《光纖通信原理》課程教學(xué)大綱

《光纖通信原理》課程教學(xué)大綱課程編號：04310404課程性質(zhì)：專業(yè)方向課適合專業(yè)：應(yīng)用物理學(xué)先修課程：電子技術(shù)基礎(chǔ)、通信原理開設(shè)學(xué)期：第六學(xué)期考核方式：考查或考試總學(xué)時(shí)數(shù)：72學(xué)分：4課程教學(xué)目標(biāo)光纖通信技術(shù)（opticalfibercommunications）已成為現(xiàn)代通信的主要支柱之一，在現(xiàn)代電信網(wǎng)中起著舉足輕重的作用。光纖通信作為一門新興技術(shù)，其近年來發(fā)展速度之快、應(yīng)用面之廣是通信史上罕見的，也是世界新技術(shù)革命的重要標(biāo)志和未來信息社會(huì)中各種信息的主要傳送工具。光纖通信就是利用光波作為載波來傳送信息，而以光纖作為傳輸介質(zhì)實(shí)現(xiàn)信息傳輸，達(dá)到通信目的的一種最新通信技術(shù)。通過本課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生將掌握光纖通信的基本原理和光纖數(shù)字通信系統(tǒng)的組成，了解光纖通信的未來與發(fā)展，為進(jìn)一步學(xué)習(xí)現(xiàn)代光纖通信技術(shù)打下基礎(chǔ)。本課程對培養(yǎng)學(xué)生綜合應(yīng)用以前所掌握的光學(xué)和通信系統(tǒng)基本知識、模擬和數(shù)字通信基本知識等有良好的促進(jìn)作用。在教學(xué)過程中，培養(yǎng)和提高學(xué)生的科學(xué)素質(zhì)和科學(xué)思維能力、培養(yǎng)創(chuàng)新精神。課程的目的與任務(wù)本課程的基本任務(wù)是通過本課程的學(xué)習(xí)，要求學(xué)生掌握光纖的傳輸理論；光纜結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)；無源光器件的原理及性能；光源和光檢測器的工作原理及特性；光纖放大器的工作原理及結(jié)構(gòu)；光纖通信系統(tǒng)的組成、性能指標(biāo)及系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。課程教學(xué)的基本要求要求通過課堂認(rèn)真聽講和課下自學(xué)，基本掌握光纖通信的基礎(chǔ)理論知識和應(yīng)用概況，熟悉光纖通信在電信、通信中的應(yīng)用，為今后的工作打下堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。實(shí)踐教學(xué)要求為了保證必要的實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)，要求實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：18學(xué)時(shí)。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目編號實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目名稱實(shí)驗(yàn)內(nèi)容提要學(xué)時(shí)分配實(shí)驗(yàn)類型每組人數(shù)必開/選開1光纖光學(xué)基本知識演示對光纖光學(xué)端面進(jìn)行處理連接光路，觀察到屏上出現(xiàn)圓形出射光斑3演示性8必開2光纖與光源耦合實(shí)驗(yàn)光纖與光源耦合方法直接耦合與透鏡方法3綜合性8必開3多模光纖數(shù)值孔徑測量光纖數(shù)值孔徑的含義遠(yuǎn)光場光斑法測量多模光纖的數(shù)值孔徑3驗(yàn)證性8必開4光纖傳輸損耗性質(zhì)及測量實(shí)驗(yàn)光纖傳輸損耗的含義截?cái)喾y量光纖的傳輸損耗3綜合性8必開5光纖壓力傳感原理實(shí)驗(yàn)壓力傳感的意義理解光纖壓力傳感原理3設(shè)計(jì)性8必開6光纖溫度傳感原理實(shí)驗(yàn)溫度傳感的意義理解溫度傳感的原理3設(shè)計(jì)性8必開教學(xué)學(xué)時(shí)分配數(shù)章節(jié)內(nèi)容學(xué)時(shí)數(shù)理論實(shí)踐、實(shí)驗(yàn)總學(xué)時(shí)第一章概述505第二章光纖628