專業軟件在光電信息科學與工程專業實踐教學中的應用

【摘 要】培養具備光電信息科學與工程的基本理論、基本知識和專業技能，可從事光電工程、通信工程以及電子信息科學等領域的科學研究、產品開發的高級專門人才，是光電信息科學與工程專業的人才培養目標。實踐教學是加深基礎知識理解、培養學生解決實際問題的綜合能力和創新精神的重要環節。本文從光學系統設計軟件、光通信系統設計軟件、波動光學模擬軟件、Matlab在光信息處理中的應用四個方面，討論了專業軟件在光電信息科學與工程專業實踐教學中的應用。

【關鍵詞】光電信息科學與工程 實踐教學 專業軟件

【中圖分類號】G642 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-4810（2014）12-0013-02

光電信息科學與工程專業是教育部在2012年9月下發文件，將原屬于電子信息科學類的光信息科學與技術、光電子技術科學專業，與原屬于電氣信息類的信息顯示與光電技術、光電信息工程、光電子材料與器件五個專業統一修訂后而形成的。本專業旨在培養具有現代科學意識、理論基礎扎實、知識面寬、創新能力強，可從事光學工程、光通信、圖像與信息處理等技術領域的科學研究，以及相關領域的產品設計與制造、科技開發與應用、運行管理等工作，能夠適應當代信息化社會高速發展需要的應用型人才。

我校光電信息科學與工程專業的前身是光信息科學與技術專業，在光纖通信、光電子器件和光信息處理等領域具有鮮明的特色和較強的學科優勢。近年來，以軟件設計和分析為特色的光學系統與器件設計在實際中的應用日益廣泛，這就促進了企業和社會對這方面人才需求的增加。同時，相比于大型實驗設備，軟件設計起點低，使學生能夠更快地與實際課題接軌。因此，專業軟件的學習和應用成為本專業實踐教學環節的重點內容之一。本專業教師通過在專業軟件教學中的不斷摸索，開設了為數不少的光電信息專業軟件實踐課程，可總結為以下四個方面：

一 光學系統設計軟件

光學設計是一門理論緊密聯系實踐、注重操作性的學科。近年來，隨著新領域、新需求的不斷出現，對光學設計提出了新的要求，同時也使當代的光學設計在內容和方法上都有別于傳統的光學設計。這一時期，國內外涌現出各種功能強大的自動設計軟件，一方面為高質、高效的設計提供了可能，另一方面也促進了光學設計的發展。為了適應新技術的發展和人才培養的要求，讓學生掌握光學系統及光電儀器設計的基本理論和實際知識，學習光學設計的像差理論和像差校正方法，能夠熟練運用光學自動設計軟件對各類典型光學儀器進行設計，將光學原理、計算機輔助光學系統設計等前期課程所學的理論知識進行綜合運用，本專業開設了光學系統設計課程。

目前，主流的國外光學設計軟件有美國Optical Research Associates公司的CODE-V、LightTools軟件，Focus Software Inc開發的Zemax軟件，英國Kidger Optics公司的SIGMA軟件等。國內較有影響的光學設計軟件有北京理工大學研制的SOD88、Gold以及中科院長春光機所開發的CIOES等。這些軟件能夠解決光學系統建模、光路追跡計算等基本問題，同時具有像質評價、照明分析、自動優化、公差分析等功能。近幾年來，Zemax由于其優越的性價比在光學設計軟件市場所占的份額越來越大，為了使學生在就業競爭中更具優勢，課程設計采用Zemax軟件，要求學生實現照相物鏡、望遠物鏡、顯微物鏡和惠更斯目鏡的設計。光學系統設計技術與軟件的應用已成為光電信息科學與工程專業學生需具備的重要能力之一。

