光纤通信教学仪器设计
光纤通信教学仪器设计 自１９７０年美国康宁公司研制成功第一根低损耗光 纤以来，光纤通信得到了飞速发展，光纤通信新技术不断涌 现。我国已经建成了“八纵八横”国家一级光缆通信网，现 正在大力发展ＦＴＴＨ。在我国，以光纤光缆生产为上游， 以通信用光器件制造为中游，以光交换和光网络设备制造为 下游的光纤通信行业已经形成，国内涉及光纤通信的企业已 达千家。随着光纤通信在我国的快速发展，光纤通信行业对 既懂得光纤通信基本理论，又掌握相关实用技术的人才的需 求日益增长。因此，各大学的光信息科学与技术、通信工程、 网络工程、光电子技术、电子信息科学与技术等专业都开设 了光纤通信方面的专业课程。２００７年，教育部的１、２ 号文件提出了实施“高等学校本科教学质量与教学改革工 程”，要求进一步改革教学内容和教学方法，培养学生的实 践能力和创新精神。２０１０年发布的《国家中长期教育改 革和发展规划纲要（２０１０－２０２０年）》中指出“改 革教学内容、方法、手段，建设现代学校制度”和“支持学 生参与科学研究，强化实践教学环节”。根据文件精神结合 我校电子信息科学与技术专业的光纤通信课程的教学实践， 我校的光纤通信实验教学在实验仪器和实验内容、教学方法 方面作了以下改革。１实验仪器的选择和实验内容的设计 光纤通信课程内容主要包括：光纤和光缆的结构和类型；
光纤的传输原理和特性，光纤特性的测量；
光源、光检 测器和光无源器件的类型、原理和性质；
光端机的组成和特 性；
数字光纤通信系统；
模拟光纤通信系统；
光纤通信的若 干新技术；
光纤通信网络等［１］。从课程的内容可以看出， 光纤通信是一门实验性很强的课程，除了理论教学之外，还 需要实验教学与之配合。很多大学都较早地开设了光纤通信 课程，但当时光纤通信的实验器材都很贵，教学主要是课堂 理论教学。近几年国内的光纤通信产品的制作技术逐步成熟， 价格逐渐降低，光纤通信实验教学才逐步开始。由于受学时 和实验条件限制，光纤通信课程中实验教学的学时大多数集 中在８～１２学时。实验教学内容的选取既要与理论教学内 容相互协调，又要便于学生操作实验或者进行演示实验；
既 要兼顾基础性，又要具有系统性和先进性，使学生在实验中 通过验证、观察、分析、操作、运用及科研等实践，掌握光 纤通信课程的基本概念、基本理论和基本技术，为进一步学 习相关专业课程及从事通信技术类工作奠定一定的基础 ［２］。我们把光纤通信综合实验箱、工程用光纤通信仪器、 工程用光纤通信产品、ＯｐｔｉＳｙｓｔｅｍ软件等作为实 验教学工具，根据各自特点来设计实验教学内容。
１．１光纤通信综合实验箱随着光纤通信课程的开展， 国内教学仪器生产企业开发、升级各自设计的光纤通信实验 箱产品，实验箱的功能不断完善，性能不断提高。光纤通信 实验箱配合光功率计、示波器、２Ｍ误码仪等可以完成光发送机实验、光接收机实验、光纤线路实验、光纤通信系统实 验等光纤通信实验内容［３］。由于实验箱封装性强、集成 化程度高，在实验教学方面存在不足［４－６］。
