光纤通信电子教案.docx
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光纤通信电子教案.docx
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光纤通信电子教案
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、合理地安排教学容。
3、不断更新和充实教学容,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
主编学康人民邮电出版时间2008年5月
专业班级0712401~02
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.宝富等编《光纤通信》电子科技大学2007年
2.[美]DjafarK.Mynbaev编《光纤通信技术》机械工业2002年
3.吴彦文等编《光网络的生存性技术》邮电大学2002年
4.增基等编《光纤通信》电子科技大学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
教学容和步骤
《光纤通信》课程容介绍、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”
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20dB/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(1966~1976年),是基础研究到商业应用的开发时期。
第二阶段(1976~1986年),提高传输速率和增加传输距离的发展时期。
第三阶段(1986~1996年),全面深入、开展新技术研究的时期
1.1.3国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,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:
①通信网
②构成因特网的计算机局域网和广域网
③有线电视网;工业电视系统;自动控制系统
④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,一路模拟只占用4KHz的带宽,而一路数字要占用20~64KHz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 2.1~2.3、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
教学容和步骤
2.1光纤(OpticalFiber)的结构和类型
2.1.1光纤结构
相对折射率差Δ=(n1-n2)/n1
Δ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-IndexFiber,SIF)
(b)渐变型折射率多模光纤(Graded-IndexFiber,GIF)
(c)单模光纤(Single-ModeFiber,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(NumericalAperture,NA):
光线进入光纤进行全反射的临界角θc的正弦值定义为数值孔径。
2.数值孔径NA的物理含义:
NA(或θc)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 2.4~2.5、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
βm。
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βm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V<2.405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λc,当λ<λc时,是多模传输,当λ>λc时,是单模传输,这个临界波长λc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Δτ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 2.6~2.7、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(L1
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ω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τ取决于光波长λ。
不同时间延迟产生不同相位φ。
用波长为λ1和λ2的受调制光波,分别通过被测光纤,由Δλ=λ2-λ1产生的时间延迟差为Δτ,相位移为Δφ。
推导可得:
为避免测量误差,一般要测量一组λi-φi值,再计算出C(λ)。
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 3.1~3.5、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LightAmplificationbyStimul
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