光纤通信（全英文）-教案 沈建华

OpticalFiberCommunication（光纤通信）教案授课时长90分钟（45分×2）授课方法讲授法、案例分析法章节名称Lecture1:Introduction教学目的通过案例分析和讲授，使得学生了解光纤通信的产生背景，熟悉光纤通信发展历程中重要milestone和关键人物；结合光纤通信系统的基本组成，熟悉和掌握相关知识领域内包括光纤通信使用频谱、电平单位和绝对单位间换算关系等基本概念。知识点Advantagesofopticalfibers.Compositionoftypicalopticalcommunicationsystem.DefinitionofOpticalSpectralBands.DefinitionandmeaningofDecibelunits(Calculation).重点和难点光纤通信发展历史上若干关键节点；光纤通信系统的基本组成及优点；电磁频谱组成及光纤通信使用频谱（注意频率与波长的变换关系）；结合例题分析绝对单位与相对单位间的换算（以功率电平为代表）。授课安排第一小节：课程引入，从学生熟悉的5G等智能手机应用场景入手，引出所有的通信网络和互联网都依赖于光纤通信，强调其的重要性；回顾通信发展历程中若干关键节点和人物，引入人们对于光通信探索的艰难历程，在高锟提出光纤通信理论等知识点处引入思政元素（自主创新）。第二小节：讲述光纤通信系统的组成，引导学生回顾通信原理课程上相关知识点与本课程间的联系；分析光纤通信系统的优缺点，采用问答或举例等强调其关键优点；讲授光纤通信所使用的频段以及对数单位，采用例题分析法。OpticalFiberCommunication（光纤通信）教案授课时长90分钟（45分×2）授课方法讲授法章节名称Lecture2:OpticalFibers:Structures,Fabrication,Waveguide,andPerformance教学目的通过讲授，使学生了解光纤的基本组成、典型分类方法、不同光纤的材料和结构、光纤及光缆制造工艺、应用场景和需求等。知识点Structureofopticalfiber(core,cladding,buffer,andtheirdimension).Typicaldiametersofsingle-modeandmulti-modefiber.Relationshipbetweenindexofcoreandcladding.Twodifferentfiberindex-distribution.OpticalCable.Fibermanufacturemethods.重点和难点光纤结构及几何参数；光纤类型及分类方法；光缆典型结构及应用场景；光纤制造工艺与流程。授课安排第一小节：讲授光纤的基本结构，采用举例法（如生活中的人类头发与光纤几何尺寸的对比）等介绍光纤的基本结构及组成；讲述光纤的分类及材料，列举包括各类实例给出不同应用场景对光纤材料的需求（如医疗内窥镜或光纤制导导弹等），点出课程思政元素（实事求是，因地制宜）。第二小节：讲述光缆的基本结构及应用场景；介绍光纤制造的基本流程，包括4种典型的预制棒制作方法，结合我国引进MCVD法的案例，介绍如何打破国外技术垄断、自主创新和勇攀高峰的过程。OpticalFiberCommunication（光纤通信）教案授课时长90分钟（45分×2）授课方法讲授法、案例分析法章节名称Lecture3:TransmissionTheory教学目的通过讲授，掌握射线光学分析光纤传输的方法；理解电磁波在光纤中的传输，重点理解阶跃折射率中波动方程的求解思路和结论；理解光纤中传输模式的意义和单模传输的条件知识点Dualnatureoflight,Particleandwaveproperties.ReflectionandRefractionLaws(Snell’slaw).Definitionofcriticalangle.DefinitionofNumericalApertureanditsphysicalmeanings.Vnumberdefinitioninwavetheory.RelationbetweenmodenumberMandVnumber.Single-modeCondition.重点和难点光的波粒二象性；Snell定律及射线光学分析方法；波动光学方法及模式的截止条件。