《光纤通信原理与技术》课程教学大纲 英文名称：Fiber Communication Principle and its Application 学时：51 学分：3 开课学期：第7学期 一、课程性质与任务 通过讲授光纤通信技术的基础知识，使学生了解掌握光纤通信的基本特点，学习光纤通信系统的三个重要组成部分：光源（光发射机）、光纤（光缆）和光检测器（光接收机）。通过本课程的学习，学生将掌握光纤通信的基本原理、光纤通信系统的组成和系统设计的基本方法，了解光纤通信的未来与发展，为今后的工程应用和研究生阶段的学习打下基础。 二、课程教学的基本要求 要求通过课堂认真听讲和实验课，以及课下自学，基本掌握光纤通信的基础理论知识和应用概况，熟悉光纤通信在电信、通信中的应用，为今后的工作打下坚实的理论基础。 三、课程内容 第一章光通信发展史及其优点（1学时） 第二章光纤的传输特性（2学时） 第三章影响光纤传输特性的一些物理因素（5学时） 第四章光纤通信系统和网络中的光无源器件（9学时） 第五章光纤通信技术中的光有源器件（3学时） 第六章光纤通信技术中使用的光放大器（4学时） 第七章光纤传输系统（4学时） 第八章光纤网络介绍（6学时） 第九章光纤通信原理与技术实验（17课时） 四、教学重点、难点 本课程的教学重点是光电信息技术物理基础、电光信息转换、光电信息转换，光电信息技术应用，光电新产品开发举例。本课程的教学难点是光电信息技术物理基础。
五、教学时数分配 教学时数51学时，其中理论讲授34学时，实践教学17学时。（教学时数具体见附表1和实践教学具体安排见附表2） 六、教学方式 理论授课以多媒体和模型教学为主，必要时开展演示性实验。 七、本课程与其它课程的关系 1.本课程必要的先修课程 《光学》、《电动力学》、《量子力学》等课程 2.本课程的后续课程 《激光技术》和《光纤通信原理实验》以及就业实习。 八、考核方式 考核方式：考查 具体有三种。根据大多数学生学习情况和学生兴趣而定其中一种。第一种是采用期末考试与平时成绩相结合的方式进行综合评定。对于理论和常识部分采用闭卷考试，期末考试成绩占总成绩的55％，实验成绩占总成绩的30%，作业成绩及平时考勤占总成绩的15％；第二种是采用课程设计（含市场调查报告）和平时成绩相结合的方式，课程设计占总成绩的55%，实验成绩占总成绩的30%，作业成绩及平时考勤占总成绩的15%。第三种是采用课程论文（含市场调查报告）和平时成绩相结合的方式，课程论文占总成绩的55%，实验成绩占总成绩的30%，作业成绩及平时考勤占总成绩的15%。 九、教材及教学参考书 1.主教材 《光纤通信原理与技术》，吴德明编著，科学出版社，第二版，2010年9月 2.参考书 （1）《光纤通信原理与仿真》，郭建强、高晓蓉、王泽勇编著，西南交通大学出版社，第一版，2013年5月 （2）《光通信原理与技术》，朱勇、王江平、卢麟，科学出版社，第二版，2011年8月
无线光通信的原理和核心部件的一些思考 摘要：现阶段，随着科技水平的不断提升，在很大程度上促进着我国通信行业 的发展。通信技术作为通信行业的重要支撑力量，在很大程度上决定着传输效率。以往传统的无线电以及光纤通信技术，虽然不会受到地形方面的影响，信道容量 非常大，但是传输效率却非常慢。在这种情况下，我们积极的应用无线光通信技术，不仅不会受到地形因素的影响，而且还有着较强的保密性以及较快的传输效率。基于此，本文深入浅出地阐述了无线光通信原理；其次分析了无线光通信核 心部件；最后探讨了无线光通信优缺点。 关键词：无线光通信；优缺点；研究分析 一、无线光通信原理概述 无线光通信技术的的工作原理，主要包含着以下三个方面的内容：首先，需 要发射出数据信号，然后借助光信号进行传输，最终接收完成信息传输任务。无 线光通信系统应用的是光电转换技术，在调制完成电信号对光发射机的光源之后，借助具备天线功能的光学望远镜来传输光信号，在望远镜接受到信号后，将信号 全部集中在光电检测器，其次信号到达接收机后，完成光信号转换成电信号，然 后经过调制调解器，完成信息读取工作，最终接入无线光信号。但是，在这一过 程当中需要我们指出的是，光波信号的不同，其透过率也是存在着一定的差异的。在这种情况下，我们要想更加有效的提升透过率以及系统功率，我们就必须要选 择更高性能的波段窗口，来确保光信号的稳定传输。 二、无线光通信核心部件分析 （一）无线光通信发射机 无线光信号主要是借助发射机所产生的，通过将不同类型的电信号，在经过 调制解调器的转换之后，成为光信号。无线光通信并不是借助光缆进行传输的， 因此光信号主要是椭圆光斑，是由激光管芯激发进而产生的。在这一过程当中， 光学行为耦合替代了以往的同轴耦合，传输距离越远的话，那么耦合准值也就越高。我们在设定耦合准值的过程当中，需要充分结合光学耦合效率来进行，避免 影响到信号的接收。此外，我们在借助发射机发射光信号的过程当中，应积极的 做好人眼防护措施，避免造成危害。 （二）无线光通信光学天线 无线光信号并不会受到光纤输送路径方面的影响，因而在实际的发射过程当中，往往会存在一定的发散角，导致信号出现泄露的现象。在这种情况下，我们 要想最大限度的确保最终的接受准确度，我们就应在接收端设置一套光学天线系统，充分借助其凸、凹透镜的聚焦原理，更好的聚集光信号，降低信号的泄露。 光学天线的增益效果和天线的孔径存在密切的关联，如果孔径过大或者过小的话，都会在一定程度上影响着最终的接收效益。在这种情况下，我们在选取天线孔径 的时候，就需要充分的结合我们的实际工作状况来进行。除此之外，我们还要严 格的设定聚光斑点尺寸的精确度，切实提高光信号的接收效率。 （三）无线光通信接收机 光信号在传播的整个过程当中，所存在的反射以及折射的现象，会产生码间 串扰现象。不仅如此，光信号如果受到空气散射的话，也会消耗信号。在这种情 况下，我们在选择接收机的时候，就必须要选择一些有着信号接收灵敏度较强、
