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摘要：為了解決教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備難以滿足課程需要的問(wèn)題，將optisystem軟件引入到光纖通信實(shí)驗(yàn)教學(xué)中．利用軟件豐富的器件及儀器庫(kù)，設(shè)計(jì)了綜合性實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)研究型實(shí)驗(yàn)．綜合性實(shí)驗(yàn)有利于學(xué)生掌握光纖通信的課程體系，鞏固知識(shí)點(diǎn)．設(shè)計(jì)研究型實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚺囵B(yǎng)學(xué)生設(shè)計(jì)能力，通過(guò)問(wèn)題的分析和解決，提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)．OptiSystem軟件的使用，克服了傳統(tǒng)單一實(shí)驗(yàn)箱實(shí)驗(yàn)教學(xué)的限制，增強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的靈活性，改善了教學(xué)效果．

關(guān)鍵詞：光纖通信；OptiSystem軟件；實(shí)驗(yàn)教學(xué)

光纖通信是以光波為載波，以光纖為傳輸媒質(zhì)的通信方式．光纖通信以其傳輸容量大、中繼距離長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)成為了目前有線通信的主要方式[1]，是構(gòu)建當(dāng)前信息社會(huì)的基石[2-3]．因此，光纖通信課程成為了通信工程專(zhuān)業(yè)、電子信息工程專(zhuān)業(yè)等的重要專(zhuān)業(yè)課程．光纖通信課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)是驗(yàn)證、鞏固理論知識(shí)學(xué)習(xí)的主要手段，是光纖通信課程的重要組成部分．當(dāng)前，光纖通信實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要以基于實(shí)驗(yàn)箱的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主，普通本科院校財(cái)力有限，通常難以購(gòu)買(mǎi)昂貴的綜合性和設(shè)計(jì)研究型實(shí)驗(yàn)設(shè)備，一定程度上限制了光纖通信課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果[4]．OptiSystem是一種先進(jìn)的光通信系統(tǒng)仿真軟件，具有完備的器件庫(kù)和儀器庫(kù)，使用方便靈活[5-6]．將OptiSystem軟件引入光纖通信實(shí)驗(yàn)教學(xué)[7]，在采用實(shí)驗(yàn)箱完成基礎(chǔ)性驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)之后，利用OptiSystem豐富的器件資源、儀器資源和靈活性[8]，開(kāi)展綜合性實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)研究型實(shí)驗(yàn)，有利于增強(qiáng)學(xué)生對(duì)光纖通信系統(tǒng)的整體把握，有利于學(xué)生深刻地理解所學(xué)知識(shí)，更直觀地理解知識(shí)點(diǎn)，改善實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果．

