Optisystem软件应用于《光纤通信》课程中的教学设计

柯润宇 题潇颖 叶成荫

摘要：目前光纤通信课程的讲授，多以板书和多媒体相结合，学生对一些重点难点知识点，往往理解不透，且与实际脱节，缺乏未来工作中必备的系统设计能力，现将Optisystem应用于课堂理论教学中，并对教学环节进行设计，教学效果表明，Optisystem软件与教学的结合，使学生更易于理解课本内容，提高了教学质量和学生的学习兴趣。

关键词：光纤通信； Optisystem； 教学设计

1 光纤通信理论教学存在问题及改进

光纤通信是一门多学科交叉融合的课程，具有涉及知识面广、基础理论深、技术更新快等特点。[1]目前光纤通信课程的教学通常是将光纤通信系统分为光纤、半导体光源、光发端机、光接收机等模块分别进行讲解，只有简单的以框图形式对光纤通信系统进行的总体功能描述，很少对各子模块进行系统层面的介绍，造成学生不仅重要知识点理解不透，而且缺少综合性的整体概念，更没有形成完整系统的设计能力。同时，由于缺乏实际工程项目的训练，学生不能将所学理论知识和实际应用结合起来，虽然通过理论和实践教学环节学到了一些专业知识，但不清楚这些知识用在何处以及如何运用。[1]OptiSystem是一款实用的光通讯系统模拟软件包，它能快速便捷地对不同光网络进行设计和检测，同时能利用各种虚拟观测设备进行分析，操作简单、结果直观。[2]目前虽有把Optisystem软件引入光纤通信课程实验教学中的案例，但是因为实验学时有限，且远远迟于理论教学，造成学生上实验之时已缺乏学习兴趣，理论理解不深，仅依靠有限的实验已然不够，可以提前将Optisystem软件引入到理论教学中，让学生对教材上的内容有更直观的理解。

2 利用OptiSystem进行光纤通信辅助教学的设计

光纤通信主要内容包括光源的发光机理、特性以及以光源为主要组成部分的光发端机、光纤波导传输机理、光电检测器的光电转换原理及其特性以及以光电检测器为主要组成部分的光接收机、波分复用技术和掺饵光纤放大器等光纤通信系统相关技术。在这些主要内容中，都可设计引入OptiSystem软件，提供重要知识点的另一种呈现，加深学生对重要知识点的记忆和难点的理解。下面对光纤通信中几个重要知识点OptiSystem的引入设计进行介绍。

2.1 光源教学中OptiSystem的引入

半导体激光器（LD）和半导体发光二极管（LED）是光纤通信系统中极其重要的光源元器件，它们位于光发端机，受到调制电流作用将电信号转化为光信号，其中LED主要应用于短距离低速率的数字光纤通信系统，而LD则广泛应用于长距离、高速的波分复用系统，无疑半导体激光器具有更广泛的应用，其性能直接影响到整个光纤通信系统的性能，而LD的PI曲线能够反映LD重要的发射性能，[3]所以在介绍LD的PI曲线这一重要知识点时设计引入OptiSystem，对LD的发射性能做仿真并可在课堂上展开对仿真结果的讨论。

半导体激光器框图的搭建可以在OptiSystem元件库选择电域的非归零脉冲编码发生器作为信号源，选择Laser Rate Equations激光器作为调制光源，激光器输出端连接光功率计，以及光谱仪（Optical spectrum analyzer），设置系统数据速率，激光器的工作波长，阈值电流，将偏置电流设为线性变化。半导体LD的PI曲线需要添加二维图形才能看到，具体可通过Report窗口，选择Opti2DGraph建立图例，拖动激光器的偏置电流和光功率计中总光功率到图例，[3]获得半导体LD的PI曲线图。传统教学通常直接通过教科书上已有LD的PI曲线图介绍阈值电流的概念，小于阈值电流时光源发射的是谱宽较宽且功率较低的荧光，大于阈值电流时光源发射的是谱宽较窄且功率较高的激光，引入Optisystem于光纤通信激光光源的教学中，不仅可以通过设计光源子系统，设置参数，获取LD的PI曲线图而且还可以辅之以光谱仪测量的光谱图，通过实际数据使学生自己观察得到阈值电流是光源发射LED荧光和LD激光的分界点。

