光纤通信 第九章

《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％。

全书习题参考答案第1章概述1.1 填空题（1）光导纤维（2）掺铒光纤放大器(EDFA) 波分复用(WDM) 非零色散光纤(NIDSF) 光电集成(OEIC)（3）0.85µm 1.31µm 1.55µm 近红外（4）光发送机 光接收机 光纤链路（5）光纤 C=BW×log2(1+SNR) 信道带宽（6）大 大（7）带宽利用系数（8）可重构性可扩展性透明性兼容性完整性生存性1.2 解：利用光导纤维传输光波信号的通信方式称为光纤通信。

即以光波为载频，以光纤为传输介质的通信方式称为光纤通信。

1.3 解：（1）传输频带宽，通信容量大（2）传输距离长（3）抗电磁干扰能力强，无串音（4）抗腐蚀、耐酸碱（5）重量轻，安全，易敷设（6）保密性强(7) 原料资源丰富1.4 解：在光纤通信系统中，最基本的三个组成部分是光发送机、光接收机和光纤链路。

光发送机由电接口、驱动电路和光源组件组成。

其作用是将电信号转换为光信号，并将生成的光信号注入光纤。

光接收机是由光检测器组件、放大电路和电接口组成。

其作用是将光纤送来的光信号还原成原始的电信号。

光纤链路由光纤光缆、光纤光缆线路(接续)盒、光缆终端盒、光纤连接器和中继器等构成。

光纤光缆用于传输光波信息。

中继器主要用于补偿信号由于长距离传送所损失的能量。

光缆线路盒：将光缆连接起来。

光缆终端盒：将光缆从户外引入到室内，将光缆中的光纤从光缆中分出来。

光纤连接器：连接光纤跳线与光缆中的光纤。

1.5解：“掺铒光纤放大器(EDFA)+波分复用(WDM)+非零色散光纤(NIDSF)+光电集成(OEIC)”正成为国际上光纤通信的主要发展方向。

1.6 解：第一阶段（1966~1976年），实现了短波长（0.85µm）、低速（45或34 Mb/s）多模光纤通信系统，无中继传输距离约10km。

第二阶段（1976~1986年），光纤以多模发展到单模，工作波长以短波（0.85um）发展到长波长，实现了波长为1.31µm、传输速率为140~165Mb/s的单模光纤通信系统，无中继传输距离为50~100km。

光纤知识点（5-9章）第五章知识点1.数字传输体制有两种：是不同的传输体制协议。

SDH（同步数字传输体制）PDH（准同步数字传输体制）2. SDH对模型的下列几个方面做了规定：（1）网络节点接口（2）同步数字体系的速率（3）帧结构。

（1）网络节点接口传输设备：光缆传输系统设备；微波传输系统设备；卫星传输系统设备。

网络节点：只有复用功能（简单）；复用、交叉连接多种功能（复杂）。

（2）速率：同步传输模块：STM-N，N＝1、4、16 等。

STM-1 155.520Mbit/s 155Mbit/sSTM-4622.080Mbit/s 622Mbit/sSTM-16 2488.320Mbit/s 2.5Gbit/sSTM-64 9953.280Mbit/s 10Gbit/sSTM-256 39813.12Mbit/s 40Gbit/s（3）帧结构：SDH 帧为块状帧结构，共有9 行，270 列，以字节为单位。

一个STMN 帧有9 行，每行由270×N 个字节组成。

这样每帧共有9×270×N 个字节，每字节为8 bit。

帧周期为125μs，即每秒传输8000 帧。

对于STM1 而言，传输速率为9×270×8×8000=155.520 Mb/s 。

字节发送顺序为：由上往下逐行发送，每行先左后右。

（结构图见书127页，重点）3.STM-N 帧包括三个部分：SOH、AU-PTR、PAYLOAD（结构图见书127页，重点）（1）段开销SOH：RSOH，再生段开销：1～3 行。

