２０２０年１２月２５日第４卷第２４期
现代信息科技
Modern Information Technology
Dec.2020 Vol.4 No.24
1922020.12
收稿日期：2020-12-01
基金项目：河北省教育厅教改项目（2019G JJG553）；河北省教育厅教改项目
（2019GJJG550）ＣＯＭＳＯＬ软件在“光纤通信”课程中的教学应用 姜凌红，张银蒲
（唐山学院 智能与信息工程学院，河北 唐山 063000）
摘 要：针对“光纤通信”课程中光纤传输原理复杂烦琐的推导求解问题，将COMSOL 软件的丰富计算和 后处理功能引入到“光纤通信”课程教学中，对COMSOL 软件应用到“光纤通信”课程光纤模场的教学进行设计，利用COMSOL 软件教学形象直观地展示出光纤模场分布，并简化“光纤通信”课程中复杂枯燥的推导过程，提高学生的学习兴趣和学习效率，从而达到提高“光纤通信”这门课程教学效果的目的。 关键词：COMSOL ；“光纤通信”课程教学应用；仿真
中图分类号：TN929.11；G642；TP319 文献标识码：A
文章编号：2096-4706（2020）24-0192-04
Ｔｅａｃｈｉｎｇ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ＣＯＭＳＯＬ Ｓｏｆｔｗａｒｅ ｉｎ“Ｏｐｔｉｃａｌ Ｆｉｂｅｒ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ” Ｃｏｕｒｓｅｓ
JIANG Linghong ，ZHANG Yinpu
（College of Intelligence and Information Engineering ，Tangshan University ，Tangshan 063000，China ）
Abstract ：In view of the complicated derivation and solution of optical fiber transmission principle in the “Optical Fiber
Communication ” courses ，this paper introduces the rich calculation and post-processing functions of COMSOL software into the teaching of “Optical Fiber Communication ” courses ，designs the application of COMSOL software to the teaching of optical fiber mode field for “Optical Fiber Communication ” coursers ，and uses COMSOL software to visually display the distribution of optical fiber mode field and simplify the complicated and boring derivation process of “Optical Fiber Communication ” courses ，which can improve students ’learning interest and efficiency ，so as to achieve the purpose of improving the teaching effect of “Optical Fiber Communication ” courses.
Keywords ：COMSOL ；“Optical Fiber Communication ” courses teaching application ；simulation
0 引 言
“光纤通信”课程是通信工程专业学生的一门必修专业基础课，其中光纤作为光纤通信的重要传输介质，光纤的传输原理、传输特性的分析是“光纤通信”课程中主要的组成部分之一[1，
2]。影响光纤通信系统传输的主要因素有散和损耗，这些因素都取决于传输介质光纤的传输特性，光作为光纤通信的载波，其工作频率范围也取决于光纤的传输特性，因此，要全面掌握光纤通信系统的传输原理及其相关应用，光纤的传输原理、传输特性以及以光纤为基础的光纤器件是“光纤通信”这门课程的重要知识点。光纤作为重要的传输介质，在实际通信应用中都选择单模光纤，可有效地提高
光纤传输容量和中继传输距离，最大限度地避免模式散和模式损耗。
