《光纖理論與技術(shù)》課程教學(xué)大綱

1、光纖理論與技術(shù)課程教學(xué)大綱一、課程基本信息課程編號(hào)：11020070課程中文名稱：光纖理論與技術(shù)課程英文名稱：Optical Fiber Theory and Technology課程性質(zhì)：專業(yè)主干課考核方式：考試開課專業(yè)：電子科學(xué)與技術(shù)、光信息科學(xué)與技術(shù)開課學(xué)期：5總學(xué)時(shí)：96學(xué)時(shí)（其中理論64學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)40學(xué)時(shí)，考核2學(xué)時(shí)）總學(xué)分：6學(xué)分二、課程目的和任務(wù)光纖理論與技術(shù)是現(xiàn)代光通信、光傳感以及分析測(cè)量領(lǐng)域的關(guān)鍵基礎(chǔ)課程之一。課程目的是使學(xué)生掌握現(xiàn)代光波導(dǎo)、光器件基本原理與技術(shù)的基礎(chǔ)知識(shí)極其發(fā)展趨勢(shì)，結(jié)合光通信技術(shù)、光纖傳感與測(cè)量等應(yīng)用技術(shù)，通過(guò)系統(tǒng)的理論教學(xué)過(guò)程及系列實(shí)驗(yàn)過(guò)程，培養(yǎng)學(xué)生掌握

2、光纖基礎(chǔ)理論及應(yīng)用相關(guān)技術(shù)和器件的能力。該課程的任務(wù)是為信息工程、電子科學(xué)與技術(shù)、光信息科學(xué)與技術(shù)、測(cè)控技術(shù)與儀器儀表等專業(yè)的本科生在光纖理論、光纖通訊、光纖傳感及其它光纖應(yīng)用技術(shù)方面奠定基礎(chǔ)理論并培訓(xùn)實(shí)驗(yàn)技能。三、教學(xué)基本要求（含素質(zhì)教育與創(chuàng)新能力培養(yǎng)的要求）本課程力求通過(guò)主要概念和關(guān)鍵性實(shí)驗(yàn)技術(shù)來(lái)學(xué)習(xí)掌握光纖的基本原理和應(yīng)用技術(shù)。本課程將重點(diǎn)放在光波導(dǎo)理論與實(shí)驗(yàn)、光纖基本原理與實(shí)驗(yàn)等光纖基礎(chǔ)教學(xué)內(nèi)容。在內(nèi)容上，除了做到加強(qiáng)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容外，還兼顧前沿的最新發(fā)展。每部分內(nèi)容都提供了翔實(shí)的理論背景和原理，力求做到每項(xiàng)實(shí)驗(yàn)即具有代表性的理論基礎(chǔ)，又具有豐富的實(shí)驗(yàn)內(nèi)涵，充分體現(xiàn)了本課程的理論與技術(shù)特

3、色。旨在通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)，不僅使學(xué)生獲得充分的理論背景知識(shí)，更使學(xué)生確實(shí)掌握光纖技術(shù)的實(shí)際知識(shí)和技能。本課程將相關(guān)的理論知識(shí)寓于實(shí)驗(yàn)中，內(nèi)容彼此銜接、互相補(bǔ)充，相互印證，使之成為一個(gè)有機(jī)的整體。嘗試采用理論背景知識(shí)與實(shí)驗(yàn)交叉融合的方式，希望充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，使學(xué)生的感性認(rèn)識(shí)和理性認(rèn)識(shí)這兩個(gè)認(rèn)識(shí)過(guò)程互動(dòng)，并相互促進(jìn)學(xué)生對(duì)本課程內(nèi)容的理解、使學(xué)生對(duì)光纖技術(shù)知識(shí)本身的認(rèn)識(shí)不斷深化。四、教學(xué)內(nèi)容與學(xué)時(shí)分配本課程包括理論54學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)40學(xué)時(shí)（共12個(gè)實(shí)驗(yàn)），考核2學(xué)時(shí)。其中理論學(xué)時(shí)分配如下：一、光纖技術(shù)的起源是什么？(2學(xué)時(shí))1 光通信的需求2 為什么是光纖？3 有什么用？4 要解決什么問(wèn)題？