光纤通信原理及应用 摘要：光纤通信技术是利用半导体激光器等光电转换器将电信号转换成光信号，并使其在光纤中快速、安全地传输的一门新兴技术。光纤是一种理想的传输媒体，它具有传输时延低、高通信质量、高带宽、抗干扰能力强等特点。光纤在高速以太网中有着广泛的应用。论文主要分析了光电信号的转换、光纤通信的基本原理并介绍了光纤在通信领域中的一些应用。 关键词：光纤通信；光电转换；全反射 1. 引言 光纤是用光透射率高的电介质构成的光通路，它是一种介质圆柱光波导，它是用非常透明的石英玻璃拉成细丝，主要由纤芯和包层构成双层通信圆柱体。光纤通信就是在发送端利用半导体激光转换器将电信号转换成光信号并利用光导纤维传递光脉冲来进行通信，光波通过纤芯以全反射的方式进行传导，有光脉冲相当于1，没有光脉冲相当于0。同时，接收端利用光电二极管或半导体激光器做成光检测器，检测到光脉冲时将光信号还原成电信号。在由于可见光的频率非 常高，约为8 10MHz的量级，因此一能做到使用一根光个光纤通信系统的传输带宽远远大于其它的传输媒体的带宽。同时利用光的频分复用技术，就纤来同时传输多个频率很接近的光载波信号，使得光纤的传输能力成倍地提高。 2.理论模型 在光纤通信系统的发送端使用光电信号检测电路将电信号转换成光信号，并使得光信号以大于某一角度入射到光通道，此时光信号在光纤以全反射的方式不断向前传输，并在接收端再将光信号转换成电信号进行进一步的处理。 2.1 光电信号检测电路的基本原理 光电检测电路主要由光电器件、输入电路和前置放大器组成。其中，光电检测器件是实现光电转换的核心器件，它把被测光信号转换成相应的电信号；输入电路为光电器件正常的工作条件，进行电参量的变换并完成前置放大器的电路匹配；前置放大器能够放大光电器件输出的微弱电信号，并匹配后置处理电路与检测器件之间的阻抗。 2.1.1 光电信号输入电路的静态计算 图解计算法是利用包含非线性元件的串联电路的图解法对恒流源器件的输入电路进行计算。反射偏置电压作用下的光电二极管的基本输入电路如下：
光纤通信原理实验 一、实验目的： 1、了解光纤通信系统的工作原理； 2、了解光纤通信的基本特点； 3、通过波分复用解复用器件（WDM）实现双波长单纤单向音频视频通信传输； 二、光纤通信的发展过程： 到了20世纪中页，出身上海的英藉华人高锟（K.C.Kao）博士，通过在英国标准电信实验室所作的大量研究的基础上，对光波通信作出了一个大胆的设想。他认为，既然电可以沿着金属导线传输，光也应该可以沿着导光的玻璃纤维传输。并大胆地预言，只要能设法降低玻璃纤维的杂质，就有可能使光纤的损耗从每公里1000分贝降低到20分贝／公里，从而有可能用于通信。从此揭开了光纤通信的帷幕。光纤通信的发展过程如表1所示。 三、光纤通信优点： 1．光波频率很高，光纤传输的频带很宽，故传输容量很大，理论上可通上亿门话路或上万套电视，可进行图像、数据、传真、控制等多种业务；目前的通信材料主要电缆、波导管、微波和光缆，电缆、波导管、微波和光缆通信容量的对比如表2所示。可以看出光缆的通信容量远远大于其它的通信材料。 表2电缆、波导管、微波和光缆通信容量的对比
2．不受电磁干扰，保密性好；损耗小，中继距离远。光纤是由非金属的石英介质材料构成的，它是绝缘体，不怕雷电和高压，不受电磁干扰，甚至包括太阳风暴也影响不到光纤通信，2000年6月8日的太阳风暴，差点使俄罗斯的一颗导航卫星失去方向。太阳风暴还会造成人造卫星的短路，许多靠卫星传播的通信业务可能因此停顿。1998 年5月，美国银河4号卫星因受太阳风暴影响而失灵，造成北美地区80%的寻呼机无法使用，金融服务陷入脱机状态，信用卡交易也中断了，有试验表明，在核爆炸发生时，地球上所有的电通信将中断，而唯有光通信几乎不受影响；光纤中传输的是频率很高的光波，而各种干扰的频率一般都比较低，所以它不能干扰频率比它高的多的光波。打个比方说，光纤中的光波好比是在万丈高空飞行的飞机，任凭地上行驶的火车、汽车如何得多，也不会影响到它的飞行。 3．光纤材料来源丰富，可节约大量有色金属(如铜、铝)，且直径小、重量轻。相同话路的光缆要比电缆轻90%～95%(光缆重量仅为电缆重量的十分之一到二十分之一)，而直径不到电缆的五分之一。通21000话路的900对双绞线，其直径为3英寸，重量为8 吨/公里；通讯量为其十倍的光缆，直径仅0.5英寸，重量仅450磅/公里。 4．耐高温、高压、抗腐蚀，工作可靠等等优点就不一一罗列了。 四、光纤通信的原理： 光纤通信系统的工作原理如图1所示： 图1 光纤通信系统的工作原理
