通信概论 教案 第6章 光纤通信

知识点光纤通信的概念及特点一、教学目标：理解光纤通信的概念及优点。二、教学重点、难点：光纤通信的优点。三、教学过程设计：1.知识点说明光纤通信是以光纤为传输媒质，以光信号为信息载体的通信方式。与其他传输手段相比，光纤通信有很多优点，同时鉴于光纤本身的特点，又有着自己的缺点。2.知识点内容光纤通信是以光纤为传输媒质，以光信号为信息载体的通信方式。光纤通信使用的光波有三个工作窗口，分别是0.85μm、1.31μm和1.55μm。光纤通信的优点。光纤通信的缺点。3.知识点讲解给出图片和电磁波谱图说明光纤通信的概念及工作区域。光纤通信工作在近红外区，有三个工作窗口，分别是0.85μm、1.31μm和1.55μm。利用举例的方法说明光纤通信的优点。传输频带宽，通信容量大；传输损耗小，中继距离长；抗电磁干扰，传输质量好；体积小、重量轻，便于施工；原材料丰富、节约有色金属，有利于环保。结合案例和图片说明光纤通信的缺点。四、课后作业或思考题：1、目前光纤通信使用的波长范围是在区。2、以下工作波长属于通信光纤窗口的是（）A、632.8nmB、1310nmC、2600nmD、10.6μm3、光纤通信目前使用的三个工作窗口是（）A、0.85μmB、1.31μmC、1.33μmD、1.55μmE、1.65μm4、简述光纤通信的优点。五、本节小结：光纤通信是以光纤为传输媒质，以光信号为信息载体的通信方式。光纤通信具有通信容量大、传输损耗小、中继距离长、传输质量好、便于施工、原材料丰富、、有利于环保等优点。知识点光纤通信的发展一、教学目标：了解光纤通信的发展历程和我国光纤通信系统的应用情况。二、教学重点、难点：光纤通信发展过程中的关键事件。三、教学过程设计：1.知识点说明从光源的制作，到光纤的研制，再到各种光纤通信系统，光纤通信已经得到了快速发展和应用，我国光纤传输已经作为主要传输手段，光纤通信正在向着更大容量，更大中继距离总体方向发展。2.知识点内容从1960年梅曼发明第一台红宝石激光器以来，为光源的发展奠定了基础，后来研制出低损耗光纤，直至各种光纤通信系统应用。在光纤通信发展过程中，由于高锟提出的利用SiO2光纤作为传输介质的通信的可行性，被誉为“世界光纤之父”。我国从1977年第一根光纤问世以来，1999年，建成“八纵八横”干线网，到今天我国光纤通信已经取得了快速发展。光纤通信以后的发展向着更大容量，更大中继距离总体方向发展，“光孤子”通信、宇宙激光通信、超光速通信等都开始了研究。3.知识点讲解通过典型人物和事件讲解光纤通信的发展历程，如1966年，高锟博士提出SiO2光纤的可行性，被誉为“世界光纤之父”。从我国研制出第一根光纤开始，列举我国光纤通信发展的过程及各种系统的应用，如“八纵八横”干线网的建设，传输速率是3.2Tbit/s的系统应用。结合现在光纤通信发展的热点问题对光纤通信今后的发展进行展望。四、课后作业或思考题：1、1960年，美国人梅曼发明第一台激光器，标志着光纤通信的起源。2、 被誉为世界光纤之父。3、请列举光纤通信发展历程中的主要事件。五、本节小结：从1960年梅曼发明第一台红宝石激光器、康宁公司研制出低损耗光纤，直至各种光纤通信系统应用，光纤通信得到快速发展。我国1999年，建成“八纵八横”干线网，目前我国光纤通信已经取得了快速发展。知识点光纤的结构一、教学目标：理解光纤的结构组成。二、教学重点、难点：光纤的结构、松套光纤、紧套光纤、尾纤。三、教学过程设计：1.知识点说明光纤由纤芯、包层、涂覆层和套层组成。2.知识点内容光纤由纤芯、包层、涂覆层和套层组成。纤芯位于光纤中心，作用是传输光波。包层位于纤芯外层，作用是将光波限制在纤芯中。只有纤芯和包层的光纤称为裸光纤。为了提高光纤抗拉度，一般需要在裸光纤外面经过两次涂覆，经过涂敷后的裸光纤称为光纤芯线。按套塑结构的不同，将光纤分为紧套光纤和松套光纤。设备、仪表间相连使用的光纤一般称为尾纤，尾纤通常为紧套结构光纤。3.知识点讲解通过实物和结构示意图讲解光纤的结构。结合全反射的条件，分析纤芯的折射率大于包层的折射率。分析光纤的涂覆层和套塑层的作用及应用情况。结合实际说明什么是尾纤，尾纤采用什么结构。四、课后作业或思考题：1、光纤的结构包括纤芯、、和套层。