4、5 重要參考文獻(xiàn)導(dǎo)引與說(shuō)明二、從Maxwell方程組到光波導(dǎo)理論(4學(xué)時(shí))1 Maxwell方程組2 光波導(dǎo)理論3 實(shí)驗(yàn)觀察：平板波導(dǎo)的制作、特性測(cè)量（M線與模式的概念引入）、應(yīng)用；波導(dǎo)如果是圓形的會(huì)有什么現(xiàn)象發(fā)生？ 4 重要參考文獻(xiàn)導(dǎo)引與說(shuō)明三、Maxwell方程組用于圓形波導(dǎo)光纖理論的產(chǎn)生與發(fā)展(4學(xué)時(shí))1 為什么選擇圓形波導(dǎo)？2 圓形介質(zhì)波導(dǎo)（若干基本概念）3 光纖模式理論4 單模光纖與多模光纖5 實(shí)驗(yàn)觀察：如何制作光纖？光纖特性測(cè)量：損耗（低損耗光纖）、色散（色散平坦，色散位移光纖）、偏振（保偏光纖）四、兩根光纖接續(xù)與靠近時(shí)會(huì)出現(xiàn)什么問(wèn)題？(6學(xué)時(shí))1 光纖的連接（焊接、機(jī)械連接）2

5、耦合模式理論3 波分復(fù)用技術(shù)（WDM和DWDM）4 實(shí)驗(yàn)觀察：焊接、連接器安裝與特性測(cè)試、耦合器制作五、如何將光反射器與濾波器寫入光纖？(6學(xué)時(shí))1 布拉格衍射2 光子光敏性3 光纖光柵4 長(zhǎng)周期光纖光柵5 實(shí)驗(yàn)觀察：光反射器與濾波器光纖光柵制作6 實(shí)驗(yàn)：光纖光柵特性測(cè)試7 光纖光柵應(yīng)用（用于通信與傳感）六、能用光纖實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)的干涉儀功能嗎？(6學(xué)時(shí))1 傳統(tǒng)光干涉儀回顧2 F-P光纖干涉儀（環(huán)形腔，其他腔）及其應(yīng)用3 實(shí)驗(yàn)：光纖Sagnac干涉儀與光纖陀螺4 理論與實(shí)驗(yàn)：光纖Mach-Zehnder干涉儀及其應(yīng)用5 理論與實(shí)驗(yàn)：光纖Michelson干涉儀及其應(yīng)用七、回到目的地實(shí)現(xiàn)光纖通信(6

6、學(xué)時(shí))1 光源及其驅(qū)動(dòng)光發(fā)射機(jī)實(shí)驗(yàn)2 探測(cè)器與放大電路光接收機(jī)實(shí)驗(yàn)3 調(diào)制與解調(diào)技術(shù)（電的）4 光信號(hào)的調(diào)制（調(diào)制器）5 波分復(fù)用技術(shù)6 構(gòu)成光通信鏈路系統(tǒng)需要那些器件（濾波器，光開關(guān)，調(diào)制器）7 光通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（光交換）8 實(shí)驗(yàn)：光纖通信技術(shù)綜合性實(shí)驗(yàn)八、如何使信號(hào)源更強(qiáng)？(4學(xué)時(shí))1 光纖激光器的工作原理2 光纖激光器結(jié)構(gòu)3 理論與實(shí)驗(yàn)：光纖激光器九、光信號(hào)放大在光纖中是如何實(shí)現(xiàn)的？(4學(xué)時(shí))1 摻鉺光纖2 摻鉺光纖放大器3 光纖放大器的結(jié)構(gòu)4 理論與實(shí)驗(yàn)：摻鉺光纖放大器十、克服困難過(guò)程中帶來(lái)的副產(chǎn)品光纖傳感原理與技術(shù)(8學(xué)時(shí))1 光纖傳感原理回顧2 光纖傳感器能解決什么問(wèn)題？3 幾種主要