授课安排第一小节：课程引入，从近现代物理学发展中对于光的本质的认识，引出光的波粒二象性（思政元素为辩证唯物观的认识方法）；以生活中典型案例入手，介绍射线光学分析方法及其原理；给出全反射临界角和数值孔径定义；引申出数值孔径与望远镜口径物理意义的异同（思政元素，FAST天线）。第二小节：波动光学分析方法，如何从麦克斯韦方程组推演至贝塞尔方程组；从讨论贝塞尔方程组的解，引入模式的定义及其存在条件（截止条件）；分析给出光纤单模传输条件（归一化频率和截止波长）。OpticalFiberCommunication（光纤通信）教案授课时长90分钟（45分×2）授课方法讲授法、案例分析法章节名称Lecture4:FiberPerformance教学目的通过案例分析和讲授，使学生熟悉传输光纤类型及其传输特性，掌握不同类型光纤的性能异同及其适用场景。知识点Lossmechanismsinfibers(powerdependentandpowerindependent).Definitionoffiberlosscoefficient.Differentlossinfibers.ThreelowlosswindowsforSilicon-basedfibers.Unitofdispersionanditseffect.ITU-Tfibertypes.DifferenceamongG.652,G.653,andG.655fibers.重点和难点功率有关和功率无关损耗的区别；光纤损耗机理及分类；光纤色散机理及分类；国际标准中关于光纤类型的划分。授课安排第一小节：课程引入，从基本的通信系统组成原理入手，帮助学生回忆通信原理等课程中学习的信道衰落等基本概念，引出光纤信道传输过程中可能存在的信号质量劣化；借助于动画等给出信号劣化过程；介绍光纤损耗的定义及分类：吸收损耗、散射损耗和辐射损耗。介绍吸收损耗时引入思政元素（本征吸收和杂质吸收对应于影响事物发展的内在矛盾和外部矛盾，采用辩证唯物主义观念考查问题）。第二小节：讲述光纤色散产生的机理及其对信号传输的影响；讲授不同光纤类型及其性能差异，此处用提问形式帮助学生辨析不同类型光纤的传输性能异同（同类材料决定相似损耗性能，不同结构导致不同色散性能）。OpticalFiberCommunication（光纤通信）教案授课时长90分钟（45分×2）授课方法讲授法、案例分析法章节名称Lecture5:LightSource教学目的通过案例分析和讲授，使得学生理解激光产生的物理基础；掌握激光器的主要结构；理解半导体激光器和发光二极管的工作原理和工作特性。知识点Energylevelandenergyband.Particlemovementtypes:AbsorptionandRadiation.Differencebetweenparticleabnormalandnormaldistributions.DifferencebetweenLEDandLD.CompositionofLASER(Threebasicpartsoflaser).Temperature-dependentbehavioroflaser.重点和难点粒子的受激辐射和受激吸收；费米能级和粒子数反转分布；半导体激光器的组成及工作特性；半导体激光器和发光二极管的异同。授课安排第一小节：课程引入，从人类对物质内部结构的认识入手，介绍著名的卢瑟福实验，给出原子内部基本结构，引出能级和能带概念；讨论粒子位于不同能级状态下运动的基本规律及其与能量吸收或产生间的关系，引出思政元素（绝对的运动，相对的静止，辩证的统一性）；采用提问等方式引导学生思考粒子分布不同情况下，物质整体上呈现何种状态，得出粒子数反转分布的必要条件。第二小节：讲述半导体激光器的基本组成；介绍半导体激光器的主要参数；分析半导体激光器和发光二极管间性能的异同。OpticalFiberCommunication（光纤通信）教案授课时长90分钟（45分×2）授课方法讲授法、案例分析法章节名称Lecture6:OpticalTransmitter教学目的通过案例分析和讲授，使得学生理解光源调制的目的和方法；熟悉光发送机的构成；熟悉发送电路及线路编码等关键技术。知识点ModulationMechanismLinecodemethodsespeciallymBnBscheme.ExtinctionRatiorequirements.重点和难点直接调制和间接调制的异同；光发送机的基本组成；半导体激光器阈值特性与调制不稳定（弛张振荡）；光发送机典型模块及其功能需求。