02338光纤通信原理大纲

高纲1362江苏省高等教育自学考试大纲02338光纤通信原理南京邮电大学编江苏省高等教育自学考试委员会办公室I课程性质与课程目标一、课程性质和特点光纤通信技术是高等教育自学考试通信工程专业的一门重要的专业课。光纤通信作为现代通信的主要支柱之一，在现代电信网中起着非常重要的作 用。本课程的主要任务是，使学生较为全面地掌握光纤通信系统中各部分的基本 概念和基本工作原理，了解现代光纤通信新技术的发展情况，使通信领域中的工 程技术人员，能够迅速掌握这门新兴的通信技术。二、课程目标1. 掌握光导纤维的导光原理及传输特性。2. 掌握半导体光源及半导体光电检测器的基本结构及工作原理。3. 掌握光端机的基本组成及各部件功能。4. 掌握光纤通信系统的组成及指标计算。5. 了解现代光纤通信新技术。6. 自学过程中应按大纲要求仔细阅读教材，切实掌握有关内容的基本概念、 基本原理和基本方法。三、与相关课程的联系与区别本课程是自学考试计划中的关于计算机通信工程专业（独立本科段）的一门 重要专业课。要学好本课程，需具“数字通信原理” “电磁场理论”课程的基本 知识。其后续课程为计算机通信专业的有关专业课。四、课程的重点和难点本课程的重点内容是：1. 光纤通信系统的组成，如光导纤维、光纤通信器件；2. 光纤通信系统；3. 现代光纤通信新技术。本课程的难点是：1. 光导纤维；2. 光纤通信器件；3. 光纤通信设备；4. 光纤通信系统。5. 光通信技术与应用II考核目标本大纲在考核目标中，按照识记、领会、简单应用和综合应用四个层次规定 其应达到的能力层次要求。四个能力层次是递升的关系，后者必须建立在前者的 基础上。各能力层次的含义是：识记（I）:要求考生能够识别和记忆本课程中有关物理概念及规律的主要 内容（如定义、定理、定律、表达式、公式、原理、重要结论、方法及特征、特 点等），并能够根据考核的不同要求，做正确的表述、选择和判断。领会（II）:要求考生能够领悟和理解本课程中有关物理概念及规律的内涵 及外延，理解物理概念、物理规律的确切含义，物理规律的适用条件，能够鉴别 关于概念和规律的似是而非的说法；理解相关知识的区别和联系，并能根据考核 的不同要求对物理问题进行逻辑推理和论证，做出正确的判断、解释和说明。简单应用（III）:要求考生能够根据已知的知识和物理事实、条件，对物理 问题进行逻辑推理和论证，得出正确的结论或做出正确的判断，并能把推理过程 正确地表达出来。还可运用本课程中的少量知识点，利用简单的数学方法分析和 解决一般应用问题，如简单的计算、绘图和分析等。综合应用（W）：要求考生能够面对具体、实际的物理情境发现问题，并能 探究解决问题的方法，建立合理的物理模型，根据具体问题列出物理量之间的关 系式，进行推导和求解，必要时会用简单的微积分和矢量方法解决问题，并根据 结果得出物理结论，如分析、计算、绘图和论证等。III课程内容与考核要求第1章概述一、学习目的与要求本章要求学员深刻理解光波、光通信、光纤通信的基本概念；目前光纤通信 实用工作波长；光纤通信的优越性；强度调制-直接检波的基本概念；光纤数字 通信系统的组成方框图以及各部分的主要作用；了解光纤通信的发展动向。二、考核知识点与考核要求考核知识点:1. 光纤通信的基本概念。2. 光纤通信的优越性。3. 光纤通信系统的基本组成。考核要求:1. 光波、光通信、光纤通信的概念，要求达到“领会”层次。2. 传播方向上有无电场分量或磁场分量，光的传播形态的分类等概念，要 求达到“识记”层次。3. 