光纤通信原理试题＿1 参考答案 一、单项选择题（本大题共10小题，每小题1分，共10分） 在每小题列出的四个备选项中只有一个是符合题目要求的，请将其代码填写在题后的括号内。错选、多选或未选均无分。 1. 光纤通信指的是（ B ） A 以电波作载波、以光纤为传输媒介的通信方式； B 以光波作载波、以光纤为传输媒介的通信方式； C 以光波作载波、以电缆为传输媒介的通信方式； D 以激光作载波、以导线为传输媒介的通信方式。 2.已知某Si-PIN 光电二极管的响应度R 0＝0.5 A/W ，一个光子的能量为2.24×10－19 J ，电子电荷量为1.6×10 －19 C ，则该光电二极管的量子效率为（ ） A.40％ B.50％ C.60％ D.70％ R 0=e 错误！未找到引用源。 /hf 3.STM-4一帧中总的列数为（ ） A.261 B.270 C.261×4 D.270×4 4.在薄膜波导中，要形成导波就要求平面波的入射角θ1满足（ ） A.θc13<θ1<θc12 B.θ1=0° C.θ1<θc13<θc12 D.θc12<θ1<90° 5.光纤色散系数的单位为（ ） A.ps/km B.ps/nm C.ps/nm.km ? D.nm/ps?km 6.目前掺铒光纤放大器的小信号增益最高可达（ ） A.20 dB B.30 dB C.40 dB D.60 dB 7.随着激光器使用时间的增长，其阈值电流会（ ） A.逐渐减少 B.保持不变 C.逐渐增大 D.先逐渐增大后逐渐减少 8.在阶跃型（弱导波）光纤中，导波的基模为（ ） A.LP00 值为0 B.LP01 C.LP11为第一高次模 D.LP12 9.在薄膜波导中，导波的截止条件为（ ） A.λ0≥λC B.λ0<λC C.λ0≥0 D.λ0≤1.55μm 10.EDFA 在作光中继器使用时，其主要作用是（ ） A.使光信号放大并再生 ? B.使光信号再生 C.使光信号放大 D.使光信号的噪声降低 二、填空题（本大题共20小题，每小题1分，共20分） 请在每小题的空格中填上正确答案。错填、不填均无分。 1.根据传输方向上有无电场分量或磁场分量，可将光（电磁波）的传播形式分为三类：一为_TEM_波；二为TE 波；三为TM 波。 2.对称薄膜波导是指敷层和衬底的_折射率相同_的薄膜波导。 3.光学谐振腔的谐振条件的表示式为__错误！未找到引用源。______。q L c n 2= λ 4.渐变型光纤中，不同的射线具有相同轴向速度的这种现象称为_自聚焦_现象。 5.利用_光_并在光纤中传输的通信方式称为光纤通信。 6.在PIN 光电二极管中，P 型材料和N 型材料之间加一层轻掺杂的N 型材料，称为本征层（I ）层。 7. 光源的作用是将 电信号电流变换为光信号功率 ；光检测器的作用是将 光信号功
《光纤通信》教学大纲 一、课程描述 光纤通信是20世纪70年代开始发展起来的一种通信新技术。80年代以后，随着我国通信技术的迅速发展，光纤通信有了长足的发展，成为社会信息基础设施中不可缺少的一部分，广泛应用于各个领域。 《光纤通信》是结合光纤通信的发展，系统地介绍光纤通信系统的基本原理、基本概念、基本技术和基本分析设计方法，全面反映全光通信技术概貌的课程，为学生学习后续的光纤通信设备、光缆线路工程、综合布线工程、宽带接入技术及现代通信技术等通信专业课程奠定基础。 《光纤通信》是通信工程专业的一门专业任选课，包括光纤通信传输理论，光纤与光缆，光源与光发送机，光检测器与光接收机，无源光器件与集成光路，光纤系统中的信号传输和光纤通信系统等内容。先修课程是通信原理、信号与系统、高频电路。 二、课程目标 1、使学生掌握光纤通信的基本概念和基本原理，理解光发射机和光接收机的基本理论和特性。 2、理解和掌握光纤通信系统的构成、性能指标及光纤通信新技术。 三、课程内容和教学要求 这门学科的知识与技能要求分为知道、理解、掌握、学会四个层次。这四个层次的一般涵义表述如下： 知道——是指对这门学科的基本知识、基本理论的认知。 理解——是指运用已了解的基本原理说明、解释一些现象。 掌握——是指利用掌握的理论知识对一些较复杂的功能线路进行解释，说明其工作过程，估计有关参数。 学会——是指在利用仪表和工具完成对某些功能线路的设计、组装、参数测量，并根据理论知识计算相关参数，理论与实验作比较。能识别操作中的一般差错。 教学内容和要求表中的“√”号表示教学知识和技能的教学要求层次。
本标准中打“*”号的内容可作为自学，教师可根据实际情况确定要求或不布置要求。 教学内容及教学要求表
