《光纤通信电子教案》doc版.doc

教师备课基本要求1、 备课是教学的基本环节，任课教师在备课过程中应根据教学大纲，结合教材特点，针对授课对象的具体情况，认真组织教学内容。2、 认真钻研教材，广泛参阅文献资料，抓住基本概念、基本理论、基本技能和每个章节的基本要求，确定教学重点和难点，科学、合理地安排教学内容。3、 不断更新和充实教学内容，注意结合社会实际，反映本学科发展的科学技术新成就，并能体现自己的相关研究成果和学术观点。4、 注重从学生实际出发，科学、合理设计各种教学方法、手段和板书，充分体现以学生为中心，启发学生思考，引导学生掌握学习方法。5、 教学安排及学时分配应与教学日历同步，合理、得当。6、 每次教案应包括教学目的、教学重点、教学难点、教学过程、教学方法和适量的作业布置等项目，并向学生推介的必要参考书目。7、 无论是手写教案还是电子教案均按规定格式编写。8、 教学文件齐全，整体教案应包括 “备课基本要求、教学大纲、教学日历、授课表、学生平时考核表、教案”，且按此顺序进行装订。课程名称 光纤通信 使用教材 光纤通信技术 主 编 孙学康 出版社 人民邮电出版社 出版时间 2008年5月 专业班级 071240102 授课时数 总 64 课时;理论: 48课时;实践: 16课时 ;其他: 课时; 授课教师 授课时间 2009年至2010年学年度第二学期 主要参考文献 1.张宝富等编 光纤通信 西安电子科技大学出版社 2007年 2.美Djafar K.Mynbaev编光纤通信技术机械工业出版社 2002年 3.吴彦文等编光网络的生存性技术北京邮电大学出版社 2002年 4.刘增基等编 光纤通信 西安电子科技大学出版社 2005年 教师备课纸第1次课题1、光纤通信概述目的要求1.了解光纤通信发展的历史2.了解光纤通信的优点及应用3.掌握光纤通信系统的基本组成 4.了解光纤通信的发展现状及展望 教学重点1.光纤通信系统的一般组成2.光端机、光纤链路的基本功能教学难点光纤通信系统的组成与功能教学课时2教学方法讲授法、演示法、讨论法教学内容和步骤光纤通信课程内容介绍、专业学习方法、参考资料介绍第1章 概 论 第2章 光纤和光缆 第3章 通信用光器件 第4章 光端机 第5章 数字光纤通信系统 第6章 模拟光纤通信系统 第7章 光纤通信新技术 第8章 光纤通信网络 1.1 光纤通信的发展历史和现状 教师备课纸 1.1.1 探索时期的光通信 中国古代用“烽火台”报警 欧洲旗语 望远镜，目视光通信 1880年，美国人贝尔发明了用 “光电话” 1960年，美国人梅曼发明了第一台红宝石激光器 1.1.2 现代光纤通信 1966年，英籍华裔学者高锟和霍克哈姆的论文指出利用光纤进行信息传输，奠定了现代光通信基础。 1970 年，美国康宁公司研制成功损耗20 dB/km的石英光纤。 1976 年，世界上第一个实用光纤通信系统的现场试验成功。 光纤通信的发展可以粗略地分为三个阶段： 第一阶段(19661976年)，是基础研究到商业应用的开发时期。 第二阶段(19761986年)，提高传输速率和增加传输距离的发展时期。第三阶段(19861996年)，全面深入、开展新技术研究的时期 1.1.3 国内外光纤通信发展的现状 1.2 光纤通信的优点和应用 1.2.1 光纤通信的优点 1.容许频带很宽，传输容量很大； 2.损耗很小，中继距离很长且误码率很小； 3.重量轻、体积小； 教师备课纸 4.抗电磁干扰性能好； 5.泄漏小，保密性能好； 6.节约金属材料，有利于资源合理使用。 1.2.2 光纤通信的应用 光纤通信的各种应用可概括如下： 通信网 构成因特网的计算机局域网和广域网 有线电视网；工业电视系统；自动控制系统 综合业务光纤接入网 1.3 光纤通信系统的基本组成 1.