1OptiSystem軟件在綜合性實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

為了使學(xué)生對(duì)光纖通信知識(shí)體系實(shí)現(xiàn)更全面的把握，采用OptiSystem軟件設(shè)計(jì)綜合性實(shí)驗(yàn)——光纖通信系統(tǒng)色散補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)（見(jiàn)圖1）．首先該實(shí)驗(yàn)需要按照光纖通信系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)建立光纖通信系統(tǒng)的模型，包含了直接調(diào)制光發(fā)送機(jī)、光纖線路、光放大器、光接收機(jī)等部分．基本光纖通信系統(tǒng)模型的建立，有利于鞏固學(xué)生對(duì)光纖通信系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)．光發(fā)送機(jī)采用的是間接調(diào)制方式，相比于直接調(diào)制方式降低了頻率啁啾效應(yīng)對(duì)光譜和光時(shí)域波形的影響．在光纖兩側(cè)采用光功率計(jì)測(cè)量光信號(hào)在光纖線路傳輸前后的光功率變化，可以幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)到損耗對(duì)光纖通信系統(tǒng)的影響．而光放大器前后光功率的比較，可以使學(xué)生認(rèn)識(shí)到光放大器能夠補(bǔ)償光纖損耗的影響，提高信號(hào)功率，增加信號(hào)的傳輸距離．光纖前后采用光示波器測(cè)量光信號(hào)時(shí)域波形，波形的變化反映了光纖色散的影響，證明了光纖中不同波長(zhǎng)成分傳輸速度不同引起的時(shí)延變化量會(huì)使光脈沖產(chǎn)生展寬．第2段光纖輸出的信號(hào)采用軟件中的Fork元件復(fù)制成2路，第1路不進(jìn)行色散補(bǔ)償，直接采用光接收機(jī)進(jìn)行接收，并采用誤碼率分析儀進(jìn)行測(cè)試．從測(cè)試結(jié)果中觀察眼圖、Q因子和誤碼率等指標(biāo)．學(xué)生通過(guò)觀察和分析測(cè)試結(jié)果更好地理解光纖通信系統(tǒng)的評(píng)價(jià)方式．第2路信號(hào)采用色散補(bǔ)償光柵進(jìn)行色散補(bǔ)償，色散補(bǔ)償后的光信號(hào)也采用光示波器測(cè)試其時(shí)域波形，觀察色散補(bǔ)償對(duì)光時(shí)域波形的影響，補(bǔ)償后信號(hào)再采用光接收機(jī)進(jìn)行接收，并用誤碼率分析儀進(jìn)行測(cè)試．通過(guò)對(duì)帶色散補(bǔ)償模塊的光纖通信系統(tǒng)和不帶色散補(bǔ)償模塊的光纖通信系統(tǒng)性能進(jìn)行比較分析，能夠幫助學(xué)生理解光纖的色散對(duì)光纖通信系統(tǒng)性能的影響，光纖通信系統(tǒng)誤碼率與Q因子之間的關(guān)系等．為了達(dá)到較好的色散補(bǔ)償效果，需要合理地設(shè)置色散補(bǔ)償模塊的色散值．最優(yōu)的色散值取決于光纖的色散系數(shù)和光纖線路中光纖的長(zhǎng)度[9]，該色散值的設(shè)定可以幫助學(xué)生加強(qiáng)對(duì)色散補(bǔ)償技術(shù)知識(shí)的鞏固．采用OptiSystem軟件設(shè)計(jì)的該綜合性實(shí)驗(yàn)涉及到光纖通信系統(tǒng)的基本構(gòu)成，鞏固了第1章“導(dǎo)論”部分的主要知識(shí)點(diǎn)．光發(fā)送機(jī)采用間接調(diào)制方式，實(shí)驗(yàn)時(shí)讓學(xué)生回顧直接調(diào)制和間接調(diào)制的區(qū)別，各自的優(yōu)缺點(diǎn)，指出本實(shí)驗(yàn)采用間接調(diào)制光發(fā)送機(jī)的原因，涉及到第3章“光源和光發(fā)送機(jī)”部分的內(nèi)容．實(shí)驗(yàn)中通過(guò)光功率計(jì)觀察了光纖前后光信號(hào)的功率，采用光示波器觀察了光纖前后信號(hào)的時(shí)域波形，驗(yàn)證了光纖的損耗、色散等傳輸特性對(duì)光信號(hào)的影響，涉及到了第2章“光纖與光纜”部分的內(nèi)容．光纖線路輸出的光信號(hào)采用光接收機(jī)進(jìn)行接收，并采用誤碼率分析儀進(jìn)行測(cè)試，涉及到了第4章“光檢測(cè)器和光接收機(jī)”部分中光接收機(jī)的靈敏度、Q因子、誤碼率等內(nèi)容．此外，該實(shí)驗(yàn)還用到光放大器的應(yīng)用及色散補(bǔ)償技術(shù)的實(shí)施、效果評(píng)估等知識(shí)點(diǎn)[10]．通過(guò)該綜合性實(shí)驗(yàn)，可以對(duì)光纖通信課程的主要內(nèi)容進(jìn)行應(yīng)用、驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)理論知識(shí)在實(shí)踐中應(yīng)用，實(shí)驗(yàn)應(yīng)用中鞏固理論知識(shí)學(xué)習(xí)效果的目標(biāo)．

2OptiSystem軟件在設(shè)計(jì)研究型實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

