CH21-第二十一讲光纤通信之系统的设计

光通信系统课程设计一、课程目标知识目标：1. 理解光通信系统的基本概念、组成原理及工作方式；2. 掌握光纤的类型、特性以及在不同光通信系统中的应用；3. 了解光发射器、光接收器的工作原理及其在光通信系统中的作用；4. 熟悉光通信系统中常用的信号调制、解调技术及其特点。

技能目标：1. 能够分析光通信系统的性能指标，并进行简单的系统设计；2. 学会使用光功率计、光纤熔接机等实验设备，进行光通信实验操作；3. 能够运用所学知识，解决实际光通信系统中的简单问题。

情感态度价值观目标：1. 培养学生对光通信技术及其应用的兴趣，激发学生的创新精神；2. 增强学生的团队合作意识，培养学生在实验、讨论等环节的沟通协作能力；3. 使学生认识到光通信技术在现代社会中的重要性，增强学生的社会责任感。

本课程针对高中年级学生，结合光通信系统的知识深度，旨在培养学生的理论知识和实践技能。

课程性质为理实一体化，注重理论教学与实验操作的相结合。

在教学过程中，关注学生的个体差异，充分调动学生的主观能动性，确保课程目标的实现。

通过本课程的学习，使学生具备光通信领域的基本素养，为后续相关课程的学习打下坚实基础。

二、教学内容1. 光通信系统概述- 光通信的发展历程- 光通信系统的基本组成与分类- 光通信系统的优缺点分析2. 光纤与光缆- 光纤的类型、结构及特性- 光缆的组成、分类及应用- 光纤的传输原理及损耗因素3. 光发射器与光接收器- 光发射器的工作原理与性能指标- 光接收器的工作原理与性能指标- 常见光发射器与光接收器的类型及应用4. 光通信信号调制与解调技术- 光通信信号的调制方法- 常见光调制技术的原理与特点- 光解调技术的实现方法及性能指标5. 光通信系统性能分析及实验操作- 光通信系统性能指标及其计算方法- 光通信实验设备的认识与操作- 光通信实验项目的设计与实施本教学内容依据课程目标，结合教材章节进行组织，注重科学性和系统性。

01
更宽频带：光纤通信系 统正在向更宽频带的方 向发展，以满足各种不 同应用的需求。
03
02
更长距离：光纤通信系 统正在向更长距离的方 向发展，以满足全球范 围内的通信需求。
04
更智能化：光纤通信系 统正在向更智能化的方 向发展，以满足网络管 理和维护的需求。
光纤通信系统的挑战与机遇
D
机遇：光纤通信技术不断发展，未来应用前景广阔
03
力、振动等物理量 光纤激光器：用于医疗、科研、
04
工业等领域的高精度激光设备
团队协作：鼓励学生组成团队，共同完成光纤 通信系统的设计和实施，培养团队协作能力。
光纤通信系统的研究方法
01
理论研究：研究光纤通信系 统的原理、技术、应用等
03
仿真研究：利用计算机仿真 技术，模拟光纤通信系统的 运行情况
05
跨学科研究：结合其他学科 的知识和技术，提高光纤通 信系统的性能和可靠性
02
光纤通信系统广泛应用于电信、互 联网、广播电视等领域。
光纤通信系统的组成
01
光源：产生光信号的设备，如激光 器或发光二极管
02
光纤：传输光信号的介质，如单模 光纤或多模光纤
03
光信号处理设备：对光信号进行放 大、调制、解调等处理的设备，如 光放大器、光调制器、光解调器等
05
网络设备：实现光纤通信系统互联 互通的设备，如交换机、路由器等
C 挑战：光纤网络的建设和维护成本较高
B 机遇：高速传输、大容量、长距离传输等优势
A 挑战：光纤损耗、传输距离、信号衰减等问题
光纤通信系统的教学策略
理论与实践相结合：讲解光纤通信系统的基本 原理，并让学生动手实践操作。

微波
可见 红外 光
传
AM无线电 FM无线电 卫星/微波
光纤
输
同轴电缆
介
质
双铰线
107 106 105 104 103 102 101 100 10-1 10-2 10-3 10-4 10-5 10-6
自由空间波长（m）
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光纤通信系统
7
的变化
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光纤通信系统
8
理论上光纤通信可容纳：
电话：7.5亿路
电视：30万路
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光纤通信系统
9
光纤通信的发展历程
• 原始光通信阶段； • 近代实验探索阶段； • 系统实验及实用化阶段。
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光纤通信系统
10
பைடு நூலகம்
原始光通信
光通信是一种古老的信息传递方式，
也是一种被普遍使用的信息交流方法。 中国古代边防报警的烽火台的烟火、 古埃及的烽烟塔、美洲印第安人利用 烟火传递信息等都是原始性的一种光 通信。这些都是用可见光进行的视觉 通信，传输效率非常低，不能称得上 是完全意义上的光通信。
15
两个关键技术的提出
• 合适的光源； • 传输介质：
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光纤通信系统
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光源
• 1960年7月8日，美国科学家梅曼 (T.H.Maiman)发明了世界上第一台红宝石 激光器；
• 1970年，贝尔实验室的林彦雄成功研制 了在室温下连续工作的半导体激光器， 体积较小，耗电少，能直接用于电流调 制，使用方便。
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光纤通信系统
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光纤
• 1854年，就认识到光纤导光传播 的基本原理—全内反射;

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因为包层折射率低于纤芯,所以包层中传输的光功 率会快于纤芯中传输的光功率。波导色散的大小取 决于光纤的结构。
在多模光纤中,波导色散通常能够忽略;而在 单模光纤中,波导色散的影响很明显。
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偏振模色散： 单模光纤中光信号有两个正交的偏振态或偏振
模式。由于光纤的材料不完全均匀,两个偏振态之 间会产生微小的折射率差,每个偏振态的传播速度 会有微小的不同，造成脉冲展宽。
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色散容限： 光纤中光信号传输，其脉冲的前沿和后沿存在红移和 蓝移，导致脉冲前后沿的传输速度不一样，从而导致 经过长距离传输后信号展宽直至无法判决甚至无法恢 复。普通单模光纤在1550nm处色散为17ps/nm/km，光 信号经长距离光纤传输，受色散影响，通常表现在接 收端的灵敏度下降，工程上以灵敏度和背对背相比下 降2dB为色散容限，即承受多大的色散影响会导致系 统接收端灵敏度下降2dB。
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（1）玻璃组成中的原子缺陷 玻璃结构中的分子缺损、原子团高密度聚集、氧原子
缺损等等。 值得注意的是：辐照条件会增加原子缺陷
（2）杂质吸收 由于一般光纤中含有铁、镍、铜、锰、铬、钒、铂等过
渡金属和水的氢氧根离子，这些杂质造成的附加吸收损耗称 为杂质吸收。
金属离子含量越多，造成的损耗就越大。降低光纤材料 中过渡金属的含量可以使其影响减小到最小的程度（目 前，光纤中杂质吸收主要由于水的氢氧根离子的振动） 。
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色散概述
能够引起畸变的色散包括：模式色散、模内色散、偏 振模色散和高阶色散。 (1)模间时延（模式色散）：只出现在多模光纤中。模 式时延的产生是由于每个模式在每个单一频率都有不 同的群速度。 群速度,是指光纤中某一特定模式的能量传播速度。 (2)模内色散（色度色散）：是指在一个单独的模式内 发生的脉冲展宽。产生这种展宽是因为光源所发射光 有一定的谱宽,而群速度是波长的函数,因而也称为群 速度色散（GVD)。