Rsoft软件在光纤通信教学中的应用

仿真是指利用数学建模的方法，复现实际系统中 发生的本质过程，并通过该数学模型研究已存在或者 在设计中的系统。光纤技术更新换代快，且光纤作为 教学耗材价格昂贵又不易操作，仿真成为一种有效的 教学及研究手段。
Rsoft 是一款基于先进的有限差分光束传播法的专 业软件，高度集成了计算机辅助设计和模拟仿真，集基 于光束传播法的光波导设计、基于时域有限差分法的 光波导设计、光子晶体分析设计、衍射光学结构器件分 析设计和光栅分析设计等于一身。作为一个基于多种 数学分析方法的系统模拟器，Rsoft 具有强大的模拟环 境、真实的器件和相对简单的操作方式。它的性能可 以通过 matlab 软件或其他可编程软件进行扩展，其用 户界面简单，且可调参数明显。
摘 要：目前，国内外许多高校，无论是工科还是理科，纷纷开设了光纤通信的有关课程，以满足社会对各种 层次人才的需求。本文提出了在光纤光学教学中使用 Rsoft 软件进行仿真分析，结合该软件简单易用的特点，以 仿真实验教学方式，将光纤传播理论中晦涩难懂的理论知识转变为可视化的图像图形，直观地反应各类光纤传光 特点，帮助学生理解相关知识点，有效提高教学质量和教学效率。
关键词：Rsoft 仿真；光纤光学；光纤通信实践教学
1. 引言 近年来，光纤技术发展迅速，已广泛应用于通信、 生物、化学、医学等各个领域。光纤光学是光学工程、 光信息科学与技术、光电信息工程、光电子技术、通信 技术、测控技术等专业高年级本科生的专业基础课，是 电子信息通信类专业低年级研究生的基础课[1]，具体内 容涉及了光纤通信、光纤传感、薄膜光学等众多学科， 具有内容广泛、理论深厚、知识更新快速、紧密联系理 论与实际等特点。 在教学中我们发现，光纤光学成为高等光学学科 中最为难懂的一部分内容，因目前的教科书大都就这 部分内容给出长篇大论的理论推导，学生理解十分困 难，以致失去学习兴趣，影响教学效果。为解决这一实 际 问 题 ，本 文 提 出 在 实 验 课 程 中 引 入 操 作 相 对 简 单 Rsoft 软件进行仿真教学[2]，将理论分析结果可视化，通 过参数设置帮助学生理解数学模型中各个参量的实际 意义，将计算结果生动、直观地展示在学生面前，激发 学生独立思考的学习兴趣，提高学生逻辑思维和动手 能力。此外，该仿真软件的学习，还可帮助研究生在学 习理论知识之外，掌握科学研究的基本理论仿真方法， 为研究生从事相关科研项目奠定基础。 2. 利用 Rsoft 进行光纤传感仿真
3. 仿真实例 光纤光学主要研究光场在光波导中的传播机理， 针对不同光纤的光场分布及传播机理衍生出光纤的实 际应用价值，比如应用于传感和通信领域。为了实现 光纤中光场分布的研究，光纤传光系统主要由光源和 用于传输光场的光波导构成。 我们利用 Rsoft 软件中的 Beamprop 模块通过光束 传播法研究光波导的传光原理。用单模光纤和渐变折
作者简介：魏勇（1987-），男，内蒙古人，重庆三峡学院电子与信息工程学院讲师，博士，主要从事大学物理教学和 光纤 SPR 传感研究工作。
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三峡高教研究
总第 49 期
射率多模光纤错芯对接，单模光纤作为接收光纤接收 从光源发出的光，为渐变折射率多模光纤注光[3]。用 Beamprop 模块创建光路，首先确定背景折射率，在水中 有助于光束观察，故背景折射率即为水的折射率；随后 创建单模光纤纤芯和包层，分别输入其折射率；最后创 建渐变折射率多模光纤结构，其纤芯折射率分布需要 输入分布函数，系统提供高斯函数和离散函数可选择， 其他函数需要手动输入。该仿真模型可以是二维的也 可以是三维的。图 1 为该错芯光纤系统的模型图。
通过该仿真可直观有效地帮助学生理解光波导的 传光原理，并且有趣地光学现象会增强学生的学习兴 趣，激发学生的创新思维。
图 1 错芯光纤系统仿真 其仿真参数为：入射光波长 0.633μm，背景折射率 为 1.33，单模光纤纤芯直径为 8.3μm，折射率为 1.4645， 包层直径为 125μm 折射率为 1.4613，渐变折射率多模光 纤纤芯直径为 62.5μm，折射率最大值为 1.4807，可选择 高斯函数分布，其包层直径为 125μm，折射率为 1.4627。 在 Rsoft 软件中进行仿真其结果如下：
们使用 Rsoft 软件中的 Fullwave 模块计算该弯曲光束的 光阱力及光的力学效应，其仿真结果如图 3 所示。可 将该仿真结构与 matlab 软件联立计算出该系统弯曲光 束力学效应的具体数值。其结果表明，该弯曲光束具 有光阱或光镊效果，当将微小粒子置于该弯曲光束内， 微小粒子会随着弯曲光束运动。
图 2 错芯光纤系统纵截面光场分布 从图中可清晰观察到本该沿直线传播的光纤出射 光束出现了拐弯现象，可称之为横线自加速现象。我
参考文献：
[1] 廖延彪 . 光纤光学[M]. 清华大学出版社,2013. [2] S Pachnicke. Simulation of Fiber Optical Transmission Systems[J]. Springer Berlin Heidelberg, 2012:31-54. [3] Zhihai Liu, Yong Wei, Yu Zhang and Chunlan Liu. Self-accelerating Bessel-like beam generated by graded-index multimode fiber[J]. Optics Communications, 2015, 356:90–95.
第 3 期 总第 49 期 No.3 Sum No.49
三峡高教研究 Sanxia Higher Education Researches
2018 年 9 月 Sep.2018
Байду номын сангаас
Rsoft 软件在光纤通信教学中的应用
魏 勇 苏于东 刘春兰 聂祥飞 赵嫦欣 （重庆三峡学院电子与信息工程学院，重庆万州 404120）
图 3 Fullwave 错芯系统光阱力仿真图 4. 总结 本文结合光纤光学课程的特点，采用软件仿真的 实验教学方法，学生通过仿真软件参数设置研究的同 时，加深对书本理论知识的理解，并且通过对光纤传光 系统的设计，融会贯通光波导相关理论，使学生进一步 了解光纤光学的实践应用，一方面提高了学生的学习 热情、独立思考和实践动手能力，另一方面帮助学生了 解前沿科学，开拓思维，激励学生独立创新，有效提高 了课堂效率。