1.决定光纤通信中继距离的主要因素是( B ) A.光纤的型号 B.光纤的损耗和传输带 C.光发射机的输出功率 D.光接收机的灵敏度 2.弱导光纤中纤芯折射率n1和包层折射率n2的关系是( A ) A.n1≈n2 B.n1=n2 C.n1>>n2 D.n1< 光纤通信原理光纤传输原理图 光纤通信原理 光纤是光导纤维的简写，是一种利用光在玻璃或塑料制成的纤维 中的全反射原理而达成的光传导工具。掺铒光纤是在石英光纤中掺入了少量的稀土元素铒(Er)离子的光纤，它是掺铒光纤放大器的核心。从20世纪80年代后期开始，掺铒光纤放大器的研究工作不断取得重大的突破。WDM技术、极大地增加了光纤通信的容量。成为当前光纤通信中应用最广的光放大器件。 光纤放大器是光纤通信系统对光信号直接进行放大的光放大器件。在使用光纤的通信系统中，不需将光信号转换为电信号，直接对光信号进行放大的一种技术。掺铒光纤放大器(EDFA即在信号通过的纤芯中掺入了铒离子Er3 + 的光信号放大器)是1985年英国南安普顿大 学首先研制成功的光放大器，它是光纤通信中最伟大的发明之一。掺铒光纤放大器的工作原理： 铒光纤放大器主要是由一段掺铒光纤（长约10-30m）和泵浦光源组成。其工作原理是：掺铒光纤在泵浦光源（波长980nm或1480nm）的作用下产生受激辐射，而且所辐射的光随着输入光信号的变化而变化，这就相当于对输入光信号进行了放大。研究表明，掺铒光纤放大器通常可得到15-40db的增益，中继距离可以在原来的基础上提高 100km以上。那么，人们不禁要问：科学家们为什么会想到在光纤放大器中利用掺杂铒元素来提高光波的强度呢？我们知道，铒是稀土元素的一种，而稀土元素又有其特殊的结构特点。长期以来，人们就一直利用在我学器件中掺杂稀土元素的方法，来改善光学器件的性能，所以这并不是一个偶然的因素。另外，为什么泵浦光源的波长选在980nm或1480nm呢？其实，泵浦光源的波长可以是520nm、650nm、980nm、和1480nm，但证明波长980nm的泵浦光源激光效率最高，次之是波长1480nm的泵浦光源。 掺铒光纤放大器的基本结构： EDFA的基本结构，它主要由有源媒质(几十米左右长的掺饵石英光纤，芯径3-5微米，掺杂浓度(25-1000)x10-6)、泵浦光源(990或1480nm LD)、光耦合器及光隔离器等组成。信号光与泵浦光在铒光纤内可以在同一方向(同向泵浦)、相反方向(反向泵浦)或两个方向(双向泵浦)传播。当信号光与泵光同时注入到铒光纤中时，铒离子在泵光作用下激发到高能级上，三能级系统)，并很快衰变到亚稳态能级上，在入射信号光作用下回到基态时发射对应于信号光的光子，使信号得到放大。其放大的自发发射(ASE)谱，带宽很大(达20-40nm)，且有两个峰值分别对应于1530nm和1550nm。 掺铒光纤放大器的优点: 课程教案 （2015—2016学年第二学期） 课程名称：光纤通信 授课学时： 44学时 授课班级：电子信息工程13级 任课教师： 教案（首页） 第2章光纤与光缆 （一）教学内容： 基本光学定律和定义，光纤模式和结构，光纤波导传输的基本原理，圆波导的模式理论，单模光纤的基本原理，光纤材料和制造基本原理。 重点：光纤模式和结构，光纤波导传输的基本原理，单模光纤的基本原理，光 纤材料和制造基本原理。 难点：圆波导的模式理论 （四）概述 对光纤的结构和分类做简单介绍,对光纤的导光原理采用射线法和标量近似解法进行重点分析。对单模光纤的结构特点、主模及单模传输条件进行讨论。介绍光纤的传输特性及特殊光纤。 教学环节教学过程 引言 本章课程的讲授 在整个通信技术的发展中传输介质始终是人们需要不断研究和改进的课题，光通信从19世纪前就已得到应用，但由于没有找到合适的传输介质，使得光通信无法充分发挥其优点。1966年英籍华人科学家C.K.Kao发表论文提出可以利用纯度极高的石英玻璃作为传输煤质来传送光信号，从而拉开了光纤通信技术飞速发展的序幕（C.K.Kao博士也因此成就获得2009年Nobel物理学奖）。近半个世纪来，人们对光纤的结构、制造工艺不断改善，使得光纤的传输性能越来越优良，光纤已经成为现代长途干线网络信息传输的首选传输介质。 本章将对光纤进行详细的讨论，使学生对光纤通信课程建立较好的基本理解。 在讲授基本内容之前请学生回答自己对实际生活中所接触的光纤光缆的认识和理解，大家在什么地方用过光纤呢？家里或宿舍上网时信息是通过什么进行传输或如何进行传输的呢？通过提问对学生进行较好的引导，让学生上课时很快提高兴趣。 2.1 光纤的结构和分类 2.1.1 光纤的结构 光纤有不同的结构形式。目前，通信用的光纤绝大多数是用石英材料做成的横截面很小的双层同心玻璃体，外层玻璃的折射率比内层稍低。折射率高的中心部分叫做纤芯，其折射率为，直径为2a；折射率低的外围部分称为包层，其折射率为，直径为2b。 让学生自行思考为何要采用这种结构？提问！强调纤芯和包层的折射率很接近、差值不能太大。 采用芯包结构的目的： （1）进行全反射，减小散射损耗。 （2）增加纤芯的机械强度。 （3）保护纤芯不受外界的污染。 1 n 2 n 1.1966年由英籍华人高锟和霍克哈姆提出可以使用 光纤作为传输介质。 2.在光电二极管中只有入射波长λ< λ（>,<或=）的光入 c 射才能产生光电效应，所以 λ称为截止波长。 c 3.分析光纤中光的传输特性时有两种理论：射线光学理论和 波动光学理论。 4.光纤与光纤的连接方法有两大类：一类是活动连接，另 一类是固定连接。 5.单模传输条件是归一化参量满足归一化频率 V≤2.405 。 