光发射机：把输入电信号转换为光信号，并用耦合技术把光信号最大限度地注入光纤线路 (常简称为电/光或E/O转换)。 2.光纤线路：把来自光发射机的光信号，以尽可能小的畸变(失真)和衰减传输到光接收机。 教师备课纸 3.光接收机：把从光纤线路输出、产生畸变和衰减的微弱光信号转换为电信号，并经放大和处理后恢复成发射前的电信号(常简称为光/电或O/E转换)。 1.4 数字通信系统和模拟通信系统 1.4.1 数字通信系统 优点： 1.抗干扰能力强，传输质量好。 2.可再生中继，传输距离长。 3.适用各种业务的传输，灵活性大。 4.数字通信系统易集成，易实现小型化、微型化。 缺点：占用频带较宽，系统的频带利用率不高。例如，一路模拟电话只占用4KHz的带宽，而一路数字电话要占用2064KHz的带宽 1.4.2 模拟通信系统 占用带宽较窄，电路简单、价格便宜。 作业 光纤通信系统由哪几部分组成？各自有什么主要功能？ 教学总结 光纤通信的入门课，采用多媒体辅助教学，多次举例引发学生思考，对比分析光通信的优势，授课浅显易懂，思路清晰，富有激情，旨在激发学生的学习兴趣，引导学生深入学习本课程。 教师备课纸第2次课题2.12.3、光纤结构和类型、几何光学及波动光学分析目的要求1.理解并掌握光纤的基本结构及相对折射率概念2.掌握光纤的折射率分布特点及分类3.光纤的几何光学分析方法及数值孔径的概念 4.突变型折射率光纤的波动光学分析方法 教学重点1.光纤折射率分布特点及分类方法2.光学分析的手段与相对折射率、数值孔径的概念及含义教学难点1.突变型折射率光纤的波动光学分析方法2.麦克斯韦波动方程教学课时2教学方法演示法、练习法、讲授法、探究法教学内容和步骤2.1 光纤（Optical Fiber）的结构和类型 2.1.1 光纤结构 相对折射率差=（n1-n2）/n1 越大，光束缚在纤芯的能力越强，但信息传输容量（速率）却越小。 教师备课纸 2.1.2 光纤类型 1.实用光纤的折射率分布及分类: (a)突变型（阶跃型）折射率多模光纤（Step-Index Fiber,SIF） (b)渐变型折射率多模光纤（Graded-Index Fiber,GIF） (c)单模光纤（Single-Mode Fiber,SMF） 2.典型特种单模光纤的折射率分布及分类： 教师备课纸 (a)双包层光纤，折射率分布像W形，又称为W型光纤 (b)三角芯光纤，折射率分布呈三角形 (c)椭圆芯光纤，折射率分布呈椭圆形 2.2 光纤传输原理 2.2.1 几何光学分析方法 1.数值孔径(Numerical Aperture,NA)：光线进入光纤进行全反射的临界角c的正弦值定义为数值孔径。 2.数值孔径NA的物理含义：NA(或c)越大，光纤接收光的能力越强，耦合效率越高；NA越大，纤芯对光的束缚越强，光纤抗弯曲性能越好；NA越大，经光纤传输后产生的信号畸变越大，因而限制了信息传输容量。 3.时间延迟差(脉冲展宽)： 2.2.2 麦克斯韦方程与波动光学分析思路 麦克斯韦方程组： 教师备课纸 电场分量的波动方程： 作业 1.实用光纤分为哪几类？单模光纤分为哪些类型？ 2.相对折射率及数值孔径的概念及含义？两者有何联系？ 教学总结 本次授课初涉专业基础知识，用多媒体图片来演示光纤结构，分类法讲述光纤类型，推演法进行光学分析，授课层次清晰，重点突出、充分理论联系实际，积极设疑互动，强化学生学习效果。 教师备课纸第3次课题2.42.5、光纤的模式、光纤的色散及损耗目的要求1.了解光纤模式的概念及单模多模光纤的区别2.理解并掌握光纤色散的定义、分类、描述方法及影响3.