光纤通信-教案

引言
本 章 课 程 2.1 光纤的结构和分类 的讲授 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 n1 ，直径为 2a；折射率低的外围部分称为包层，其折射率为 n2 ，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。
ELP Elm (r, )e j (t z )
当 l 0且m 1 时成为主模。 引入 V 参数以及模式截止频率
当 V 2.405 时可实现单模输出。
2.3 光纤的损耗与色散
V
2 a
n
2 1
2 n2
12

2 a
n1 2
2 a

NA
此部分内 容需要学 生重点掌 握并会灵 活应用
课
程
教
案
（ 2015—2016 学年第 二 学期）
课 程 名 称： 授 课 学 时： 授 课 班 级： 任 课 教 师：
光纤通信 44 学时 电子信息工程 13 级
教案（首页）
课程编号 课程名称 51610116 光纤通信 授课 班级 电子信息工程 13 级 学生 人数 124
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（） 理论（）实验（）实习（） 44 课堂讲授 36 学时； 《光纤通信》 考核方式 学 分 考试（） 考查（） 2.5
授课方式 课程总学时 学时分配 教材名称
实践课程 8 学时
１、刘增基等编著《光纤通信》 ，西安电子科技大学出版社， 2002。 教 ２、 杨祥林等编著 《光纤通信系统》 ， 国防工业出版社， 2000。 学 参 考 书 ３、Gerd Keiser 著，李玉权等译 《光纤通信》电子工业出 版社，2002。 4、顾畹仪等编著《光纤通信系统》 ，北京邮电大学出版社， 1999。
教学环节
教学过程
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。
对光纤的基本要求是，使从发射端光源耦合的光功率和达到接 受端检测器的光功率最佳，通过光纤信号产生的畸变最小。具体的 设计要根据使用条件进行折衷 （1）衰减 在选定的波长， 衰减要足够小， 以买组接受端所要求的光功率， 要考虑连接器、接头和耦合器的损耗和系统工作所需要的余量。为 此，要正确选择工作波长和光纤类型。 （2）耦合损耗 它包括光源耦合损耗和检测器耦合损耗。纤芯尺寸和数值孔径 大，可减小光源的耦合损耗，适合于采用发光管（ LED）的系统。 丹药增加检测器耦合损耗，并和增大光纤带宽相矛盾。纤芯尺寸和 数值孔径邀足够小， 使出射光完全落在检测器上， 以减小耦合损耗。
起，很难截然分开。为了强每一种色散的概念讨论清楚，把光纤分 成三种情况：即材料为无穷大、单模光纤和多模光纤，分别讨论各 种色散特征。 色散曲线如下所示：
（1）无界材料中的色散 在无穷大的材料中，不存在模式的问题，只有材料色散。 材料色散是由于材料本身的折射率随频率变化而变化，使得 信号各频率成分的群速不同引起的色散 （2）单模光纤的色散 由于单模光纤中只有基模传输，因此，不存在模式色散，只有 材料色散和波导色散。 （3）多模光纤的色散 当光纤的归一化频率 V > 2.40483 以后，单模传输条件破坏，将有 多个导波模式传输，V 值越大，模式越多，这样，出了材料色散和 波导色散以外，还有模式色散。在多模光纤中，一般模式色散占主 要地位。 所谓模式色散，是指光纤不同模式在同一频率下的相位常数不 同，因此群速不同而引起的色散。它是光纤中传输的最高模式与最 低模式之间的时延差来表示的。
2. 按照传输模式的多少来分 所谓模式，实际上上电磁场的一种场型结构分布形式。模式不 同，其场型结构不同。根据光纤中传输模式的数量，可分为单模光 纤和多模光纤。
（1）单模光纤 光纤中只传输单一模式时，叫做单模光纤。单模光纤的纤芯直 径较小，约为 4 ~10 m ，通常，纤芯中折射率的分布认为是均匀分 布的。由于单模光纤只传输基模，从而完全避免了模式色散，使传 输带宽大大加宽。因此，它适用于大容量、长距离的光纤通信。 （2）多模光纤 多模光纤的纤芯直径约为 50 m ，由于模色散的存在使多模光 纤的带宽变窄，但其制造、耦合、连接都比单模光纤容易。 适合对传输特性要求较低的应用场合。
纤材料和制造基本原理。
难点：圆波导的模式理论 （三）学时
教学环节 讲课 课程内容 光纤的结构和分类 光纤的导光原理 单模光纤、光纤的传输特性 光纤的非线性效应、光纤制造 学时 2 2 2 2 2 2 2 2 习题课 小 计
