光纤通信技术教案

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1、课程 教 案（ 2002010 学年第 二 学期）课 程 名 称： 光纤通信技术授 课 学 时： 48 学时授 课 班 级： 07 通信工程教案（首页）课程编号课程名称 光纤通信技术授课班级07 通信工程 学生人数课程类型公共基础课（）；学科基础课（）；专业基础课程（）；基础选修课（）；专业选修课（）；公选课（）授课方式 理论（）实验（）实习（） 考核方式考试（ ）考查（）课程总学时 48 学 分 3学时分配 课堂讲授 48 学时； 实践课程 学时教材名称 光纤通信教学参考书、刘增基等编著光纤通信，西安 电子科技大学出版社，2002。、杨祥林等编著光纤通信系统，国防工业出版社，2000。、Ge

2、rd Keiser 著，李玉权等译 光纤通信电子工 业出版社，2002。5、顾畹仪等编著光纤通信系统，北京 邮电大学出版社，1999。授课教师 韦文生 职称 副教授 学科 工科授课时间 周三第 1、2 节课/周五第 3、4 节课 授课地点1A-305/6章节名称： 第一章 绪论（2 学时 90 分钟）一、教学目的及要求：1、掌握光纤通信的定义及系统组成； 2、明确光纤通信的优缺点； 3、了解光纤通信的发展历史与现状；二、教学重点及难点：重点：光纤通信的定义及系统组成。难点：理解光在电磁波谱中的位置。三、教学手段：板书与多媒体课件演示相结合。四、教学方法：课堂讲解、演示、提问。五、作业：1-1，

3、1-2，1-3，1-4，1-8，1-9。六、参考资料：光纤通信杨祥林 第一章， 光纤通信刘增基 第一章。七、教学内容与教学设计：教学内容 教学设计 备注第一章 绪 论 第一节 光纤通信发展的历史和现状第二节 光纤通信的优点和应用开场白明确本节课要学习的内容。5 分钟第三节 光纤通信系统的基本组成第一节 光纤通信发展的历史和现状1.1.1 探索时期的光通信 原始形式的光通信:中国古代用“烽火台”报警，欧洲人用旗语传送信息。 1880 年，美国人贝尔(Bell)发明了用光波作载波传送话音的“ 光电话” 。贝尔光电话是现代光通信的雏型。1960 年，美国人梅曼(Maiman)发明了第一台红宝石激光器

4、， 给光通信带来了新的希望。激光器的发明和应用， 使沉睡了 80 年的光通信进入一个崭新的阶段在这个时期，美国麻省理工学院利用 He - Ne 激光器和 CO2 激光器进行了大气激光通信试验。由于没有找到稳定可靠和低损耗的传输介质， 对光通信的研究曾一度走入了低潮。1.1.2 现代光纤通信1966 年，英籍华裔学者高锟(C.K.Kao)和霍克哈姆(C.A.Hockham)发表了关于传输介质新概念的论文，讲解板书动画演示讲解板书课件演示动画演示45 分钟指出了利用光纤(Optical Fiber)进行信息传输的可能性和技术途径，奠定了现代光通信光纤通信的基础。指明通过“原材料的提纯制造出适合于长

5、距离通信使用的低损耗光纤”这一发展方向1970 年，光纤研制取得了重大突破1970 年，美国康宁(Corning)公司研制成功损耗20dB/km 的石英光纤。把光纤通信的研究开发推向一个新阶段。1972 年，康宁公司高纯石英多模光纤损耗降低到4 dB/km。1973 年，美国贝尔(Bell)实验室的光纤损耗降低到 2.5dB/km。1974 年降低到 1.1dB/km。1976 年，日本电报电话(NTT)公司将光纤损耗降低到 0.47 dB/km(波长 1.2m)。在以后的 10 年中，波长为 1.55 m 的光纤损耗：1979 年是 0.20 dB/km，1984 年是 0.157 dB/k

