羅彬彬+鄒雪+石勝輝+湯斌+鐘年丙+宋濤+趙明富

摘要：本文闡述了光纖通信課程在電子信息工程專業(yè)教學(xué)中的重要性，并根據(jù)多年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)討論了電子信息工程專業(yè)教學(xué)中光纖通信課程的理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)的內(nèi)容、方法及手段等。

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

中圖分類號(hào)：G642.41 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2017）08-0167-03

當(dāng)代信息高速公路的骨干網(wǎng)絡(luò)是由光纖通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的，若沒有光纖的發(fā)明及相關(guān)有源和無源光纖器件的發(fā)明和發(fā)展，當(dāng)今的高速信息網(wǎng)絡(luò)是無法想象的。但是當(dāng)今信息產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展得益于微電子學(xué)、光電子學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)及通信工程等多門學(xué)科的快速發(fā)展及它們之間的交叉融合。因此，要想成為一名信息技術(shù)領(lǐng)域的電子信息工程師、計(jì)算機(jī)工程師或通信工程師，除了需要掌握本專業(yè)的課程知識(shí)以外，也應(yīng)該熟悉現(xiàn)代信息技術(shù)的其他相關(guān)主要知識(shí)，比如光纖通信網(wǎng)絡(luò)及其相關(guān)器件等。本文從光纖通信技術(shù)的研究?jī)?nèi)容、應(yīng)用及發(fā)展等方面說明其在電子信息工程專業(yè)教育中的重要性，并研討電子信息工程專業(yè)中的光纖通信課程的理論和實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法。

一、光纖通信技術(shù)簡(jiǎn)介

1960年，美國(guó)人梅曼（Maiman）發(fā)明了第一臺(tái)紅寶石激光器[1]，給光通信帶來了新的希望。和普通光相比，激光具有波譜寬度窄，方向性極好，亮度極高，以及頻率和相位較一致的良好特性。激光是一種高度相干光，它的特性和無線電波相似，是一種理想的光載波。繼紅寶石激光器之后，氦—氖（He-Ne）激光器、二氧化碳（CO2）激光器先后出現(xiàn)，并投入實(shí)際應(yīng)用。激光器的發(fā)明和應(yīng)用，使沉睡了80年的光通信進(jìn)入一個(gè)嶄新的階段。

1966年，英籍華裔學(xué)者高錕（C.K.Kao）和霍克哈姆（C.A.Hockham）發(fā)表了關(guān)于傳輸介質(zhì)新概念的論文，指出了利用光纖（Optical Fiber）進(jìn)行信息傳輸?shù)目赡苄院图夹g(shù)途徑，奠定了現(xiàn)代光通信——光纖通信的基礎(chǔ)[2]。在以后的10年中，波長(zhǎng)為1.55μm的光纖損耗：1979年是0.20 dB/km，1984年是0.157 dB/km，1986年是0.154 dB/km，接近了光纖最低損耗的理論極限。1970年，作為光纖通信用的光源也取得了實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展。1977年，貝爾實(shí)驗(yàn)室研制的半導(dǎo)體激光器壽命達(dá)到10萬小時(shí)（約11.4年），外推壽命達(dá)到100萬小時(shí)，完全滿足實(shí)用化的要求。由于光纖和半導(dǎo)體激光器的技術(shù)進(jìn)步，使1970年成為光纖通信發(fā)展的一個(gè)重要里程碑之年。在今后的幾十年中，光纖通信網(wǎng)絡(luò)的逐步商用化帶動(dòng)了相關(guān)信息產(chǎn)業(yè)鏈的蓬勃發(fā)展[3]。

由于在光纖通信系統(tǒng)中，作為載波的光波頻率比電波頻率高得多，而作為傳輸介質(zhì)的光纖又比同軸電纜或波導(dǎo)管的損耗低得多[4]，因此相對(duì)于電纜通信或微波通信，光纖通信具有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。綜上所述，可見光纖通信技術(shù)在現(xiàn)代信息產(chǎn)業(yè)技術(shù)中的重要地位，因此，光纖通信技術(shù)這門課程不僅是光學(xué)工程專業(yè)的基礎(chǔ)必修課程[5]，也應(yīng)該作為電子信息工程專業(yè)的專業(yè)選修課程來開設(shè)。

二、光纖通信課程教學(xué)研究

（一）光纖通信課程的理論教學(xué)