MSOH，复用段开销：5～9 行。

区别：监管范围不同。

如：若光纤上传输2.5G 信号，RSOH 监控STM-16 整体的传输性能。

MSOH 监控每一个STM-1 的传输性能。

（2）管理指针AU-PTR：指示净负荷PAYLOAD 中信息的起始字节位置，便于接收端从正确的位置分解出有效传输信息。

《光纤通信技术》课程教学大纲、教案、课程日历第一章：光纤通信概述1.1 光纤通信的定义和发展历程1.2 光纤通信的优势和局限性1.3 光纤通信的应用领域1.4 光纤通信的发展趋势第二章：光纤的基础知识2.1 光纤的组成和结构2.2 光纤的种类和特性2.3 光纤的传输原理2.4 光纤的耦合和衰减第三章：光纤通信系统的组成3.1 光源和光发射器3.2 光接收器和解调器3.3 光放大器和光纤放大器3.4 光波分复用器和光开关第四章：光纤通信系统的性能评估4.1 系统性能指标4.2 信道容量和误码率4.3 系统噪声和损耗4.4 系统优化和升级第五章：光纤通信技术的应用5.1 光纤通信在通信领域的应用5.2 光纤通信在数据传输中的应用5.3 光纤通信在有线电视中的应用5.4 光纤通信在互联网和数据中心中的应用第六章：光纤通信系统的传输技术6.1 直接序列扩频传输技术6.2 频率分割复用传输技术6.3 时间分割复用传输技术6.4 波长分割复用传输技术第七章：光纤通信系统的网络架构7.1 点对点光纤通信网络7.2 星型光纤通信网络7.3 环型光纤通信网络7.4 光纤通信网络的规划和设计第八章：光纤通信系统的保护与恢复8.1 光纤通信系统的保护技术8.2 光纤通信系统的恢复技术8.3 故障检测与定位技术8.4 系统冗余设计第九章：光纤通信技术的最新进展9.1 光量子通信技术9.2 光纤激光器技术9.3 光纤传感器技术9.4 光纤通信技术的未来发展趋势第十章：实验与实践10.1 光纤通信系统的基本实验10.2 光纤通信系统的性能测试与评估10.3 光纤通信网络的搭建与维护10.4 实际案例分析与讨论第十一章：光纤通信系统的维护与管理11.1 光纤通信设备的维护与管理11.2 光纤通信网络的监测与维护11.3 光纤通信系统的安全与保护11.4 光纤通信技术的标准化与规范第十二章：光纤通信技术在特定领域的应用12.1 光纤通信在军事通信领域的应用12.2 光纤通信在航空航天领域的应用12.3 光纤通信在海洋探测领域的应用12.4 光纤通信在医疗健康领域的应用第十三章：光纤通信技术的国际化发展13.1 国际光纤通信技术的标准与协议13.2 跨国光纤通信网络的构建与运营13.3 国际合作与竞争在光纤通信领域的影响13.4 光纤通信技术在全球范围内的普及与发展第十四章：光纤通信技术的创新与研发14.1 新型光纤材料与技术的研发14.2 光纤通信设备的创新设计14.3 光纤通信系统的智能化与自动化14.4 光纤通信技术在未来的挑战与机遇第十五章：课程总结与展望15.1 光纤通信技术课程回顾15.2 光纤通信技术的关键问题和挑战15.3 光纤通信技术的未来发展趋势15.4 学生实践和研究的方向与建议重点和难点解析本文档详细介绍了《光纤通信技术》课程的教学大纲、教案和课程日历，涵盖了光纤通信的概述、基础知识、系统组成、性能评估、应用领域、传输技术、网络架构、保护与恢复、最新进展、实验与实践、维护与管理、特定领域应用、国际化发展、创新与研发以及课程总结与展望等十五个章节。

