胡新廣，程健，鄧子豪

MATLAB 圖形用戶(hù)界面在光纖模式理論課堂教學(xué)中的應(yīng)用

胡新廣，程健，鄧子豪

（黃山學(xué)院 信息工程學(xué)院，安徽 黃山 245041）

光纖模式理論是光纖通信教學(xué)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)，如何運(yùn)用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)將抽象的理論概念形象化具體化來(lái)提高教學(xué)效果，是課程教學(xué)面臨的一個(gè)迫切問(wèn)題．MATLAB常被廣泛應(yīng)用于數(shù)值計(jì)算、數(shù)據(jù)可視化及分析等領(lǐng)域，將其用戶(hù)圖形界面設(shè)計(jì)引入到光纖模式理論的教學(xué)中，可以通過(guò)圖像來(lái)展示抽象的理論和概念，有助于調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)和探討知識(shí)的積極性，提高教學(xué)效果．

光纖模式理論；MATLAB；圖形用戶(hù)界面；仿真

光纖通信是光電、通信類(lèi)專(zhuān)業(yè)本科生的重要專(zhuān)業(yè)課程．在光纖通信中，對(duì)光纖模式概念的建立和理解是本門(mén)課程教學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，它是研究光信號(hào)在光纖中傳播的理論基礎(chǔ)，在理論和實(shí)驗(yàn)研究中均扮演著十分重要的角色．然而，如同大多數(shù)的電磁理論領(lǐng)域一樣，光纖模式理論內(nèi)容往往涉及大量的數(shù)學(xué)推導(dǎo)和高超的電磁求解方法，對(duì)數(shù)學(xué)物理功底要求較高；同時(shí)其結(jié)果較為復(fù)雜抽象，不利于學(xué)生理解和掌握．

科學(xué)計(jì)算方法和技術(shù)的發(fā)展，為人們求解復(fù)雜問(wèn)題帶來(lái)了便利，利用其中的可視化編程界面，將復(fù)雜數(shù)學(xué)公式的物理圖像直觀化、形象化，對(duì)于提高教學(xué)質(zhì)量[1]和培養(yǎng)學(xué)生的基本編程素養(yǎng)以及科學(xué)計(jì)算能力[2]，是十分有益的．MATLAB在工程分析、科學(xué)計(jì)算、數(shù)據(jù)可視化等方面具有十分強(qiáng)大的功能[3]，近年來(lái)，其在輔助光學(xué)類(lèi)課程教學(xué)方面得到了廣泛應(yīng)用[4-6]．利用MATLAB軟件提供的圖形用戶(hù)界面（Graphical User Interface，GUI），通過(guò)任務(wù)分解和編程，設(shè)計(jì)了可用于直觀顯示光纖端面模場(chǎng)分布的仿真界面，實(shí)現(xiàn)了對(duì)光纖模式的可視化仿真，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了將抽象的理論和概念轉(zhuǎn)化為形象的視圖化界面，既調(diào)動(dòng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，又提高了教學(xué)效果．

1 光纖模式理論

圖1 光纖結(jié)構(gòu)示意圖及其折射率分布

在纖芯和包層的折射率差值較小的情況下（稱(chēng)為弱導(dǎo)光纖[9]，一般光纖均滿(mǎn)足），式（3）可近似簡(jiǎn)化為

在弱導(dǎo)光纖中，EHm+1、HEm-1模式簡(jiǎn)并為線(xiàn)偏振模LPm[10]，其橫向電場(chǎng)為

顯然，無(wú)論是描述弱導(dǎo)光纖特征方程的式（4），還是描述弱導(dǎo)光纖模場(chǎng)橫截面分布的式（5）都是較為復(fù)雜的，如果不采用科學(xué)計(jì)算和繪圖手段將其形象化具體化處理，是無(wú)法透徹理解光纖的模式理論及其所對(duì)應(yīng)的物理含義和物理圖像的．同時(shí)，也會(huì)使課堂教學(xué)顯得枯燥、空洞，降低學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，進(jìn)而影響對(duì)后續(xù)內(nèi)容的理解和掌握．MATLAB提供的圖形用戶(hù)界面，恰好可以將復(fù)雜抽象的概念和理論進(jìn)行視圖化處理，為解決光纖模式理論的形象化具體化提供了便利．式（4）（5）是利用MATLAB通過(guò)GUI設(shè)計(jì)分析光纖模式的理論依據(jù)．

2 MATLAB圖形用戶(hù)界面設(shè)計(jì)輔助光纖模式理論教學(xué)

2.1 弱導(dǎo)光纖中光纖模式值的數(shù)值計(jì)算

2.2 光纖模場(chǎng)分布的GUI界面設(shè)計(jì)與仿真

圖2 弱導(dǎo)光纖部分模式的色散曲線(xiàn)