光纤通信与电通信方式的主要差异，要求达到“领会”层次。4. 光纤通信的主要优越性，要求达到“领会”层次。5. 强度调制-直接检波的基本概念，要求达到“领会”层次。6. 光纤数字通信系统方框图及各部分的主要作用，要求达到“领会”层次。7. 光纤通信的发展动向，要求达到“识记”层次。第2章光纤一、学习目的与要求本章总的要求是：深刻理解光纤的结构和分类；光纤的导光原理；单模光纤 以及光纤的传输特性。对于光纤的导光原理，要求深刻理解光射线的理论分析，理解标量近似解法。 对于单模光纤要求掌握单模光纤的主模及单模传输条件。要求深刻理解光纤损耗 特性及色散特性的基本概念；了解光缆的结构和种类。二、考核知识点与考核要求考核知识点：1. 光纤的结构和分类2. 阶跃型光纤。3. 渐变型光纤。4. 单模光纤。5. 光纤的传输特性。6. 光缆的结构和种类。考核要求：1. 光纤的结构和分类。阶跃型光纤、渐变型光纤、单模光纤、多模光纤的概 念，要求达到“领会”层次。2. 阶跃型光纤。(1) 相对折射指数差、子午射线、光纤数值孔径的基本概念及有关表达式， 要求达到“领会”层次。(2) 光纤中的斜射线概念，要求达到“简单应用”层次。(3) 标量近似解法的基本概念，要求达到“领会”层次。(4) 标量解场方程的推到思路，要求达到“识记”层次。(5) 场方程中参量符号的含义，包括导波的径向归一化相位常数U，导波 的径向归一化衰减常数W及光纤的归一化频率V，要求达到“领会”层次。(6) 标量解特征方程的推到思路，要求达到“识记”层次，特征方程表达 式，要求达到“领会”层次。(7) 标量模的定义，要求达到“领会”层次。(8) 截止时标量模的特性，要求达到“领会”层次，远离截止时标量模的 特性，要求达到“识记”层次。(9) 阶跃光纤中的功率分布，要求达到“简单应用”层次。(10) 阶跃光纤中导模数量的估算，要求达到“简单应用”层次。3. 渐变型光纤。(1) 渐变型光纤中的子午线，要求达到“领会”层次。(2) 子午线轨跻方程的推导，要求达到“识记”层次，轨跻方程式要求达 到“领会”层次。(3) 渐变型光纤的自聚焦、最佳折射指数分布的概念以及渐变型光纤本地 数值孔径的概念，要求达到“领会”层次。(4) 渐变型光纤的标量近似解法，要求达到“简单应用”层次。(5) 渐变型光纤中，导波相位常数。解析表达式的推到思路，要求达到“简 单应用”层次。4. 单模光纤(1) 单模光纤的折射率分布，要求达到“简单应用”层次。(2) 单模光纤的定义、单模光纤的主模及单模传输条件，要求达到“领会” 层次。(3) 单模光纤的场方程和特征方程，要求达到“识记”层次。(4) 单模光纤的特性参数，包括：衰减系数、截止波长L。模场d，要 求达到“领会”层次。(5) 单模光纤的双折射，要求达到“识记”层次。5. 光纤的传输特性。(1) 光纤的损耗特性，包括吸收损耗和散射损耗的基本概念，要求达到“领 会”层次。(2) 光纤色散的概念，以及时延和时延差的概念，要求达到“领会”层次。(3) 模式色散、材料色散、波导色散的物理概念，要求达到“领会”层次。(4) 无界材料中时延差表示，要求达到“简单应用”层次。(5) 单模光纤色散特性的分析思路，要求达到“综合应用”层次。(6) 多模阶跃型光纤和多模渐变型光纤中色散特性的分析，要求达到“综 合应用”层次。6. 光缆的基本结构和通信网中常用光缆的种类，要求达到“识记”层次。第3章光纤通信器件一、学习目的与要求（1）深刻理解半导体光源在光纤通信系统中的作用、常用种类、工作原理 及工作特性，半导体激光器和半导体发光二极管完成电/光转换的机理基本相同， 重点放在半导体激光器的分析上。