光纤通信，是指将要传送的语音、图像和数据信号等调制在光载波上，以光纤作为传输媒介的通信方式1.本征：是光纤的固有损耗，包括：瑞利散射，固有吸收等。

2.弯曲：光纤弯曲时部分光纤内的光会因散射而损失掉，造成的损耗。

3.挤压：光纤受到挤压时产生微小的弯曲而造成的损耗。

4.杂质：光纤内杂质吸收和散射在光纤中传播的光，造成的损失。

5.不均匀：光纤材料的折射率不均匀造成的损耗。

6.对接：光纤对接时产生的损耗，如：不同轴(单模光纤同轴度要求小于0.8μm)，端面与轴心不垂直，端面不平，对接心径不匹配和熔接质量差等。

7.多模光纤：中心玻璃芯教粗(50或62.5μm)，可传多种模式的光。

但其模间色散较大，这就限制了传输数字信号的频率，而且随距离的增加会更加严重。

例如：600MB/KM的光纤在2KM时则只有300MB的带宽了。

因此，多模光纤传输的距离就比较近，一般只有几公里。

8.单模光纤：中心玻璃芯教细(芯径一般为9或10μm)，只能传一种模式的光。

因此，其模间色散很小，适用于远程通讯，但其色度色散起主要作用，这样单模光纤对光源的谱宽和稳定性有较高的要求，即谱宽要窄，稳定性要好9.常规型光纤：光纤生产长家将光纤传输频率最佳化在单一波长的光上，如1300μm。

10.色散位移型光纤：光纤生产长家将光纤传输频率最佳化在两个波长的光上，如：1300μm和1550μm。

11.突变型光纤：光纤中心芯到玻璃包层的折射率是突变的。

其成本低，模间色散高。

适用于短途低速通讯，如：工控。

但单模光纤由于模间色散很小，所以单模光纤都采用突变型。

12.渐变型光纤：光纤中心芯到玻璃包层的折射率是逐渐变小，可使高模光按正弦形式传播，这能减少模间色散，提高光纤带宽，增加传输距离，但成本较高，现在的多模光纤多为渐变型光纤。

13.电发射端机主要任务是PCM编码和信号的多路复用。

多路复用是指将多路信号组合在一条物理信道上进行传输，到接收端再用专门的设备将各路信号分离出来，多路复用可以极大地提高通信线路的利用率。

1．光纤通信的优缺点各是什么？答：优点有：带宽资源丰富，通信容量大；损耗低，中继距离长；无串音干扰，保密性好；适应能力强；体积小、重量轻、便于施工维护；原材料来源丰富，潜在价格低廉等。

缺点有：接口昂贵，强度差，不能传送电力，需要专门的工具、设备以及培训，未经受长时间的检验等。

2．光纤通信系统由哪几部分组成？各部分的功能是什么？答：光纤通信系统由三部分组成：光发射机、光接收机和光纤链路。

光发射机由模拟或数字电接口、电压—电流驱动电路和光源组件组成。

光源组件包括光源、光源—光纤耦合器和一段光纤（尾纤或光纤跳线）组成。

模拟或数字电接的作用是实现口阻抗匹配和信号电平匹配（限制输入信号的振幅）作用。

光源是LED或LD，这两种二极管的光功率与驱动电流成正比。

电压—电流驱动电路是输入电路与光源间的电接口，用来将输入信号的电压转换成电流以驱动光源。

光源—光纤耦合器的作用是把光源发出的光耦合到光纤或光缆中。

光接收机由光检测器组件、放大电路和模拟或数字电接口组成。

光检测器组件包括一段光纤（尾纤或光纤跳线）、光纤—光检波器耦合器、光检测器和电流—电压转换器。

光检测器将光信号转化为电流信号。

常用的器件有PIN和APD。

然后再通过电流—电压转换器，变成电压信号输出。

模拟或数字电接口对输出电路其阻抗匹配和信号电平匹配作用。

光纤链路由光纤光缆、光纤连接器、光缆终端盒、光缆线路盒和中继器等组成。

光纤光缆由石英或塑料光纤、金属包层和外套管组成。

光缆线路盒：光缆生产厂家生产的光缆一般为2km一盘，因而，如果光发送与光接收之间的距离超多2km时，每隔2km将需要用光缆线路盒把光缆连接起来。

光缆终端盒：主要用于将光缆从户外（或户内）引入到户内（或户外），将光缆中的光纤从光缆中分出来，一般放置在光设备机房内。

光纤连接器：主要用于将光发送机（或光接收机）与光缆终端盒分出来的光纤连接起来，即连接光纤跳线与光缆中的光纤。

3．假设数字通信系统能够在高达1%的载波频率的比特率下工作，试问在5GHz的微波载波和 1.55μm的光载波上能传输多少路64kb/s的音频信道？解：根据题意，求得在5GHz的微波载波下，数字通信系统的比特率为50Mb/s，则能传输781路64kb/s的音频信道。

