改进光纤通信实验以提升学生创新实践能力

侯　金，王文珍

(中南民族大学　a.电子信息工程学院；b.智能无线通信湖北省重点实验室，武汉　430074)



改进光纤通信实验以提升学生创新实践能力

侯金，王文珍

(中南民族大学a.电子信息工程学院；b.智能无线通信湖北省重点实验室，武汉430074)

摘要光纤通信实验教学质量的优劣对学生的实践与创新能力影响大。围绕提高通信与电子信息类专业大学生的实践与创新能力，在对传统光纤通信实验教学箱分析的基础上，重点叙述了实验平台的改进与实验教学探索。这种改进型的实验教学方式将提升教学效果，提高学生的实际动手能力，激发学生的创新能力。

关键词光纤通信；实验教学；实践能力；创新能力

光纤通信是现代通信技术的3大支柱之一，也是信息社会中高速传送宽带大容量信息的途径[1]。光纤通信课程主要讲授光纤通信系统和器件的工作原理及特性，介绍光纤通信技术应用情况，是一门理论性与实践性很强的课程。向学生开设相关实验课程，无疑可以加深学生对理论知识的理解，提高学生的学习积极性和实践创新能力[2-9]。

光纤通信实验课程的传统教学方式一般是利用模块化的实验箱平台来授课。这种方式适用于验证性实验，解决了实验教学的有无问题。但是由于受到了实验箱本身功能封闭性的限制，学生不能查看到实验箱内部的具体实现机构和过程，对相关知识的物理理解往往就会很模糊。这种教学方式存在实验方法单一，实验流于形式等问题，对学生的实践与创新能力培养效果有限。与此同时，随着光纤通信技术的不断高速发展，企业和社会对大学毕业生的实践与创新能力要求的不断提高，为了增强学生对光纤通信理论的认识和对光纤通信设备仪器的操作能力，为其毕业后深造或走向社会打下坚实的基础，亟须提高学生的实践与创新能力[5-8]。

本文针对传统实验箱平台对学生实践与创新能力培养不足的问题，在充分利用已有实验资源的情况下，重点讨论了光纤通信实验教学的改进，以及构建以学生为主体、教师为主导的基于改进的实验教学方式。

1传统实验箱平台介绍

实验箱平台一直是光纤通信实验课使用的传统教学方式。一种典型的传统光纤通信综合实验箱平台的布局，如图1所示。在该类实验箱中，将光纤通信系统按功能模块划分和组合，在实验系统中，系统的组成、功能电路、信息流程与实际光纤通信系统在技术上基本保持一致，并在此基础上增设特殊的测试环境。

这种实验箱平台综合了光纤通信的主要技术、系统工作过程和典型电路功能，建立了一个较为完善的光纤通信框架体系。这种方式不仅给教师灵活地组织与实施实验教学带来了一定的方便，而且也使学生通过实验掌握光纤通信的系统组成、基本原理以及主要技术指标的测量方法。但是这种实验箱平台只把相关功能模块的输入输出接口留给学生使用，而掩藏了实验箱内部实现功能的基本构建方式。学生在做实验时，按照实验指导内容，只要通过连线连接模块中的各个功能指定的接口或是选择跳线，然后用示波器、光功率计等仪器测量相应的指标，读取模块中器件或组件的性能参数或波形，就能完成实验。也就是学生只能机械地按照实验指导内容操作，对于模块内部则只能参照指导书中给出的原理图了解，而不能知道各部分的具体实现过程。这种教学方式只能达到验证实验现象的目的，可以使学生对光纤通信系统组成形成初步的认识；但对于实验的细节知识不能深入理解，也不能对实验过程进行修改，制约了学生思考和操作的空间，限制了学生实践和创新能力的发挥与提高[8-9]。

图1　一种典型的传统光纤通信多功能实验箱布局图

2实验箱平台的改进与教学应用

针对传统光纤通信实验箱功能封闭的缺点，并联系到光纤通信技术的特点，本文重点针对光纤通信核心之一的光收发模块来改进。通过改进设计，使光收发模块中光源的电光调制发射部分和探测器的信号光电接收转换部分的具体实现过程与功能显露出来，从而使学生能够直接形象地理解光纤通信中这一基本功能模块的运行机制，并为未来进行光纤通信方面的实践创新打下基础。

2.1光源电光调制部分的改进与教学应用

在光发送端，本文用发光二极管(LED)作为实验用光源，并采用电信号直接调制驱动LED发光的工作方式。如图2所示为采用的改进后实验用电光数字调制电路原理图。加到LED上的驱动电流来自两个方面：从电阻R5和可变电阻R6支路传过来的偏置电流和从信号源支路传过来的信号电流。信号源端的待发送电信号数字序列通过Di1和Di2接入到调制电路中。为了提高输入电信号驱动LED发光的能力，通过采用两级与非门串联，并在第二级使用多个与非门并联的方式，在保持输入数字序列逻辑不变的同时，达到增加LED驱动电流的效果。在明确上述LED调制原理的基础上，以LED的PI特性测试实验为例，下面叙述该电路在实验教学中对学生实践动手能力以及思维能力的培养作用。

图2　改进后实验用LED调制电路模块原理图

在教学中，我们把数字万用表、光功率计、跳线帽、导线、上述LED的调制电路原理图和对应的裸漏电路板提供给学生。再引导性地针对LED的PI特性测试这个题目，要求学生自己查阅相关资料，思考应该完成的实验数据是什么。并促使学生进一步思考应该如何以提供的实验资源为基础，设计实验方案和确定实验步骤；获得这些实验数据，并对实验结果进行分析讨论，从而完成LED的PI特性测试实验。

