侯　金，王文珍

(中南民族大學(xué)　a.電子信息工程學(xué)院；b.智能無線通信湖北省重點實驗室，武漢　430074)

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改進(jìn)光纖通信實驗以提升學(xué)生創(chuàng)新實踐能力

侯金，王文珍

(中南民族大學(xué)a.電子信息工程學(xué)院；b.智能無線通信湖北省重點實驗室，武漢430074)

摘要光纖通信實驗教學(xué)質(zhì)量的優(yōu)劣對學(xué)生的實踐與創(chuàng)新能力影響大。圍繞提高通信與電子信息類專業(yè)大學(xué)生的實踐與創(chuàng)新能力，在對傳統(tǒng)光纖通信實驗教學(xué)箱分析的基礎(chǔ)上，重點敘述了實驗平臺的改進(jìn)與實驗教學(xué)探索。這種改進(jìn)型的實驗教學(xué)方式將提升教學(xué)效果，提高學(xué)生的實際動手能力，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

關(guān)鍵詞光纖通信；實驗教學(xué)；實踐能力；創(chuàng)新能力

光纖通信是現(xiàn)代通信技術(shù)的3大支柱之一，也是信息社會中高速傳送寬帶大容量信息的途徑[1]。光纖通信課程主要講授光纖通信系統(tǒng)和器件的工作原理及特性，介紹光纖通信技術(shù)應(yīng)用情況，是一門理論性與實踐性很強的課程。向?qū)W生開設(shè)相關(guān)實驗課程，無疑可以加深學(xué)生對理論知識的理解，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和實踐創(chuàng)新能力[2-9]。

光纖通信實驗課程的傳統(tǒng)教學(xué)方式一般是利用模塊化的實驗箱平臺來授課。這種方式適用于驗證性實驗，解決了實驗教學(xué)的有無問題。但是由于受到了實驗箱本身功能封閉性的限制，學(xué)生不能查看到實驗箱內(nèi)部的具體實現(xiàn)機構(gòu)和過程，對相關(guān)知識的物理理解往往就會很模糊。這種教學(xué)方式存在實驗方法單一，實驗流于形式等問題，對學(xué)生的實踐與創(chuàng)新能力培養(yǎng)效果有限。與此同時，隨著光纖通信技術(shù)的不斷高速發(fā)展，企業(yè)和社會對大學(xué)畢業(yè)生的實踐與創(chuàng)新能力要求的不斷提高，為了增強學(xué)生對光纖通信理論的認(rèn)識和對光纖通信設(shè)備儀器的操作能力，為其畢業(yè)后深造或走向社會打下堅實的基礎(chǔ)，亟須提高學(xué)生的實踐與創(chuàng)新能力[5-8]。

本文針對傳統(tǒng)實驗箱平臺對學(xué)生實踐與創(chuàng)新能力培養(yǎng)不足的問題，在充分利用已有實驗資源的情況下，重點討論了光纖通信實驗教學(xué)的改進(jìn)，以及構(gòu)建以學(xué)生為主體、教師為主導(dǎo)的基于改進(jìn)的實驗教學(xué)方式。

1傳統(tǒng)實驗箱平臺介紹

實驗箱平臺一直是光纖通信實驗課使用的傳統(tǒng)教學(xué)方式。一種典型的傳統(tǒng)光纖通信綜合實驗箱平臺的布局，如圖1所示。在該類實驗箱中，將光纖通信系統(tǒng)按功能模塊劃分和組合，在實驗系統(tǒng)中，系統(tǒng)的組成、功能電路、信息流程與實際光纖通信系統(tǒng)在技術(shù)上基本保持一致，并在此基礎(chǔ)上增設(shè)特殊的測試環(huán)境。

這種實驗箱平臺綜合了光纖通信的主要技術(shù)、系統(tǒng)工作過程和典型電路功能，建立了一個較為完善的光纖通信框架體系。這種方式不僅給教師靈活地組織與實施實驗教學(xué)帶來了一定的方便，而且也使學(xué)生通過實驗掌握光纖通信的系統(tǒng)組成、基本原理以及主要技術(shù)指標(biāo)的測量方法。但是這種實驗箱平臺只把相關(guān)功能模塊的輸入輸出接口留給學(xué)生使用，而掩藏了實驗箱內(nèi)部實現(xiàn)功能的基本構(gòu)建方式。學(xué)生在做實驗時，按照實驗指導(dǎo)內(nèi)容，只要通過連線連接模塊中的各個功能指定的接口或是選擇跳線，然后用示波器、光功率計等儀器測量相應(yīng)的指標(biāo)，讀取模塊中器件或組件的性能參數(shù)或波形，就能完成實驗。也就是學(xué)生只能機械地按照實驗指導(dǎo)內(nèi)容操作，對于模塊內(nèi)部則只能參照指導(dǎo)書中給出的原理圖了解，而不能知道各部分的具體實現(xiàn)過程。這種教學(xué)方式只能達(dá)到驗證實驗現(xiàn)象的目的，可以使學(xué)生對光纖通信系統(tǒng)組成形成初步的認(rèn)識；但對于實驗的細(xì)節(jié)知識不能深入理解，也不能對實驗過程進(jìn)行修改，制約了學(xué)生思考和操作的空間，限制了學(xué)生實踐和創(chuàng)新能力的發(fā)揮與提高[8-9]。