光纤损耗的产生机理及分类 4.光纤的单模传输条件 教学重点1.光纤色散的产生机理及分类2.光纤损耗的产生机理及分类教学难点1.光纤模式数目2.色散的描述方法教学课时2教学方法讲授法、发现法、讨论法、演示法教学内容和步骤2.4 光纤的模式 2.4.1 光纤模式的基本概念 在波动光学分析法中，对得到的两个贝塞尔函数的微分方程进行求 解，并应用纤芯包层边界条件，可求得特征方程满足边界条件的解 m。此时可得到一个重要结论即电磁场不是以连续而是以离散的模 式在光纤中传播的，而m所对应的这种空间分布，在传播过程中只有相位变化，没有形状的变化，且始终满足边界条件，这种空间分布称为模式。 2.4.2 归一化频率V与单模传输条件 教师备课纸 归一化频率V： 单模传输条件： 传输模式数目随V值增加而增多。当V值减小时，不断发生模式截止，模式数目逐渐减少。特别值得注意的是当V2.405时，只有HE11(LP01)模式存在，其余模式全部截止。HE11称为基模，由两个偏振态简并而成。由此得到单模传输条件为： 上式必定存在一个临界波长c，当c时，是单模传输，这个临界波长c称为截止波长。 2.5 光纤传输特性 损耗和色散是光纤最重要的传输特性。损耗限制系统的传输距离，色散则限制系统的传输容量。 2.5.1 光纤色散 1.色散定义 色散(Dispersion)是在光纤中传输的光信号，由于不同成分的光的时间延迟不同而产生的一种物理效应。 教师备课纸 2.色散类型 色散包括模式色散、材料色散和波导色散三种类型。 模式色散是由于不同模式的时间延迟不同而产生的。 材料色散是由于光纤材料折射率随波长改变而产生的。 波导色散是由于波导结构参数与波长有关而产生的。 3.色散的描述方法 色散对光纤传输系统的影响，在时域和频域的表示方法不同。色散通常用3dB光带宽f3dB或脉冲展宽表示。 4.单模光纤的色散 理想单模光纤没有模式色散，只有材料色散和波导色散。材料色散和波导色散总称为色度色散，常简称为色散。 5.偏振模色散 在理想完善的单模光纤中，HE11模由两个具有相同传输常数相互垂直的偏振模简并组成。但实际光纤不可避免地存在一定缺陷，如纤芯 教师备课纸 椭圆度和内部残余应力，使两个偏振模的传输常数不同，这样产生的时间延迟差称为偏振模色散或双折射色散。 2.5.2 光纤损耗 1.光纤损耗的分类：吸收损耗和散射损耗 2.损耗的产生机理： 吸收损耗是SiO2材料引起的固有吸收和由杂质引起的吸收产生的。 散射损耗是材料微观密度不均匀而引起的瑞利散射和由光纤结构缺陷(如气泡)引起的散射产生的。 3.实用光纤的损耗谱 作业 1.光纤的色散是什么？色散分为哪些类型？ 2.光纤损耗的产生机理是什么？损耗分为哪些类型？色散 和损耗分别对通信系统有何影响？教学总结 本次课探讨的是光纤最重要的两个传输特性，不仅从理论上清晰地分析了色散与损耗的产生原理，还运用分类、对比的方法来讲述色散与损耗的分类以及对通信系统的不同影响，教学效果良好。 教师备课纸第4次课题2.62.7、光纤光缆的连接方法、光纤特性的测量方法目的要求1.了解光纤和光缆的常用工程连接方法2.理解工程中光纤特性测量的种类及重要性3.光纤主要传输特性的测量方法 教学重点1.光纤连接的分类2.色散（带宽）、损耗及截止波长的测量方法教学难点1.色散（带宽）测量2.截止波长的测量教学课时2教学方法演示法、讲授法、实验法教学内容和步骤2.6 光缆及光纤光缆的工程连接 2.6.1 光缆结构和类型 光缆一般由缆芯和护套两部分组成，有时在护套外面加有铠装。 光缆的类型参多媒体课件图示。 2.6.2 光纤光缆的工程连接方法 一般在工程上有固定连接和活动连接两种连接方法，固定连接需要用到专门的光纤熔接设备，如光纤自动熔接机。 