LED的PI特性测试实验需要测量当驱动电流改变时，LED的发光功率相应的变化值是多少。核心问题是电流和光功率的测量。光功率可以直接通过光功率计测得，实验时还要注意选择合适的测量波长等。电流的测量需要用到万用表的电流挡位，并在J1处串联进去。此外，还要考虑驱动电流的调节问题。通过分析电路，改变可变电阻R6的阻值可以调节总的驱动电流的大小，从而获得一系列驱动电流I值和相对应的发光功率P值，完成实验。实验中，学生还应思考：Di1和Di2怎么连接，Di1应该给出一个什么样的电位等。测试PI特性时，只需要维持Di1为高电平，保持输入全1信号即可。这样的连接可以保持系统稳定的工作。在实验教学中，还需要教师从学生已经学过或者熟悉的原理开始，引导性地提出一系列问题，鼓励学生自己通过展开讨论、分析，一步步地解决实验中的疑难问题，最终独立完成实验。

2.2光接收部分的改进与教学应用

接收端电路如图3所示。光电检测二极管(PD)接收到从光纤传过来的LED发出的光信号，将其转换为光电流。可变电阻R7一方面将PD生成的光电流转换成电压信号；另一方面用来调节PD的工作点，提高PD的工作稳定性能。R7上的电压信号经过U5放大，再通过U6与U7比较与整形后输出恢复后的信号。可变电阻R9用来调节放大器U5的放大倍数，使放大输出的电压在一个适当的范围，以便后续电路能够稳定工作。R1用来提供比较参考电压。

图3　新实验用光接收电路模块原理图

在明确上述光接收电路原理的基础上，以PD的光生电流检测实验为例，该电路对学生实践动手能力以及思维能力的培养也具有重要促进作用。教学基本思路与前面介绍的LED的PI特性测量实验相同：把相关实验仪器资源提供给学生，再引导性地提出PD的光生电流特性测试目的，要求学生自己思考，形成实验的方案和步骤，并完成实验。

PD的光生电流测试实验需要测量当LED传送过来的光功率改变时，PD检测到的相应光生电流值是多少。核心问题仍然是电流和光功率的测量，主要技术难点与LED的PI特性测试基本一样。不同的是检测光生电流的位置是在J2处，另外还需要用光纤把LED发射的光连接传导到PD检测器处。实验中，仍然需要改变可变电阻R6的阻值调节LED的发光功率P值，使PD感应出不同的光生电流大小。这样测得的PD光生电流特性为直接法测量得到的。这种方法在实验中每测得一组光功率值与对应的PD感生电流值，需要改变LED输出的光纤接口所连接的位置：测量光功率时连接到光功率计；测量光生电流时连接到PD端。由于光器件的连接非常敏感，所以实验中，学生经常测得的数据会有较大误差。一种改进的方案是：把光纤固定地连接到PD端，这样可以测得光生电流值，我们还测试这时候LED的总的驱动电流值。然后，利用该LED的驱动电流值，通过前面的LED的PI特性曲线推测出LED的光功率值。这种方法测得的结果就比较稳定。

3结束语

光纤通信实验教学的目的是让学生在有限的实验课时中，通过动手实践，理论联系实际，掌握光纤通信专业基础知识，为毕业后从事相关专业技术工作进行预演。在实验任务和目的明确的前提下，本文利用改进实验平台，采用启发性教学方式，要求学生自己查阅资料，提出实验方案，设计实验步骤，分析实验结果。在锻炼学生动手技能的同时，促使学生熟悉相关实验仪器的使用方法，增强对LED、PD等光纤通信器件和系统工作原理的理解，培养学生钻研学习，创新性思考的意识，激发学生自己解决问题的自豪感，提升学生的创新实践能力。

参 考 文 献

[1]赵梓森.光纤通信技术概论[M].北京：科学出版社，2012：1-173.

[2]曹雪，李新营.《光纤通信》实验教学的优化探讨[J].实验科学与技术，2013，11(1)：97-99.

[3]张淑娥，李永倩，杨再旺.“光纤通信原理”精品课程实验建设探究[J].实验技术与管理，2010，27(5)：165-167.

[4]田庆国，崔宇明，张红霞.光纤技术理论教学与实验教学改革初探[J].实验室科学，2011，14(6)：59-61.

[5]罗晖，刘海文，王传云.基于工程实践能力培养的光纤通信网实训平台建设[J].实验室研究与探索，2010，29(10)：330-332.

[6]李进，黄德生，封敏娟，等.光纤通信实验系统设计[J].实验技术与管理，2011，28(2)：61-65.

[7]耿涛，冉天纲.基于项目式的光纤通信实验教学改革[J].实验室科学，2011，14(5)：27-29.

[8]龙青云，左敬龙，肖明.基于大工程观的光纤通信实验教学改革探索[J].实验室研究与探索，2012，31(8)：342-345.

[9]王丽，周玲，尹丽丹，等.创新型实践教学在大学生能力培养中的作用[J].实验室研究与探索，2013，32(3)：143-146.

收稿日期:2015-04-08；修改日期: 2015-04-22

基金项目：中南民族大学教学改革专题研究项目(JXZX2014310)。

作者简介：侯金(1981-)，男，博士，副教授，从事光通信与光电器件方面的教学科研工作。

中图分类号G642.423

文献标志码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