電子信息工程專業(yè)的光纖通信課程的理論知識(shí)可以分為四個(gè)相互關(guān)聯(lián)的層次和內(nèi)容，它們分別是：第一部分，光纖技術(shù)的基礎(chǔ)；第二部分，光纖通信器件技術(shù)基礎(chǔ)；第三部分，光纖通信系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)；第四部分，光纖與光纖通信系統(tǒng)測(cè)量。這四個(gè)部分的關(guān)系層層遞進(jìn)，逐漸深入。理論學(xué)時(shí)總共32學(xué)時(shí)。

第一部分，光纖技術(shù)的基礎(chǔ)。可以先講解光纖通信技術(shù)的一些概念性和歷史性的知識(shí)，比如：電信技術(shù)的發(fā)展，光通信的必要性及技術(shù)基礎(chǔ)，光纖通信技術(shù)的歷史、現(xiàn)狀與未來。此處，可詳細(xì)介紹人類對(duì)光通信探索的歷史及現(xiàn)代光纖通信技術(shù)從學(xué)術(shù)研究到商業(yè)應(yīng)用的發(fā)展里程，并附帶介紹微波通信的發(fā)展里程，然后通過比較使用光波進(jìn)行通信和使用微波進(jìn)行通信的優(yōu)缺點(diǎn)及使用光纖材料和使用同軸電纜進(jìn)行通信的優(yōu)缺點(diǎn)，讓學(xué)生了解光纖通信的巨大優(yōu)勢(shì)。然后可以簡(jiǎn)單介紹光纖傳輸?shù)幕A(chǔ)理論——電磁場(chǎng)與電磁波理論中的一些基本概念和現(xiàn)象，重點(diǎn)介紹麥克斯韋方程。最后介紹光纖的模式理論、光纖的結(jié)構(gòu)和類型、光纖的傳輸特性、光纖制造技術(shù)與光纜等知識(shí)。其中，光纖傳輸特性包括光纖的損耗特性和色散特性，這是該部分的重點(diǎn)知識(shí)?？傊?，筆者認(rèn)為，第一部分內(nèi)容的講解方法和手段是非常重要的，不宜講得深?yuàn)W，而應(yīng)該結(jié)合動(dòng)畫或者視頻講解光纖的傳光原理，使學(xué)生易于接受，才能提高學(xué)生對(duì)這門課程的興趣，從而繼續(xù)學(xué)習(xí)往后部分的相對(duì)枯燥的知識(shí)。該部分學(xué)時(shí)安排為6H。

第二部分，光纖通信器件技術(shù)基礎(chǔ)。這部分講述光纖通信系統(tǒng)中的有源和無源光通信器件，這些器件是構(gòu)成一個(gè)完成的光纖通信系統(tǒng)必不可少的部件，學(xué)好這部分內(nèi)容有利于理解后面學(xué)習(xí)的光纖通信網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)容。這部分內(nèi)容包括：基本光纖器件、光學(xué)濾波器、光纖放大器和半導(dǎo)體光電子器件?；竟饫w器件包括分波/合波器、光纖活動(dòng)連接器、光隔離器、環(huán)形器和衰減器等；光學(xué)濾波器的內(nèi)容包括Fabry-Perot濾波器、介質(zhì)膜濾波器、HiBi光纖Sagnac濾波器、Mach-Zender型濾波器、光纖光柵等；光纖放大器的內(nèi)容包括：摻餌光纖放大器（EDFA）、光纖Raman放大器等。半導(dǎo)體光電子器件的內(nèi)容包括：普通的半導(dǎo)體激光器（LD）和發(fā)光二極管（LED）、FP型雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)激光器、動(dòng)態(tài)單縱模激光器、半導(dǎo)體光放大器（OSA）、PN結(jié)光電二極管、PIN光電二極管、APD雪崩光電二極管等。對(duì)于每一個(gè)光纖器件，講解內(nèi)容包括這些光纖器件的結(jié)構(gòu)、工作原理、具體參數(shù)、應(yīng)用場(chǎng)合等，應(yīng)結(jié)合動(dòng)畫或者視頻講解，甚至如果有條件的話，可以在課題上帶上一些體積很小的光纖器件實(shí)物給學(xué)生講解，比如光纖活動(dòng)連接器、LD、LED、光纖光柵、PIN光電二極管價(jià)格便宜、體積小的光纖器件。該部分學(xué)時(shí)安排為10H。