光纤通信课后习题解答-第9章参考答案思考题参考答案1、SDH帧由哪⼏部分组成？SDH有哪些显著特点？答：SDH帧由净负荷，管理单元指针和段开销三部分组成。

SDH主要优点有：⾼度标准化的光接⼝规范、较好的兼容性、灵活的分插功能、强⼤的⽹络管理能⼒和强⼤的⾃愈功能。

其缺点有：频带利⽤率不如PDH⾼、设备复杂性增加、⽹管系统的安全性能要求⾼。

2、根据帧结构，计算STM-1、STM-4的标称速率。

解：STM-1的标称速率：⼀帧的⽐特数：9×270×8＝19440（⽐特），传送⼀帧所⽤时间为125µs，故标称速率为：19440/(125×10－6)＝155520（kb/s）。

STM-4的标称速率：STM-4帧为9⾏，270×4列，传送⼀帧所⽤时间为125µs。

可以看出STM-4的列数是STM－1的4倍，其余都⼀样，所以：STM －4的标称速率为：155520×4＝622080（kb/s）3、STM-N帧长、帧频、周期各为多少？帧中每个字节提供的通道速率是多少？答：STM-N帧长为9×270N×8⽐特，帧频8000帧/秒，周期为125µs。

帧中每个字节提供的通道速率为：8⽐特/帧×8000帧/秒＝64kb/s。

4、段开销分⼏部分？每部分在帧中的位置如何？作⽤是什么？答：段开销分为再⽣段开销和复⽤段开销两部分。

再⽣段开销位于STM-N帧中的1~3⾏的1~9×N列，⽤于帧定位，再⽣段的监控、维护和管理。

复⽤段开销分布在STM-N帧中的5~9⾏的1~9×N列，⽤于复⽤段的监控、维护和管理。

5、管理单元指针位于帧中什么位置？其作⽤是什么？答：管理单元指针存放在帧的第4⾏的1~9×N列，⽤来指⽰信息净负荷的第⼀个字节在STN-N帧内的准确位置，以便正确地分出所需的信息。

6、简述2.048Mbit/s信号到STM-1的映射复⽤过程。

第一章习题1-1 什么是光纤通信? 目前使用的通信光纤大多数采用基础材料为SiO 2的光纤,它是工作在电磁波的哪个区?波长范围是多少?对应的频率范围是多少? 光纤通信是利用光导纤维传输光波信号的通信方式。

目前使用的通信光纤大多数采用基础材料为SiO 2的光纤。

它是工作在近红外区，波长为0.8～1.8μm ，对应的频率为167～375THz 。

1-2 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。

1-3 通信系统的容量用BL 积表示，B 和L 分别是什么含义?系统的通信容量用比特率—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。

(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著。

1-5 请查阅最新资料论述光纤通信的发展趋势。

略第二章习题2-1 一个频率为Hz 的光14106⨯源，其发射功率为10W ，它一秒内发射多少个光子? 解：191434141052.210610626.610106,10⨯=⨯⨯⨯==⨯==-ννh P N HzW P2-2 如下两种光纤，临界角满足什么条件可以保持光在纤芯中传播? （1） 对于石英光纤，纤芯的折射率48.11=n ，包层的折射率46.12=n 。

（2） 对于塑料光纤，纤芯的折射率495.11=n ，包层的折射率402.12=n 。

解：由 12sin n n c =ϑ 得 121sin n n c -=ϑ （1）︒==-57.8048.146.1sin1c ϑ （2）︒==-94.73495.1402.1sin 1c ϑ2-3 一单色光垂直照在厚度均匀的薄油膜上。