2、按套塑结构的不同，将光纤分为光纤和光纤。3、为了使光波在纤芯中传送，包层材料折射率n2比纤芯材料折射率n1小这种说法是否正确。4、尾纤一般用于连接设备或仪表，通常为结构光纤。五、本节小结：光纤由纤芯、包层、涂覆层和套层组成。纤芯位于光纤中心，作用是传输光波。包层位于纤芯外层，作用是将光波限制在纤芯中。只有纤芯和包层的光纤称为裸光纤。按套塑结构的不同，将光纤分为紧套光纤和松套光纤，尾纤一般为紧套结构。知识点光纤的分类一、教学目标：理解光纤按照不同标准的分类。二、教学重点、难点：阶跃型光纤、渐变型光纤、单模光纤、长波长光纤。三、教学过程设计：1.知识点说明光纤按照不同的分类标准分成不同类别，在光纤通信系统中常用的光纤种类有单模光纤、阶跃型光纤、石英玻璃光纤、长波长光纤等。2.知识点内容按照光纤的制造材料的不同，光纤可分为玻璃（石英）光纤、塑料光纤和液体（如：氟化物）光纤。按照光纤剖面折射率分布的不同，光纤可分为阶跃型光纤和渐变型光纤。阶跃型光纤的纤芯和包层的折射率呈均匀分布，包层的折射率稍低一些，光纤纤芯到包层的折射率是突变的，有一个台阶，所以称为阶跃型光纤。渐变型光纤纤芯折射率呈非均匀分布，在纤芯轴心处最大，而在光纤横截面内沿半径方向逐渐减小，在纤芯与包层的交界面上降至包层折射率n2根据光纤传输模式的数量，光纤可分为单模光纤和多模光纤。单模光纤的纤芯很细（一般为10μm），只传一种模式的光，用于大容量长距离通信。多模光纤的纤芯较粗（例如50或62.5μm），可传多种模式的光，传输的距离比较近。按光纤的工作波长可分为短波长光纤、长波长光纤和超长波长光纤。短波长光纤是指0.8～0.9μm的光纤、长波长光纤是指1.0～1.7μm的光纤、超长波长光纤则是指2μm以上的光纤。3.知识点讲解结合实际工程应用讲解光纤的分类。通过案例说明不同制造材料的光纤各有什么应用。详细分析阶跃型光纤和渐变型光纤的折射率分布。通俗解释什么是单模光纤和多模光纤。结合光纤通信工作窗口讲解短波长光纤、长波长光纤和超长波长光纤的概念及应用。四、课后作业或思考题：1、光纤按照折射率分布可分为光纤和光纤。2、短波长光纤通常用于干线传输这种说法是否正确？3、列举你知道的光纤的类型，并加以简单解释。五、本节小结：目前光纤通信系统常用的光纤是石英玻璃材料的。单模光纤为阶跃型光纤，适用于远距离通信；多模光纤为渐变型光纤，适用于近距离低速通信系统。使用1.31μm、1.55μm波长的光纤为长波长光纤。知识点光纤的传输原理一、教学目标：理解阶跃型光纤导光原理和数值孔径的概念。二、教学重点、难点：阶跃型光纤导光原理、数值孔径。三、教学过程设计：1.知识点说明若光线以某一角度（φ）从空气入射到光纤端面时，光线折射进纤芯。当光线到达纤芯与包层的交界面时，发生全反射，将光波限制在纤芯中以“之”字形向前传播。。2.知识点内容光入射到两种介质交界面时，会发生反射和折射，反射角等于入射角，发生折射时，n１sinθ１=n２sinθ２。当光从光密物质照射到光疏物质时，且入射角θ１大于临界角θc时，会发生全反射现象若光线以某一角度（f）从空气入射到光纤端面时，光线折射进纤芯。当光线到达纤芯与包层的交界面时，发生全反射，将光波限制在纤芯中以“之”字形向前传播。由空气入射到光纤端面的角小于φmax的光线进入纤芯内才能在纤芯中传输，为表示光纤的捕捉光线能力的大小，定义了数值孔径（NA）光纤的数值孔径与光纤的几何尺寸无关，只与纤芯和包层两者的折射率差有关。3.知识点讲解从光的反射和折射基础知识开始，引出全反射的概念以及发生全反射的条件，从而帮助理解纤芯的折射率需要大于包层折射率。画图说明光信号从空气进入光纤以及在光纤中的传输情况，从空气折射进纤芯，在纤芯和包层的交界面上发生全反射，从而实现光信号沿纤芯传输。由于光信号在纤芯和包层交界面要满足大于临界角的要求，所以光信号折射进纤芯的角度也有所要求，不能大于某个最大角，于是引出数值孔径的概念。数值孔径反射光纤捕捉光信号能力的大小，通过公式分析得出其影响因素。四、课后作业或思考题：1、阶跃型光纤光信号在纤芯与包层交界面上反射现象，从而使光信号在纤芯中向前传输。2、光纤捕捉光线能力的大小与光纤粗细有关这种说法是否正确？