第三章光源與光檢測器8412第四章無源光器件8412第五章光放大器808第六章光發(fā)送機(jī)與光接收機(jī)448第七章光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì)404第八章SDH與WDM光網(wǎng)絡(luò)6410第九章光纖通信常用儀表及測試505合計(jì)541872大綱內(nèi)容第一章概述教學(xué)要求：了解光纖通信系統(tǒng)中光的特性；理解光纖通信系統(tǒng)的基本組成—光發(fā)射機(jī)、光纖及光接收機(jī)；理解光纖的衰減、色散以及非線性效應(yīng)；掌握比特率、帶寬、中繼距離的概念及其影響因素。教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)：1.光纖通信系統(tǒng)的基本組成—光發(fā)射機(jī)、光纖及光接收機(jī)；2.比特率、帶寬、中繼距離的概念、影響因素及其計(jì)算。教學(xué)內(nèi)容：第一節(jié)光通信的基本概念1．光波在電磁頻譜中的位置；2．激光器產(chǎn)生理想光波；3．自由空間光通信；4．光纖是理想的光波傳輸介質(zhì)；第二節(jié)光纖通信的優(yōu)點(diǎn)第三節(jié)光纖通信的系統(tǒng)組成第四節(jié)光纖通信的回顧與展望1．長波長激光器；2．單模光纖；3．SDH傳輸體制；4．光放大器；5．WDM復(fù)用技術(shù)；6．全光網(wǎng)絡(luò)第五節(jié)光波技術(shù)基礎(chǔ)1．光的波粒二象性；2．光與物質(zhì)的相互作用；3．電介質(zhì)的極化；4．光波的傳播特性；本章習(xí)題要點(diǎn)：光纖通信系統(tǒng)就其基本組成而言有三部分：光發(fā)射機(jī)、光纖和光接收機(jī)，學(xué)生應(yīng)掌握它們的概念和作用。作為光傳輸煤質(zhì)的光纖，其衰減特性決定了它的工作波長以及光系統(tǒng)的作用距離，這種局限可由光放大器大大緩解。光纖的色散則限制了傳輸數(shù)據(jù)的速率。輸入到光纖中光強(qiáng)的大小對光纖特性也有影響，這就是非線性效應(yīng)。通信容量作為光纖通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)也應(yīng)掌握。第二章光纖教學(xué)要求：1．了解光纖結(jié)構(gòu)和類型；2．掌握數(shù)值孔徑、傳播時(shí)延、時(shí)延差的概念及影響因素；3．理解波動(dòng)方程及其解，導(dǎo)波模模式；4．掌握光纖單模傳輸條件；5．掌握光纖的衰減、色散與帶寬的關(guān)系；6．理解色散補(bǔ)償方案；7．了解光纖傳輸中的非線性效應(yīng)；8．光纖制作，光纖產(chǎn)品和特性。教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)：1．?dāng)?shù)值孔徑、傳播時(shí)延、時(shí)延差的概念及影響因素；2．光纖單模傳輸條件；3．光纖的衰減、色散與帶寬的關(guān)系。教學(xué)內(nèi)容：第一節(jié)光纖與光纜1．光纖的結(jié)構(gòu)；2．光纖的主要成分；3．光纖的制造工藝簡介；4．光纜的技術(shù)要求；5．光纜的結(jié)構(gòu)；6．常用光纜的典型結(jié)構(gòu)；第二節(jié)光纖端面的折射率分布第三節(jié)光在光纖中的幾何傳輸1．反射和折射；2．全反射定律；第四節(jié)光纖的數(shù)值孔徑NA第五節(jié)光的波動(dòng)性第六節(jié)光纖介質(zhì)的特性第七節(jié)光纖模式1．模的概念；2．多模光纖中的模式數(shù)目；3．單模光纖的傳播模；4．偏振模；第八節(jié)光纖的模式色散1．模間時(shí)延差；2．模間色散的減少；3．多模光纖的最大比特率；第九節(jié)單模光纖的波長色散或色度色散1．相速度和群速度；2．材料色散、波導(dǎo)色散；3．色散補(bǔ)償；第十節(jié)光纖損耗譜的波段劃分1．損耗系數(shù)；2．光纖可用頻譜；第十一節(jié)單模光纖1．模場直徑；2．單模光纖的分類及折射率剖面；第十二節(jié)光纖的非線性效應(yīng)1．自相位調(diào)制；2．四波混頻；3．受激布里淵散射；4．受激喇曼散射；第十三節(jié)光孤子的定性描述本章習(xí)題要點(diǎn)：幾何光學(xué)分析法可以直觀地解釋光線在纖芯中的傳播，得到數(shù)值孔徑的概念，波動(dòng)方程分析法有助于對光波的偏振、導(dǎo)波模形式和傳輸條件的進(jìn)一步理解，體現(xiàn)了電磁場的應(yīng)用。