《光纤通信》课程教学大纲（本科）.docx

光纤通信(Optical Fiber Communications)课程代码：06410134学分：2学时：32 （其中：课堂教学学时：26实验学时：6 ）先修课程：电磁场与电磁波、通信系统原理、信号与线性系统、计算机网络适用专业：通信工程教材：（光纤通信（第五版）、（美）Gerd Keiser,电子工业出版社、2016年3月第3版）一、课程性质与课程目标（-）课程性质（需说明课程对人才培养方面的贡献）光纤通信课程是通信专业教学计划中的专业课。它建立在数学、近代物理学、光学、电磁 场理论、通信原理等课程知识的基础上。本课程讲授光纤通信系统的基本理论、主要技术指标与系统分析方法，说明典型实际系统 与应用。通过学习，学生能够系统地掌握和理解光纤通信相关知识，具备光纤通信系统的基础理论 知识、系统分析能力与设计技能，养成一定的工程与系统分析素质。本课程强调理论与实践的有机 结合，旨在通过实验增进学生理论联系实际、观察实际物理现象和和分析实验数据与理论计算的差 异，进而培养学生运用理论知识分析问题与解决问题的能力，促进创新素质提升。（二）课程目标（根据课程特点和对毕业要求的贡献，确定课程目标。应包括知识目标和能力 目标。）知识目标课程目标1:理解光纤传输基本原理，掌握传输模式的基本概念、掌握单模光纤和多模光纤的 结构设计和模式计算；课程目标2：理解光纤传输光信号的损耗和色散基本原理，掌握和分析信号在光纤传输过程中（按序填写）讲 课实 验上 机实践小 计第一章光纤通信概述2讲授1第二章 光纤波导原理和光 纤结构6讲授、讨论1、 8、 9、 11第三章光纤中的信号衰减 和色散33讲授、讨论2、 8、 9、 10第四章光源63讲授、讨论3、 8、 10、 11第五章光功率的发射和耦 合2讲授5、7第六章光检测器2讲授4、11第七章光接受机2讲授4、11第八章数字传输系统5讲授、讨论6、 7、 8、 11合计266注：1.课程实践学时按相关专业培养计划列入表格；2 .主要教学方法包括讲授法、讨论法、演示法、研究型教学方法（基于问题、工程、案例 等教学方法）等。五、课程考核考核形式考核要求考核权重备注平时作业按照作业题目进行评分，总分数平均计算（5次以上）15%实验完成实验报告,主要考查观察 与分析能力15%期末考试闭卷70%注：1.分学期设置和考核的课程应按学期分别填写上表。3 .考核形式主要包括课堂表现、平时作业、阶段测试、期中考试、期末考试、大作业、小 论文、工程设计和作品等。4 .考核要求包括作业次数、考试方式（开卷、闭卷）、工程设计要求等。5 .考核权重指该考核方式或途径在总成绩中所占比重。六、参考书目及学习资料（书名，主编，出版社，出版时间及版次）1、光纤通信系统，顾喔仪 李国瑞编著，北京邮电大学出版社，1999年11月第1版。七、大纲说明（内容可包括课程基本要求、习题要求及其它一些必要的说明）1 .采用多媒体教学手段，多种教学手段综合运用。2 .课后每章习题要完成2-5道习题，以加深学生对所学内容的理解和掌握，建议利用课堂进 行讨论。3.本课程有6个学时的实验，具体实验内容任课教师亦可2017年8月20日所造成的信号功率衰减和波形畸变的现象和原因；课程目标3：掌握光纤通信的光发射机工作原理：理解半导体激光器二极管的工作机理和发射 条件、LED发光的机理和条件。了解它们的模式、阈值条件、温度特性和线性特性以及光源的调制 方法和要求。能从性价比分析和考虑选择LD和LED的应用；课程目标4：掌握和了解光接收机工作的基本原理和接收机性能参数，了解光检测器的工作原 理和性能参数。能从性价比分析和考虑选择pin光电二极管和雪崩二极管；课程目标5： 了解光源至光纤、光纤与光纤、光纤与接收机的连接过程的基本原理及连接方法, 了解隔离器、分光器、衰减器等无源器件在光纤传输网络中的作用和性能参数；课程目标6：掌握根据用户需求设计点到点单工光纤传输系统的组成，能进行链路损耗预算和 时间展宽预算，从性价比分析分析和设计系统的。能力目标课程目标7：将光纤通信基本理论与实践有机结合，对光纤通信领域实际问题进行表达与建模 的能力。课程目标8：具备光纤通信系统性能分析，掌握影响光纤通信系统的主要因素，具有改善光纤 通信系统性能的能力。课程目标9：运用模式理论、光信号传输损耗以及色散的理论知识，掌握分析光纤通信系统设 计和部署的实际问题与解决问题的能力。课程目标10：通过实验增进学生领悟所学内容，能够采用科学方法，分析与解释实验数据，指 导解决实际光纤通信的实际问题的能力。