１．２工程用光纤通信仪器随着国内光纤通信技术的发 展，一些工程用仪器仪表实现了国产化，产品性能完全满足 施工的要求，产品价格也逐渐降低。我校光电子实验室就购 买了中国电子科技集团公司第四十一研究所生产的光纤熔 接机、光时域反射计、光纤多用表等产品，再配置横向开缆 刀、纵向开缆刀等施工工具，可以完成光纤熔接实验、光时 域反射计（ＯＴＤＲ）测光纤链路特性和插入法测光纤的衰 减系数实验等。光纤熔接机、光时域反射计比较贵重（每台 套的价格在４．５万元左右），我们在学生实验前集中进行 使用方法的讲解，近几年的实验教学中没有出现仪器损坏的 现象。通过实验可以使学生掌握这些光纤通信行业常用仪表 的使用方法和光纤的特性参数，还可以鼓励学生应用这些产 品进行光纤弯曲损耗的研究［７］。
１．３工程用光纤通信产品光纤通信实验箱的实验方法 与实际工程的测试方法有一些区别，通过已开设的实验，学 生难以真正掌握实际工程的测试方法［８］。随着光纤通信 产品制作技术的成熟，一些产品实现了国产化，价格也比较 低。我们的实验室陆续购买了杭州亿邦的数字视频光端机、 光纤收发器、北京汉维的室内４芯光缆、富通集团的Ｇ．６ ５２Ｂ光纤、光纤跳线、４芯／６芯中心束管式光缆、光缆终端盒、光缆接续盒等。工程用产品和仪表结合可以开展简 单的工程实践活动，让学生体会光纤通信的优点和施工，更 深刻地理解一些器件的参数，如光源波长、插入损耗、回波 损耗、光纤损耗系数、接收灵敏度等。在实验教学中可以让 学生对比实验箱和数字视频光端机的图像传输的异同、对比 实验箱与光纤收发器的数据传输的异同。配置光隔离器、光 环行器等光无源器件，可以丰富实验测试内容。
１．４ＯｐｔｉＳｙｓｔｅｍ软件ＯｐｔｉＳｙｓｔｅ ｍ软件是一款光纤通信仿真软件，它集设计、测试和优化各 种类型宽带光网络物理层的虚拟光连接等功能于一身，从长 距离通信系统到ＬＡＮ和ＭＡＮ都能使用。软件具有强大的 模拟环境和真实的器件、系统的分级定义，它有１５个器件 库、２００多种元件模型。由于受实验教学经费的限制，高 校不可能购买光示波器、光谱分析仪、光波分复用分析仪等 昂贵的工程用仪器来进行实验教学，但在学生具备了一定的 实验经验的基础上，可以应用ＯｐｔｉＳｙｓｔｅｍ软件来 进行仿真实验。燕山大学、长春理工大学等高校已经把这个 软件用于科研和教学工作中［９］。充分利用ＯｐｔｉＳｙ ｓ－ｔｅｍ软件的功能，可以开展仿真实验、课程设计、科 研实践等教学活动，例如可以进行光波分复用系统设计、Ｅ ＤＦＡ的增益优化、对基于ＳＯＡ全光波长变换进行模拟等 研究［１０］。
２教学方法的研究与改革光纤通信课程起源于工程实践的需要，我们在教学中把实验教学与理论教学、工程实践、 科研实践三者有机地结合起来，可以达到很好的教学效果。
２．１实验教学和理论教学相结合可以利用上面提到的 实验仪器设计出很多的实验题目，但是不可把实验教学和理 论教学完全分开［１１］，要根据教学内容的特点来合理安 排理论教学和实验教学，例如：对光源、光检测器、光发射 机、光接收机等内容在理论教学时进行了详细的讨论，在实 验教学时通过光发送机实验、光接收机实验来进行验证，从 而加深对这部分内容的理解和掌握；
光缆的结构和类型、光 无源器件的参数和测量方法等内容更适合实验教学，在理论 教学时作简单介绍，实验教学的效果会更好；
对ＥＤＦＡ、 ＷＤＭ、全光波长变换、光孤子通信等光纤通信新技术内容 的教学，可以理论教学和ＯｐｔｉＳｙｓｔｅｍ软件仿真实 验相结合，这将提高学生的学习兴趣，能达到很好的教学效 果。对实验中出现的现象和问题要鼓励学生用理论来分析和 解释。