6、m，1986 年是 0.154 dB/km， 接近了光纤最低损耗的理论极限。 1970 年，光纤通信用光源取得了实质性的进展1970 年，美国贝尔实验室、日本电气公司(NEC)和前苏联先后，研制成功室温下连续振荡的镓铝砷(GaAlAs)双异质结半导体激光器(短波长)。虽然寿命只有几个小时，但它为半导体激光器的发展奠定了基础。1973 年，半导体激光器寿命达到 7000 小时。 讲解板书课件演示动画演示1976 年，日本电报电话公司研制成功发射波长为1.3 m 的铟镓砷磷(InGaAsP)激光器。1977 年，贝尔实验室研制的半导体激光器寿命达到 10 万小时。1979 年美国电报电话(AT&T

7、)公司和日本电报电话公司研制成功发射波长为 1.55 m 的连续振荡半导体激光器。 由于光纤和半导体激光器的技术进步，使 1970 年成为光纤通信发展的一个重要里程碑。实用光纤通信系统的发展1976 年，美国在亚特兰大(Atlanta)进行了世界上第一个实用光纤通信系统的现场试验。1980 年，美国标准化 FT - 3 光纤通信系统投入商业应用。1976 年和 1978 年，日本先后进行了速率为 34 Mb/s 的突变型多模光纤通信系统， 以及速率为 100 Mb/s 的渐变型多模光纤通信系统的试验。1983 年敷设了纵贯日本南北的光缆长途干线。随后，由美、日、 英、法发起的第一条横跨大西洋

8、TAT-8 海底光缆通信系统于 1988 年建成。第一条横跨太平洋 TPC-3/HAW-4 海底光缆通信系统于 1989 年建成。从此，海底光缆通信系统的建设得到了全面展开，促进了全球通信网的发展。光纤通信的发展可以粗略地分为三个阶段： 第一阶段(19661976 年)，这是从基础研究到商业应用的开发时期。第二阶段(19761986 年)，这是以提高传输速率讲解板书课件演示动画演示和增加传输距离为研究目标和大力推广应用的大发展时期。第三阶段(19861996 年)，这是以超大容量超长距离为目标、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1976 年美国在亚特兰大进行的现

9、场试验，标志着光纤通信从基础研究发展到了商业应用的新阶段。此后，光纤通信技术不断创新：光纤从多模发展到单模，工作波长从 0.85 m 发展到 1.31 m 和1.55 m (短波长向长波长） ，传输速率从几十 Mb/s发展到几十 Gb/s。 随着技术的进步和大规模产业的形成，光纤价格不断下降，应用范围不断扩大。目前光纤已成为信息宽带传输的主要媒质，光纤通信系统将成为未来国家信息基础设施的支柱。 在许多发达国家，生产光纤通信产品的行业已在国民经济中占重要地位。1.2 光纤通信的优点和应用1.2.1 光通信与电通信通信系统的传输容量取决于对载波调制的频带讲解板书课件演示动画演示宽度，载波频率越高，

10、频带宽度越宽。光通信的主要特点载波频率高；频带宽度宽（图 1.1 ）光通信利用的传输媒质-光纤，可以在宽波长范围内获得很小的损耗。 （图 1.2 ）图 1.1 部分电磁波频谱讲解板书课件演示动画演示图 1.2 各种传输线路的损耗特性 1.2.2 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；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。1.2.3 光纤通信的应用光纤可以传输数字信号，也可以传输模拟信号。光纤在通信网、广播电视网与计算机网，以及在其它数据传输系统中， 都得到了广泛应用。光纤宽带干线

11、传送网和接入网发展迅速， 是当前研究开发应用的主要目标。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 有线电视网的干线和分配网 综合业务光纤接入网1.3 光纤通信系统的基本组成光纤通信系统可以传输数字信号，也可以传输模拟信号。 用户要传输的信息多种多样，一般有话音、图像、数据或多媒体信息。 为叙述方便，这里仅以数字电话和模拟电视为例。下图示出单向传输的光纤通信系统，包括发射、接收和作为广义信道的基本光纤传输系统。1.3.1 发射和接收不管是数字系统，还是模拟系统，输入到光发射机带有信息的电信号，都通过调制转换为光信号。光载波经过光纤线路传输到接收端，再由光接收机把光