第三部分，光纖通信系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)。這部分是本門課程的核心和精華部分，包括光纖傳輸系統(tǒng)、光纖通信網(wǎng)、全光網(wǎng)技術(shù)及其發(fā)展三大部分。其中，光纖傳輸系統(tǒng)的內(nèi)容包含：光纖傳輸系統(tǒng)的基本組成、光發(fā)送機(jī)組件、光接收機(jī)組件、光放大噪聲及其級(jí)聯(lián)、色散調(diào)節(jié)技術(shù)、光纖傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)、光纖傳輸系統(tǒng)性能評(píng)估。光通信網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)容包含：通信網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和分類、準(zhǔn)同步數(shù)字系統(tǒng)（PDH）、同步數(shù)字系統(tǒng)（SDH）、異步傳輸模式（ATM）、互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議、光纖通信網(wǎng)的管理/保護(hù)/恢復(fù)。全光網(wǎng)技術(shù)及其發(fā)展的內(nèi)容包含：通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展過程、全光網(wǎng)絡(luò)中的傳輸技術(shù)（WDM、OTDM、OCDMA和分組交換技術(shù)）、無源光網(wǎng)絡(luò)（G-PON、E-PON、WDM-PON）、光傳送網(wǎng)（G.709OTN）、自動(dòng)交換光網(wǎng)絡(luò)、全光網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)管理、全光網(wǎng)的安全問題。對(duì)于每一種光纖網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，講解內(nèi)容包括這些光纖網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、功能、應(yīng)用場(chǎng)合等，應(yīng)盡量使用PPT的圖片、動(dòng)畫進(jìn)行講解，PPT上要盡量避免文字上描述。該部分學(xué)時(shí)安排為12H。

第四部分，光纖與光纖通信系統(tǒng)測(cè)量。該部分主要介紹光纖通信工程實(shí)施、檢測(cè)中一些常用的設(shè)備和儀器，在本門課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中都要使用到這些設(shè)備，是培養(yǎng)光纖通信工程師的基礎(chǔ)技能知識(shí)部分。該部分的內(nèi)容包括：光功率計(jì)的使用、光纖幾何參數(shù)的測(cè)量、光纖衰減測(cè)量、光纖色散測(cè)量、光纖偏正特性測(cè)量、光纖的機(jī)械特性和強(qiáng)度測(cè)量、光時(shí)域反射計(jì)（OTDR）的使用；光接收機(jī)靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍的測(cè)量、光纖通信系統(tǒng)誤碼率和功率代價(jià)的測(cè)量、眼圖及其測(cè)量、光譜分析儀、光纖通信系統(tǒng)的在線監(jiān)測(cè)技術(shù)。其中，重點(diǎn)講解光功率計(jì)、OTDR、眼圖示波器、光譜分析儀等儀器設(shè)備的功能和使用方法。該部分學(xué)時(shí)安排為4H。

（二）光纖通信課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)

對(duì)于電子信息工程本科專業(yè)而言，畢竟培養(yǎng)的學(xué)生不屬于光學(xué)工程或光電子技術(shù)領(lǐng)域的人才，而且電子信息工程專業(yè)本身都有很多屬于自己專業(yè)的實(shí)驗(yàn)課程及課程設(shè)計(jì)，因此，筆者認(rèn)為光纖通信技術(shù)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)根據(jù)該專業(yè)學(xué)生的理論基礎(chǔ)和將來他們最可能需要的工程能力而設(shè)置。因而，筆者建議光纖通信課程的總學(xué)時(shí)設(shè)置為48學(xué)時(shí)，理論教學(xué)學(xué)時(shí)為32學(xué)時(shí)，7個(gè)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)學(xué)時(shí)為16學(xué)時(shí)。

根據(jù)筆者10年來給電子信息工程專業(yè)本科學(xué)生講授這門課的經(jīng)驗(yàn)，認(rèn)為具體的實(shí)驗(yàn)課程設(shè)置如下。

1.插入法測(cè)光纖的平均損耗系數(shù)。采用插入法測(cè)量待測(cè)光纖在1310nm和1550nm處的平均損耗系數(shù)。掌握插入法測(cè)量光纖損耗系數(shù)的原理，熟悉光纖多用表的使用方法。學(xué)時(shí)設(shè)置為2個(gè)課時(shí)。

2.光時(shí)域反射計(jì)（OTDR）測(cè)光纖鏈路特性。用光時(shí)域反射計(jì)測(cè)量光纖鏈路的平均損耗、接頭損耗、光纖長(zhǎng)度和故障點(diǎn)位置。了解光時(shí)域反射計(jì)工作原理及操作方法，學(xué)習(xí)用光時(shí)域反射計(jì)測(cè)量光纖平均損耗、接頭損耗、光纖長(zhǎng)度和故障點(diǎn)位置。學(xué)時(shí)設(shè)置為2個(gè)課時(shí)。