2.7 光纤特性测量 光纤的特性参数可分几何特性、光学特性和传输特性三类。几何特性包括纤芯与包层的直径、偏心度和不圆度；光学特性主要有折射率分 教师备课纸 布、数值孔径、模场直径和截止波长；传输特性主要有损耗、带宽和色散。下面分别介绍光纤的损耗、带宽(色散)和截止波长的测量。 2.7.1 损耗测量 损耗测量有两种基本方法：一是测量通过光纤的传输光功率，称剪断法和插入法；另一种是测量光纤的后向散射光功率，称后向散射法。 1.剪断法 光纤损耗系数由式 来确定。 其中L为被测光纤长度(km)，P1和P2分别为输入光功率和输出光功率(mW或W)。 在实际应用中，也可采用插入法作为替代方法。 2.后向散射法 利用与传输光相反方向的瑞利散射光功率来确定光纤损耗系数的方法，称为后向散射法。 设光纤中正向传输光功率为P，经过L1和L2点(L1P2)，从这两点返回输入端(L=0)。光检测器的后向散射光 教师备课纸 功率分别为Pd(L1)和Pd(L2)，经分析推导得到，正向和反向平均损耗系数： 后向散射法不仅可以测量损耗系数，还可利用光在光纤中传输的时间来确定光纤的长度L。用后向散射法的原理设计的测量仪器称为光时域反射仪(OTDR)。OTDR不仅可测量光纤损耗系数和光纤长度，还可以测量连接器和接头的损耗，观察光纤沿线的均匀性和确定故障点的位置，是光纤通信系统工程现场测量不可缺少的工具。 2.7.2 带宽（色散）测量 光纤带宽测量有时域和频域两种基本方法。时域法是测量通过光纤的光脉冲产生的脉冲展宽，又称脉冲法；频域法是测量通过光纤的频率响应，又称扫频法。 光纤色散测量有相移法、脉冲时延法和干涉法等。这里只介绍相移法，教师备课纸 这种方法是测量单模光纤色散的基准方法。 角频率为的正弦信号调制的光波，经长度为L的单模光纤传输后，其时间延迟取决于光波长。不同时间延迟产生不同相位。用波长为1和2的受调制光波，分别通过被测光纤，由=2-1产生的时间延迟差为，相位移为。推导可得： 为避免测量误差，一般要测量一组i-i值，再计算出C()。 2.7.3 截止波长测量 实际工程中截止波长的测量方法有：在弯曲状态下，测量损耗波长函数的传输功率法；改变波长，观察LP01模和LP11模产生的两个脉冲变为一个脉冲的时延法；改变波长，观察近场图由环形变为高斯形的近场法。这里只介绍传输功率法，这种方法是测量单模光纤截止波长的基准方法，一般实测截止波长稍小于理论截止波长。 作业 1.光缆的类型有哪些？光纤光缆的连接方法有哪些？ 2.工程上光纤传输特性的常用测量办法分类及各自原理？教学总结 鉴于本课程的应用性较强特补充了该次课内容，运用了多媒体辅助，公式推演，图形辅助等多种教学方法，由浅入深地讲述了光通信工程中值得注意的几个问题，学生积极性高，教学效果良好。 教师备课纸第5次课题3.13.5、激光器、光检测器原理及分类、光无源器件目的要求1.掌握激光器和光检测器的工作原理2.掌握常见的激光器和光检测器的分类及各自特点3.掌握光无源器件的分类及特点 教学重点1.激光器的工作原理、分类及特性2.光检测器的工作原理、分类及特性教学难点1.粒子数反转分布及光学谐振放大2.雪崩光电效应及光检测器噪声特性分析教学课时6教学方法讲授法、演示法、讨论法教学内容和步骤 3.1 光源 3.2 光检测器 3.3 光无源器件 通信用光器件可分为有源器件和无源器件两种类型。有源器件包括光源、光检测器和光放大器，分别是光发射机、光接收机和光中继器的关键器件，和光纤一起决定着光纤系统的水平。光无源器件主要有连接器、耦合器、波分复用器、调制器、光开关和隔离器等，它们对光纤通信系统的构成、功能的扩展和性能的提高都是不可缺少的。 