圖1　一種典型的傳統(tǒng)光纖通信多功能實驗箱布局圖

2實驗箱平臺的改進(jìn)與教學(xué)應(yīng)用

針對傳統(tǒng)光纖通信實驗箱功能封閉的缺點，并聯(lián)系到光纖通信技術(shù)的特點，本文重點針對光纖通信核心之一的光收發(fā)模塊來改進(jìn)。通過改進(jìn)設(shè)計，使光收發(fā)模塊中光源的電光調(diào)制發(fā)射部分和探測器的信號光電接收轉(zhuǎn)換部分的具體實現(xiàn)過程與功能顯露出來，從而使學(xué)生能夠直接形象地理解光纖通信中這一基本功能模塊的運行機制，并為未來進(jìn)行光纖通信方面的實踐創(chuàng)新打下基礎(chǔ)。

2.1光源電光調(diào)制部分的改進(jìn)與教學(xué)應(yīng)用

在光發(fā)送端，本文用發(fā)光二極管(LED)作為實驗用光源，并采用電信號直接調(diào)制驅(qū)動LED發(fā)光的工作方式。如圖2所示為采用的改進(jìn)后實驗用電光數(shù)字調(diào)制電路原理圖。加到LED上的驅(qū)動電流來自兩個方面：從電阻R5和可變電阻R6支路傳過來的偏置電流和從信號源支路傳過來的信號電流。信號源端的待發(fā)送電信號數(shù)字序列通過Di1和Di2接入到調(diào)制電路中。為了提高輸入電信號驅(qū)動LED發(fā)光的能力，通過采用兩級與非門串聯(lián)，并在第二級使用多個與非門并聯(lián)的方式，在保持輸入數(shù)字序列邏輯不變的同時，達(dá)到增加LED驅(qū)動電流的效果。在明確上述LED調(diào)制原理的基礎(chǔ)上，以LED的PI特性測試實驗為例，下面敘述該電路在實驗教學(xué)中對學(xué)生實踐動手能力以及思維能力的培養(yǎng)作用。

圖2　改進(jìn)后實驗用LED調(diào)制電路模塊原理圖

在教學(xué)中，我們把數(shù)字萬用表、光功率計、跳線帽、導(dǎo)線、上述LED的調(diào)制電路原理圖和對應(yīng)的裸漏電路板提供給學(xué)生。再引導(dǎo)性地針對LED的PI特性測試這個題目，要求學(xué)生自己查閱相關(guān)資料，思考應(yīng)該完成的實驗數(shù)據(jù)是什么。并促使學(xué)生進(jìn)一步思考應(yīng)該如何以提供的實驗資源為基礎(chǔ)，設(shè)計實驗方案和確定實驗步驟；獲得這些實驗數(shù)據(jù)，并對實驗結(jié)果進(jìn)行分析討論，從而完成LED的PI特性測試實驗。

LED的PI特性測試實驗需要測量當(dāng)驅(qū)動電流改變時，LED的發(fā)光功率相應(yīng)的變化值是多少。核心問題是電流和光功率的測量。光功率可以直接通過光功率計測得，實驗時還要注意選擇合適的測量波長等。電流的測量需要用到萬用表的電流擋位，并在J1處串聯(lián)進(jìn)去。此外，還要考慮驅(qū)動電流的調(diào)節(jié)問題。通過分析電路，改變可變電阻R6的阻值可以調(diào)節(jié)總的驅(qū)動電流的大小，從而獲得一系列驅(qū)動電流I值和相對應(yīng)的發(fā)光功率P值，完成實驗。實驗中，學(xué)生還應(yīng)思考：Di1和Di2怎么連接，Di1應(yīng)該給出一個什么樣的電位等。測試PI特性時，只需要維持Di1為高電平，保持輸入全1信號即可。這樣的連接可以保持系統(tǒng)穩(wěn)定的工作。在實驗教學(xué)中，還需要教師從學(xué)生已經(jīng)學(xué)過或者熟悉的原理開始，引導(dǎo)性地提出一系列問題，鼓勵學(xué)生自己通過展開討論、分析，一步步地解決實驗中的疑難問題，最終獨立完成實驗。