（2）深刻理解半导体光电效应的基本原理，深刻理解PIN光电二极管和APD 雪崩光电二极管的结构、原理及主要特性。（3）深刻理解光放大器的分类，深刻理解掺铒光纤放大器的结构、工作原理 以及特性指标。了解光纤放大器在光纤通信系统中的应用。二、考核知识点与考核要求考核知识点：1. 光波的波粒两重性、原子能级的概念、光和物质相互作用时产生的三种基 本过程。与激光器有关的概念。2. 激光器的一般工作原理。3. 半导体激光器（LD）。4. 半导体发光二极管（LED）5. 半导体的光电效应6. PIN光电二极管和APD雪崩光电二极管。7. 光电检测器的特性。8. 光放大器的分类9. 掺铒光纤放大器的结构。10. 掺铒光纤放大器的工作原理。11. 掺铒光纤放大器的特性指标。12. 掺铒光纤放大器在光纤通信系统中的应用。考核要求：1. 与激光器有关的概念。（1）光波具有波、粒两重性的基本概念，要求达到“领会”层次。（2）了解原子能级的概念，要求达到“识记”层次。（3）费米分布函数表示式及费米分布函数变化曲线的物理含义，要求达到 “领会”层次。（4）光与物质相互作用时存在的三种基本过程，能够达到“领会”层次。2. 激光器的一般工作原理。（1）粒子数反转分布及光放大的概念，要求达到“领会”层次。（2）构成激光器必须具备的条件，要求达到“领会”层次。（3）光学谐振腔的基本结构、产生激光振荡的基本原理，要求达到“领会” 层次。（4）激光器的参量，包括：平均衰减系数。.，增益系数G以及阈值条件， 要求达到“领会”层次。（5）谐振频率的概念，以及光学谐振腔的谐振条件，要求达到“领会”层 次。3. 半导体激光器（LD）。（1）理解光纤通信对半导体发光器件的基本要求，要求达到“识记”层次。（2）同质结半导体激光器及异质结半导体激光器的结构，要求达到“简单 应用”层次。（3）了解半导体的能带分布，要求达到“简单应用”层次。（4）产生激光的基本原理，要求达到“领会”层次。（5）半导体激光器的工作特征，包括：阈值特性、光谱特性、温度特性、 转换效率，要求达到“综合应用”层次。4. 半导体发光二极管（LED）（1）LED与LD相同点及主要区别，要求达到“领会”层次。（2）半导体发光二极管的工作特性，要求达到“简单应用”层次。5. 半导体光电效应的基本原理，要求达到“领会”层次。6. 光纤通信中常用的半导体光电检测器。（1）PIN光电二极管的结构，要求达到“领会”层次。（2）雪崩光电二极管的雪崩倍增效应，要求达到“领会”层次。（3）APD雪崩光电二极管的结构，要求达到“领会”层次。7. 光电检测器的特性。（1）响应度R0和量子效应n的定义，要求达到“领会”层次。（2）响应时间、暗电流、雪崩倍增因子、倍增噪声和过剩噪声系数的基本 概念，要求达到“领会”层次。（3）以上各参量的表达式，要求达到“综合应用”层次。8. 光放大器的分类。（1）光放大器的分类，要求达到“领会”层次。（2）掺铒光纤放大器的优点，要求达到“识记”层次。9. 掺铒光纤放大器的结构。（1）掌握掺铒光纤放大器的组成，要求达到“领会”层次。（2）掌握同向泵浦、反向泵浦及双向泵浦的概念，要求达到“识记”层次。10. 掺铒光纤放大器的工作原理。掺铒光纤放大器的简单工作原理，要求达到“领会”层次。11. 掺铒光纤放大器的特性指标。功率增益、输出饱和功率、噪声系数的基本概念，要求达到“识记”层次。12. 