6.LED和LD在结构上的最大差异是：LD具有谐振腔。 7.光发送机主要由光源、驱动电路和辅助电路组成。 8.接收机中存在的噪声源可分为两类：散粒噪声和热噪声。 9.光放大器是基于受激辐射原理，实现入射光信号放大的 一种器件，其机制与激光器完全相同。 10.是无源器件的输入和输出端口之间的光功率之比。 A 插入损耗 B回波损耗 C反射系数 D偏振相关损耗 11.指利用高速光开关把多路光信号在时域里复用 到一路上的技术。[ B ] A 光波分复用技术 B 光时分复用技术 C 光频分复用技术 D 码分复用技术 12.若输入光发射机的信号全为“0”时，输出光发射机的平 均光功率为 P；输入信号全为“1”时，输出的平均光功率为 P，则消光比EXT的表达式是。[ C ] 1 A 0110lg P P B 00110lg P P P + C 1010lg P P D 10110lg P P P + 13. 波分复用光纤通信系统在发射端，N 个光发射机分别发 射 。 [ D ] A N 个相同波长的光信号，经过光波分复用器WDM 合到一 起，耦合进单根光纤中传输 B N 个不同波长的光信号，经过光波分复用器WDM 变为波 长相同的光信号，耦合进单根光纤中传输 C N 个相同波长的光信号，经过光波分复用器WDM 变为波 长不同的光信号，耦合进单根光纤中传输 D N 个不同波长的光信号，经过光波分复用器WDM 合到一 起，耦合进单根光纤中传输 14. 决定了光纤放大器所能放大的波长。 [ C ] A 光纤传导模式 B 光纤的衰减 C 掺杂到纤芯中的稀土离子的特性 D 光纤纤芯的直径 15. STM-4的速率约为 Mb/s 。 [ B ] A STM-1 155 B STM-4 622 C STM-16 2488 D STM-16 9953 16. 当使用雪崩光电二极管时，由于倍增过程的随机特性所产生 的附加噪声，称为 。[ ] A 散粒噪声 B 暗电流噪声 C 量子噪声 D APD 倍增噪声 19. 掺铒光纤放大器中泵浦光源的作用是 。[ ] A 叠加加强信号光 B 叠加削弱信号光 C 使掺铒光纤处于粒子数反转分布状态 D 对信号光进行调制 光纤通信原理复习要点提示 （2010年12月） 第一章光纤通信概述 本章主要掌握要点提示：①光纤通信的定义②组成。并了解其优点、发展史和发展趋势1．近代通信技术分为电通信和光通信两类。目前广泛使用的光通信方式是利用光纤传输光波信号。 2．光纤通信的容量通常用BL积来表示，其中B表示为比特率，L为：中继距离。3．画图：画出光纤通信系统的组成结构图，并简述系统中各部分的主要作用。 第二章光的性质 本章主要掌握要点提示：①光的吸收，色散n=f（λ）和散射；②激光 1．要产生激光，须选择传播方向和频率一定的某一光信号优先放大，而将其他方向和频率的光信号加以抑制。为了获得单色性、方向性都很好的激光，需要加入一个光学谐振腔。 2．电磁波是一种横波，横波指质点的振动方向与传播方向垂直的机械波。 3．色散是指介质的折射率n随光波波长λ而变化的现象。介质的折射率n是随着波长λ的增加而减小的称为正常色散。 4．激光形成的条件有：能实现粒子束反转的物质；泵浦和光学谐振腔。5．激光的模式有两种：纵模和横模，其是激光腔内与腔轴垂直的横截面内的稳定光场分布。6．当光通过不均匀介质时，会偏离原来的方向而向四周传播，这种现象称为光的： C 。 A. 吸收 B. 色散 C. 散射 D. 辐射 7．光与物质的作用实质上就是光与原子的相互作用，下列D 不属于光与原子的相互作用。 A. 受激吸收 B. 受激辐射 C . 自发辐射 D. 散射8．激光是通过 A 产生的。 A. 受激辐射 B. 自发辐射 C. 热辐射 D. 电流 第三章光纤 本章主要掌握要点提示：①光纤的结构，类型和各自的导光原理；②基膜LP01的概念，阶跃型光纤只传输基膜的条件；第一高阶模是指哪种标量模；③光纤的损耗特性，色散特性，传输带宽；④单模光纤 1．光纤的典型结构是多层同轴圆柱体，自内向外为：纤芯，包层和涂覆层。纤芯折射 n的高纯度二氧化硅。 率通常是折射率为 1 2．对于渐变型光纤，具有不同条件的子午射线，从同一地点出发，达到相同的终端。这种现象称为光纤的自聚焦。 3．光在光纤中传输时的衰减量可用光纤的损耗系数来表示，其单位为：dB/km 。 μ。 4．光纤通信中，石英光纤的三个低损耗窗口为： A m A. 0.85; 1.31; 1.55 B. 0.85; 1.27; 1.55 光纤通信原理 大家好，这节课由我给大家讲述光纤通信原理，那么，在上课之前，我们先来看看课题的字面意思，光纤通信原理，光纤、通信、原理；光纤，也就是一根根玻璃丝儿；通信，就是信息之间的相互交流与传递，那么光纤通信，说白了，就是以一根玻璃丝儿为媒介来进行信息沟通。好，下面我们来对光纤通信进行具体研究，本节课主要分为三大部分：第一、什么是光纤通信；第二、光纤通信的优点与应用；第三、光纤通信系统的基本组成。 