無論單模光纖還是多模光纖，色散都是一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)，它對光纖帶寬起著限制作用，故色散補(bǔ)償技術(shù)非常重要。衰減是限制傳輸距離的關(guān)鍵因素。非線形效應(yīng)是光纖中傳輸光強(qiáng)較大時(shí)而引起的一種效應(yīng)，它的影響和應(yīng)用日益增加。第三章光源與光檢測器教學(xué)要求：1．了解光源器件的結(jié)構(gòu)；2．掌握半導(dǎo)體激光器（LD）和半導(dǎo)體發(fā)光二極管（LED）的工作原理；3．理解LD、LED的特性和類型；4．了解光源與光纖的耦合；5．理解光檢測機(jī)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)；6．了解外調(diào)制器的工作原理；教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)：1．半導(dǎo)體激光器（LD）和半導(dǎo)體發(fā)光二極管（LED）的工作原理； 2．LD、LED的特性和類型；3．光檢測機(jī)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)。教學(xué)內(nèi)容：第一節(jié)半導(dǎo)體LD的工作原理1．光放大；2．F-P腔半導(dǎo)體激光器；第二節(jié)光源的輸出光功率1．閾值特性；2．注入電流與光功率的響應(yīng)特性；第三節(jié)LD的輸出光譜1．多縱模LD；2．單縱模LD；第四節(jié)LD的調(diào)制響應(yīng)1．外調(diào)制器的類型和特點(diǎn)；2．外調(diào)制器工作原理；3．外調(diào)制器技術(shù)指標(biāo)；第五節(jié)LD的自動(dòng)溫度控制與功率控制第六節(jié)DFB和DBR激光器、調(diào)諧激光器第七節(jié)激光器組件第八節(jié)半導(dǎo)體LED1．LED的結(jié)構(gòu)；2．LED的特性；第九節(jié)光源與光纖的耦合第十節(jié)光檢測器1．波長響應(yīng)；2．光電轉(zhuǎn)換效率和響應(yīng)度；3．響應(yīng)速度和噪聲；4．PIN5．APD本章習(xí)題要點(diǎn)：光源LD和LED是光纖通信系統(tǒng)的關(guān)鍵器件，LD基于光的受激輻射機(jī)理。LD發(fā)光必須滿足一定的閾值條件，主要參數(shù)有譜寬和P-I特性。根據(jù)光譜的形狀，LD有單縱模和多縱模之分，由于LD可以發(fā)出單色、定向性好和強(qiáng)度高的相干光，在長途光纖通信系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。第四章無源光器件教學(xué)要求：1．理解無源光器件的類型和工作原理；2．理解耦合器的工作原理、參數(shù)；3．理解濾波器的類型、工作原理；4．掌握隔離器的主要構(gòu)成及工作原理；5．理解環(huán)形器、衰減器的工作原理；6．了解連接器的結(jié)構(gòu)、型號、參數(shù)及作用；7．了解光開關(guān)類型和工作原理。教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)：1．光纖光柵的類型和工作原理；2．WDM分波器的構(gòu)成；教學(xué)內(nèi)容：第一節(jié)光纖連接器1．光纖連接損耗；2．光纖連接方法；3．常用的幾種連接器；第二節(jié)光纖耦合器第三節(jié)光開關(guān)第四節(jié)光纖光柵1．光纖光柵的結(jié)構(gòu)；2．布拉格光纖光柵；3．長周期光纖光柵；第五節(jié)光濾波器1．F-P腔型濾波器；2．M-Z干涉濾波器；3．陣列波導(dǎo)光柵；4．聲光可調(diào)諧濾波器、光纖光柵濾波器第六節(jié)WDM合波/分波器1．多層介質(zhì)薄膜；2．熔錐型；3．光纖光柵型；第七節(jié)光隔離器與光環(huán)行器第八節(jié)光鎖相環(huán)與光纖非線性環(huán)境本章習(xí)題要點(diǎn)：無源光器件是指不需要電源的光器件，通過本章的學(xué)習(xí)需要對常見的幾種無源光器件的工作原理有一定的了解，能夠掌握連接器、耦合器、光柵、分波器的主要性能參數(shù)。