為了培養(yǎng)學(xué)生利用科學(xué)方法解決實(shí)際問(wèn)題的能力，采用OptiSystem軟件設(shè)計(jì)了EDFA的設(shè)計(jì)研究型實(shí)驗(yàn)——雙向泵浦EDFA鉺纖長(zhǎng)度優(yōu)化實(shí)驗(yàn)（見(jiàn)圖2）．摻鉺光纖放大器（EDFA）是目前高速率大容量光纖通信系統(tǒng)的重要組成部分[11]．雙向泵浦EDFA因具有可實(shí)現(xiàn)高增益、高輸出功率等特點(diǎn)，是EDFA一種重要的結(jié)構(gòu)形式，包括摻鉺光纖、2個(gè)泵浦源、光波復(fù)用器、濾波器等組成部分[12]，以及信號(hào)光輸入、信號(hào)光輸出端口等輸入輸出端口．要求學(xué)生根據(jù)雙向泵浦EDFA的結(jié)構(gòu)，采用OptiSystem軟件建立雙向泵浦EDFA的仿真模型．采用連續(xù)波激光器發(fā)出的光信號(hào)作為待放大的信號(hào)源，信號(hào)光功率設(shè)為-30dBm，模擬待放大的小信號(hào)．雙向泵浦EDFA中摻鉺光纖的兩側(cè)各有一個(gè)泵浦源．OptiSystem軟件中摻鉺光纖模型在兩側(cè)各有一個(gè)輸入端口，則摻鉺光纖右側(cè)的泵浦源可通過(guò)右側(cè)的輸入端口注入到摻鉺光纖中去．摻鉺光纖左側(cè)需同時(shí)注入信號(hào)光和一路泵浦光，則首先需要一個(gè)光波復(fù)用器將信號(hào)光和泵浦光兩路光信號(hào)注入到同一根光纖中傳輸．在摻鉺光纖右側(cè)的輸出端添加光譜分析儀測(cè)試輸出端光譜．通過(guò)進(jìn)行初步的運(yùn)行仿真，觀測(cè)摻鉺光纖右側(cè)輸出端的光譜儀可以看到，摻鉺光纖輸出的光信號(hào)中包括了被放大的信號(hào)光、殘余的泵浦光及自發(fā)輻射噪聲．為了將信號(hào)光與殘余的泵浦光分離，并濾掉一部分自發(fā)輻射噪聲，在輸出端加入一個(gè)解復(fù)用器實(shí)現(xiàn)濾波功能．解復(fù)用器的一個(gè)輸出端即為EDFA放大后信號(hào)的輸出端．為了測(cè)試EDFA的功率增益和噪聲指數(shù)，采用了2臺(tái)雙通道WDM分析儀分別測(cè)試不含解復(fù)用器的EDFA和包含解復(fù)用器的EDFA的功率增益和噪聲指數(shù)．2臺(tái)WDM分析儀測(cè)試結(jié)果的對(duì)比可以讓學(xué)生觀察到解復(fù)用器可實(shí)現(xiàn)的濾波功能．仿真模型搭建完成后，要求學(xué)生設(shè)置2個(gè)不同的摻鉺光纖長(zhǎng)度，觀察EDFA功率增益的差異．實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明，不同的摻鉺光纖長(zhǎng)度下EDFA可實(shí)現(xiàn)的增益是不同的．那么提出問(wèn)題：EDFA增益與摻鉺光纖長(zhǎng)度之間有什么關(guān)系；為了獲得最大的功率增益，需要將摻鉺光纖長(zhǎng)度設(shè)置為多長(zhǎng)．該問(wèn)題就是本實(shí)驗(yàn)要研究解決的問(wèn)題．在仿真模型已初步建立的基礎(chǔ)上，學(xué)生一般能夠想到繼續(xù)設(shè)置多個(gè)不同的摻鉺光纖長(zhǎng)度，進(jìn)行多次仿真后，畫(huà)出增益與光纖長(zhǎng)度之間的關(guān)系圖，就回答了前面提出的問(wèn)題．這種思路是正確的，但實(shí)際操作比較繁瑣，需要多次設(shè)置參數(shù)、多次仿真、記錄多個(gè)增益值，再用畫(huà)圖軟件畫(huà)圖．向?qū)W生介紹OptiSystem軟件提供的一種較為簡(jiǎn)單的方式．首選將光纖長(zhǎng)度參數(shù)由“Normal”模式更改為“Sweep”模式，然后設(shè)置軟件仿真的掃描迭代次數(shù)．掃描迭代次數(shù)根據(jù)光纖長(zhǎng)度的調(diào)整范圍和間隔確定，本實(shí)驗(yàn)中將摻鉺光纖長(zhǎng)度設(shè)置為5~20m，為了降低仿真所需的時(shí)間，將光纖長(zhǎng)度的變化間隔設(shè)為1m，那么進(jìn)行掃描迭代的次數(shù)應(yīng)設(shè)為16次．接著設(shè)置摻鉺光纖的掃描長(zhǎng)度，設(shè)為5~20m，變化步長(zhǎng)為1m．設(shè)置完成后開(kāi)始仿真工作，利用軟件的報(bào)告生成功能，可以獲得信號(hào)增益與光纖長(zhǎng)度的關(guān)系圖（見(jiàn)圖3）．從圖3中可以看出，當(dāng)光纖長(zhǎng)度為13m時(shí)，EDFA實(shí)現(xiàn)了最高的增益，為42.18dB．本實(shí)驗(yàn)首先根據(jù)雙向泵浦EDFA的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)建立了雙向泵浦EDFA的仿真模型．通過(guò)問(wèn)題的提出，引導(dǎo)學(xué)生思考EDFA中光學(xué)器件參數(shù)的優(yōu)化問(wèn)題．研究了摻鉺光纖長(zhǎng)度對(duì)放大器增益的影響，獲得了在要求的光路配置下可實(shí)現(xiàn)最大EDFA增益的摻鉺光纖長(zhǎng)度．結(jié)合課堂教學(xué)中學(xué)到的理論，引導(dǎo)學(xué)生分析EDFA增益隨摻鉺光纖長(zhǎng)度變化的機(jī)理．本實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生根據(jù)理論課學(xué)習(xí)的知識(shí)完成了雙向泵浦摻鉺光纖放大器的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)中考慮了被放大信號(hào)的功率特點(diǎn)，泵浦源的功率、輸出信號(hào)光譜及濾波的需求，實(shí)現(xiàn)了對(duì)學(xué)生設(shè)計(jì)能力的初步鍛煉．給學(xué)生提出的問(wèn)題相當(dāng)于一個(gè)小的研究任務(wù)，引導(dǎo)學(xué)生思考解決問(wèn)題的方法，采用軟件仿真方法獲得了EDFA增益與摻鉺光纖長(zhǎng)度的關(guān)系，解決了問(wèn)題，并分析仿真結(jié)果產(chǎn)生的原因．實(shí)驗(yàn)過(guò)程體現(xiàn)了提出問(wèn)題、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的基本研究思路，培養(yǎng)了科學(xué)的思維方法．該思路對(duì)于其它系統(tǒng)中參數(shù)的優(yōu)化研究均具有參考意義．通過(guò)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生還可以驗(yàn)證光濾波器對(duì)信號(hào)噪聲特性的改善效果．從2臺(tái)WDM分析儀中分別讀取不同鉺纖長(zhǎng)度下解復(fù)用器濾波前后雙向泵浦EDFA的噪聲指數(shù)（見(jiàn)表1），解復(fù)用器濾波后EDFA噪聲指數(shù)明顯降低．不同鉺纖長(zhǎng)度下，噪聲指數(shù)的降低幅度基本相同，約為1.82dB．濾波前后噪聲指數(shù)的比較能夠幫助學(xué)生理解光濾波器在EDFA中的作用，進(jìn)一步鞏固對(duì)EDFA結(jié)構(gòu)和功能的掌握．

