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關(guān)鍵詞 光纖 光器件 實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(dòng)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(shí)驗(yàn)過程必須以培養(yǎng)人才為目標(biāo)，以提升大學(xué)生綜合實(shí)踐能力宗旨，不斷將新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法引入到教學(xué)中，探索新時(shí)期的專業(yè)課實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室研究熱點(diǎn)成為商業(yè)化的強(qiáng)大應(yīng)用實(shí)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(jì)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的問題

（1）存在課程內(nèi)容多和實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)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(jì)及測量等。考慮到光通信系統(tǒng)的主要內(nèi)容及實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)的限制，如何協(xié)調(diào)光通信實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)之間的矛盾是首要解決的問題。

（2）實(shí)驗(yàn)儀器少和學(xué)生多之間的矛盾。光學(xué)類實(shí)驗(yàn)材料或儀器價(jià)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(jià)值數(shù)千元，實(shí)驗(yàn)耦合過程中容易折壞。而購買實(shí)驗(yàn)儀器的經(jīng)費(fèi)有限，實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)設(shè)備的條件，協(xié)調(diào)好實(shí)驗(yàn)儀器少和學(xué)生多之間的矛盾也極為重要。

（3）實(shí)驗(yàn)方法和教學(xué)手段單一，學(xué)生實(shí)驗(yàn)積極性不高。傳統(tǒng)教學(xué)為指導(dǎo)老師講授實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)、實(shí)驗(yàn)步驟、預(yù)期實(shí)驗(yàn)結(jié)果等，學(xué)生被動(dòng)的按照老師講授的固定步驟快速做完實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。從表面上看學(xué)生已成功做完實(shí)驗(yàn)，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(dòng)性不高。

（4）考核方式簡單。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)考核主要以學(xué)生預(yù)習(xí)時(shí)寫得實(shí)驗(yàn)報(bào)告和實(shí)驗(yàn)結(jié)束后的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為主。這種考核方式不能綜合反映出學(xué)生的實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)裝置是由西安超凡光電設(shè)備有限公司提供，共8個(gè)實(shí)驗(yàn)，32個(gè)學(xué)時(shí)，單次實(shí)驗(yàn)的人數(shù)為半個(gè)班級14人，2個(gè)班級輪流進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)。設(shè)計(jì)的具體每個(gè)實(shí)驗(yàn)的名稱見圖1。實(shí)驗(yàn)一是光源與光纖耦合實(shí)驗(yàn)，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(jì)測得的光纖輸出功率最大。實(shí)驗(yàn)二是光纖數(shù)值孔徑的測量實(shí)驗(yàn)，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(shí)驗(yàn)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(jì)算得到光纖數(shù)值孔徑大小。實(shí)驗(yàn)三是光纖傳輸損耗的測量實(shí)驗(yàn)。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(shí)驗(yàn)使用插入法測量光纖對1310nm和1550nm波長激光的損耗。實(shí)驗(yàn)四是光纖色散的測量實(shí)驗(yàn)。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(jì)算該光纖的色散。實(shí)驗(yàn)五是波分復(fù)用/解復(fù)用器的測試實(shí)驗(yàn)。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(shí)驗(yàn)使用光功率計(jì)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(shí)驗(yàn)六是光開關(guān)的測試實(shí)驗(yàn)。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(shí)驗(yàn)七是光纖隔離器的測試實(shí)驗(yàn)。測量隔離器正向和反向連接時(shí)對紅外光源的光功率，并計(jì)算得出對不同紅外光波的隔離度。實(shí)驗(yàn)八是開放式光路的模擬仿真實(shí)驗(yàn)，用光學(xué)軟件設(shè)計(jì)不同分支結(jié)構(gòu)的光路器。

