)生物理實(shí)驗(yàn)競(jìng)賽(創(chuàng)新)自選類(lèi)一等獎(jiǎng)。

圖1 光纖通信的過(guò)程

2 創(chuàng)新教學(xué)方法

2.1 課程思政,豐富教學(xué)內(nèi)容

任課教師提前做好功課,在實(shí)驗(yàn)講解部分向?qū)W生展示該實(shí)驗(yàn)相關(guān)的原理在工程技術(shù)和前沿科研中的應(yīng)用。展示內(nèi)容包括理論講解和實(shí)物展示,從而加深學(xué)生對(duì)相關(guān)原理和技術(shù)的認(rèn)識(shí)。

例如在光的等厚干涉實(shí)驗(yàn)中,實(shí)驗(yàn)教師向?qū)W生講解了薄膜干涉、增反膜、增透膜等概念。并結(jié)合生活中的實(shí)際案例,介紹了薄膜濾波片(Thin Film Filter,TFF)及其在高速光纖通信中的應(yīng)用,包括波分復(fù)用(Wavelength Division Multiplexing,WDM)、光插分復(fù)用(Optical Add-Drop Multiplexer,OADM)、波分復(fù)用型無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)(Wavelength Division Multiplexing Passive Optical Network,WDM-PON)等,如圖2所示。

圖2 在課件中向?qū)W生展示薄膜干涉在光纖通信中的應(yīng)用

在用分光計(jì)和衍射光柵測(cè)定光的波長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)中,實(shí)驗(yàn)教師向?qū)W生展示了衍射光柵在波分復(fù)用、信號(hào)光耦合中的應(yīng)用,并介紹了基于衍射光柵和羅蘭圓組合的變形而制作的陣列波導(dǎo)光柵(Arrayed Waveguide Grating,AWG),分別如圖3和圖4所示。

圖3 在課件中向?qū)W生展示衍射光柵在光纖通信中的應(yīng)用

圖4 在課件中向?qū)W生展示AWG在光纖通信中的應(yīng)用

在邁克爾遜干涉儀實(shí)驗(yàn)中,實(shí)驗(yàn)教師結(jié)合干涉相長(zhǎng)、干涉相消與光程差(相位差)的關(guān)系進(jìn)行拓展,向?qū)W生展示了光纖通信中一種非常重要的調(diào)制信號(hào)光的器件:馬赫增德?tīng)栒{(diào)制器(Mach-Zehnder Modulator,MZM),如圖5所示。這種調(diào)制器利用了電光效應(yīng)原理,通過(guò)改變電光晶體(例如鈮酸鋰,LiNbO3)的外加電壓,控制其折射率,進(jìn)而控制光程差(相位差),實(shí)現(xiàn)信號(hào)的調(diào)制(在發(fā)射端,將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào))。

圖5 在課件中向?qū)W生展示MZM在光纖通信中的應(yīng)用

而在光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)中,實(shí)驗(yàn)教師在講解實(shí)驗(yàn)原理時(shí)同樣進(jìn)行了拓展,展示了內(nèi)光電效應(yīng)的原理以及如何利用其實(shí)現(xiàn)信號(hào)的解調(diào)(在接收端,將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)),如圖6所示。

圖6 在課件中向?qū)W生展示內(nèi)光電效應(yīng)在光纖通信中的應(yīng)用

此外,雙光柵檢測(cè)微弱振動(dòng)、磁光效應(yīng)等實(shí)驗(yàn)也與光纖通信技術(shù)有著緊密聯(lián)系。我們通過(guò)課程思政,豐富教學(xué)內(nèi)容,將這些知識(shí)點(diǎn)傳遞給學(xué)生。讓他們?cè)谕瓿蓪?shí)驗(yàn)的同時(shí),也對(duì)光纖通信中信號(hào)的調(diào)制、傳輸、解調(diào)整個(gè)過(guò)程有了基本的認(rèn)識(shí),更加深刻地體會(huì)到了學(xué)以致用。

2.2 改進(jìn)考核方法

鼓勵(lì)學(xué)生檢索相關(guān)的資料,例如實(shí)驗(yàn)涉及的前沿科學(xué)技術(shù)、產(chǎn)品、工藝、標(biāo)準(zhǔn)、相關(guān)廠家和市場(chǎng)等等,并整理之后作為實(shí)驗(yàn)報(bào)告的附件一起提交,形式不限(例如視頻、圖片、論文、產(chǎn)品規(guī)格書(shū)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)等等)。教師根據(jù)報(bào)告對(duì)學(xué)生給予加分、減少實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目等鼓勵(lì),極大地激發(fā)了其學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和積極性。

例如在牛頓環(huán)實(shí)驗(yàn)中,要求學(xué)生測(cè)量凸透鏡球面的曲率半徑。在分光計(jì)實(shí)驗(yàn)中,要求學(xué)生利用分光計(jì)和衍射光柵測(cè)定汞燈發(fā)出的光的波長(zhǎng)。有學(xué)生主動(dòng)嘗試觀察汞燈光的牛頓環(huán)現(xiàn)象,并將這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)中觀察到的現(xiàn)象進(jìn)行對(duì)比分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)采用衍射光柵可以很容易地將汞燈的雙黃光分離,而在牛頓環(huán)實(shí)驗(yàn)中甚至都無(wú)法將綠光和黃光分離,如圖7所示。