7、的光纖傳感器（光纖陀螺，白光干涉應(yīng)變傳感器，光纖光柵應(yīng)變傳感器等）4 有那些主要應(yīng)用？5 專題選修實(shí)驗(yàn)：光纖白光干涉測(cè)量技術(shù)與應(yīng)用6 專題選修實(shí)驗(yàn)：光纖馬赫曾德干涉儀及其應(yīng)用十一、發(fā)展無(wú)限的新型光纖(4學(xué)時(shí))1 如何降低損耗？2 如何減小色散？3 如何控制偏振？4 為什么要發(fā)展特種光纖？5 光子晶體光纖的工作原理五、教學(xué)方法及手段（含現(xiàn)代化教學(xué)手段）教學(xué)方法：在教學(xué)方法上力求實(shí)現(xiàn)教與學(xué)的互動(dòng)，教學(xué)過(guò)程的進(jìn)行主要以理論講授為主，輔以必要的課堂討論，使學(xué)生充分融入整個(gè)教學(xué)過(guò)程。另外，設(shè)置導(dǎo)波光學(xué)及光纖基礎(chǔ)實(shí)踐環(huán)節(jié)，增強(qiáng)學(xué)生的動(dòng)手能力，同理論環(huán)節(jié)緊密聯(lián)系起來(lái)，提高學(xué)生的綜合素質(zhì)。教學(xué)手段：板書理論推

8、演、PPT電子演示、理論與實(shí)踐相結(jié)合進(jìn)行多媒體教學(xué)。六、實(shí)驗(yàn)（或）上機(jī)內(nèi)容一、認(rèn)知驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)(1) 光纖制造和加工認(rèn)知實(shí)踐與討論（2學(xué)時(shí)）；實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：觀察光纖制作過(guò)程和制作工藝。觀察光纖預(yù)制棒的各種制備方法，如：化學(xué)氣相沉積（CVD）法及MCVD法等光纖預(yù)制棒制備方法；觀測(cè)各種光纖的拉制過(guò)程和制備流程，學(xué)習(xí)掌握光纖的拉絲控制工藝；觀察各種光纖的端面加工的方法，如：光纖熔融拉錐、光纖研磨等等。(2) 光纖基本操作實(shí)驗(yàn)（2學(xué)時(shí)）；實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，光纖的幾何尺寸觀測(cè)，光纖的切割與焊接。(3) 光纖光柵特性測(cè)量與應(yīng)用實(shí)驗(yàn)（3學(xué)時(shí)）；實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，光纖光譜儀的使用方法，光纖光柵的光譜特性測(cè)量，光纖光柵應(yīng)變測(cè)量實(shí)驗(yàn)

9、。(4) 光纖傳感實(shí)驗(yàn)（3學(xué)時(shí)）；實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：光纖傳感強(qiáng)度型光纖傳感技術(shù)及其傳感器的基本原理和結(jié)構(gòu)，熟悉其各個(gè)部件，學(xué)習(xí)和掌握其正確使用方法。內(nèi)容包括，光纖纖端光場(chǎng)徑向分布的測(cè)試；光纖纖端光場(chǎng)軸向分布的測(cè)試；反射式光纖位移傳感實(shí)驗(yàn)；微彎式光纖壓力/位移傳感器的實(shí)驗(yàn)。(5) 光纖通信實(shí)驗(yàn)（3學(xué)時(shí)）；掌握光纖通信基本原理和通信系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)，以及信息傳輸?shù)幕痉绞胶托盘?hào)調(diào)制與解調(diào)方法，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括，內(nèi)容語(yǔ)音信號(hào)與視頻信號(hào)的傳輸；模擬信號(hào)的脈沖頻率調(diào)制(PFM)傳輸；模擬信號(hào)的脈沖寬度調(diào)制(PWM)傳輸；數(shù)字信號(hào)基帶傳輸；數(shù)字編碼傳輸實(shí)驗(yàn)(6) 光纖陀螺實(shí)驗(yàn)（3學(xué)時(shí)）；掌握干涉型光纖傳感器的基本結(jié)構(gòu)及

10、其信號(hào)解調(diào)方法。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括，相位光纖陀螺直流信號(hào)特性測(cè)量實(shí)驗(yàn)；光纖陀螺交流信號(hào)特性測(cè)量實(shí)驗(yàn)；鎖相放大信號(hào)解調(diào)實(shí)驗(yàn)；調(diào)制頻率變化對(duì)光纖陀螺輸出特性的影響測(cè)量。二、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)(5) 光纖激光器與光纖放大器設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)（4學(xué)時(shí)）；掌握摻鉺有源光纖的增益放大特性，光纖激光器的原理和基本結(jié)構(gòu)，以及光纖放大器的原理和基本結(jié)構(gòu)，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括，設(shè)計(jì)一種可調(diào)諧摻鉺光纖激光器和一種摻鉺光纖放大器，并對(duì)其特性參數(shù)進(jìn)行測(cè)量。(6) 光纖特性參數(shù)測(cè)量或光纖器件特性測(cè)試自選設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)（4學(xué)時(shí)）掌握光纖特性測(cè)量方法。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括，設(shè)計(jì)一種光纖的傳輸損耗、光纖焊點(diǎn)損耗與發(fā)生位置，光纖連接器連接損耗與發(fā)生位置，以及整盤光纖的長(zhǎng)度