第五章光放大器教學(xué)要求：1．理解光放大器的增益系數(shù)、增益飽和、噪聲系數(shù)；2．理解半導(dǎo)體光放大器的結(jié)構(gòu)、增益譜；3．掌握摻餌光纖放大器的工作原理及主要性能指標(biāo)；4．理解光纖拉曼放大器的增益譜；5．了解光放大器的應(yīng)用類型；教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)：1．光放大器的增益系數(shù)、增益飽和、噪聲系數(shù)；2．摻餌光纖放大器的工作原理及主要性能指標(biāo)；教學(xué)內(nèi)容：引言摻鉺光纖放大器EDFA1．EDFA的放大原理；2．EDFA的組成結(jié)構(gòu)；3．EDFA的增益與帶寬；4．EDFA的噪聲類型。受激拉曼光纖放大器SRA1．SRA的放大原理；2．SRA的性能與應(yīng)用；受激布里淵光纖放大器SBA1．SBA的放大原理；2．SBA的性能與應(yīng)用；其他光纖放大器半導(dǎo)體光放大器SOA1．SOA的放大原理；2．SOA的性能與應(yīng)用；光放大器的應(yīng)用光纖激光器1．摻鉺光纖激光器；2．光纖光柵激光器；3．光纖受激喇曼和受激布里淵激光器；光波長變換器1．半導(dǎo)體光放大器中的交叉增益調(diào)制技術(shù)；2．半導(dǎo)體光放大器中的交叉相位調(diào)制技術(shù)；3．半導(dǎo)體光放大器中的四波混頻技術(shù)；本章習(xí)題要點(diǎn)：光放大器和光無源器件的重要性隨著光纖通信應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)大而日益顯著，它們的性能也直接影響到信號傳輸?shù)母鞣N指標(biāo)。對于光放大器，應(yīng)掌握增益系數(shù)、增益飽和和噪聲系數(shù)的意義，各類放大器的基本原理、參數(shù)和應(yīng)用。第六章光發(fā)送機(jī)與光接收機(jī)教學(xué)要求：1．掌握光纖通信系統(tǒng)信號調(diào)制和解調(diào)的方法；2．了解調(diào)制信號的格式；3．理解直接調(diào)制的光發(fā)送機(jī)的調(diào)制原理和光源驅(qū)動(dòng)電路；4．了解外調(diào)制器的種類和工作原理；5．掌握光接收機(jī)的性能參數(shù)。教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)：1．光纖通信系統(tǒng)模擬調(diào)制和數(shù)字調(diào)制；2．影響光接收機(jī)的因素；教學(xué)內(nèi)容：第一節(jié)調(diào)制信號的格式1．單極性和雙極性；2．歸零與不歸零；3．?dāng)_碼和線路碼；第二節(jié)直接調(diào)制光發(fā)送機(jī)1．模擬調(diào)制與數(shù)字調(diào)制；2．光源的驅(qū)動(dòng)電路；第三節(jié)外調(diào)制器1．電折射調(diào)制器；2．M-Z型調(diào)制器；3．聲光布拉格調(diào)制器；4．電吸收調(diào)制器；第四節(jié)光接收機(jī)1．理想的數(shù)字光接收機(jī)；2．實(shí)際的光接收機(jī)；3．前置放大器噪聲；4．APD噪聲；5．光放大器噪聲、誤碼率；第五節(jié)相干接收本章習(xí)題要點(diǎn)：光發(fā)送機(jī)和光接收機(jī)是光纖通信系統(tǒng)的重要組成部分。其中所使用的調(diào)制信號的格式是我們理解的重點(diǎn)，需要掌握。光接收機(jī)的性能指標(biāo)和參數(shù)描述也是需要掌握的要點(diǎn)之一，不同類型的調(diào)制器是在前面所學(xué)知識的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的，是對前面所學(xué)內(nèi)容的綜合和提升。第七章光纖通信系統(tǒng)及設(shè)計(jì)教學(xué)要求：1．掌握光纖通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法—功率預(yù)算法、帶寬預(yù)算法；2．理解數(shù)字光纖傳輸系統(tǒng)的技術(shù)考慮；3．理解數(shù)字傳輸系統(tǒng)中各種噪聲的功率代價(jià)；4．了解模擬傳輸系統(tǒng)中載噪比與設(shè)計(jì)參數(shù)的關(guān)系；5．