3.光波分復(fù)用（WDM）系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)及其誤碼率測(cè)量構(gòu)建1310nm/1550nm光纖波分復(fù)用系統(tǒng)并測(cè)試其誤碼率，了解光波分復(fù)用傳輸系統(tǒng)的工作原理和系統(tǒng)組成熟悉誤碼、誤碼率的概念及其測(cè)量方法。學(xué)時(shí)設(shè)置為2個(gè)課時(shí)。

4.數(shù)字光纖通信系統(tǒng)信號(hào)眼圖測(cè)試。構(gòu)建數(shù)字光纖通信系統(tǒng)并且用數(shù)字示波器觀測(cè)系統(tǒng)的信號(hào)眼圖，并從眼圖中確定數(shù)字光纖通信系統(tǒng)的性能。了解眼圖產(chǎn)生的基礎(chǔ)，根據(jù)眼圖測(cè)量數(shù)字通信系統(tǒng)性能的原理；學(xué)習(xí)通過數(shù)字示波器調(diào)試、觀測(cè)眼圖；掌握判別眼圖質(zhì)量的指標(biāo)；熟練使用數(shù)字示波器和誤碼儀。學(xué)時(shí)設(shè)置為3個(gè)課時(shí)。

5.光纖切割與焊接技術(shù)演示實(shí)驗(yàn)。利用全自動(dòng)熔接機(jī)向?qū)W生演示光纖熔接的全過程，了解光纖的結(jié)構(gòu)和光纖電弧放電焊接原理；了解全自動(dòng)焊接光纖的過程和使用方法。學(xué)時(shí)設(shè)置為2個(gè)課時(shí)。

6.光纖光柵光譜特性測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。測(cè)量光環(huán)行器的插入損耗、隔離度、方向性、回波損耗參數(shù)；利用PC光譜儀、光環(huán)行器和光纖光柵設(shè)計(jì)光纖光柵光譜特性的測(cè)試系統(tǒng)；了解光環(huán)行器的工作原理和主要功能；了解光環(huán)行器性能參數(shù)的測(cè)試原理；了解光纖光柵的光譜特性；學(xué)習(xí)PC光譜儀的使用方法。學(xué)時(shí)設(shè)置為3個(gè)課時(shí)。

7.光帶通濾波器的設(shè)計(jì)。測(cè)量光耦合器的插入損耗、分光比和附加損耗等參數(shù)；利用光耦合器或者光環(huán)行器和光纖光柵設(shè)計(jì)光帶通濾波器。了解2X2光耦合器的工作原理，了解光耦合器各項(xiàng)參數(shù)的測(cè)試方法。學(xué)時(shí)設(shè)置為2個(gè)課時(shí)。

通過以上實(shí)驗(yàn)課程，能夠使電子信息工程本科學(xué)生對(duì)光纖通信系統(tǒng)的基本器件、基本測(cè)量系統(tǒng)等有一個(gè)比較感觀的認(rèn)識(shí)，而且能夠更加深刻地掌握它們工作的基本原理和基本特性，為將來在具體的工程設(shè)計(jì)及進(jìn)一步深造中奠定基礎(chǔ)。

三、結(jié)束語(yǔ)

光纖通信技術(shù)在國(guó)家的信息產(chǎn)業(yè)、國(guó)防工業(yè)中具有舉足輕重的地位，電子信息技術(shù)與光學(xué)信息技術(shù)的結(jié)合也越來越緊密。對(duì)于當(dāng)今的電子信息工程專業(yè)的學(xué)生而言，除了需要掌握本專業(yè)牢固的知識(shí)和技能以外，了解和掌握光纖通信技術(shù)的基礎(chǔ)知識(shí)和相關(guān)的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)也是必不可缺的。本文通過對(duì)電子信息工程專業(yè)特點(diǎn)和光纖通信課程內(nèi)容的分析，討論了該門課程與該專業(yè)的內(nèi)在聯(lián)系，分析其重要性，并根據(jù)筆者10年來在重慶理工大學(xué)電子信息工程專業(yè)講授該門課程的經(jīng)驗(yàn)，提出了本門課程在電子信息工程專業(yè)中的理論及實(shí)驗(yàn)的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)重點(diǎn)、教學(xué)方法及課程設(shè)置等方面的一些意見和建議。

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