3、请说明阶跃型光纤的导光原理。五、本节小结：若光线以某一角度（f）从空气入射到光纤端面时，光线折射进纤芯。当光线到达纤芯与包层的交界面时，发生全反射，将光波限制在纤芯中以“之”字形向前传播。光纤捕捉光线能力的大小与光纤粗细无关，只与纤芯和包层的折射率有关。知识点光纤的传输特性一、教学目标：理解光纤的损耗种类和色散种类及对光纤传输的影响。二、教学重点、难点：损耗的概念、损耗系数、损耗的种类、色散的概念、色散的种类。三、教学过程设计：1.知识点说明光纤的传输特性包括损耗特性和色散特性。2.知识点内容光信号在光纤内传播，随着距离的增大，能量会越来越弱，其中一部分能量在光纤内部被吸收，一部分可能突破光纤纤芯的束缚，辐射到了光纤外部，这叫做光纤的传输损耗（或传输衰减）。光纤损耗大致可以分为吸收损耗、散射损耗和其他损耗，光纤损耗在波长λ=1.55μm时损耗最低。光纤的色散是在光纤中传输的光信号，随传输距离增加，由于不同成分的光传输时延不同引起的脉冲展宽的物理效应。主要包括模式色散、材料色散、波导色散和偏振模色散。对于多模光纤，主要是模式色散。对于单模光纤，不存在模式色散，主要影响的是材料色散。对于单模光纤来说，在某一波长附近，材料色散和波导色散相互抵消零色散波长，大约是1.31μm。3.知识点讲解从光纤的传输损耗的概念开始讲解。分析光纤损耗的原因及对传输的影响。讲解光纤色散的概念和种类。分析单模光纤和多模光纤的色散影响因素，单模光纤来说，在1.31μm材料色散和波导色散相互抵消。四、课后作业或思考题：1、多模光纤的色散主要是（）A.材料色散B.波导色散C.偏振模色散D.模式色散2、单模光纤零色散的工作波长是（）A.0.85μmB.1.31μmC.1.33μmD.1.55μm3、最低损耗的光纤通信工作波长是（）A.0.85μmB.1.31μmC.1.33μmD.1.55μm4、光纤的损耗包括（）A.附加损耗B.散射损耗 C.吸收损耗D.连接损耗 E.微弯损耗五、本节小结：光纤的传输特性包括损耗特性和色散特性，光纤损耗在波长λ=1.55μm时损耗最低，对单模光纤来说，在1.31μm材料色散和波导色散相互抵消，色散值近似为零。知识点光纤的标准一、教学目标：理解ITU-T规定的光纤标准及应用。二、教学重点、难点：G.652、G.655、G.657光纤。三、教学过程设计：1.知识点说明ITU-T划分的光纤标准有（1）G.651多模光纤、（2）G.652常规单模光纤、（3）G.653色散位移单模光纤、（4）G.654截止波长位移单模光纤、（5）G.655非零色散位移单模光纤、（6）G.656宽带传输非零色散位移单模光纤、（7）G.657弯曲损耗不敏感单模光纤。2.知识点内容G.651光纤为渐变多模光纤，工作波长为1.31μm和1.55μm，在1.31μm处光纤有最小色散，在1.55μm处光纤有最小损耗。G.652光纤为常规单模光纤，也称为非色散位移光纤，是第一代常规单模光纤，零色散波长为1.31μm，在1.55μm处有最小损耗。G.653光纤为色散位移单模光纤，可以对色散进行补偿，使光纤的零色散点从1.31μm处移到1.55μm附近，是第二代单模光纤。G.654光纤为性能最佳的单模光纤，在1.55μm处具有极低损耗（大约0.18dB/km），1.31μm处色散为零，弯曲性能好。G.655光纤为非零色散位移单模光纤，是新一代的单模光纤，G.655光纤将光纤的零色散点由1.31μm移到1.55μm附近，在1.55μm波长区内仍保持很低的色散。G.656光纤是宽带光传输用非零色散光纤，即在宽阔的工作波长1460～1625nm内色散非零，实质上是一种宽带非零色散平坦光纤。G.657光纤是对弯曲损耗不敏感单模光纤，又称B6光纤，最主要的特性是具有优异的耐弯曲特性。G.651光纤主要用于计算机局域网或接入网，G.652光纤适用于大容量传输，是目前应用最广的光纤，G.653光纤受四波混频影响没什么应用，G.654光纤主要用于海底光纤通信系统，G.655光纤适用于波分复用系统，G.656光纤适用于波分复用系统的新型光纤，G.657光纤主要用于制造皮线光缆，用于光纤到户工程。3.知识点讲解从ITU-T规定的光纤标准开始说明各种光纤。