《光纤理论与技术》课程教学大纲

《光纤理论与技术》课程教学大纲
一、课程基本信息
课程编号：11020070
课程中文名称：光纤理论与技术
课程英文名称：Optical Fiber Theory and Technology
课程性质：专业主干课
考核方式：考试
开课专业：电子科学与技术、光信息科学与技术
开课学期：5
总学时：96学时（其中理论64学时，实验40学时，考核2学时）
总学分：6学分
二、课程目的和任务
光纤理论与技术是现代光通信、光传感以及分析测量领域的关键基础课程之一。课程目的是使学生掌握现代光波导、光器件基本原理与技术的基础知识极其发展趋势，结合光通信技术、光纤传感与测量等应用技术，通过系统的理论教学过程及系列实验过程，培养学生掌握光纤基础理论及应用相关技术和器件的能力。该课程的任务是为信息工程、电子科学与技术、光信息科学与技术、测控技术与仪器仪表等专业的本科生在光纤理论、光纤通讯、光纤传感及其它光纤应用技术方面奠定基础理论并培训实验技能。
三、教学基本要求（含素质教育与创新能力培养的要求）
本课程力求通过主要概念和关键性实验技术来学习掌握光纤的基本原理和应用技术。
本课程将重点放在光波导理论与实验、光纤基本原理与实验等光纤基础教学内容。在内容上，除了做到加强基础实验内容外，还兼顾前沿的最新发展。每部分内容都提供了翔实的理论背景和原理，力求做到每项实验即具有代表性的理论基础，又具有丰富的实验内涵，充分体现了本课程的理论与技术特色。旨在通过本课程的学习，不仅使学生获得充分的理论背景知识，更使学生确实掌握光纤技术的实际知识和技能。
本课程将相关的理论知识寓于实验中，内容彼此衔接、互相补充，相互印证，使之成为一个有机的整体。尝试采用理论背景知识与实验交叉融合的方式，希望充分调动学生的学习积极性，使学生的感性认识和理性认识这两个认识过程互动，并相互促进学生对本课程内容的理解、使学生对光纤技术知识本身的认识不断深化。
四、教学内容与学时分配
本课程包括理论54学时，实验40学时（共12个实验），考核2学时。其中理论学时分配如下：
一、光纤技术的起源是什么？(2学时)
1 光通信的需求
2 为什么是光纤？
3 有什么用？
4 要解决什么问题？
5 重要参考文献导引与说明
二、从Maxwell方程组到光波导理论(4学时)
1 Maxwell方程组
2 光波导理论
3 实验观察：平板波导的制作、特性测量（M线与模式的概念引入）、应用；波导如果是圆形的