掺铒光纤放大器在光纤通信系统中的应用，要求达到“简单应用”层次。第4章光纤通信系统一、学习目的与要求本章总的要求是：深刻理解光纤通信系统的基本组成及各组成部分的工作原 理；深刻理解选择码型应满足的主要要求及光纤通信中常用的码型；深刻理解影 响中继距离的因素；深刻理解光纤通信系统的噪声及灵敏度分析。二、考核知识点与考核要求考核知识点：1. 光纤通信中的线路码型2.IM-DD光纤通信系统结构3. 衰减对中继距离的影响.4. 色散对中继距离的影响5. 最大中继距离的计算6. 使用光放大器的SDH高速线路通信7.IM-DD系统噪声及灵敏度分析考核要求：1. 选择码型应满足的主要要求及光纤通信中常用的码型，要求达到“简单应 用”层次。2.IM-DD光纤通信系统结构（1）光源的调制特性，半导体光源LD和LED的P-I曲线，要求达到“领会” 层次。（2）对光发射机的要求，要求达到“简单应用”层次。（3）光发射机的组成方框图和各部分功能，要求达到“综合应用”层次。（4）光接收机的组成方框图和各部分功能，要求达到“综合应用”层次。（5）光纤通信系统组成，要求达到“综合应用”层次。（6）光中继器的组成，要求达到“领会”层次。3. 衰减对中继距离的影响和计算，要求达到“综合应用”层次。4. 色散对中继距离的影响和计算，要求达到“综合应用”层次。5. EDFA在光纤通信系统中的应用，要求达到“领会”层次。6.IM-DD系统噪声及灵敏度分析.要求达到“识记”层次。第5章SDH光同步网一、学习目的与要求本章总的要求是：深刻理解SDH网的基本特点；深刻理解同步数字体系的速 率、帧结构；对SDH的复用结构和映射方法有所了解；了解SDH的开销功能、了 解SDH的指针作用、了解SDH中的复用设备和交叉连接设备、了解SDH的自愈网 概念。二、考核知识点与考核要求考核知识点：1. 同步数字体系的产生。2.SDH的速率与帧结构。考核要求：1. 同步数字体系的产生。（1）准同步数字体系的复接情况，要求达到“识记”层次。（2）SDH网的基本特点，要求达到“领会”层次。2.SDH的速率与帧结构。（1）同步数字体系的速率，要求达到“领会”层次（2）同步数字体系的帧结构。包括：帧结构的形式。帧长、一帧比特数的 计算，一帧传输时间以及码速率的计算，要求达到“领会”层次。第6章基于WDM的光传送网一、学习目的与要求本章总的要求是：深刻理解光传送网的基本概念及特点；深刻理解波分复用 系统；了解光传送网；了解OTN网络的保护方式。二、考核知识点与考核要求考核知识点：1. 光传送网的基本概念及特点2. 光波分复用的基本概念3. 光波分复用系统4. WDM网络的关键设备5.OTN网络的保护方式考核要求：1. 光传送网的基本概念及特点，要求达到“综合应用”层次。2. WDM的特点；WDM对光纤、光器件的要求；WDM系统总体结构；WDM系统的 基本应用形式;WDM系统设计有关的几个问题;WDM系统中OADM和OXC设备功能， 要求达到“简单应用”层次。3.OTN帧结构和开销；客户信号的映射和复用；光通道网络；OTN关键设备， 要求达到“识记”层次。4.OTN网络的线性保护方式、子网连接保护方式、共享保护方式，要求达到 “领会”层次。第7章城域光网络一、学习目的与要求本章总的要求是：深刻理解局域网、城域网和广域网的概念；深刻理解光城 域网的结构，对城域网骨干网络传输技术有所了解；深刻理解光接入网的概念， 对光接入网的应用类型有所了解；深刻理解PON传输原理，对各种XPON技术有 所了解；对各种IP OVER X技术有所了解。