【中圖分類號】G642.423 【文獻標識碼】A 【文章編號】1673-8209(2009)9-0244-02

基金項目:安徽省教育廳自然科學研究重點項目KJ2009A156，安徽省高校優(yōu)秀青年人才基金2009SQRZ022ZD。

【摘要】隨著計算機仿真技術的發(fā)展，光纖通信教學中原本復雜的數(shù)學推導和晦澀難懂的物理概念可以使用形象直觀的形式表現(xiàn)出來，豐富了課堂信息量，充分調動了教師的積極性和學生的學習熱情，同時也為學生的學習和發(fā)展提供了新的學習環(huán)境。本文就計算機仿真技術對光纖通信教學的影響作了說明，介紹了計算機仿真技術在《光纖通信》課程教學中的一些應用和效果。

【關鍵詞】計算機仿真技術;光纖通信教學

隨著計算機仿真技術的發(fā)展，光纖通信教學中原本復雜的數(shù)學推導和晦澀難懂的物理概念可以使用形象直觀的形式表現(xiàn)出來，豐富了課堂信息量，充分調動了教師的積極性和學生的學習熱情，同時也為學生的學習和發(fā)展提供了新的學習環(huán)境。

1 計算機仿真技術對教師的影響

教師是教學過程的主導。教什么，怎么教，是由教師決定的。教師在教學中必須明確所授課程在學科專業(yè)、課程體系中的地位和作用、所授課程的教學目標。一個好的大學教師，應該具備較高的專業(yè)素養(yǎng)和學術造詣，在教學過程中幫助學生去接受、組織和管理知識，并達到自由運用知識的境界。然而，當遇到復雜的數(shù)學推導和晦澀難懂的物理概念時，只通過傳統(tǒng)的板書，學生無法接受教師所要教授的內容，更不用說去組織、管理并運用所學的知識了。

下面是一個探究性的教學課例。課例以例1開始，學習對稱平板波導中場分布的特性。

對稱平板波導如圖所示，設n2=2.29， n1=1.97， d=0.1μm，分別用公式說明TE2、TE3兩個模電場跨越零點的次數(shù)。

解答:由《現(xiàn)代通信光電子學》一書中p376面的圖可知，最低的奇數(shù)TE模是TE2(m=2)，圖中的c點是TE3模。

偶數(shù)模式的解取做

Ey=Aexp[-p(|x|-d)-jβz]|x|≥d

Ey=Bcos(hx)exp(-jβz]|x|≤d

TE3的h參量應滿足π

奇數(shù)模式的解取做

Ey=Aexp[-p(|x|-d)-jβz]|x|≥d

Ey=-Aexp[-p(|x|+d)-jβz]|x|≤-d

Ey=Bsin(hx)exp(-jβz]|x|≤d

TE2的h參量應滿足π/2

上述例題在黑板上不易推導，即使花費很大的功夫進行詳細推導，大部分同學仍然很難理解。

下面，我們使用計算機仿真技術來共同學習和了解平板波導中場的分布特性。我們以‘現(xiàn)代通信光電子學’p374面的對稱波導為例。由p376面的圖可知，要維持單模hd≤π/2，其中d為光波導的中間層的厚度。假設輸入光的波長是0.6328μm，d=0.1μm。由于h為待定常數(shù)，且hd≤π/2，我們可以取h=π/4×107，即hd=π/4。由p376面的15式可以求得p=h。

在上述參數(shù)設定的基礎上，即可得到類似與P376面A點的處模式。

相應的程序如下:

d=1e-7;%定義參數(shù)d

h=0.25*pi*1e7; %定義參數(shù)h

hd=0.25*pi;

B=1;

A=0.5*2^(0.5);

p=h;

lamda=0.6328*1e-6; %定義波長

beta=2*pi/lamda;%傳輸常數(shù)

[x，z]=meshgrid(linspace(-0.4e-6，0.4e-6，900)，linspace(0，10*lamda，900));%建立空間網(wǎng)格坐標

%以下為電場強度的程序描述

if abs(x)<=0.5e-7;

E=B*cos(h*x)

else

E=A*exp(-p*(abs(x)-d));

end

Ey=E.*exp(-j*beta*z);

mesh(x，z，Ey)%繪制三維圖

在教學的過程中，我會詳細解釋程序中的每一條語句、特別是每一條語句對應的物理意義。爭取做到全新的教學手段與傳統(tǒng)教學手段有機結合，相得益彰，各自發(fā)揮其優(yōu)勢，使理工科的課堂教學得到事半功倍的效果。

2 計算機仿真技術對學生的影響

大學的教育要強調人的發(fā)展，一個好的大學是以它的學生質量和科研水平來評價的。一位好的大學老師應該有意識地培養(yǎng)學生的獨立思考能力，使其具有清晰的頭腦、豐富的想象力和洞察力。