(a)

隨后,該學(xué)生結(jié)合實(shí)驗(yàn)教師在實(shí)驗(yàn)講解中提到的密集波分復(fù)用(Dense Wavelength Division Multiplexing,DWDM)和粗波分復(fù)用(Coarse Wavelength Division Multiplexing,CWDM)的區(qū)別,在實(shí)驗(yàn)報(bào)告中提到,這個(gè)現(xiàn)象可以非常通俗形象地展示DWDM與CWDM的區(qū)別,以及二者的技術(shù)方案選擇。因?yàn)楣療舻墓庾V中,雙黃光的波長(zhǎng)相差不到2 nm,而綠光與雙黃光的波長(zhǎng)差超過(guò)30nm,這與國(guó)際電信聯(lián)盟(International Telecommunication Union,ITU)制定的DWDM、CWDM的信道間隔非常接近[9-10]。受此啟發(fā),該學(xué)生在后面制作科普視頻《高速光纖通信技術(shù)的物理原理》時(shí),引入了賽車(chē)、跨欄比賽等元素,通俗地展示了DWDM與CWDM的區(qū)別,如圖8所示。

圖8 學(xué)生在科普視頻中展示DWDM與CWDM的對(duì)比

2.3 結(jié)合競(jìng)賽與科研

任課教師中有相當(dāng)一部分來(lái)自科研一線。他們不僅為本科生走進(jìn)科研實(shí)驗(yàn)室參與科研項(xiàng)目提供了條件,還將自己的部分科研成果進(jìn)行轉(zhuǎn)化,指導(dǎo)學(xué)生參加全國(guó)大學(xué)生物理實(shí)驗(yàn)競(jìng)賽(創(chuàng)新)、全國(guó)大學(xué)生物理學(xué)術(shù)競(jìng)賽,并取得了不俗的成績(jī)。

另外,在學(xué)校的大力支持下,物理實(shí)驗(yàn)中心團(tuán)隊(duì)面向全校本科生開(kāi)設(shè)了創(chuàng)新競(jìng)賽選修課,學(xué)生通過(guò)課程訓(xùn)練不僅獲得了學(xué)分,創(chuàng)新能力、競(jìng)賽水平也得到了極大提升。

以上舉措在大幅提升學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)性的同時(shí),也成功實(shí)現(xiàn)了科技型人才的創(chuàng)新訓(xùn)練向本科階段前移,加速了科技人才的培養(yǎng)進(jìn)程。例如科普視頻《高速光纖通信技術(shù)的物理原理》的創(chuàng)作團(tuán)隊(duì)成員吳優(yōu)同學(xué)積極參與科研活動(dòng),在導(dǎo)師的指導(dǎo)下,以第一作者身份在2023年美國(guó)光纖通信會(huì)議(Optical Fiber Communication Conference,OFC)上發(fā)表了高水平學(xué)術(shù)論文,如圖9所示[11]。

圖9 學(xué)生發(fā)表的光纖通信領(lǐng)域?qū)W術(shù)論文

3 教學(xué)成果

通過(guò)以上三種創(chuàng)新教學(xué)方法,我們將大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程中的光學(xué)實(shí)驗(yàn)與光纖通信應(yīng)用實(shí)踐相結(jié)合,學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)性有了顯著提高,創(chuàng)新思維能力也得到了大幅提升。部分學(xué)生在課程中深受啟發(fā),自制了科普視頻《高速光纖通信技術(shù)的物理原理》,并獲得2022年第八屆全國(guó)大學(xué)生物理實(shí)驗(yàn)競(jìng)賽(創(chuàng)新)自選類(lèi)一等獎(jiǎng),如圖10所示。

(a)視頻截圖

4 結(jié) 論

我們針對(duì)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程中存在的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與前沿科技脫節(jié)、缺乏創(chuàng)新思維訓(xùn)練這兩個(gè)問(wèn)題,以光學(xué)實(shí)驗(yàn)與光纖通信技術(shù)的聯(lián)系作為切入點(diǎn),通過(guò)豐富教學(xué)內(nèi)容、改進(jìn)考核方法、結(jié)合競(jìng)賽與科研等方式改進(jìn)了教學(xué)方法。學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性、主動(dòng)性、創(chuàng)新思維能力均大幅提升,并在競(jìng)賽中取得了優(yōu)異的成績(jī)。

受此啟發(fā),未來(lái)也將在其他物理實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目與科學(xué)技術(shù)的聯(lián)系上做類(lèi)似的嘗試,例如無(wú)線充電技術(shù)、光電檢測(cè)技術(shù)、傳感技術(shù)、新能源技術(shù)、半導(dǎo)體工藝等等。