二、考核知识点与考核要求考核知识点：1. 局域网、城域网和广域网的概念2. 光城域网的结构3. 城域网骨干网络传输技术4. 光接入网的概念5. 光网络的分类6. 光接入网的应用类型7. PON传输原理8. APON； EPON等的传输原理与帧结构9.IP over SDH 技术；IP over WDM考核要求：1. 局域网、城域网和广域网的概念，要求达到“识记”层次。2. 宽带城域网的分层结构，核心层、汇聚层和接入层的概念，要求达到“识 记”层次。3. 城域网骨干网络传输技术，如：IP over ATM、IP over WDM、GE和MSTP 技术；FTTx+xDSL、FTTx+HFC、FTTx+LAN和无线接入等方式。要求达到“领会” 层次。4. 光接入网OAN的应用类型根据ONU在接入网中所处的位置不同，可分为三 种：光纤到路边（FTTC）、光纤到大楼（FTTB）和光纤到户（FTTH）。要求达到“领 会”层次。5. PON传输原理，各种PON技术比较，要求达到“简单应用”层次。6.IP over SDH技术和IP over WDM技术的原理，要求达到“简单应用”层 次。第8章分组传送网本章全部属于了解内容，不做考核。第9章智能光网络 本章全部属于了解内容，不做考核。IV关于大纲的说明与考核实施要求一、自学考试大纲的目的和作用（共性部分）课程自学考试大纲是根据专业自学考试计划的要求，结合自学考试的特点而 确定。其目的是对个人自学、社会助学和课程考试命题进行指导和规定。课程自学考试大纲明确了课程学习的内容以及深广度，规定了课程自学考试 的范围和标准。因此，它是编写自学考试教材和辅导书的依据，是社会助学组织 进行自学辅导的依据，是自学者学习教材、掌握课程内容知识范围和程度的依据， 也是进行自学考试命题的依据。二、课程自学考试大纲与教材的关系（共性部分）课程自学考试大纲是进行学习和考核的依据，教材是学习掌握课程知识的基 本内容与范围，教材的内容是大纲所规定的课程知识和内容的扩展与发挥。课程 内容在教材中可以体现一定的深度或难度，但在大纲中对考核的要求一定要适 当。大纲与教材所体现的课程内容应基本一致；大纲里面的课程内容和考核知识 点，教材里一般也要有。反过来教材里有的内容，大纲里就不一定体现。（注： 如果教材是推荐选用的，其中有的内容与大纲要求不一致的地方，应以大纲规定 为准。）三、关于自学教材光纤通信技术，普通高等教育“十一五”国家级规划教材，孙学康张金 菊编著，人民邮电出版社，2012年版四、关于自学要求和自学方法的指导本大纲的课程基本要求是依据专业考试计划和专业培养目标而确定的。课程 基本要求还明确了课程的基本内容，以及对基本内容掌握的程度。基本要求中的 知识点构成了课程内容的主体部分。因此，课程基本内容掌握程度、课程考核知 识点是高等教育自学考试考核的主要内容。为有效地指导个人自学和社会助学，本大纲已指明了课程的重点和难点，在 章节的基本要求中一般也指明了章节内容的重点和难点。五、应考指导1. 如何学习很好的计划和组织是你学习成功的法宝。如果你正在接受培训学习，一定 要跟紧课程并完成作业。为了在考试中作出满意的回答，你必须对所学课程内 容有很好的理解。使用“行动计划表”来监控你的学习进展。你阅读课本时 可以做读书笔记。如有需要重点注意的内容，可以用彩笔来标注。如：红色代表 重点；绿色代表需要深入研究的领域；黄色代表可以运用在工作之中。可以在空 白处记录相关网站，文章。2. 如何考试卷面整洁非常重要。