創新物理實驗教學:光學實驗在光纖通信中的應用實踐

鐘 瑞,韓建衛,過 聰,王 拴,紀 緯,張立彬

(哈爾濱工業大學(深圳)實驗與創新實踐教育中心,廣東 深圳 518055)

大學物理實驗作為理工科專業的一門必修課,對于培養學生的創造性思維和科學實驗能力、提高學生的科學實驗素養具有重要作用。但長期以來,課程教學內容大多以經典實驗為主,缺乏現代科學技術的新元素,使學生在實驗過程中很難找到實驗項目與專業前沿技術的結合點,往往會覺得實驗枯燥乏味、陳舊落后,部分學生甚至產生抵觸情緒,敷衍了事。長此以往,學生的學習主動性和積極性受到極大的影響,從而影響教學效果。因此,如何將大學物理實驗教學與應用實踐相結合,讓學生真正認識到學有所用,是一個亟待解決的問題。國內外眾多高校對此問題做過許多研究和試驗,并取得了積極的成果[1-8]。

近年來,哈爾濱工業大學(深圳)物理實驗中心團隊在“新基建”背景下,以光學實驗與光纖通信技術的聯系為切入點,通過豐富教學內容、改進考核方法、結合競賽與科研等方式,極大地提升了教學效果。學生在此過程中,提高了學習的積極性和主動性,增強了創新思維和動手實踐能力,并在全國大學生物理實驗競賽(創新)中取得了優異的成績。

1 光纖通信與光學實驗的聯系

光通信技術具有超大容量、超高速率、超長距離傳輸等方面的優勢。因此,遍布全球的光纖網絡已成為高清視頻直播、網絡電商、社交媒體、國防、金融、線上會議、遠程醫療等應用的物理基礎。另一方面,隨著碳達峰、碳中和目標的提出,降低網絡單位能耗和綠色節能顯得更為重要,全光網將迎來新的發展機遇,“光進銅退”已成為全球范圍內一個必然的趨勢。

光纖通信的本質,就是采用光學方法實現二進制代碼(1/0)的調制、傳輸和解調,如圖1所示。大學物理實驗課程中,光學實驗占有相當大比重,這些實驗背后的原理涉及到光纖通信領域的一些關鍵技術。通過教師在實驗課上的啟發,我校光電、通信專業的本科生組成的團隊自制了科普視頻《高速光纖通信技術的物理原理》。該視頻以光學實驗原理與高速光纖通信技術的聯系作為切入點,生動形象地展示了信號的調制、傳輸、解調以及波分復用技術,并介紹了其涉及到的部分物理原理(干涉、衍射、全反射、電光效應、內光電效應等)。該作品獲得2022年第八屆全國大學生物理實驗競賽(創新)自選類一等獎。

圖1 光纖通信的過程

2 創新教學方法

2.1 課程思政,豐富教學內容

任課教師提前做好功課,在實驗講解部分向學生展示該實驗相關的原理在工程技術和前沿科研中的應用。展示內容包括理論講解和實物展示,從而加深學生對相關原理和技術的認識。

例如在光的等厚干涉實驗中,實驗教師向學生講解了薄膜干涉、增反膜、增透膜等概念。并結合生活中的實際案例,介紹了薄膜濾波片(Thin Film Filter,TFF)及其在高速光纖通信中的應用,包括波分復用(Wavelength Division Multiplexing,WDM)、光插分復用(Optical Add-Drop Multiplexer,OADM)、波分復用型無源光網絡(Wavelength Division Multiplexing Passive Optical Network,WDM-PON)等,如圖2所示。

圖2 在課件中向學生展示薄膜干涉在光纖通信中的應用

在用分光計和衍射光柵測定光的波長實驗中,實驗教師向學生展示了衍射光柵在波分復用、信號光耦合中的應用,并介紹了基于衍射光柵和羅蘭圓組合的變形而制作的陣列波導光柵(Arrayed Waveguide Grating,AWG),分別如圖3和圖4所示。

圖3 在課件中向學生展示衍射光柵在光纖通信中的應用

圖4 在課件中向學生展示AWG在光纖通信中的應用

在邁克爾遜干涉儀實驗中,實驗教師結合干涉相長、干涉相消與光程差(相位差)的關系進行拓展,向學生展示了光纖通信中一種非常重要的調制信號光的器件:馬赫增德爾調制器(Mach-Zehnder Modulator,MZM),如圖5所示。這種調制器利用了電光效應原理,通過改變電光晶體(例如鈮酸鋰,LiNbO3)的外加電壓,控制其折射率,進而控制光程差(相位差),實現信號的調制(在發射端,將電信號轉換為光信號)。