在上一個例題中，我?guī)ьI學生仿真A點所示模式場的分布圖。向學生解釋清楚仿真的思路與具體的編程技巧，這是教師的職責。當然，學生也有自己的任務，那就是自己回去把B、C兩點處所示的模式場分布圖做出來，并把三點的模式場加以分析比較。

計算機仿真手段的引入，學生的學習方式和手段、學習的平臺等也隨之發(fā)生了變化。帶來的主要好處如下:

(1)抽象的文字描述和數(shù)學表達轉化為具體的視覺畫面，豐富了學生的感知，增強了學生的理解力。

(2)學生可以專心聽講，不再忙于記筆記。教師可以提供教學課件的下載，便于自學和復習。

(3)學生的學習自主性和主動性提高了，學生可以在教師的指導下有目的地選擇感興趣的方向，凸顯個性的發(fā)展。

3 計算機仿真技術在《光纖通信》課程中的應用

《光纖通信》課程涉及光學、通信、光電子技術等專業(yè)知識，對學生的基礎知識要求較高?！豆饫w通信》課程一般都開設在大三下或大四上，學生面臨考研和就業(yè)的壓力，能夠投入課程學習的精力和時間有限。計算機仿真技術的使用，使得我們有機會把學生急需的計算機技和《光纖通信》課程的學習聯(lián)系在一起。例如，在啁啾脈沖傳輸?shù)闹v解上，我要求學生在我的指導下編程仿真啁啾脈沖在不同傳輸介質中的傳輸特性。再順勢介紹預啁啾技術、啁啾脈沖放大等技術，以提高學生的學習積極性。

例2 高斯脈沖經光纖傳輸后，仍保持為高斯脈沖，而脈寬則隨z而變化。

T1T0=1+Cβ2zT202+

β2zT2021/2

其中，T1是輸出脈沖的1/e強度半寬度。上式所描述的脈寬變化如圖2所示。

由圖2可知，啁啾高斯脈沖展寬因子T1/T0隨傳輸距離(z/LD)的變化具有如下特性:(1)對于自由啁啾脈沖，無論β2符號如何，色散將導致脈沖展寬。(2)對于有啁啾脈沖，脈沖的展寬依賴于β2和C的相對符號。當β2C>0，高斯脈沖單調展寬，當β2C<0，脈沖有一個初始窄化階段，而后迅速展寬。在距離Zmin=CLD/(1+C2)時，達到最小寬度

Tmin1=t0/(1+C)1/2，式中LD為色散長度。

為了更加深入了解脈沖展寬的機理，進行相應的仿真研究。輸入信號是一個中心頻率在1.55μm、脈沖峰值能量6.4mw、初始脈寬為100ps的高斯脈沖。光纖的長度為1.5LD、色散參數(shù)β2=-20*10-27 s2/m。利用MATLAB軟件通過傅立葉分步積分法，進行仿真，其結果如下:

圖3 無啁啾高斯光脈沖 圖4 負啁啾高斯光脈沖

隨傳輸距離演變 (C=-2)隨傳輸距離演變

圖5 正啁啾高斯光脈沖(C=2)隨傳輸距離演變圖

圖3-5，分別顯示了自由啁啾高斯光脈沖、負啁啾高斯光脈沖(C=-2)和正啁啾高斯光脈沖(C=2)在反常色散光纖中傳輸時，脈沖的演變。從圖3-5可以看出，自由啁啾高斯光脈沖在負色散光纖中傳輸時，脈寬隨傳輸距離成比例展寬。負啁啾光脈沖在負色散光纖中傳輸時，不但脈寬隨傳輸距離展寬，而且脈沖自身發(fā)生了“分裂”。這是因為負啁啾光脈沖的載頻并非常數(shù)，而是啁啾的，其載頻可以分為不同的頻率群，不同的頻率群以不同的速度傳播。從而引起展寬和自身的“分裂”。正啁啾光脈沖在負色散光纖中傳輸時，在傳輸初始階段脈沖寬度變窄，而后迅速展寬。

4 小結

計算機仿真技術的發(fā)展，豐富了課堂信息量，充分調動了教師的積極性和學生的學習熱情，同時也為學生的學習和發(fā)展提供了新的學習環(huán)境。本文就計算機仿真技術對光纖通信教學的影響作了說明，詳細論述了計算機仿真技術對教師教學和學生學習產生的影響，舉例介紹了計算機仿真技術在《光纖通信》課程教學中的一些應用和效果。

參考文獻

[1] Govind P.AgrawalNonlinear Fiber Optics， Third Edition Application of Nonlinear Fiber Opticspp263-266

[2] Gerd Keiser， “Optical Fiber Communications Third Edition” Electronics Industry Gerd Keiser 著，李玉權，崔敏，蒲濤等譯 “光纖通信，第三版”，電子工業(yè)出版社，2002