一、什么是光纤通信 在讲光纤通信之前，我们先看看光通信发展的基本历史，在古代的时候，咱们中国人用“烽火台”报警，欧洲人用旗语传送信息，这些都可以看成是原始形式的光通信，在望远镜发明出来后，又极大地延长了这种目视通信的距离，这些是最原始的光通信。 时间到了19世纪，在1880年的时候，美国人贝尔发明了一种用光波做载波传送话音的“光电话”。最原始的电话，是用电流来作为传递信号的媒介，这种光电话说白了就是在语音通话的时候，抛开电线这个导体，直接用太阳光来作为传递声音的媒介。但是当时没有理想的光源，而且这种光电话的传送距离也很短，所以在当时并没有实际的价值。但是这种光电话仍然是一项伟大的发明，因为它证明了以光波作媒介的可行性。因此可以说贝尔发明的光电话是现代光通信的雏 形。 1960年，美国人梅曼发明了一台红宝石激光器，也就是说，梅曼发明了激光，这个激光的发现是给光通信带来了新的希望，因为激光和普通光相比，它的波谱宽度窄，方向性好，亮度也高，它的特性和无线电波相似，所以说激光是一种理想的载波媒介。激光器的发现，让沉睡了80多年的光通信进入了一个崭新的阶段。 但是，新的问题又来了，在利用光通信的时候不可能就一束光秃秃的激光在跑，得把它放在一个载体里面，那么这个载体是什么呢，一时半会儿还找不到，所以说光通信的发展又走入到了低谷里。 在1966年，英籍华裔学者高琨和霍克哈姆发表了一篇关于传输介质的论文，这篇论文指出了利用光纤进行信息传输的可能性和技术途径，这篇论文算是奠定了光纤通信的基础。光纤，就是石英纤维，也可以说是玻璃丝，如果用未经过加工的石英纤维做传输介质的话，损耗会非常大，达到1000dB\km；但是高琨的这篇论文提出了一个观点，如果把石英纤维里的铜离子和铁离子过滤掉，那么石英纤维的损耗会大大减少。 在1970年的时候，作为光纤通信用的光源也取得了实质性的进展。在美国的贝尔实验室成功研制出了双异质半导体激光器，由于光线和半导体激光器的进步，因此1970年是光纤发展的一个重要时间。 任何通信系统追求的最终技术目标都是要可靠的实现最大可能的 偏振模色散受限的最大理论传输距离 B 当比特率大于10Gbs 偏振模色散必须考虑降低光纤偏振模色散值 改进光纤的几何形状导致裸纤的旋转 10 PMD ps4 km 25 Gbs 10 Gbs 40 Gbs 30 180km llkm lkm 10 1600 km 100 km 6km 05 6400 km 400 km 25km 02 40000 km 2500 km 156km 光纤的光学及传输特 性参数之一------偏振模色散受限的最大理 论传输距离光纤的基本参数固有和非固有的偏振模色散原因包层 中心为椭圆包层偏心进入气体侧压涂层椭圆涂层偏心非固有 原因侧压弯曲扭曲光纤的光学及传输特性参数之一------偏振 模色散光纤的基本参数定义光纤作为单模光纤工作的最 短波长工作波长超过此波长时只能传输基模此时光纤为单模光纤工作波长低于此波长 时除基模外高次模也可传输此时光纤为多模光纤光纤的光学及 传输特性参数之一------截止波长光纤的基本参数弯曲损耗 宏观弯曲损耗是指光纤在以远远大于光纤外径的曲率半径弯曲时所 引入的附加损耗微观弯曲损耗是指光纤受到不均匀应力的 作用光纤轴产生的微小不规则弯曲所引入的附加损耗光纤的光学及 传输特性参数之一------弯曲损耗光纤的基本参数衰减系数 色散系数截止波长弯曲损耗 1310nm波长处036dBkm 1550nm 波长处022dBkm 1310nm波长处 0ps nmkm 1550nm波长处19ps nmkm cc1260nm 以75mm为直径松绕100圈1550nm波长处附加衰减005dB 光纤通信原理及技术 目录 引言 (1) 正文 (1) 第1章概述 (1) 1.1光纤通信的基本概念 (1) 1.1.1光纤通信的定义 (1) 1.1.2光纤通信发展过程 (1) 1.1.3光纤通信的优点 (2) 1.2光纤通信系统的构成及分类 (2) 1.2.1光纤通信系统的基本构成 (2) 1.2.2光纤通信系统分类 (2) 第2章光纤 (3) 2.1光纤基本的概念 (3) 2.1.1光纤基本结构 (3) 2.1.2光纤分类 (3) 2.1.3 光缆结构及类型 (3) 2.2 光纤传感原理 (4) 2.2.1 光纤传感器的优点 (4) 2.2.2光纤传感器的基本工作原理 (4) 2.3 光纤传感器的分类 (5) 2.3.1 光纤传感器的分类（三种方式） (5) 2.3.2 功能型光纤传感器 (5) 2.3.3 非功能型光纤传感器 (6) 2.3.4 强度调制型光纤传感器 (6) 2.3.5 偏振调制型光纤传感器 (7) 2.3.6 频率调制型光纤传感器 (7) 2.3.7 波长调制型光纤传感器 (8) 2.3.8 相位调制型光纤传感器 (8) 2.3.9 时分调制型光纤传感器 (8) 第3章光端机 (9) 3.1光端机的功能 (9) 3.2光端机基本组成 (9) 第4章复用技术 (9) 4.1光复用技术概述 (9) 4.2波分复用（WDM）的基本原理 (10) 4.3波分复用（WDM）系统结构 (10) 4.4波分复用系统优点 (10) 第5章同步数字系列（SDH） (10) 5.1 基本概念 (10) 5.2 SDH帧结构 (11) 第6章现代光纤网络 (11) 第7章未来的全光网络 (12) 第8章光纤通信技术的发展趋势 (12) 结束语 (13) 参考文献 (13) 引言 计算机的发明使得信息资源的利用更加有效，而网络技术的诞生又使信息资源的应用达到更加充分和完善的地步。