课程目标11:具有光纤通信系统的分析能力与设计部署技能，能够实施系统设计，具有一定的 经济考虑，对性价比进行折中分析的设计方案。注：工程类专业通识课程的课程目标应覆盖相应的工程教育认证毕业要求通用标准；（三）课程目标与专业毕业要求指标点的对应关系（认证专业专业必修课程填写）本课程支撑专业培养计划中毕业要求指标点3-1. 11-31 .毕业要求3-1:能针对信息通信领域复杂工程问题进行需求分析，设计解决方案和满足特 定需求的单元（部件）、系统。2 .毕业要求11-3：能够将管理原理、经济方法应用于信息通信领域产品的开发、设计和优化等过程。业要求指标点课程目标毕业要求3-1毕业要求11-3课程目标1V课程目标2V课程目标3V课程目标4VV课程目标5V课程目标6VV课程目标7V课程目标8V课程目标9V课程目标10V课程目标11V注：课程目标与毕业要求指标点对接的单元格中可输入“'，也可标注“H、M、L”。二、课程内容与教学要求（按章撰写）第一章光纤通信概述（-）课程内容主要介绍本课程的性质、研究对象与方法、任务；介绍光纤通信系统的飞速开展和应用前景;了解光纤通信系统的主要构成。（列出主要知识点、能力点）.光纤通信的基本概念：光频谱带、工作窗口、电磁波谱1 .光纤通信的开展和演进.光纤通信系统组成与关键组件（二）教学要求（将相关内容按照掌握、理解、了解等不同教学要求进行分类）1. 了解本课程的性质、研究对象与方法、任务；了解光纤通信与其它通信系统的共同点和不同 点；能够应用香浓定理中的信息量计算理解为什么光通信带宽宽、信息容量大；掌握评价通信系统信息容量的主要指标。2.理解光纤通信系统的最基本的组成。（三）重点与难点（假设不单独列出，需在教学要求中适当注明）.重点光纤通信系统的组成，光纤通信系统的宽带，信息容量的计算，光纤通信系统的可开展 前景。1 .难点光传播速度与信息传输速率的区别。第二章光纤波导原理和光纤结构（一）课程内容本章支持课程目标b支持指标点3-1中的设计解决方案和满足特定需求的单元（部件）、 系统。1 .从射线光学角度：基本光学定律、阶跃折射率及梯度折射率光纤结构.从波动光学角度：光的波动方程及解、光的特性2 .传输模式平板波导中传输模式推导、圆波导的模式理论分析4,单模光纤和多模光纤 模场直径、传播模和截止模的计算5 .光纤材料及光纤的机械特性（自学）（二）教学要求（将相关内容按照掌握、理解、了解等不同教学要求进行分类）1 .理解光纤传输原理，光纤传输模式；2 .掌握多模光纤和单模光纤的概念及它们的结构、特性；3 . 了解平板波导及圆波导中波导方程及特征解的推导过程及边界条件，理解其推导过程中的物 理概念；.能根据模式理论进行光纤直径的计算和光纤中的传播模的选择。（三）重点与难点（假设不单独列出，需在教学要求中适当注明）.重点模式概念、波导理论、多模光纤和单模光纤的概念及它们的结构.难点波导、模式概念、波导方程及特征解的推导过程及边界条件第三章光纤中的信号衰减和色散（-）课程内容1 .损耗：吸收损耗、散色损耗、弯曲损耗、纤芯和包层损耗.光波导中的信号失真：信息容量确实定、群时延、材料色散、波导色散、偏振模色散等2 .光纤的优化设计：截止波长、色散计算、模场直径（二）教学要求1. 了解光纤的损耗种类和特性，能在实际应用中分析光纤传输过程中造成信号损耗的具体因 素；2. 了解光波导中信号失真的因素，能在实际应用中分析光纤传输过程中造成信号失真的具体 因素；掌握光纤优化设计方法。（三）重点与难点（假设不单独列出，需在教学要求中适当注明）.重点光纤中信号传输衰减的机理、光信号在光纤中传播时的失真及影响情况.难点色散引起的信号失真第四章光源（-）课程内容1 .激光原理：光的量子性，自发辐射、受激辐射、受激吸收、激光产生的机理和条件.半导体物理基本概念：能带、本征材料和非本征材料、pn结、载流子浓度2 .发光二极管（LED）： LED的结构、量子效率和功率.半导体激光器（LD）：模式和阈值条件、激光器的速率方程3 .两种光源（LED、LD）的温度特性和线性特性、调制原理（二）教学要求.理解半导体激光产生的机理和条件、LED发光的机理和条件；1 . 了解两种光源（LED、LD）的模式、阈值条件、温度特性和工作特性；.掌握光源的调制方法和要求。（三）重点与难点（假设不单独列出，需在教学要求中适当注明）.重点半导体激光产生的机理和条件、LED发光的机理；两种光源（LED、LD）的温度特性和工作特性以及调制方法；.难点激光产生的机理和条件、LD的模式、阈值条件、温度特性和工作特性第五章光功率的发射和耦合（-）课程内容1 .