2.2光接收部分的改進(jìn)與教學(xué)應(yīng)用

接收端電路如圖3所示。光電檢測二極管(PD)接收到從光纖傳過來的LED發(fā)出的光信號，將其轉(zhuǎn)換為光電流?？勺冸娮鑂7一方面將PD生成的光電流轉(zhuǎn)換成電壓信號；另一方面用來調(diào)節(jié)PD的工作點，提高PD的工作穩(wěn)定性能。R7上的電壓信號經(jīng)過U5放大，再通過U6與U7比較與整形后輸出恢復(fù)后的信號。可變電阻R9用來調(diào)節(jié)放大器U5的放大倍數(shù)，使放大輸出的電壓在一個適當(dāng)?shù)姆秶员愫罄m(xù)電路能夠穩(wěn)定工作。R1用來提供比較參考電壓。

圖3　新實驗用光接收電路模塊原理圖

在明確上述光接收電路原理的基礎(chǔ)上，以PD的光生電流檢測實驗為例，該電路對學(xué)生實踐動手能力以及思維能力的培養(yǎng)也具有重要促進(jìn)作用。教學(xué)基本思路與前面介紹的LED的PI特性測量實驗相同：把相關(guān)實驗儀器資源提供給學(xué)生，再引導(dǎo)性地提出PD的光生電流特性測試目的，要求學(xué)生自己思考，形成實驗的方案和步驟，并完成實驗。

PD的光生電流測試實驗需要測量當(dāng)LED傳送過來的光功率改變時，PD檢測到的相應(yīng)光生電流值是多少。核心問題仍然是電流和光功率的測量，主要技術(shù)難點與LED的PI特性測試基本一樣。不同的是檢測光生電流的位置是在J2處，另外還需要用光纖把LED發(fā)射的光連接傳導(dǎo)到PD檢測器處。實驗中，仍然需要改變可變電阻R6的阻值調(diào)節(jié)LED的發(fā)光功率P值，使PD感應(yīng)出不同的光生電流大小。這樣測得的PD光生電流特性為直接法測量得到的。這種方法在實驗中每測得一組光功率值與對應(yīng)的PD感生電流值，需要改變LED輸出的光纖接口所連接的位置：測量光功率時連接到光功率計；測量光生電流時連接到PD端。由于光器件的連接非常敏感，所以實驗中，學(xué)生經(jīng)常測得的數(shù)據(jù)會有較大誤差。一種改進(jìn)的方案是：把光纖固定地連接到PD端，這樣可以測得光生電流值，我們還測試這時候LED的總的驅(qū)動電流值。然后，利用該LED的驅(qū)動電流值，通過前面的LED的PI特性曲線推測出LED的光功率值。這種方法測得的結(jié)果就比較穩(wěn)定。

3結(jié)束語

光纖通信實驗教學(xué)的目的是讓學(xué)生在有限的實驗課時中，通過動手實踐，理論聯(lián)系實際，掌握光纖通信專業(yè)基礎(chǔ)知識，為畢業(yè)后從事相關(guān)專業(yè)技術(shù)工作進(jìn)行預(yù)演。在實驗任務(wù)和目的明確的前提下，本文利用改進(jìn)實驗平臺，采用啟發(fā)性教學(xué)方式，要求學(xué)生自己查閱資料，提出實驗方案，設(shè)計實驗步驟，分析實驗結(jié)果。在鍛煉學(xué)生動手技能的同時，促使學(xué)生熟悉相關(guān)實驗儀器的使用方法，增強對LED、PD等光纖通信器件和系統(tǒng)工作原理的理解，培養(yǎng)學(xué)生鉆研學(xué)習(xí)，創(chuàng)新性思考的意識，激發(fā)學(xué)生自己解決問題的自豪感，提升學(xué)生的創(chuàng)新實踐能力。

參 考 文 獻(xiàn)

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收稿日期:2015-04-08；修改日期: 2015-04-22

基金項目：中南民族大學(xué)教學(xué)改革專題研究項目(JXZX2014310)。

作者簡介：侯金(1981-)，男，博士，副教授，從事光通信與光電器件方面的教學(xué)科研工作。

中圖分類號G642.423

文獻(xiàn)標(biāo)志碼A

doi:10.3969/j.issn.1672-4550.2016.03.004

Improve Experiment of Optical Fiber Communication and Enhance Students’

HOU Jin，WANG Wenzhen

(a.School of Electronics and Information Engineering，b.Hubei Key Laboratory of Intelligent Wireless Communications; South-Central University for Nationalities，Wuhan 430074，China)

AbstractThe quality of optical fiber communications experimental teaching has a very important impact on building the students’ creative ability.In order to improve the creative ability of the undergraduates whose majors are in communications and electronics information，based on the analysis of conventional experimental teaching case for optical fiber communications，the improvement of both the experimental platform and the experimental teaching exploration are highly depicted.The improvement type of experimental teaching will improve the teaching effects，enhance undergraduates’ manipulative ability and inspire their creative ability.

Key wordsoptical fiber communications；experimental teaching；practice ability；creative ability