3結(jié)語(yǔ)

采用OptiSystem軟件設(shè)計(jì)了光纖通信課程的綜合性實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)研究型實(shí)驗(yàn)．綜合性實(shí)驗(yàn)涉及到了課程中大部分章節(jié)的知識(shí)點(diǎn)，增強(qiáng)了學(xué)生對(duì)光纖通信課程的整體把握能力．設(shè)計(jì)研究型實(shí)驗(yàn)通過(guò)將課本上的結(jié)構(gòu)圖轉(zhuǎn)化成摻鉺光纖放大器仿真模型，培養(yǎng)了學(xué)生的設(shè)計(jì)能力．通過(guò)提出一個(gè)問(wèn)題作為研究目標(biāo)，引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)仿真軟件學(xué)習(xí)解決問(wèn)題的思路，得到問(wèn)題的結(jié)果，培養(yǎng)了學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力．OptiSystem軟件在光纖通信實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用解決了普通院校實(shí)驗(yàn)設(shè)備比較落后，僅能開(kāi)展驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的問(wèn)題，有利于學(xué)生對(duì)課程體系的掌握和科學(xué)素養(yǎng)的培養(yǎng)．

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作者：王學(xué)勤 鄭艷彬 單位：棗莊學(xué)院 光電工程學(xué)院