12、信号转换为电信号。 电接收机的功能和电发射机的功能相反，它把接收的电信号转换为基带信号，最后由信息宿恢复用户信息。在整个通信系统中，在光发射机之前和光接收机之后的电信号段，光纤通信所用的技术和设备与电缆通信相同，不同的只是由光发射机、光纤线路和光接收机所组成的基本光纤传输系统代替了电缆传输。 1.3.2 基本光纤传输系统下面简要介绍基本光纤传输系统的三个组成部分。讲解板书课件演示动画演示讲解板书课件演示50 分钟1. 光发射机光发射机的功能是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。光发射机由光源、 驱动器和调制器组成，光源是光发射机的核心。光发射机的性能基本上取决

13、于光源的特性，对光源的要求是输出光功率足够大， 调制频率足够高，谱线宽度和光束发散角尽可能小，输出功率和波长稳定， 器件寿命长。目前广泛使用的光源有半导体发光二极管(LED)和半导体激光二极管(或称激光器)(LD)， 以及谱线宽度很小的动态单纵模分布反馈(DFB)激光器。2. 光纤线路光纤线路的功能是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。光纤线路由光纤、光纤接头和光纤连接器组成。光纤是光纤线路的主体，接头和连接器是不可缺少的器件。实际工程中使用的是容纳许多根光纤的光缆。 光纤线路的性能主要由缆内光纤的传输特性决定。对光纤的基本要求是损耗和色散这两个传输特性参数都

14、尽可能地小， 而且有足够好的机械特性和环境特性，例如，在不可避免的应力作用下和环境温度改变时，保持传输特性稳定。 目前使用的石英光纤有多模光纤和单模光纤，单模光纤的传输特性比多模光纤好，价格比多模光纤便宜，因而得到更广泛的应用。 单模光纤配合半导体激光器，适合大容量长距离光纤传输系统，而小容量短距离系统用多模光纤配合半导体发光二极管更加合适。为适应不同通信系统的需要，已经设计了多种结构不同、特性优良的单模光纤， 并成功地投入实际应用。 动画演示 3. 光接收机光接收机的功能是把从光纤线路输出、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。光接收机由光检测器、 放

15、大器和相关电路组成光检测器是光接收机的核心。对光检测器的要求是响应度高、 噪声低和响应速度快。目前广泛使用的光检测器有两种类型： 在半导体 PN结中加入本征层的 PIN 光电二极管(PIN - PD)和雪崩光电二极管(APD)。 光接收机把光信号转换为电信号的过程(常简称为光/电或 O/E 转换)，是通过光检测器的检测实现的。检测方式有直接检测和外差检测两种。直接检测是用检测器直接把光信号转换为电信号。这种检测方式设备简单、 经济实用， 是当前光纤通信系统普遍采用的方式。 外差检测要设置一个本地振荡器和一个光混频器，使本地振荡光和光纤输出的信号光在混频器中产生差拍而输出中频光信号，再由光检测器

16、把中频光信号转换为电信号。外差检测方式的难点是需要频率非常稳定，相位和偏振方向可控制，谱线宽度很窄的单模激光源；优点是有很高的接收灵敏度。 目前，实用光纤通信系统普遍采用直接调制直接检测方式。外调制外差检测方式虽然技术复杂，但是传输速率和接收灵敏度很高，是很有发展前途的通信方式。 光接收机最重要的特性参数是灵敏度。灵敏度是衡量光接收机质量的综合指标，它反映接收机调整到最佳状态时， 接收微弱光信号的能力。灵敏度主要取讲解板书课件演示动画演示讲解板书课件演示动画演示决于组成光接收机的光电二极管和放大器的噪声，并受传输速率、光发射机的参数和光纤线路的色散的影响，还与系统要求的误码率或信噪比有密切关系。所