传统的光纤传输原理的分析方法是基于射线光学分析和波动方程分析法，波动方程分析法是在基于麦克斯韦方程的基础上，对一阶麦克斯韦方程组进行两边求旋度，再根据无电荷或无电流的边界条件的代入得到波动方程，对于光纤
的电磁场的分析，利用圆柱坐标系去完成电场和磁场在圆柱坐标系的三个坐标变量方向的求解，从而计算电场和磁场的6个变量。通过引入沿着半径方向的归一化相位常数和归一化衰减常数，计算光纤归一化的频率。通过一系列复杂的物理计算和推导，将电磁场的边界条件的求解与光纤归一化频率相结合，去分析光波的模式，从而判断导波模和辐射模在不同的边界条件下的传输。本文以“光纤通信”课程教学中光纤传输理论的分析中存在的问题为依据，将COMSOL 软件对光纤结构、模场、传输特性的分析引入到“光纤通信”这门课程中，通过选用COMSOL 软件射频模块，可以形象直观地建立光纤的结构，并对其不同的模场分析进行可视化展示，在很大程度上避免了枯燥乏味的大量方程推导，可以提高学生的学习动力，增加学生的独立设计能力。
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1 COMSOL 软件仿真特点
COMSOL 软件是一种基于有限元法开发的多物理场仿
真软件[3，
4]，由瑞典COMSOL 公司开发。COMSOL 是一种高级数值仿真软件，被广泛地应用于各个领域的科学研究和工程计算，可用于“光纤通信”“电磁场与电磁波”“微波技术”课程等工科专业基础课程中电磁场的求解，可以简单形象地展示出电磁波在自由空间和介质中的传播特点，求解
DOI:10.19850/jki.2096-4706.2020.24.052
A B
C
图2 光纤模型的横截面图
将光纤模型电磁场的特征值求解在课堂上进行讲解演
所示的模场分布图。图3
分别显示了光纤的不同高阶模在纤芯的传输
能量没有很好的限制在纤芯传输，为了实现长距离传输
，其高阶模的模场分布需要被截止
显示了光纤的纤芯基模传输，可以明显地看出光传输的能量很好的限制在纤芯传输，利用COMSOL软件形象地展示了
。COMSOL软件可以比较直观地展示出不
，根据求解器参数的设置，
二阶等高阶模的光波的传播模式，并且利用后处理可获得电场磁场的三个方位分量、局部或全域功率流
分量等多种内建物理参数进行求解。这样学生们可以利用软
轴承起拔器（a）高阶模种类1
（b）高阶模种类2
（c）高阶模种类3
（d）基模
隔离桩图3 光纤中不同的模场分布
马铃薯馒头光纤导模模式分析即为电磁场在光纤的分布模式
用不同的特征方程完成一系列光纤传输模式的状态分析其分析和求解过程复杂、抽象、理论性极强，
电磁波的大量基础，而且很多奇异的物理现象很难直观地展仅通过复杂、抽象的理论推导，很难让学生彻底反而会降低学生对波动光学中电与磁的学习兴趣
（a）高阶模式一3D图
（b）高阶模式二3D图
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（c）基模3D图
（d）二阶模3D图
4 光纤的模场传输的在COMSOL的实训图
（下转
教学评价阶段
SPOC混合学习模式的整个过程，教学过程中及时掌握评价反馈情况，可以更好地在教学中调整学
包括SPOC线上评价结果和课堂线下评
线上平台的评价指标包括课前学生在SPOC
问题讨论情况、自测题目完成情况及
作业和综合实践题目的成绩；线下教学成果评价指标包括学生课堂表现、作业、学生参与实践项目及
每个教学阶段的教学评价结果应及时反馈和反馈在教学中存在的问题，方便教师及时调整修改后
评价-反馈-修改循环进行，促进教学
理念与线上—线下混合教学理论相结合，设计了适应我校学生的“SPOC背景下微学习与课堂教学混
通过对学生能力及课程分析，构建SPOC平应用于学生及教师课前线上微课预习、课中线下课行反馈—修改—完善了混合学习模式，
于我校“C语言程序设计”课程教学中
动性、独立解决问题的能力及创新能力
参考文献：
[1] 苏小红，赵玲玲，叶麟，等.基于
式教学的探究与实践 [J].中国大学教学，
[2] 苏爱玲，王晓妍，郭玉枝.SPOC
程序设计课程的应用 [J].中国新通信，2017
[3] 罗丽苹，李相勇，贾巍.基于“磁悬浮支架图片
的翻转课堂设计与应用——以《大学计算机基础
西南师范大学学报（自然科学版），2017，
[4] 吴迪.基于SPOC的混合式学习模式应用研究重庆师范大学，2017.
[5] 汤勃，孔建益，曾良才，等.“
究 [J].高教发展与评估，2018（3）：90-99.
[6] 王春梅，王曙燕，孙家泽.基于
言程序设计》混合式一流课程建设研究
（12）：10-13.
作者简介：刘鑫（1978—），女，汉族
图5 “C语言程序设计”课程考试界面