二 光通信系統設計軟件

光纖通信技術是一個多學科專業交叉滲透的技術綜合體。因此，無論是系統的規劃與設計，還是新型傳輸系統的探索與研究，都會遇到冗長復雜的計算。為了驗證其性能是否合乎要求，還需反復進行實驗研究與測試。如果每次都直接用真實系統進行實驗，耗資昂貴，費工費時，因此，解決上述問題的有效方法是采用計算機仿真技術，通過建立器件乃至系統模型完成對光通信設備及系統的分析、設計以及性能優化與評估測試。

OptiSystem是加拿大國家實驗室開發的一套創新的光通信系統仿真軟件，此軟件可以設計、測試、優化各種類型寬帶光網絡物理層的虛擬光連接，從長距離通信系統到LANS和MANS都能使用。OptiSystem具有強大的模擬環境和真實的器件和系統的分級定義，它的性能可以通過附加的用戶器件庫和完整的界面進行擴展，而成為一系列廣泛使用的工具。本專業在開設通信原理、光通信器件等理論課程的基礎上，開設了專業實驗，利用OptiSystem軟件實現光發射機、光接收機、光放大器、40G單模光纖的單信道傳輸系統的設計。

三 波動光學模擬軟件

光波導是光子器件的關鍵部分，它扮演著引導、耦合、開關、分開、復合和解復合光信號的角色。無源光波導、光電子器件、發送器、接收器和驅動電子設備可以用類似于微電子的平面技術集成在一個芯片上。盡管波導器件的工作原理已經被很深入地研究和了解，但它們具體的特性與許多參數有關，包括幾何形狀、波長、初始場分布、材料數據、電光驅動條件以及其他參數。在制造器件之前，這些參數必須先被優化。

OptiBPM是加拿大國家實驗室開發的一套功能強大、使用界面友好的波動光學設計仿真軟件，它提供各種集成光學問題的計算機輔助設計。OptiBPM的核心——光束傳播法或者BPM，是一種步進式的、模擬光在任何波導介質中的通道的理論。BPM提供計算機模擬完成后的光場分布的觀察，可以同時檢測輻射模和導模。OptiBPM對于設計和模擬光波導來說是理想的。本專業在開設集成光學、光傳輸技術等理論課程的基礎上，開設了專業實驗，利用OptiBPM軟件實現階躍型（漸變型）光纖、多模干涉耦合器、各向異性光波導、彎曲波導、馬赫-曾德干涉儀的設計。

四 Matlab在光信息處理中的應用

光信息處理是以傅里葉分析方法為核心，研究光學成像和光學變換的理論和技術。它以光子傳遞信息，利用光學或光電子器件進行操作，用光的折射、干涉和衍射等特性來實現對輸入信息的各種變換和處理。光信息處理具有高速度、并行性及互連性的優點，引起了人們的廣泛關注。

Matlab是美國MathWorks公司出品的商用數學軟件，主要包括Matlab和Simulink兩大部分。作為強大的科學計算平臺，它幾乎可以滿足所有的計算需求，將數值分析、矩陣計算、科學數據可視化以及非線性動態系統的建模和仿真等諸多強大功能集成在一個易于使用的視窗環境中，為科學研究、工程設計等眾多科學領域提供了一種全面的解決方案，并在很大程度上擺脫了傳統非交互式程序設計語言（如C、Fortran）的編輯模式，代表了當今國際科學計算軟件的先進水平。本專業在開設信息光學、激光原理、光電圖像處理等理論課程的基礎上，開設了專業實驗，利用Matlab軟件實現全息透鏡的設計、光柵衍射、傅里葉變換與空間濾波、激光光束及其自由傳輸仿真、平行光束的透鏡聚焦、高斯光束的透鏡聚焦、圖像的增強和識別等。

參考文獻

[1]陳明陽、葉云霞等.光信息科學與技術專業軟件教學方法探索[J].中國電力教育，2013（22）：102

[2]黃一帆、李林編著.光學設計教程[M].北京：北京理工大學出版社，2009

[3]羅元、胡章芳等主編.信息光學實驗教程[M].哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社，2011

〔責任編輯：龐遠燕〕