会有什么现象发生？
4 重要参考文献导引与说明
三、Maxwell方程组用于圆形波导--光纤理论的产生与发展(4学时)
1 为什么选择圆形波导？
2 圆形介质波导（若干基本概念）
3 光纤模式理论
4 单模光纤与多模光纤
5 实验观察：如何制作光纤？光纤特性测量：损耗（低损耗光纤）、色散（色散平坦，色散位移光纤）、偏振（保偏光纤）
四、两根光纤接续与靠近时会出现什么问题？(6学时)
1 光纤的连接（焊接、机械连接）
2 耦合模式理论
3 波分复用技术（WDM和DWDM）
4 实验观察：焊接、连接器安装与特性测试、耦合器制作
五、如何将光反射器与滤波器写入光纤？(6学时)
1 布拉格衍射
2 光子光敏性
3 光纤光栅
4 长周期光纤光栅
5 实验观察：光反射器与滤波器--光纤光栅制作
6 实验：光纤光栅特性测试
7 光纤光栅应用（用于通信与传感）
六、能用光纤实现传统的干涉仪功能吗？(6学时)
1 传统光干涉仪回顾
2 F-P光纤干涉仪（环形腔，其他腔）及其应用
3 实验：光纤Sagnac干涉仪与光纤陀螺
4 理论与实验：光纤Mach-Zehnder干涉仪及其应用
5 理论与实验：光纤Michelson干涉仪及其应用
七、回到目的地--实现光纤通信(6学时)
1 光源及其驱动--光发射机实验
2 探测器与放大电路--光接收机实验
3 调制与解调技术（电的）
4 光信号的调制（调制器）
5 波分复用技术
6 构成光通信链路系统需要那些器件（滤波器，光开关，调制器）
7 光通信网络技术（光交换）
8 实验：光纤通信技术综合性实验
八、如何使信号源更强？(4学时)
1 光纤激光器的工作原理
2 光纤激光器结构
3 理论与实验：光纤激光器
九、光信号放大在光纤中是如何实现的？(4学时)
1 掺铒光纤
2 掺铒光纤放大器
3 光纤放大器的结构
4 理论与实验：掺铒光纤放大器
十、克服困难过程中带来的副产品--光纤传感原理与技术(8学时)
1 光纤传感原理回顾
2 光纤传感器能解决什么问题？
3 几种主要的光纤传感器（光纤陀螺，白光干涉应变传感器，光纤光栅应变传感器等）
4 有那些主要应用？
5 专题选修实验：光纤白光干涉测量技术与应用
6 专题选修实验：光纤马赫--曾德干涉仪及其应用
十一、发展无限的新型光纤(4学时)
1 如何降低损耗？
2 如何减小色散？
3 如何控制偏振？
4 为什么要发展特种光纤？
5 光子晶体光纤的工作原理
五、教学方法及手段（含现代化教

学手段）
教学方法：在教学方法上力求实现教与学的互动，教学过程的进行主要以理论讲授为主，辅以必要的课堂讨论，使学生充分融入整个教学过程。另外，设置导波光学及光纤基础实践环节，增强学生的动手能力，同理论环节紧密联系起来，提高学生的综合素质。
教学手段：板书理论推演、PPT电子演示、理论与实践相结合进行多媒体教学。
六、实验（或）上机内容
一、认知验证性实验
(1) 光纤制造和加工认知实践与讨论（2学时）；
实验内容：观察光纤制作过程和制作工艺。观察光纤预制棒的各种制备方法，如：化学气相沉积（CVD）法及MCVD法等光纤预制棒制备方法；观测各种光纤的拉制过程和制备流程，学习掌握光纤的拉丝控制工艺；观察各种光纤的端面加工的方法，如：光纤熔融拉锥、光纤研磨等等。
(2) 光纤基本操作实验（2学时）；
实验内容，光纤的几何尺寸观测，光纤的切割与焊接。
(3) 光纤光栅特性测量与应用实验（3学时）；
实验内容，光纤光谱仪的使用方法，光纤光栅的光谱特性测量，光纤光栅应变测量实验。
(4) 光纤传感实验（3学时）；
实验内容：光纤传感强度型光纤传感技术及其传感器的基本原理和结构，熟悉其各个部件，学习和掌握其正确使用方法。内容包括，光纤纤端光场径向分布的测试；光纤纤端光场轴向分布的测试；反射式光纤位移传感实验；微弯式光纤压力/位移传感器的实验。
(5) 光纤通信实验（3学时）；
掌握光纤通信基本原理和通信系统的基本结构，以及信息传输的基本方式和信号调制与解调方法，实验内容包括，内容语音信号与视频信号的传输；模拟信号的脉冲频率调制(PFM)传输；模拟信号的脉冲宽度调制(PWM)传输；数字信号基带传输；数字编码传输实验
(6) 光纤陀螺实验（3学时）；
掌握干涉型光纤传感器的基本结构及其信号解调方法。实验内容包括，相位光纤陀螺直流信号特性测量实验；光纤陀螺交流信号特性测量实验；锁相放大信号解调实验；调制频率变化对光纤陀螺输出特性的影响测量。
二、设计性实验
(5) 光纤激光器与光纤放大器设计实验（4学时）；
掌握掺铒有源光纤的增益放大特性，光纤激光器的原理和基本结构，以及光纤放大器的原理和基本结构，实验内容包括，设计一种可调谐掺铒光纤激光器和一种掺铒光纤放大器，并对其特性参数进行测量。
(6) 光纤特性参数测量或光纤器件特性测试自选设计性实验（4学时）
掌握光纤特性测量方法。实验内容包括，设计一种光纤的传输损耗、光纤焊点损耗与发生位置，光纤