光源至光纤的功率发射 光源的输出方向、功率耦合计算、发射功率与波长的关系、稳 态数值孔径2 .光源与光纤的连接光纤与光纤的连接连接损耗、连接方法3 .光纤连接器结构、种类、性能参数4 .其它无源光网络器件：光定向耦合器、光衰减器、光隔离器和环行器的功能和性能参数。 （二）教学要求1. 了解两种光源（LED、LD）的辐射模型和条件；了解光源至光纤、光纤与光纤连接过程的基本原理及连接方法，影响连接的损耗等其它因 素；2. 了解其它无源光网络器件在光纤通信系统中的作用、功能以及性能指标。（三）重点与难点（假设不单独列出，需在教学要求中适当注明）.重点两种光源（LED、LD）的辐射模型和条件、光源至光纤、光纤与光纤连接过程的基本原理及连接方法，影响连接的损耗等其它因素，其它无源光网络器件的功能.难点光纤连接器、光隔离器的工作原理和结构第六章光检测器（一）课程内容1 .受激吸收、光电效应基本概念2 .光检测器的工作原理：pin光电二极管、雪崩二极管3 .光检测器噪声：噪声源、信噪比4 .光检测器响应度等性能参数（二）教学要求.掌握产生光电效应的基本概念；1 . 了解两种pin光电二极管和雪崩二极管的性能以及性价比；2 .掌握光检测器信噪比、响应时间、暗电流等性能参数对光纤通信接收码元的影响。（三）重点与难点（假设不单独列出，需在教学要求中适当注明）1 .重点光检测器工作原理，pin光电二极管和雪崩二极管的性能以及性价比，光检测器信噪比、 响应时间、暗电流等性能参数。2 .难点光电效应的物理机理。第七章光接受机（一）课程内容1 .接收机工作的基本原理 数字信号传输、误码源、接收机结构（讲授）2 .数字接收机性能参数：误码概率、量子极限、灵敏度、动态范围（讲授）（二）教学要求1. 了解光接收机工作的基本原理及影响因素；2. 了解光接收机性能参数：误码率、灵敏度、动态范围。（三）重点与难点（假设不单独列出，需在教学要求中适当注明）1 .重点光接收机工作的基本原理，光接收机性能参数：误码率、灵敏度、动态范围。2 .难点灵敏度概念以及在实际应用中影响因素。第八章数字传输系统（一）课程内容1 .点到点链路：系统考虑、链路的功率预算、展宽时间预算2 .线路编码：NRZ码、RZ码、光曼切斯特码、分组码3 .过失控制4 .噪声对系统性能的影响（二）教学要求1 .掌握数字光纤通信系统的设计方法；2 .能根据系统需求，系统考虑选择部件组成，设计性价比拟优的光纤通信系统方案；3 .掌握系统链路的功率预算、展宽时间预算方法。（三）重点与难点（假设不单独列出，需在教学要求中适当注明）.重点点到点链路设计：系统考虑选择部件、链路的功率预算、展宽时间预算；线路编码。1 .难点系统综合设计。三、本课程开设的实验工程（如课程不含实验，该项可不填）编号实验工程名称学时类型要求支撑的课程目标1多模光纤损耗测试实验1.5设计必做1、22单模光纤弯曲损耗测试实验1.5设计必做1、23发光二极管P-I特性测试曲 线1.5验证必做34激光二极管P-I特性测试曲 线1.5验证必做3注：1. “类型”填验证性、综合性、设计性等;. “要求”填必做、选做。实验L （多模光纤损耗测试实验）实验目标1、了解光纤损耗的定义2、学会用插入法等方法测量多模光纤的损耗要求：1、测量多模光纤的衰减2、测量多模光纤的损耗3、观察分析造成多模光纤损耗的各种因素实验2：（单模光纤弯曲损耗测试实验）实验目标：1、学习单模光纤损耗的定义2、掌握单模光纤弯曲损耗测试方法要求：1、测量单模光纤不同弯曲半径的损耗2、分析实际造成单模光纤宏观弯曲和微观弯曲的损耗实验3：（发光二极管P-I特性测试曲线）实验目标1、学习发光二极管的发光原理2、了解发光二极管平均输出光功率与注入电流的关系3、掌握发光二极管P （平均发送光功率）-I （注入电流）曲线的测试要求：1、测量发光二极管平均输出光功率和注入电流，并画出P-I关系曲线2、根据PI特性曲线，计算发光二极管斜率效率3、测量发光二极管平均输出光功率和注入电流，并画出P-I关系曲线4、根据P-I特性曲线，计算发光二极管斜率效率实验4：（半导体激光器P-I特性测试实验）实验目标1、学习半导体激光器发光原理和光纤通信中激光光源工作原理2、了解半导体激光器平均输出光功率与注入驱动电流的关系3、掌握半导体激光器P （平均发送光功率）-I （注入电流）曲线的测试方法要求：1、测量半导体激光器输出功率和注入电流，并画出P-I关系曲线2、根据PI特性曲线，找出半导体激光器阈值电流，计算半导体激光器斜率效率四、学时分配及教学方法章教学形式及学时分配主要教学方法支撑的课程目标