信息全球化促进了经济全球化，经济全球化又推到了信息全球化。信息全球化中光纤通信以其独特的优越性，已经成为现代通信发展的主流方向，现在世界上绝大部分的通信业务都是采用光纤通信方式传送的。特别是，以光纤作为主要传输介质的互联网已遍布全球各地，没有光纤通信，就没有今天因特网（Internet）的巨大规模，现代信息社会的发展也就不可能这样快速。 第1章概述 1.1 光纤通信的基本概念 1.1.1光纤通信的定义 光纤通信是以光波作为传输信息的载波、以光纤作为传输介质的一种通信。光纤通信中用户通过电缆或双绞线与发送端和接收端相连，发送端将用户输入的信息（语音、文字、图形、图像等）经过处理后调制在光波上，然后入射到光纤内传送到接收端，接收端对收到的光波进行处理，还原出发送用户的信息并输送给接受用户。 根据光纤通信的以上特点，可以看出光纤通信归属于光通信和有线通信的范畴。 1.1.2光纤通信发展过程 大体说来，光纤通信的发展经历了以下四个阶段。 1.20世纪60年代的研究探索阶段 1966年英籍华人科学家高锟（Charles Kao）发表了名为“用于光频率的介质纤维表面波导”的论文，提出了用石英光纤做光波导进行光纤通信的新概念。该论文是打开现代光纤技术大门的钥匙，具有重要的指向性意义。 2. 20世纪70年代的技术起步阶段 一填空题 1光波属于电磁波范畴,包括、和。 2.目前实用通信光纤的基础材料是。 3.目前光纤通信采用比较多的系统形式是的光纤数字通信系统。 4.光发射机的主要作用是耦合进光纤。 5.光接收机的主要作用是将光纤送过来的光信号转换成电信号。 6.目前光纤通信的实用工作波长在近红外区，即波长区，对应频率。 7.目前光纤通信的三个实用窗口为、及。 8.在传播方向上既无电场分量也无磁场分量，称为。 9.在传播方向上有磁场分量但无电场分量，称为。 10.在传播方向上有电场分量但无磁场分量，称为。 11.光纤损耗的单位是。 12.单位长度光纤传输带宽的单位是。 13.光接收机中的重要部件是能够完成光/电转换任务的光电检测器，目前主要采用 和。 14.光发射机中的重要器件是能够完成电-光转换的半导体光源，目前主要采用 或。 15.光纤纤芯的折射率n1包层折射率n2。 16.按照光纤横截面折射率分布不同来划分，光纤可分为和。 17.按照纤芯中传输模式的多少来划分，光纤可分为和。 18.单模光纤的纤芯直径约为。 19.多模光纤的纤芯直径约为。 20.光缆的结构可分为、和三大部分。 21.影响光纤最大传输距离的主要因素是光纤的和。 22.光纤损耗包括：光纤的损耗，光纤与的耦合损耗，光纤之间的损耗等。 23.色散的大小用来表示。 24.色散的程度用时延差来表示，时延差越大，色散就会。 25.时延差的单位是。 26.单模光纤中的色散不存在，只有和。 27.光纤通信系统中，性能和性能是传输性能中的两个主要指标。 28.抖动的程度原则上可以用、、来表示，现在多数情况是用 。 29.抖动容限可分为容限和容限。 30.掺铒光纤放大器的英文缩写是。 31.渐变型光纤由于芯子中的折射指数n1是随半径r变化的，因此子午线是。 32.渐变型光纤靠原理将子午线限制在芯子中，沿轴线传输。 33.弱导波光纤中的光线几乎与光纤轴。 34.弱导波光纤中的光波是近似的。 35.在阶跃型光纤中，不论是子午线还是斜射线，都是根据原理，使光波在芯子和包层的界面上全反射，而把光波限制在中向前传播的。 36.导波传输常数的变化范围。 37.当时，电磁场能量不能有效地封闭在纤芯中，而向包层辐射，这种状态称为导波的临界状态。 光纤通信原理及应用 第一章绪论 1、光纤之父——英籍华人高锟 2、光纤通信系统的组成及优点。 答：光纤通信系统油光发射机、光接收机、光纤光缆以及其他连接和光处理器件等组成。与电缆或微波等电通信方式相比，光纤通信的优点如下：1）通信容量大,传输频带极宽；2)不受电磁干扰；3）投资省。 3、mB1C码是在mB码末尾插入一个反码，称C码。 第二章光纤与光缆 1、光纤的结构：从横截面看，自内向外为纤芯、包层和涂覆层。 2、光纤类型：折射率分为阶跃光纤和渐变光纤；按传输模式单模光纤和多模光纤；按材料分为石英系列、塑料包层石英纤芯、多成分玻璃纤维、全塑光纤。 3、阶跃光纤中有两种光射线：子午射线和斜射光线。 4、光纤损耗有吸收损耗和散射损耗。吸收损耗：1）本征吸收，有两个吸收带：紫外吸收带和红外吸收带。2）杂质吸收；3）原子缺陷吸收。散射损耗：在光纤通信中，影响较大的是光纤的本征散射损耗和非线性散射损耗。 5、光纤的色散：模式色散和模内色散。 6、四波混频（FWM）：是指两个或三个不同波长的光波混合后产生的新光波。在系统中，某与波长的入射光会改变光纤的折射率，从而在不同的频率处发生相位调制，产生新的波长。 7、光缆分类（敷设方式）：架空、管道、直埋、隧道、水底光缆。 