圖3 光纖模場(chǎng)分布的GUI設(shè)計(jì)界面

對(duì)光纖模式色散曲線(xiàn)和模場(chǎng)分布的視圖化分析表明，將MATLAB的GUI界面設(shè)計(jì)應(yīng)用到光纖模式理論的課堂教學(xué)中，可以將抽象的模式理論概念通過(guò)圖示參數(shù)的變化而加以直觀化顯示，加深了學(xué)生對(duì)光纖模式理論的理解和認(rèn)知．同時(shí)，GUI界面設(shè)計(jì)中涉及的繪圖技能有利于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)計(jì)算和數(shù)據(jù)處理能力，GUI界面設(shè)計(jì)面板的靈活性和回調(diào)函數(shù)的運(yùn)用則調(diào)動(dòng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，提升了教學(xué)效果．

圖4 利用GUI設(shè)計(jì)界面繪制的不同模式的模場(chǎng)分布

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)MATLAB的GUI界面設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)部分光纖模式模場(chǎng)分布的可視化仿真．通過(guò)對(duì)該設(shè)計(jì)界面的任務(wù)分解和編程，有助于使學(xué)生準(zhǔn)確認(rèn)識(shí)和理解光纖中的模式概念，激發(fā)學(xué)生對(duì)人機(jī)交換界面設(shè)計(jì)的興趣；有助于進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)和練習(xí)使用GUI界面設(shè)計(jì)的熱情，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生具備基本的科學(xué)計(jì)算和繪圖能力．此外，由于該GUI設(shè)計(jì)避免了課堂教學(xué)中直接面對(duì)程序代碼的枯燥，使教師授課方式更為生動(dòng)靈活，提高了教學(xué)效率和質(zhì)量．

[1] 元梓雯，張瀚予，陶維俱，等．MATLAB 數(shù)值計(jì)算輔助光纖光學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)[J]．廣西物理，2018，39（1）：38-41

[2] 周雷．MATLAB在光學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用及學(xué)生應(yīng)用能力的培養(yǎng)[J]．課程教育研究，2019（48）：44-45

[3] 劉浩，韓晶．MATLAB R2018a完全自學(xué)一本通[M]．北京：電子工業(yè)出版社，2018：1-4

[4] 歐攀，戴一堂，王愛(ài)民，等．高等光學(xué)仿真（MATLAB版）——光波導(dǎo)·激光[M]．3版．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2019：20-272

[5] 馬愈昭，許明妍，范懿，等．基于Matlab的弱導(dǎo)光纖模式特性仿真[J]．電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2016，38（5）：127-136

[6] 鄭改革，詹煜．Matlab在光信息類(lèi)本科專(zhuān)業(yè)課程教學(xué)中的應(yīng)用[J]．科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2013（1）：183-184

[7] ALLAN W，SNYDER，JOHN D，et al．Optical Waveguide Theory [M]．London：Chapman and Hall Ltd，1983：208-279

[8] Keiser Gerd．光纖通信[M]．李玉權(quán)，崔敏，譯．3rd ed．北京：電子工業(yè)出版社，2002：25-28

[9] Gloge D．Weakly Guiding Fibers [J]．APPLIED OPTICS，1971，10（10）：2252-2258

[10] 廖延彪，黎敏．光纖光學(xué)[M]．2版．北京：清華大學(xué)出版社，2013：14-17

Application of MATLAB graphical user interface in classroom teaching of optical fiber mode theory

HU Xinguang，CHENG Jian，DENG Zihao

（School of Information Engineering，Huangshan University，Huangshan 245041，China）

The theory of optical fiber mode is the key and difficult point in the teaching of optical fiber communication．How to visualize and embody the abstract theoretical concepts by using of modern science and technology is an urgent problem in course teaching．MATLAB is widely used in the fields of numerical calculation， data visualization，and analysis．By introducing the graphical user interface in MATLAB into teaching course，it is convenient to understand abstract theoretical concepts through visualization，which will arouse enthusiasm for learning and exploring knowledge among students，and to the end，improve teaching result．

optical fiber mode theory；MATLAB；graphical user interface；simulation

1007-9831（2020）07-0070-04

TN252∶G642.0

A

10.3969/j.issn.1007-9831.2020.07.017

2020-02-13

安徽省重點(diǎn)教研項(xiàng)目（2016jyxm0974）；教育部光電信息科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)2019年教學(xué)研究項(xiàng)目（gdxgk28）

胡新廣（1981-），河南商水人，講師，博士，從事光纖通信教學(xué)及微納器件設(shè)計(jì)的研究．E-mail：hxgxtu@hsu.edu.cn