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摘 要 本文根据光通信的主要教学知识点，设计了基于光纤和光器件的实验内容，实验内容与理论知识紧密结合。实验运行结果表明该实验内容实践性强，实验时间利用效率高，有利于学生掌握光通信实验的主要知识。
关键词 光纤 光器件 实验教学
中图分类号：G424 文献标识码：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
专业课的实验教学是大学教育的重要环节，在巩固专业课理论知识和培养大学生专业动手能力方面具有非常重要的作用，也为培养大学生创新创造能力提供了重要平台。因此专业课的实验过程必须以培养人才为目标，以提升大学生综合实践能力宗旨，不断将新的实验教学方法引入到教学中，探索新时期的专业课实验教学模式。
光通信是以光学纤维作为信息传输媒介的通信，在近几十年中，光通信技术获得了突飞猛进的发展，已从实验室研究热点成为商业化的强大应用实体。光通信技术作为一门进入光通信领域的一门课程，目的是让大学生学习和掌握光通信的基本理论、组成部件及系统设计测试相关知识，为学生今后从事光通信系统的研发、维护和应用工作提供基础。为培养光通信方面的专业人才，国内外各高校的光电专业或通信专业均已开设了相关课程。光纤与光器件实验是我校光电信息科学与工程专业培养方案中新开设的针对本科生第七学期的实验课程，为今后学生在光通信领域就业或者继续升学深造进一步拓展了知识结构。
1 目前实验教学存在的问题
（1）存在课程内容多和实验学时少之间的矛盾。光通信系统涉及的内容比较多，包括光通信系统的组成、光纤与光缆的基本结构与性能、光传输理论与光波导技术、有源光器件和无源光器件的工作原理、同步数字体系与WDM光网络、光通信系统的设计及测量等。考虑到光通信系统的主要内容及实验学时的限制，如何协调光通信实验内容和实验学时之间的矛盾是首要解决的问题。
（2）实验仪器少和学生多之间的矛盾。光学类实验材料或仪器价格偏贵又容易损坏，例如长度约20cm纤芯直径4 m的单模光纤价值数千元，实验耦合过程中容易折坏。而购买实验仪器的经费有限，实验设备数量与学生人数不匹配，不能满足学生每人一套实验设备的条件，协调好实验仪器少和学生多之间的矛盾也極为重要。
（3）实验方法和教学手段单一，学生实验积极性不高。传统教学为指导老师讲授实验目标、实验步骤、预期实验结果等，学生被动的按照老师讲授的固定步骤快速做完实验的实验教学模式。从表面上看学生已成功做完实验，但学生收获甚微，且学生思考空间有限，不能充分发挥学生的创新能力，学生的学习能动性不高。
（4）考核方式简单。传统的实验教学考核主要以学生预习时写得实验报告和实验结束后的实验数据为主。这种考核方式不能综合反映出学生的实验知识掌握程度，问题探索分析能力、创新能力的考核在这过程中没有得到充分的体现。
2 光纤与光器件实验内容设计
实验装置是由西安超凡光电设备有限公司提供，共8个实验，32个学时，单次实验的人数为半个班级14人，2个班级轮流进行实验教学。设计的具体每个实验的名称见图1。实验一是光源与光纤耦合实验，把650nm半导体激光器产生的激光通过光耦合器最大限度地输送到芯径为4 m的单模光纤中，调节四维架使光功率计测得的光纤输出功率最大。实验二是光纤数值孔径的测量实验，数值孔径是表征光纤接收光能力大小的重要参数，也是衡量光纤与光器件耦合效率的度量参数。本实验用光斑直径法测量光纤数值孔径，测量光纤输出端到白屏距离L及光斑直径D，根据数学三角关系计算得到光纤数值孔径大小。实验三是光纤传输损耗的测量实验。光纤传输损耗对光纤通信中光信号的传输距离有重要影响，本实验使用插入法测量光纤对1310nm和1550nm波长激光的损耗。