本章主要介绍通信用光器件的工作原理和主要特性，为系统的设计提供选择依据。 教师备课纸 3.1 光源 光源是光发射机的核心部件。 本小节首先介绍半导体激光器(LD)的工作原理、基本结构和主要特性，然后进一步介绍性能更优良的分布反馈激光器(DFB-LD)，最后介绍可靠性高、寿命长和价格便宜的发光管(LED)。 3.1.1 半导体激光器工作原理和基本结构 半导体激光器是向半导体PN结注入电流，实现粒子数反转分布，产生受激辐射，再利用谐振腔的正反馈，实现光放大而产生激光振荡的。激光，其英文LASER就是Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation(受激辐射的光放大)的缩写。 1.受激辐射和粒子数反转分布 电子在低能级的基态和高能级的激发态之间的跃迁有三种基本方式：(1)在正常状态下，电子处于低能级E1，在入射光作用下，它会吸收光子的能量跃迁到高能级E2上，这种跃迁称为受激吸收。电子跃迁后，在低能级留下相同数目的空穴，见图(a)。 (2)在高能级E2的电子是不稳定的，即使没有外界的作用，也会自动地跃迁到低能级E1上与空穴复合，释放的能量转换为光子辐射出去，这种跃迁称为自发辐射，见图(b)。 (3)在高能级E2的电子，受到入射光的作用，被迫跃迁到低能级E1上与空穴复合，释放的能量产生光辐射，这种跃迁称为受激辐射，见图(c)。 教师备课纸 相干光与非相干光的本质区别是什么？ 如何得到粒子数反转分布的状态呢? 2.激光振荡和光学谐振腔 粒子数反转分布是产生受激辐射的必要条件，但还不能产生激光。只有把激活物质置于光学谐振腔中，对光的频率和方向进行选择，才能获得连续的光放大和激光振荡输出。 激光器的阈值条件是什么？ 光学谐振腔产生激光振荡的相位条件是什么？ 教师备课纸 3.半导体激光器基本结构 半导体激光器基本结构是双异质结(DH)平面条形结构。这种结构由三层不同类型半导体材料构成：中间层为有源层，两侧分别为P型和N型半导体，称为限制层。 3.1.2 半导体激光器的主要特性 1.发射波长和光谱特性 半导体激光器的发射波长取决于导带的电子跃迁到价带时所释放的能量，这个能量近似等于禁带宽度Eg(eV)，因此激光器发射波长可由公式hf=Eg或 来确定。 2.激光束的空间分布 激光束的空间分布可用近场和远场来描述。近场是指激光器输出反射镜面上的光强分布，远场是指离反射镜面一定距离处的光强分布。 3.转换效率和输出光功率特性 激光器的电/光转换效率用外微分量子效率表示，其定义是在阈值电流以上，每对复合载流子产生的光子数目。 4.频率特性 IM激光器输出光功率和调制频率满足： 5.温度特性 激光器输出光功率随温度变化的两个原因：一是激光器的阈值电流随温度升高而增大；二是外微分量子效率随温度升高而减小。温度升高，阈值电流增大，外微分量子效率减小，输出功率明显下降甚至不激射。 教师备课纸 3.1.3 分布反馈激光器 随着技术的进步，要求新型半导体激光器的谱线宽度更窄，并在高速率脉冲调制下保持动态单纵模特性，发射光波长更加稳定，能实现调谐，阈值电流更低，输出光功率更大。分布反馈(Distributed Feed Back, DFB)激光器便是这种类型激光器的典型代表。 普通激光器用FP谐振腔两端的反射镜，对激活物质发出的辐射光进行反馈，而DFB激光器用靠近有源层沿长度方向制作的周期性结构(波纹状)衍射光栅实现光反馈。这种衍射光栅的折射率周期性变化，使光沿有源层分布式反馈，所以称为分布反馈激光器。 光栅周期与波长的关系由式 确定。 DFB激光器与FP激光器相比,具有以下优点： 单纵模激光器。 谱线，波长稳定性好。 动态谱线好。 线性好。 教师备课纸 3.1.4