（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。
2.3.3 光纤的非线性 光纤的非线性效应在传输速率超过 40 Gb s 表现尤为明显，主 要分成了三大类： 1.受激光散射 （1）受激拉曼散射（SRS） 基于拉曼效应，该原理可在后续拉曼放大器中得到应用。向学 生强调这一点。 （2）受激布里渊散射（SBS） 2.相位调制 （1）交叉相位调制（XPM） （2）自相位调制（SPM） 3.四波混频（FWM） FWM 在波分复用系统中尤其需要关注，尽可能减小其对整个系 统的影响。但在有些场合 FWM 可以作为较好的技术进行应用，改善 系统性能。 2.4 光纤的选择及制造 2.4.1 光纤的选择
授课教师 授课时间
职称
副教授
学科 授课 地点
工科 3230
周三第 3、4 节课/周五第 3、4 节课
第2章
（一） 教学内容：
光纤与光缆
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
2.3.1 光纤的损耗特性 光纤的传输损耗是光纤通信系统中一个非常重要的问题，低损 耗是实现远距离光纤通信的前提。 随着光纤制造工艺的不断改进，现代光纤损耗曲线如下图所 示：
结合该损耗曲线对光纤的发展进行说明。在解释过程中让学生 掌握光纤的发展过程，并了解某一个具体的应用如何一步步发展， 对自己今后的科研工作或实际企业生产有一定的借鉴作用。让学生 自行分析。 形成光纤损耗的原因很复杂，归结起来主要包括两大类：吸收 损耗和散射损耗。
2.1.2 光纤的分类 按照折射率分布、传输模式多少、材料成分等的不同，光纤可 分为很多种类，下面将有代表性的几种，简单介绍一下 1. 按照纤芯折射率分布来分 一般可以分为阶跃型光纤和渐变型光纤两种 （1）阶跃型光纤(SIOF) 如果纤芯折射率（指数）沿半径方向保持一定，包层折射率沿 半径方向也保持一定，而且纤芯和包层折射率在边界处呈阶梯型变 化的光纤，称为阶跃型光纤，又可称为均匀光纤。 强调在阶跃型光纤中光线是直线传播，该光纤的传播特性可以 用射线光学原理较好的解释。 （2）渐变型光纤(GIOF) 如果纤芯折射率沿着半径加大而逐渐减小，而包层折射率是均 匀的，这种光纤称为渐变型光纤，又称为非均匀光纤。 在渐变型光纤中光纤是曲线传播，必须用模式理论才能较为严 格的解释光波在此光纤中的传播特性。 向学生强调实际中的所有光纤均是渐变型的，所以对此光纤纤 芯折射率的设计需要人们进行较好的研究。
让学生思考 NA 的大小对光波传输的影响，在光纤设计中如何 对 NA 进行选择？
该部分内 容理论性 较强，要 求学生掌 握基本的 分 析 方 法。
2.2.2 模式理论 应用模式理论能够更加准确的反映光波在波导中的传输，由于 光纤结构的圆柱对称性，在如下所示的极坐标下进行分析讨论。
弱导光纤的概念： n1 n2 n ，此时
1.吸收损耗 吸收作用是光波通过光纤材料时，有一部分光能变成热能，从 而造成光功率的损失。造成吸收损耗的原因很多，但都与光纤材料 有关。 2.散射损耗 由于光纤的材料、形状、折射指数分布等的缺陷或不均匀，使 光纤中传导的光散射而产生的损耗称为散射损耗。 散射损耗包括线性散射损耗和非线形散射损耗。所谓线性和非 线性主要是指散射损耗所引起的损耗功率与传播模式的功率是否 成线性关系。 线性损耗主要包括：瑞利散射和材料不均匀引起的散射; 非线性散射主要包括：受激喇曼散射和受激布理渊散射等 .
为了提高接收机响应速度，降低噪声，则要求检测器面积小。 （3）连接损耗 它包括连接器和接头的损耗。纤芯直径的公差、不圆度结合纤 芯与包层同心度误差要尽可能减小，以得到最小连接损耗。提高光 纤的几何精度，要增加制造成本，增大纤芯尺寸和数值孔径可以减 小几何公差对连接损耗的不利影响，但于增大带宽相矛盾。 (4)色散和带宽 为使调制信号以最小畸变通过光纤全长，光纤色散要足够小。 为减小光纤色散，要严格控制折射率分布指数 (g)和零色散波长。 对具体系统要正确选择光纤类型（SI,GI,SM）和工作波长，例如长 距离高速率系统要选择零色散位移到 1.55mm 的单模光纤。波分复 用系统要选择色散平坦单模光纤和非零色散光纤。采用发光管 （LED）的系统，要考虑材料色散的影响。 2.4.2 命名方法 光纤的型号是由一条短横线隔开的两组代号组成。下面，说明 光缆型号的两组代号的规定。 首先，如果将每一个代号的位置用一个小方格来代替（如图 2-15 所示） ，则光缆的型号可一般化写为：横线左侧 5 各小方格为 光缆型号的代号；横线右侧 5 个小方格式光纤的代号。下面逐格加 以说明。