8、按缆芯结构光缆分为：中心管式光缆、层绞式光缆和骨架试光缆。 第三章有源光器件及设备 1、光与物质相互作用分三种不同的过程：自发发射、受激吸收和受激辐射。1）自发发射的光是一种非相干光。2）受激吸收特点：是受激跃迁过程，没有多余能量放出。3）受激辐射特点：发射的是一种相干光。 2、激光器的组成部分与垫振荡器相似，即有放大系统、反馈系统、振荡回路。 3、LED基本原理：发光二极管（LED）利用正向偏压下的PN结在激活区中载流子的复合发出自发辐射的光，因此LED的出射光是一种非相互光，其谱线较宽（30mm~60mm），辐射角也较大。在低速率的数字通信和较窄带宽的模拟通信系统中，LED是可以选用的最佳光源，与半导体激光器相比，LED的驱动电路较为简单，并且产量高、成本低。发光二极管两种类型：正面发光型和侧面发光型。 4、PIN基本原理：当光从P区一侧入射，则光能量在被吸收的同时仍继续向N区一侧延伸吸收，在经过耗尽层时，由于吸收光子能量，电子从价带被激励到导带而产生电子空穴对（即光生载流子），并且在耗尽层空间电场作用下，分别向N型区和P型区相互逆方向作漂移运动，并形成电流。然而，在耗尽层以外的区域因为没有电场作用，所以由光电效应产生的电子空穴对，在扩散运动中相遇发生复合，从而消失。不过在扩散运动过程中，也有些扩散距离长的电子空穴将进入耗尽层，在耗尽层和空间电场的作用下进入对方区域。于是在P 区和N区两端之问产生与被分隔开的电子和空穴数量成正比的电压。若与外电路连通，这些电子就可经外部电路与空穴复合形成电流。 5、APD基本原理：雪崩光电二极管是考虑PN结承受反向高电压的特点而设计的器件。当雪崩光电二极管外加反向高压（一般为十几或几百伏）时，其PN结形成一个强电场区域，在高场区内的光生载流子被强电场加速，于是与晶格的原子发生碰撞电离，将价带的电子激发到导带，产生新的电子——空穴对。新的载流子与原来的载流子一起再被强电场加速，再次发生碰撞电离而获得新的载流子，如此重复进行，使强电场区域的载流子成倍增加，而产生雪崩现象（即雪崩倍增效应），形成倍增的电流。 6、声光调制：声和光的相互作用是声光调制的物理基础，这种作用表现为光波被介质中超声波衍射或散射，即发生声致光衍射。当调制信号变化时，由于压电效应，使压电晶体产生机械振动形成超声波。超声波在声光介质中传播时引起介质密度发生疏密替换的变化，使介质折射率发生变化，进而形成一个变化的衍射光栅，光栅的条纹间隔等于声波波长。当光波通过此介质时，将被介质中的弹性波衍射，衍射光的强度、频率、方向等都随超声波场变化，结果使光波受到调制。 7、光发射机：光源和电路。电路功能：线路编码、光的调制、光源驱动、光功率控制、其他保护监测功能。 光纤通信原理参考答案 第一章习题 1-1 什么是光纤通信 光纤通信是利用光导纤维传输光波信号的通信方式。 1-2 光纤通信工作在什么区，其波长和频率是什么 目前使用的通信光纤大多数采用基础材料为SiO2的光纤。它是工作在近红外区，波长为～μm，对应的频率为167～375THz。 1-3 BL积中B和L分别是什么含义 系统的通信容量用BL积表示，其含义是比特率—距离积表示，B为比特率，L为中继间距。 1-4 光纤通信的主要优点是什么 光纤通信之所以受到人们的极大重视，是因为和其他通信手段相比，具有无以伦比的优越性。主要有： (1) 通信容量大 (2) 中继距离远 (3) 抗电磁干扰能力强，无串话 (4) 光纤细，光缆轻 (5) 资源丰富，节约有色金属和能源。 光纤还具有均衡容易、抗腐蚀、不怕潮湿的优点。因而经济效益非常显着。 1-5 试画出光纤通信系统组成的方框图。 一个光纤通信系统通常由电发射机、光发射机、光接收机、电接收机和由光纤构成的光缆等组成。 1-5 试叙述光纤通信的现状和发展趋势。 略 第二章习题 2-1 有一频率为Hz 13 103?的脉冲强激光束，它携带总能量W=100J ，持续 时间是τ=10ns(1ns=10-9s)。此激光束的圆形截面半径为r=1cm 。 求： (1) 激光波长； (2) 平均能流密度； (3) 平均能量密度； (4) 辐射强度； （1）m c 5 13 81010 3103-=??==νλ （2）2132 29/1018.3) 10(1010100 ms J S W S ?=???=?= --πτ （3）s m J c S w 2 5813/1006.110 31018.3?=??== （4）2 13 /1018.3ms J S I ?== 2-2 以单色光照射到相距为0.2mm 的双缝上，双缝与屏幕的垂直距离为1m 。 （1） 从第一级明纹到同侧旁第四级明纹间的距离为7.5mm ，求单色光的波长； （2） 若入射光的波长为6×10-7m ，求相邻两明纹间的距离。 （1）λδk D ax ±== a D x λ=1 a D x λ44= a D x x λ 314=- m D x x a 7141053) (-?=-= λ （2）m a D x 3103-?==?λ光纤通信原理光纤传输原理图
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