授课安排第一小节：课程引入，采用案例法介绍直接调制和间接调制的异同，分析其各自优缺点（思政元素：对立的统一原理）；介绍光发送机的基本组成，结合通信原理的基本概念，帮助学生回忆信道编码的重要意义；介绍光纤通信中采用的线路编码方案。第二小节：回顾上次课半导体激光器的工作原理，指出阈值对调制性能的影响，给出通断比或消光比的物理意义；讨论弛张振荡现象的形成及对策；介绍ATC和APC等电路工作原理。OpticalFiberCommunication（光纤通信）教案授课时长90分钟（45分×2）授课方法讲授法、案例分析法章节名称Lecture7:Detector教学目的通过案例分析和讲授，使得学生光电检测的基本原理，理解光电二极管和雪崩光电二极管的工作原理，掌握其典型性能参数；知识点PrincipleofDetectorDefinitionofQuantumEfficiencyandResponsivity(Calculationmethod).DifferencebetweenPINandAPD.重点和难点对光电检测器的性能需求；光电检测器工作原理；PIN和APD的异同；光电检测器的性能。授课安排第一小节：课程引入，从PN结的基本特性入手，采用对比对照分析法，帮助学生理解光源器件和光检测器工作机理的异同；讲授PIN和APD两类检测器件的工作原理（思政元素：APD中雪崩倍增效应与链式反应的异同，两弹一星精神为代表的老一代科学家艰苦探索的过程，点题——黄昆的半导体物理学理论）。第二小节：讲述光检测器的性能，包括截止波长、吸收系数、响应度、饱和、暗电流等。OpticalFiberCommunication（光纤通信）教案授课时长90分钟（45分×2）授课方法讲授法、案例分析法章节名称Lecture8:OpticalReceiver教学目的通过案例分析和讲授，使得学生掌握光接收机构成及各部分工作原理；理解光接收机的主要性能指标和主要噪声；了解光接收机的误码率和Q值等性能指标；掌握灵敏度、动态范围的定义和计算；理解影响灵敏度的因素；了解光中继机构成。知识点TypicalNoiseSourcesintheReceiver.DefinitionofReceiverSensitivity.Darkcurrentanditsfeatures.重点和难点理解影响接收机的主要参数；理解光接收机性能分析过程和主要方法，理解Q值与BER关系；灵敏度和动态范围的物理意义；影响接收机性能的主要参数。授课安排第一小节：课程引入：回顾《通信原理》课程中关于最佳接收机的概念，帮助学生回忆接收机在整个通信系统中的作用，理解光接收机的输入信号面临的问题和挑战（思政元素：从《三体》中红岸基地的情节，引出接收机的性能参数及其限制因素）；给出光接收机性能分析的基本原理，从概率角度推导出最佳接收时的差错概率及其与Q值关系。第二小节：讲述灵敏度与动态范围等的定义；分析理想接收机的性能极限（问卷调查或随堂练习）；噪声等效功率的概念。OpticalFiberCommunication（光纤通信）教案授课时长90分钟（45分×2）授课方法讲授法、案例分析法章节名称Lecture9:PassiveDevice教学目的通过教授，使学生了解光路无源器件的主要类型；了解光纤连接损耗及影响因素；了解光纤连接器的结构。。知识点Effectfactorsforfiber-to-fiberjoints.Differencebetweenpower-basedandwavelength-basedopticalcouples.Purposeorfunctionofdifferentpassivedevices.重点和难点器件与光纤、光纤与光纤间连接时面临的挑战；光纤连接器的基本原理及性能要求；各类无源器件的基本机理及应用场景。授课安排第一小节：课程引入，回顾已经讨论的课程教学内容（光纤通信系统的基本组成），引出生活中典型案例（如何连接计算机网卡和交换机），引出器件与光纤之间，光纤与光纤之间的连接需求，分析影响连接质量的主要因素；带领学生们做趣味小实验（单眼状态下笔和笔帽的连接），帮助学生建立起光纤活动连接的基本概念，引出插针-套筒式活动连接器结构。（思政元素：从国产无源连接器的成功研制，介绍国外对我国基础器件的限制）第二小节：讲述可变衰减器、耦合器、偏振控制器、光开关、环行器、调制器等各类器件及其应用场景。