11、的測(cè)量的方法，并構(gòu)建能夠?qū)崿F(xiàn)上述功能的測(cè)量系統(tǒng)。三、研究性實(shí)驗(yàn)(7) 光纖馬赫曾德干涉儀的應(yīng)用性研究； （4學(xué)時(shí)）本實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生利用光纖Mach-Zehder干涉測(cè)量實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，展開干涉星光纖傳感器用于位移、溫度、壓力等物理量的測(cè)量展開研究，主要研究干涉型光纖傳感器的系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及信號(hào)解調(diào)方法的研究。(8) 基于邁克爾遜干涉儀的光纖白光干涉物理參量測(cè)試技術(shù)研究；（4學(xué)時(shí)） 本實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生基于白光干涉技術(shù)，利用基于寬譜LED為光源的光纖Michelson干涉測(cè)量系統(tǒng)，對(duì)光纖白光位移、溫度、壓力等傳感，特別是絕對(duì)物理量的測(cè)量，展開研究。(9) 非接觸光纖莫爾輪廓測(cè)量技術(shù)研究；（4學(xué)時(shí)）本實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生利

12、用光纖莫爾輪廓測(cè)量系統(tǒng)對(duì)置于光纖莫爾干涉光場(chǎng)中的物體三維輪廓以及形貌信息進(jìn)行研究。(10) 光纖應(yīng)變檢測(cè)技術(shù)及應(yīng)用研究。（4學(xué)時(shí)）光纖應(yīng)變檢測(cè)技術(shù)是通過(guò)光纖傳感器長(zhǎng)度（光程）的絕對(duì)變化測(cè)量，實(shí)現(xiàn)材料與結(jié)構(gòu)分布式應(yīng)變信息提取的光纖傳感技術(shù)，實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生利用自研的分布式光纖應(yīng)變測(cè)量?jī)x，通過(guò)對(duì)混凝土基、環(huán)氧基材料、復(fù)合材料基和土壤基材料的形變、應(yīng)變進(jìn)行測(cè)量，研究建筑物結(jié)構(gòu)與材料、光纖智能材料和結(jié)構(gòu)的特性進(jìn)行研究，或者用于橋梁、電站、大壩、邊坡、大型結(jié)構(gòu)以及建筑物關(guān)鍵部分的無(wú)損檢測(cè)與健康狀況監(jiān)測(cè)的研究。七、前續(xù)課程、后續(xù)課程前續(xù)課程：大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)、光學(xué)、電磁場(chǎng)與電磁波后續(xù)課程： 光纖通訊原理八、教材及

13、主要參考資料教材：1 苑立波. 光纖實(shí)驗(yàn)技術(shù)M. 哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)出版社，20052 孫雨南等，光纖技術(shù) 理論基礎(chǔ)與應(yīng)用M. 北京：北京理工大學(xué)出版社，2006主要參考資料：1 G.坎切列里，U.拉瓦約利. 光纖和光器件的測(cè)量M. 北京：宇航出版社，19902 靳偉，廖延彪，張志鵬.導(dǎo)波光學(xué)傳感器：原理與技術(shù)M. 北京：科學(xué)出版社，20013 王惠文.光纖傳感技術(shù)與應(yīng)用M. 北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1998 4 安毓英. 光纖傳感與測(cè)量M. 北京：電子工業(yè)出版社，20015 廖延彪. 光纖光學(xué)M.北京：清華大學(xué)出版社，2000年6 趙梓森. 光纖通信工程（修訂本）M.北京：人民郵電出版社，1994年7 靳偉、廖延彪，張志鵬. 導(dǎo)波光學(xué)傳感器：原理與技術(shù)M.北京：科學(xué)出版社，1998年8 Agrawal，Govind. Fiber Optic Communications Systems. 2nd edM. New York: John Wiley & Sons，19979 Crisp, John. Introduction to Fiber OpticsM. Woburn, Mass.: Newnes, 199710 Gof