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1、专业软件在光电信息科学与工程专业实践教学中的应用 培养具备光电信息科学与工程的基本理论、基本知识和专业技能，可从事光电工程、通信工程以及电子信息科学等领域的科学研究、产品开发的高级专门人才，是光电信息科学与工程专业的人才培养目标。实践教学是加深基础知识理解、培养学生解决实际问题的综合能力和创新精神的重要环节。本文从光学系统设计软件、光通信系统设计软件、波动光学模拟软件、Matlab在光信息处理中的应用四个方面，讨论了专业软件在光电信息科学与工程专业实践教学中的应用。 光电信息科学与工程专业是教育部在2018年9月下发文件，将原属于电子信息科学类的光信息科学与技术、光电子技术科学专业，与原属于电
2、气信息类的信息显示与光电技术、光电信息工程、光电子材料与器件五个专业统一修订后而形成的。本专业旨在培养具有现代科学意识、理论基础扎实、知识面宽、创新能力强，可从事光学工程、光通信、图像与信息处理等技术领域的科学研究，以及相关领域的产品设计与制造、科技开发与应用、运行管理等工作，能够适应当代信息化社会高速发展需要的应用型人才。 我校光电信息科学与工程专业的前身是光信息科学与技术专业，在光纤通信、光电子器件和光信息处理等领域具有鲜明的特色和较强的学科优势。近年来，以软件设计和分析为特色的光学系统与器件设计在实际中的应用日益广泛，这就促进了企业和社会对这方面人才需求的增加。同时，相比于大型实验设备，
3、软件设计起点低，使学生能够更快地与实际课题接轨。因此，专业软件的学习和应用成为本专业实践教学环节的重点内容之一。本专业教师通过在专业软件教学中的不断摸索，开设了为数不少的光电信息专业软件实践课程，可总结为以下四个方面 一 光学系统设计软件 光学设计是一门理论紧密联系实践、注重操作性的学科。近年来，随着新领域、新需求的不断出现，对光学设计提出了新的要求，同时也使当代的光学设计在内容和方法上都有别于传统的光学设计。这一时期，国内外涌现出各种功能强大的自动设计软件，一方面为高质、高效的设计提供了可能，另一方面也促进了光学设计的发展。为了适应新技术的发展和人才培养的要求，让学生掌握光学系统及光电仪器设
4、计的基本理论和实际知识，学习光学设计的像差理论和像差校正方法，能够熟练运用光学自动设计软件对各类典型光学仪器进行设计，将光学原理、计算机辅助光学系统设计等前期课程所学的理论知识进行综合运用，本专业开设了光学系统设计课程。 目前，主流的国外光学设计软件有美国Optical Research Associates公司的CODE-V、LightTools软件，Focus Software Inc开发的Zemax软件，英国Kidger Optics公司的SIGMA软件等。国内较有影响的光学设计软件有北京理工大学研制的SOD88、Gold以及中科院长春光机所开发的CIOES等。这些软件能够解决光学系统建
5、模、光路追迹计算等基本问题，同时具有像质评价、照明分析、自动优化、公差分析等功能。近几年来，Zemax由于其优越的性价比在光学设计软件市场所占的份额越来越大，为了使学生在就业竞争中更具优势，课程设计采用Zemax软件，要求学生实现照相物镜、望远物镜、显微物镜和惠更斯目镜的设计。光学系统设计技术与软件的应用已成为光电信息科学与工程专业学生需具备的重要能力之一。 二 光通信系统设计软件 光纤通信技术是一个多学科专业交叉渗透的技术综合体。因此，无论是系统的规划与设计，还是新型传输系统的探索与研究，都会遇到冗长复杂的计算。为了验证其性能是否合乎要求，还需反复进行实验研究与测试。如果每次都直接用真实系统
6、进行实验，耗资昂贵，费工费时，因此，解决上述问题的有效方法是采用计算机仿真技术，通过建立器件乃至系统模型完成对光通信设备及系统的分析、设计以及性能优化与评估测试。 OptiSystem是加拿大国家实验室开发的一套创新的光通信系统仿真软件，此软件可以设计、测试、优化各种类型宽带光网络物理层的虚拟光连接，从长距离通信系统到LANS和MANS都能使用。OptiSystem具有强大的模拟环境和真实的器件和系统的分级定义，它的性能可以通过附加的用户器件库和完整的界面进行扩展，而成为一系列广泛使用的工具。本专业在开设通信原理、光通信器件等理论课程的基础上，开设了专业实验，利用OptiSystem软件实现光
7、发射机、光接收机、光放大器、40G单模光纤的单信道传输系统的设计。 三 波动光学模拟软件 光波导是光子器件的关键部分，它扮演着引导、耦合、开关、分开、复合和解复合光信号的角色。无源光波导、光电子器件、发送器、接收器和驱动电子设备可以用类似于微电子的平面技术集成在一个芯片上。尽管波导器件的工作原理已经被很深入地研究和了解，但它们具体的特性与许多参数有关，包括几何形状、波长、初始场分布、材料数据、电光驱动条件以及其他参数。在制造器件之前，这些参数必须先被优化。 OptiBPM是加拿大国家实验室开发的一套功能强大、使用界面友好的波动光学设计仿真软件，它提供各种集成光学问题的计算机辅助设计。OptiB
8、PM的核心光束传播法或者BPM，是一种步进式的、模拟光在任何波导介质中的通道的理论。BPM提供计算机模拟完成后的光场分布的观察，可以同时检测辐射模和导模。OptiBPM对于设计和模拟光波导来说是理想的。本专业在开设集成光学、光传输技术等理论课程的基础上，开设了专业实验，利用OptiBPM软件实现阶跃型（渐变型）光纤、多模干涉耦合器、各向异性光波导、弯曲波导、马赫-曾德干涉仪的设计。 四 Matlab在光信息处理中的应用 光信息处理是以傅里叶分析方法为核心，研究光学成像和光学变换的理论和技术。它以光子传递信息，利用光学或光电子器件进行操作，用光的折射、干涉和衍射等特性来实现对输入信息的各种变换和
9、处理。光信息处理具有高速度、并行性及互连性的优点，引起了人们的广泛关注。 Matlab是美国MathWorks公司出品的商用数学软件，主要包括Matlab和Simulink两大部分。作为强大的科学计算平台，它几乎可以满足所有的计算需求，将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计等众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言（如C、Fortran）的编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。本专业在开设信息光学、激光原理、光电图像处理等理论课程的基础上，开设了专业实验，利用Matlab软件实现全息透镜的设计、光栅衍射、傅里叶变换与空间滤波、激光光束及其自由传输仿真、平行光束的透镜聚焦、高斯光束的透镜聚焦、图像的增强和识别等。 第 6 页