２．２实验教学和工程实践相结合把通信工程用产品和 仪表引入光纤通信实验教学中，使实验教学和工程实践结合 起来，学生可以体会实验教学和工程实践的异同，极大地提 高了学生学习光纤通信课程的积极性。例如我们可以用光缆、 尾纤、摄像头、监视器、光端机来进行楼宇安全监控的工程 实践。在光纤熔接实验中，先让学生熟练掌握涂敷光纤的熔 接，再完成６芯中心束管式光缆在光缆终端盒（或光缆接续盒）中的连接。当地光缆接续的施工价格３０元／芯。把１ ｋｍ长的４芯中心束管式光缆两端的光纤进行熔接或活动 连接，学生使用光时域反射计（ＯＴ－ＤＲ）完成相关测试。
学生在用４路视频光端机传输信号时，用可变光衰减器改变 光纤链路的损耗，观察到了视频信号通路的切换现象，继而 分析了４路电视信号的复用方式。在实验教学中要让学生学 会阅读光纤通信产品的使用说明书，如数字视频光端机、光 纤收发器、ＡｇｉｌｅｎｔＨＦＢＲ系列光收发模块的使用 说明书等，提高学生自学能力，培养参与工程实践的能力。
在使用光纤通信产品时，我们不仅讲解产品的性能和使用方 法，还要介绍该产品生产企业的基本情况，以及产品的研发、 生产、销售等各个环节，让学生了解生产企业和各种职业岗 位，更好地帮助学生确定职业理想，做好职业生涯规划，使 学生适应用人单位的要求，提高学生的就业能力和创业能力。
招聘企业对我校应届毕业生会使用光纤熔接机、光时域反射 计表示惊讶和认可。通过全新设计和工程实践紧密结合的实 验内容的教学改革实践，使学生对光纤通信课程的学习兴趣 明显增强［１２］。
２．３实验教学和科研实践相结合在教育部２００７年 的文件中指出：“创造条件，组织学生积极开展社会调查、 社会实践活动，参与科学研究，进行创新性实验和实践，提 升学生创新精神和创新能力”。培养本科学生的创新精神和 创新能力，在专业课程的教学中就可以逐步开展，并不一定需要高水平和高难度的课题。例如：在进行光纤损耗特性测 量时，鼓励学生用电磁场理论分析方法讨论精确条件下模式 的特征方程和截止条件，用数值模拟各种模式下光纤中的光 场分布，从而理解实验中为何需要扰模器、滤模器和包层模 剥除器等；
在光纤弯曲损耗的测量实验中，要求学生分别测 量单模、多模光纤在不同传输波长、不同弯曲半径时的损耗， 并进行对比和讨论，在此基础上鼓励学生建立光纤弯曲损耗 的理论模型并进行数值模拟，不断优化理论模型的参数，与 “传感器原理与应用”课程内容结合可以进行光纤传感器的 实验研究。对光纤通信新技术中的ＥＤＦＡ、ＳＯＡ等内容， 可以让学生使用ＯｐｔｉＳｙｓｔｅｍ软件来验证和讨论 已有的研究结果，逐步培养学生的科研素质和创新能力；
光 子晶体光纤是近年来的研究热点，国内仅烽火通信科技股份 有限公司有相关产品，学生使用ＯｐｔｉＦＤＴＤ软件来分 析和设计光子晶体光纤，并与用ＯｐｔｉＦｉｂｅｒ软件设 计的Ｇ．６５＊光纤进行对比研究。
３结束语 经过近几年的教学改革实践，丰富了实验教学内容，弥 补了光纤通信实验箱的不足，拉近了教学与工程实践、科研 实践的距离，学生对光纤通信课程学习的积极性有了较大提 高，能较好地掌握该课程的基本概念、基本理论和基本技术。
在校学生曾带上光纤熔接机、光时域反射计、光纤多用表等 去过施工现场数次，毕业学生在工作单位遇到相关的问题也多次与教师进行交流。光纤通信实验教学的改革实践使学生 的就业能力、创业能力和创新能力得到了锻炼和提高，大大 增强了学生综合应用专业知识的能力。