掌握光放大器對模擬傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)的影響；6．了解光互連設(shè)備作用，光端機(jī)的類型和作用。教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)：1．光纖通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法—功率預(yù)算法、帶寬預(yù)算法；2．光放大器對模擬傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)的影響；教學(xué)內(nèi)容：第一節(jié)模擬光纖傳輸系統(tǒng)概述1．系統(tǒng)構(gòu)成；2．模擬調(diào)制技術(shù)；3．主要的噪聲和信噪比；第二節(jié)典型的模擬光纖通信系統(tǒng)1．基帶直接強(qiáng)度調(diào)制；2．多信道傳輸；3．VSB-AM/FM調(diào)制多路傳輸；4．微波副載波SCM多路傳輸；第三節(jié)PCM數(shù)字光纖通信系統(tǒng)1．系統(tǒng)構(gòu)成；2．PDH光纖通信系統(tǒng)；3．誤碼特性和抖動(dòng)特性；第四節(jié)IM-DD數(shù)字光纖通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)第五節(jié)WDM+EDFA數(shù)字光纖鏈路設(shè)計(jì)本章習(xí)題要點(diǎn)：光纖通信的設(shè)計(jì)是一項(xiàng)復(fù)雜的工作。要求設(shè)計(jì)者熟知光源、光檢測器和光纖的基本性能參數(shù)，并對其它光網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品及應(yīng)用有一定的了解，是對前面幾章內(nèi)容的綜合和提升。第八章SDH與WDM光網(wǎng)絡(luò)教學(xué)要求：1．掌握SDH和波分復(fù)用技術(shù)的基本原理；2．理解波分復(fù)用、密集波分復(fù)用、粗波分復(fù)用系統(tǒng)；3．掌握波分復(fù)用系統(tǒng)中的關(guān)鍵器件的工作原理；4．了解波分復(fù)用系統(tǒng)規(guī)范；教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)：1．波分復(fù)用技術(shù)的基本原理；；2．波分復(fù)用、密集波分復(fù)用、粗波分復(fù)用系統(tǒng)；教學(xué)內(nèi)容：第一節(jié)SDH光同步傳送網(wǎng)1．SDH的標(biāo)準(zhǔn)光接口、速率體系、幀結(jié)構(gòu)、復(fù)用結(jié)構(gòu)與原理；2．SDH設(shè)備、傳送網(wǎng)結(jié)構(gòu)與自愈、網(wǎng)管功能；第二節(jié)WDM光網(wǎng)絡(luò)1．光傳送網(wǎng)的分層結(jié)構(gòu)；2．WDM廣播選擇網(wǎng)；3．WDM波長選路網(wǎng)WRN；4．WRN的選路算法；5．WDM的網(wǎng)管；第三節(jié)其他類型的光網(wǎng)絡(luò)本章習(xí)題要點(diǎn)：WDM技術(shù)是光纖通信領(lǐng)域非常重要的技術(shù)，目前得到了非常廣泛的應(yīng)用。需要掌握WDM技術(shù)的工作原理與結(jié)構(gòu)。第九章光纖通信常用儀表及測試教學(xué)要求：1．了解光纖的特性參數(shù)及測量手段；2．了解光端機(jī)性能指標(biāo)的測試方法；3．了解光通信系統(tǒng)的性能測試方法。教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)：1．光時(shí)域反射儀、光纖熔接機(jī)、光源與光功率計(jì)等常用儀表的使用；2．光纖傳輸線路故障檢測步驟與方法。教學(xué)內(nèi)容：第一節(jié)引言第二節(jié)光纖特性參數(shù)及測量1．光纖的特性參數(shù)；2．光纖損耗和色散測試；3．光時(shí)域反射儀；第三節(jié)光端機(jī)性能指標(biāo)的測試1．光功率計(jì)；2．光端機(jī)的測試；第四節(jié)光纖通信系統(tǒng)性能測試1．誤碼性能及測試；2．抖動(dòng)性能及測試；第五節(jié)誤碼測試儀與SDH傳輸分析儀第六節(jié)波長計(jì)、光譜分析儀