OpticalFiberCommunication（光纤通信）教案授课时长180分钟（45分×4）授课方法讲授法、案例分析法章节名称Lecture10:OpticalAmplifier教学目的通过案例分析和讲授，使得学生掌握光放大器的工作原理和分类方法；理解EDFA的工作原理和EDFA工作特性；掌握EDFA基本结构和应用形式；理解光纤拉曼放大器的工作原理和特点。知识点Advantagesanddisadvantagesofopticalamplifier.Opticalamplifierclassifications.Applicationscenariosofopticalamplifier.EDFAconstructionandpumpconfiguration(pumpinglaserwavelength).DifferencebetweenEDFAandRamanAmplifier.重点和难点光放大与电中继的异同；光放大器的主要机理及分类；掺铒光纤放大器结构及工作特性；光纤拉曼放大器机理及特性。授课安排第一次课：课程引入，从学生熟悉的手机音频、耳机、卡拉OK等典型应用场景中引出放大器的典型应用和性能参数；对比分析电中继器和全光放大的异同；讲述光放大器的主要机理和分类，主要性能参数；引入思政元素（对信号的放大同时也会引入噪声的放大，如何把握事物发展的主要矛盾和次要矛盾）；介绍EDFA的基本结构及工作原理。第二次课：讲述EDFA的工作特性，包括增益与信号和光纤长度的关系；EDFA泵浦的不同配置及其对性能的影响；不同应用场景的EDFA对性能的需求差异（采用案例法）；光纤拉曼放大器的工作机理（课程思政元素：华为为代表的国产化设备替代进口EDFA的案例）；EDFA与FRA的异同。OpticalFiberCommunication（光纤通信）教案授课时长180分钟（45分×4）授课方法讲授法、案例分析法章节名称Lecture11:DigitalOpticalCommunicationSystem教学目的通过案例分析和讲授，使得学生熟悉数字光纤通信系统的标准，了解PDH、SDH、OTN等相关协议，熟悉SDH/OTN复用体系及其关键技术。知识点PDHstandardinChinaSTM-1framestructureandMultiplexingProcedureSDHEquipmentandSynchronizationProtectionandRestorationOTNPON重点和难点PDH的基本概念；SDH同步复用体系的特点，同步复用的主要过程；SDH网同步原理；1+1保护和1:1保护，以及自愈环；OTN原理和主要技术；PON基本概念。授课安排第一次课：课程引入，从国际间通信互联互通的历史背景，引入PDH和SDH等数字传输系统标准的进程，简述PDH时代三个国际标准如何演进至SDH国际标准（课程思政元素：从跟随国外标准到共同参与再到引领标准，中国自主创新和兼收并蓄）；SDH复用原理，举例介绍复用映射基本流程和特点；SDH节点类型及网同步典型方法。第二小节：SDH传送网分层结构，通道、段和链路的关系；OTN的层次结构及复用过程；OTN与SDH的异同（思政元素：我国从SDH体制的跟随，如何进展到OTN时代的引领，华为中兴等企业的崛起过程）；光接入网的基本概念。OpticalFiberCommunication（光纤通信）教案授课时长90分钟（45分×2）授课方法讲授法、案例分析法章节名称Lecture12:WDMSystem教学目的通过案例分析和讲授，使得学生理解WDM系统的基本结构和分类方法；理解光波长区的分配要求；掌握WDM系统的关键技术（包括光源、耦合、光纤和监控等）。知识点Differencebetweensingle-channelandWDMsystems.SpectruminWDMandchannelallocationrules.DefinitionofAFR.DifferencebetweenCWDMandDWDM.DefinitionofOTUanditsapplications.DefinitionofFWMeffectanditsinfluence.重点和难点单信道和多信道系统的区别；光纤可用频带及信道间隔设定；波分复用系统的组成及分类；波分复用系统的关键技术。授课安排第一小节：课程引入：从已经讲授的系统知识中帮助学生回忆信道容量与载波容量间的差异（通信原理基本概念），引出可以采用复用技术提升信道利用率，从而