圖5 在課件中向學生展示MZM在光纖通信中的應用

而在光電效應實驗中,實驗教師在講解實驗原理時同樣進行了拓展,展示了內光電效應的原理以及如何利用其實現信號的解調(在接收端,將光信號轉換為電信號),如圖6所示。

圖6 在課件中向學生展示內光電效應在光纖通信中的應用

此外,雙光柵檢測微弱振動、磁光效應等實驗也與光纖通信技術有著緊密聯系。我們通過課程思政,豐富教學內容,將這些知識點傳遞給學生。讓他們在完成實驗的同時,也對光纖通信中信號的調制、傳輸、解調整個過程有了基本的認識,更加深刻地體會到了學以致用。

2.2 改進考核方法

鼓勵學生檢索相關的資料,例如實驗涉及的前沿科學技術、產品、工藝、標準、相關廠家和市場等等,并整理之后作為實驗報告的附件一起提交,形式不限(例如視頻、圖片、論文、產品規格書、行業標準等等)。教師根據報告對學生給予加分、減少實驗項目等鼓勵,極大地激發了其學習的主動性和積極性。

例如在牛頓環實驗中,要求學生測量凸透鏡球面的曲率半徑。在分光計實驗中,要求學生利用分光計和衍射光柵測定汞燈發出的光的波長。有學生主動嘗試觀察汞燈光的牛頓環現象,并將這兩個實驗中觀察到的現象進行對比分析。結果發現采用衍射光柵可以很容易地將汞燈的雙黃光分離,而在牛頓環實驗中甚至都無法將綠光和黃光分離,如圖7所示。

(a)

隨后,該學生結合實驗教師在實驗講解中提到的密集波分復用(Dense Wavelength Division Multiplexing,DWDM)和粗波分復用(Coarse Wavelength Division Multiplexing,CWDM)的區別,在實驗報告中提到,這個現象可以非常通俗形象地展示DWDM與CWDM的區別,以及二者的技術方案選擇。因為汞燈的光譜中,雙黃光的波長相差不到2 nm,而綠光與雙黃光的波長差超過30nm,這與國際電信聯盟(International Telecommunication Union,ITU)制定的DWDM、CWDM的信道間隔非常接近[9-10]。受此啟發,該學生在后面制作科普視頻《高速光纖通信技術的物理原理》時,引入了賽車、跨欄比賽等元素,通俗地展示了DWDM與CWDM的區別,如圖8所示。

圖8 學生在科普視頻中展示DWDM與CWDM的對比

2.3 結合競賽與科研

任課教師中有相當一部分來自科研一線。他們不僅為本科生走進科研實驗室參與科研項目提供了條件,還將自己的部分科研成果進行轉化,指導學生參加全國大學生物理實驗競賽(創新)、全國大學生物理學術競賽,并取得了不俗的成績。

另外,在學校的大力支持下,物理實驗中心團隊面向全校本科生開設了創新競賽選修課,學生通過課程訓練不僅獲得了學分,創新能力、競賽水平也得到了極大提升。

以上舉措在大幅提升學生的學習積極性和主動性的同時,也成功實現了科技型人才的創新訓練向本科階段前移,加速了科技人才的培養進程。例如科普視頻《高速光纖通信技術的物理原理》的創作團隊成員吳優同學積極參與科研活動,在導師的指導下,以第一作者身份在2023年美國光纖通信會議(Optical Fiber Communication Conference,OFC)上發表了高水平學術論文,如圖9所示[11]。

圖9 學生發表的光纖通信領域學術論文

3 教學成果

通過以上三種創新教學方法,我們將大學物理實驗課程中的光學實驗與光纖通信應用實踐相結合,學生的學習積極性和主動性有了顯著提高,創新思維能力也得到了大幅提升。部分學生在課程中深受啟發,自制了科普視頻《高速光纖通信技術的物理原理》,并獲得2022年第八屆全國大學生物理實驗競賽(創新)自選類一等獎,如圖10所示。

(a)視頻截圖

4 結 論

我們針對大學物理實驗課程中存在的實驗內容與前沿科技脫節、缺乏創新思維訓練這兩個問題,以光學實驗與光纖通信技術的聯系作為切入點,通過豐富教學內容、改進考核方法、結合競賽與科研等方式改進了教學方法。學生的學習積極性、主動性、創新思維能力均大幅提升,并在競賽中取得了優異的成績。

受此啟發,未來也將在其他物理實驗項目與科學技術的聯系上做類似的嘗試,例如無線充電技術、光電檢測技術、傳感技術、新能源技術、半導體工藝等等。