2.2 光纤色散教学中OptiSystem的引入

色散是由于经光源调制的光脉冲具有不同的频率分量，当不同谱线宽度的光脉冲进入到传输系统的时候，将导致不同的传播速度，在接收端时将产生时延差，因而信号在系统传送的过程中脉冲会呈现展宽的现象。[4]数据传送速度越快，脉冲展宽越大，色散越严重，这一重要结论可以通过引入OptiSystem软件仿真给予直观的演示。

研究色散的仿真系统可以在OptiSystem元件库中选择用户自定义序列发生器作为信号源，连接高斯光脉冲产生器，产生高斯形状的光脉冲，经过一段普通单模光纤的传输，连接到光时域观察仪（Optical time domain visualizer），设置10Gbit/s和40Gbit/s两种不同传输速率，通过光时域观察仪让学生观察光脉冲形状发生的变化，通过仿真结果学生们可以直观并印象深刻的得到这样的结论，即系统传输速率在较低时色散展宽并不明显，速率变高时，脉宽大幅度展宽，导致严重的脉冲失真，在传输过程中会引起严重的码间串扰，所以传输速率越高色散导致的系统传输性能越差。

2.3 光接收机灵敏度教学中OptiSystem的引入

灵敏度是光接收机的重要特性指标之一，是在给定的误码率（BER）或信噪比条件下光接收机所能接收的最小光功率，反映光接收机接收微弱信号的能力。[4]对灵敏度的课堂讲授通常仅仅向学生介绍概念，学生只是从字面上了解，并不知道这一重要参数在实际中如何测试并获取。在讲授光接收机灵敏度一节时，可以利用Optisystem软件搭建光接收机灵敏度测试平台，不仅从实际出发拓展了课本知识，并且加深了对灵敏度这一重要参数的掌握和理解。

光接收机灵敏度测试平台的搭建可以在OptiSystem元件库选择伪随机码发生器和非归零码（NRZ）脉冲发生器构成信号发生器，采用激光器和马赫-曾德尔调制器构成的外调制方式，接收端采用光接收机，并将其与误码率测试仪进行连接，通过optisystem提供的参数扫描功能，可进行不同input power（输入功率）下的仿真计算，模拟改变入射到光接收机上的光功率。仿真结束后，通过Opti2DGraph建立关于入射功率和误码率最小对数值之间关系的曲线图。

通过曲线图可以让学生讨论入射光功率与误码率之间的关系，最终得出随着接收机接收到的光功率降低，误码率增加这一结论。为了降低误码率，需要增加接收机接收到的光功率。在此光接收机灵敏度测试平台下，还可以设置不同的调制速率，让学生观察不同传输速率对误码率的影响，最终得出结论当传输的码速增加时，误码率也在增加，为了获得在较高码元速率情况下能与低码元速率具有相同的误码率，只能提高发射机的光功率，所以调制速率和灵敏度是一对矛盾体。

3 结论

本文首先分析了光纤通信课程的特点和教学中存在的问题，提出将Optisystem仿真软件引入到光纤通信技术的课堂理论教学之中，Optisystem软件可以应用于光纤通信课程中多处教学环节，本文仅对重要的几处进行了详细的教学环节设计，利用Optisystem仿真平台进行辅助教学，既可以使理论知识直观形象化，便于学生的理解，同时可以使学生将所学理论知识和实际应用结合起来，提高学生的系统设计能力。在以后的光纤通信理论教学中应思考如何更多的引入Optisystem并合理的进行教学设计，以便进一步提高教学效果和质量。

参考文献：

[1]李理敏，曾国强.“光纤通信”课程教学改革的探索与实践[J].《软件导刊（教育技术）》.2017（09）：6465.

[2]周玲.《光纤通信》课程教学改革的探讨[J].湖南科技学院学报.2015（10）期：3940.

[3]段武.基于OptiSystem的半导体激光器PI曲线仿真研究[J].信息化建设，2016（3）：240241.

[4]王晓艳.通信系统中的色散管理与设计[J].中国新通信，2018：2526.

[5]李明宇.光收发模块时域特性测试仿真及实验教学[J].实验技术与管理，2018（1）：2526.

[6]赵崇俊.高速光纤通信系统中调制格式与四波混频效应研究[D].西安：西安电子科技大学，2012.

作者简介：柯润宇（1998），男，汉族，江苏苏州人，学生，研究方向：光纤通信系统；题潇颖（1983），女，漢族，辽宁沈阳人，硕士，讲师，研究方向：光纤通信系统；叶成荫（1977），男，汉族，辽宁抚顺人，博士，副教授，研究方向：计算机网络。