实验四是光纤色散的测量实验。在光纤中注入激光波长1550nm的脉冲，测量该脉冲通过一定长度L的光纤后的展宽量t，通过公式计算该光纤的色散。实验五是波分复用/解复用器的测试实验。波分复用/解复用是将两种光波信号经复用器耦合到一根光纤内传输或将不同波长的光波信号进行分离。本实验使用光功率计测量波分复用/解复用器对1310nm和1550nm光信号的串扰和隔离度进行测试。实验六是光开关的测试实验。在加电和不加电情况下，在监视端口上测试光开关对不同光路的切换。实验七是光纤隔离器的测试实验。测量隔离器正向和反向连接时对红外光源的光功率，并计算得出对不同红外光波的隔离度。实验八是开放式光路的模拟仿真实验，用光学软件设计不同分支结构的光路器。
3 光纤与光器件实验教学特点和改革措施
（1）使用小班实验教学。我校光电信息科学与工程共四个班，本门实验每年选课人数约两个班56人左右，每次实验人数半个班14人，可以保证在实验过程中与学生的充分沟通与交流。实验分组时，对动手能力和创新能力强的学生合理分组搭配，达到优势互补和团队协作培养。本实验还利用了网络辅助的形式，把课程相关资料上传于班级共享网络平台，学生可以提前预习或回顾复习实验内容。
（2）实验与光通信研究的主要内容紧密结合。实验覆盖了光通信领域的重要知识点，既包含光通信基础知识的理解又注重光器件的测试操作的训练。例如实验二是根据光路的传输原理进行设计，需要学生了解数值孔径实验系统的基本结构和工作原理，自行搭建光路，根据光的折射原理推导验证数值孔径的表达式。从实验操作中学生可以熟悉光纤的分类和结构特点，了解数值孔径的定义和物理计算方程，掌握测试数值孔径的方法。
（3）前后实验联系紧密，关联性强。例如实验一光源与光纤耦合实验是实验二是光纤数值孔径的测量实验的基础，实验一把波长650nm激光通过光耦合器输送到4 m的光纤中，使光功率计测得的光纤输出功率最大，把光纤输出光通过准直装置入射到十字白屏上即可测试实验二的数值孔径。
（4）实验组织合理，注重设计操作。每次的实验分为教师理论讲解部分和学生实践操作部分。理论讲解多采用提出问题的方式，比如讲到光在光纤中传输时就结合光的折射原理和全反射原理对学生进行考察，提高学生的积极性。学生在实验中，针对具体实验目的进行进行光路的搭建和参数的测量，实验难易程度适中，多为设计操作型实验。
（5）增加光路模拟仿真，丰富实验内容。在开设光通信常规实验的同时，开展光学软件模拟仿真教学，利用Rsoft/BPM软件设计不同分支结构的光路图，实验中用光学软件进行仿真设计可以使实验变得更具有开发性，培养学生设计复杂光路能力，提高学生对光信号传输的认识，激发学生的学习兴趣。模拟实验不收实验仪器的限制，更加灵活经济。
（6）改进教学方法和考核方式。采用教师引导为辅、学生自主学习为主的实验教学方式，并利用电子教案、动画模拟视频和网络课件等现代化工具辅助实验教学，提高教学质量。实验内容按照先易后难的顺序，例如先从光纤耦合开始理解光纤的机构，接下来做一些光器件的测试，最后给定一个光路设计主题，学生灵活运用光通信理论自主设计不同分支结构不同功能的光路。这种自主渐进式实验方式可以激发学生实验兴趣、提高创新能力。对于光路设计实验，针对设计光路实用性和创新性进行综合评估，考核学生的创新能力和设计能力，减少实验报告和实验数据在考核结果中的比重。
4 结束语
光纤与光器件实验是我校光电信息科学与工程专业新开设的针的实验课程，内容定位为光通信系统的理论知识和光器件间光路的设计与搭建。32个学时内安排了8个实验，实验内容充实，光通信理论知识与实验内容紧密结合，难度适中，实验对培養动手能力强光通信人才具有一定的意义。
参考文献
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