书写工整，段落与间距合理，卷面赏心悦目有助于教师 评分，教师只能为他能看懂的内容打分。回答所提出的问题。要回答所问的问题， 而不是回答你自己乐意回答的问题！避免超过问题的范围3. 如何处理紧张情绪正确处理对失败的惧怕，要正面思考。如果可能，请教已经通过该科目考试 的人，问他们一些问题。做深呼吸放松，这有助于使头脑清醒，缓解紧张情绪。 考试前合理膳食，保持旺盛精力，保持冷静。4. 如何克服心理障碍这是一个普遍问题！如果你在考试中出现这种情况，试试下列方法：使用“线 索”纸条。进入考场之前，将记忆“线索”记在纸条上，但你不能将纸条带进考 场，因此当你阅读考卷时，一旦有了思路就快速记下。按自己的步调进行答卷。 为每个考题或部分分配合理时间，并按此时间安排进行。六、关于考试命题的若干规定1.指出考试的方法，考试时间的长度。对本课程考试要携带必要的工具等， 应做出明确具体的规定。2. 本大纲各章所规定的基本要求、知识点及知识点下的知识细目，都属于 考核的内容。考试命题既要覆盖到章，又要避免面面俱到。要注意突出课程的重 点、章节重点，加大重点内容的覆盖度。3. 命题不应有超出大纲中考核知识点范围的题目，考核目标不得高于大纲 中所规定的相应的最高能力层次要求。命题应着重考核自学者对基本概念、基本 知识和基本理论是否了解或掌握，对基本方法是否会用或熟练。不应出与基本要 求不符的偏题或怪题。4. 本课程在试卷中对不同能力层次要求的分数比例大致为：识记占20%， 领会占30%，简单应用占30%，综合应用占20% （注：不同专业、不同课程在具 体规定上可有所区别）。5. 要合理安排试题的难易程度，试题的难度可分为：易、较易、较难 和难四个等级。每份试卷中不同难度试题的分数比例一般为：2:3:3:2。必须注意试题的难易程度与能力层次有一定的联系，但二者不是等同的概 念。在各个能力层次中对于不同的考生都存在着不同的难度。6. 课程考试命题的主要题型一般有单项选择题、多项选择题、填空题、名 词解释题、简答题、计算题、应用题、论述题、案例分析等题型（一般不使用判 断题）。在命题工作中必须按照本课程大纲中所规定的题型命制，考试试卷使用 的题型可以略少，但不能超出本课程对题型规定。附录题型举例一、选择题1. 随着激光器使用时间的增长，其阈值电流会 C A.逐渐减小B.保持不变C.逐渐增大D.先逐渐增大，后逐渐减小二、填充题1. 激光器主要由能够产生激光的工作物质、泵浦源和光学谐振腔等三部分构成。2. 光发射机光接口的主要性能参数是输出光功率和消光比。三、名词解释题1.光电检测器的响应时间答：响应时间是指半导体光电二极管产生的光电流跟随入射光信号变化快慢的状态。一般用上升时间和下降时间来表示。四、画图题1.画出光接收机中，自动增益控制的工作原理框图。AGC电路五、简答题1.阶跃型光纤中导波特性参数U和W的名称和计算式分别是什么？答：U = o、；k2n2 & 2，称为导波的径向归一化相位常数； 0 1W 二。.声2 k 2 n 2，称为导波的径向归一化衰减常数。Y0 2六、计算题1.已知阶跃型光纤的当=1.51，n2=1.48。求：（1）光线在纤芯和包层分界面上产生全反射时，入射角。的变化范围;（2）光线在光纤端面上的最大入射角4。maxn答：（1）0 0 = sin-1（）i1.48=sin-1（）兰 78.6。1.5178.6。91 90。(2) NA - n sin4= n2 一 n20 max12而 n0=14= sin-1(Jn2 - n2)=sin-1(i(1.51)2 - (1.48)2)=17.4。