连接器连接损耗与发生位置，以及整盘光纤的长度的测量的方法，并构建能够实现上述功能的测量系统。
三、研究性实验
(7) 光纤马赫-曾德干涉仪的应用性研究； （4学时）
本实验要求学生利用光纤Mach-Zehder干涉测量实验系统，展开干涉星光纤传感器用于位移、温度、压力等物理量的测量展开研究，主要研究干涉型光纤传感器的系统设计以及信号解调方法的研究。
(8) 基于迈克尔逊干涉仪的光纤白光干涉物理参量测试技术研究；（4学时）
本实验要求学生基于白光干涉技术，利用基于宽谱LED为光源的光纤Michelson干涉测量系统，对光纤白光位移、温度、压力等传感，特别是绝对物理量的测量，展开研究。
(9) 非接触光纤莫尔轮廓测量技术研究；（4学时）
本实验要求学生利用光纤莫尔轮廓测量系统对置于光纤莫尔干涉光场中的物体三维轮廓以及形貌信息进行研究。
(10) 光纤应变检测技术及应用研究。（4学时）
光纤应变检测技术是通过光纤传感器长度（光程）的绝对变化测量，实现材料与结构分布式应变信息提取的光纤传感技术，实验要求学生利用自研的分布式光纤应变测量仪，通过对混凝土基、环氧基材料、复合材料基和土壤基材料的形变、应变进行测量，研究建筑物结构与材料、光纤智能材料和结构的特性进行研究，或者用于桥梁、电站、大坝、边坡、大型结构以及建筑物关键部分的无损检测与健康状况监测的研究。
七、前续课程、后续课程
前续课程：大学物理实验、光学、电磁场与电磁波
后续课程： 光纤通讯原理
八、教材及主要参考资料
教材：
[1] 苑立波. 光纤实验技术[M]. 哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2005
[2] 孙雨南等，光纤技术 理论基础与应用[M]. 北京：北京理工大学出版社，2006
主要参考资料：
[1] G.坎切列里，U.拉瓦约利. 光纤和光器件的测量[M]. 北京：宇航出版社，1990
[2] 靳伟，廖延彪，张志鹏.导波光学传感器：原理与技术[M]. 北京：科学出版社，2001
[3] 王惠文.光纤传感技术与应用[M]. 北京：国防工业出版社，1998
[4] 安毓英. 光纤传感与测量[M]. 北京：电子工业出版社，2001
[5] 廖延彪. 光纤光学[M].北京：清华大学出版社，2000年
[6] 赵梓森. 光纤通信工程（修订本）[M].北京：人民邮电出版社，1994年
[7] 靳伟、廖延彪，张志鹏. 导波光学传感器：原理与技术[M].北京：科学出版社，1998年
[8] Agrawal，Govind. Fiber Optic Communications Systems. 2nd ed[M]. New York: John Wiley & Sons，1997
[9] Crisp, John. Introduction to Fiber Optics[M]. Woburn, Mass.: Newnes, 199

7
[10] Goff，David. Fiber Optic Reference Guide: A Practical Guide to Technology[M]. Boston: Focal Press,1996.
[11] Hecht, Jeff. Understanding Fiber Optics, 3rd ed[M]. Upper Saddle River, N.J.: Prentice Hall, 1999

撰写人签字： 院（系）教学院长（主任）签字：