主要从是单模还是多模光纤方面、最低损耗和零色散点方面说明光纤标准的内容。从实际工程的角度，总结各类光纤的应用场合。四、课后作业或思考题：1、下列适合于波分复用系统使用的光纤的是（）A.G.651B.G.653 C.G.655D.G.6572、下列适合于FTTH接入网工程的光纤的是（）A.G.651B.G.653 C.G.655D.G.6573、G.655光纤为位移单模光纤，在波长区有最低损耗和较小的色散。4、短距离小容量光纤通信系统可以使用G.651光纤这种说法对吗？5、请总结各种光纤的应用场合。五、本节小结：G.652是常规单模光纤，适用于大容量传输，是目前应用最广的光纤，G.655是非零色散位移光纤，适用于波分复用系统，G.657光纤是对弯曲损耗不敏感单模光纤，又称B6光纤，主要用于制造皮线光缆，用于光纤到户工程。知识点数字光纤通信系统一、教学目标：理解数字光纤通信系统组成及各部分功能。二、教学重点、难点：数字光纤通信系统组成、光发送机和光接收机的功能。三、教学过程设计：1.知识点说明光纤通信系统由光端机、光缆、中继器和电端机组成，光端机包括光发送机与光接收机两部分。光发送机实现电/光转换，光接收机实现光/电转换；电端机的作用是将低速支路电信号复用成高速信号，然后送往光端机；中继器用来对信号放大，增加光信号传输距离。2.知识点内容光纤通信系统由光端机、光缆、中继器和电端机组成，光端机包括光发送机与光接收机两部分。光发送机的主要作用是将电端机送来的数字基带电信号变换为光信号，其中关键部件是光源。光接收机的主要作用是将光纤传输后的幅度被衰减、波形产生畸变的、微弱的光信号变换为电信号，并对电信号进行放大、整形、再生成与发送端相同的电信号。传输一定距离后的光信号，幅度受到衰减，波形出现失真，加一个中继器，放大衰减信号，恢复失真的波形，使光脉冲得到再生，中继器分为光-电-光中继器和光中继器两种。3.知识点讲解从光纤通信过程说明光纤通信系统的组成及各部分功能。从简单电路组成图说明光发送机的作用。从简单电路组成图说明光接收机的作用。从通信工程的角度说明中继器的作用和种类。四、课后作业或思考题：1、光发送机机将信号转换为信号。2、光发送机中的是整个系统的核心器件。3、光纤通信系统组成包括（）A.光发送机B.中继器C.光接收机D.交换机 E.光缆4、说明光纤通信系统的组成。五、本节小结：光纤通信系统由光端机、光缆、中继器和电端机组成，光端机包括光发送机与光接收机两部分。光发送机实现电/光转换，光接收机实现光/电转换，中继器用来对信号放大，增加光信号传输距离。知识点光纤通信传输技术一、教学目标：了解各种光纤传输技术。二、教学重点、难点：SDH的速率、SDH网络结构、WDM的概念。三、教学过程设计：1.知识点说明光纤传输技术以SDH为基础，先后发展了WDM、OTN、PTN等技术。2.知识点内容SDH的中文含义是同步数字系列，SDH中的帧结构是9×270×N的同步传送模块（STM），N取正整数1、4、16、64、256，STM-1的速率是155.52Mbit/s，其余各级的速率分别是STM-1的N倍。SDH网的网络结构有环形网、线形网、网孔形网等，分别由不同的网元组成。波分复用（WDM）就是让不同波长的光信号同在一根光纤上传输而互不干扰。波长间隔更紧密的WDM为密集波分复用（DWDM），通常为几个nm。WDM系统主要由光发射机、光中继放大、光接收机、光监控信道和网络管理系统组成。光传送网（OTN）是基于波分复用技术，由一组通过光纤链路连接在一起的光网元组成的网络，能够提供基于光通道的用户信号的传送、复用、路由、管理、监控以及保护。分组传送网（PTN）是以分组传送为基础、以分组交换为核心，支持多业务承载，并具备完善的保护和OAM管理功能的面向连接端到端的传送技术。PTN网络定位为城域网传输，如用于承载电信运营商的无线回传网络、以太网专线以及IPTV等多媒体数据业务。3.知识点讲解每一部分内容的讲解均要从基本概念入手，简化原理，重视应用。SDH从其传输速率到网络单元类型以及我国SDH网络结构组成几个方面进行讲解。WDM说明其概念和优点，以及系统结构组成。OTN、PTN注重基本概念和网络应用方面。四、课后作业或思考题：1、SDH的中文含义是