（1）使用小班實(shí)驗(yàn)教學(xué)。我校光電信息科學(xué)與工程共四個(gè)班，本門實(shí)驗(yàn)每年選課人數(shù)約兩個(gè)班56人左右，每次實(shí)驗(yàn)人數(shù)半個(gè)班14人，可以保證在實(shí)驗(yàn)過程中與學(xué)生的充分溝通與交流。實(shí)驗(yàn)分組時(shí)，對動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力強(qiáng)的學(xué)生合理分組搭配，達(dá)到優(yōu)勢互補(bǔ)和團(tuán)隊(duì)協(xié)作培養(yǎng)。本實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

（2）實(shí)驗(yàn)與光通信研究的主要內(nèi)容緊密結(jié)合。實(shí)驗(yàn)覆蓋了光通信領(lǐng)域的重要知識點(diǎn)，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(shí)驗(yàn)二是根據(jù)光路的傳輸原理進(jìn)行設(shè)計(jì)，需要學(xué)生了解數(shù)值孔徑實(shí)驗(yàn)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(yàn)證數(shù)值孔徑的表達(dá)式。從實(shí)驗(yàn)操作中學(xué)生可以熟悉光纖的分類和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，了解數(shù)值孔徑的定義和物理計(jì)算方程，掌握測試數(shù)值孔徑的方法。

（3）前后實(shí)驗(yàn)聯(lián)系緊密，關(guān)聯(lián)性強(qiáng)。例如實(shí)驗(yàn)一光源與光纖耦合實(shí)驗(yàn)是實(shí)驗(yàn)二是光纖數(shù)值孔徑的測量實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)，實(shí)驗(yàn)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(jì)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(shí)驗(yàn)二的數(shù)值孔徑。

（4）實(shí)驗(yàn)組織合理，注重設(shè)計(jì)操作。每次的實(shí)驗(yàn)分為教師理論講解部分和學(xué)生實(shí)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(shí)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(shí)驗(yàn)中，針對具體實(shí)驗(yàn)?zāi)康倪M(jìn)行進(jìn)行光路的搭建和參數(shù)的測量，實(shí)驗(yàn)難易程度適中，多為設(shè)計(jì)操作型實(shí)驗(yàn)。

（5）增加光路模擬仿真，豐富實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。在開設(shè)光通信常規(guī)實(shí)驗(yàn)的同時(shí)，開展光學(xué)軟件模擬仿真教學(xué)，利用Rsoft/BPM軟件設(shè)計(jì)不同分支結(jié)構(gòu)的光路圖，實(shí)驗(yàn)中用光學(xué)軟件進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)可以使實(shí)驗(yàn)變得更具有開發(fā)性，培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)不收實(shí)驗(yàn)儀器的限制，更加靈活經(jīng)濟(jì)。

（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(shí)驗(yàn)教學(xué)方式，并利用電子教案、動(dòng)畫模擬視頻和網(wǎng)絡(luò)課件等現(xiàn)代化工具輔助實(shí)驗(yàn)教學(xué)，提高教學(xué)質(zhì)量。實(shí)驗(yàn)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(jī)構(gòu)，接下來做一些光器件的測試，最后給定一個(gè)光路設(shè)計(jì)主題，學(xué)生靈活運(yùn)用光通信理論自主設(shè)計(jì)不同分支結(jié)構(gòu)不同功能的光路。這種自主漸進(jìn)式實(shí)驗(yàn)方式可以激發(fā)學(xué)生實(shí)驗(yàn)興趣、提高創(chuàng)新能力。對于光路設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，針對設(shè)計(jì)光路實(shí)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(jì)能力，減少實(shí)驗(yàn)報(bào)告和實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)是我校光電信息科學(xué)與工程專業(yè)新開設(shè)的針的實(shí)驗(yàn)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(jì)與搭建。32個(gè)學(xué)時(shí)內(nèi)安排了8個(gè)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容充實(shí)，光通信理論知識與實(shí)驗(yàn)內(nèi)容緊密結(jié)合，難度適中，實(shí)驗(yàn)對培養(yǎng)動(dòng)手能力強(qiáng)光通信人才具有一定的意義。

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