Учебная программа Дисциплины р2 «Волоконно-оптические системы» п

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского»

Радиофизический факультет

Кафедра квантовой радиофизики

УТВЕРЖДАЮ

Декан радиофизического факультета

____________________Якимов А.В.

«18» мая 2011 г.

Учебная программа

Дисциплины М2.Р2 «Волоконно-оптические системы»

по направлению 011800 «Радиофизика»

магистерская программа «Квантовая радиофизика и лазерная физика»

Нижний Новгород

2011 г.

1. Цели и задачи дисциплины

Цель курса — сформировать у студента современное представление об основных физических принципах построения различных волоконно-оптических систем связи, о современной элементной базе, применяемой в волоконно-оптической связи, а также об особенностях модуляции излучения и распространения оптических электромагнитных волн в различных волоконно-оптических конфигурациях. Большое внимание в курсе уделено сопутствующему математическому описанию указанных явлений и систем на базе электродинамической модели распространения волн и их использованию для расчета основных характеристик устройств оптической связи.

2. Место дисциплины в структуре магистерской программы

Дисциплина «Волоконно-оптические системы» относится к дисциплинам вариативной части профессионального цикла основной образовательной программы по направлению 011800 «Радиофизика».

3. Требования к уровню освоения содержания дисциплины

В результате освоения дисциплины формируются следующие компетенции:

способностью использовать базовые знания и навыки управления информацией для решения исследовательских профессиональных задач, соблюдать основные требования информационной безопасности, защиты государственной тайны (ОК-l0);

способность к свободному владению знаниями фундаментальных разделов физики и радиофизики, необходимыми для решения научно-исследовательских задач (в соответствии со своим профилем подготовки) (ПК-1);

способность к свободному владению профессионально-профилированными знаниями в области информационных технологий, использованию современных компьютерных сетей, программных продуктов и ресурсов Интернет для решения задач профессиональной деятельности, в том числе находящихся за пределами профильной подготовки (ПК-2);

способность использовать в своей научно-исследовательской деятельности знание современных проблем и новейших достижений физики и радиофизики (ПК-3);

способность самостоятельно ставить научные задачи в области физики и радиофизики (в соответствии с профилем подготовки) и решать их с использованием современного оборудования и новейшего отечественного и зарубежного опыта (ПК-4).

В результате изучения дисциплины студент должен знать:

физические основы распространения световых волн по волоконным световодам и в открытом пространстве

основные типы волоконных световодов и их характеристики

основные физические принципы построения волоконно-оптического канала связи,

современную элементную базу, применяемую в волоконной технике,

особенности распространения оптических электромагнитных волн в различных волоконно-оптических конфигурациях.

Также студент должен уметь:

выполнять расчет основных характеристик волоконно-оптического канала передачи информации.

4.Объем дисциплины и виды учебной работы

Общая трудоемкость дисциплины составляет 3 зачетные единицы, 108 часов.

Виды учебной работы

Всего часов

Семестры

Общая трудоемкость дисциплины

108

9

Аудиторные занятия

32

32

Лекции

32

32

Практические занятия (ПЗ)

0

0

Семинары (С)

0

0

Лабораторные работы (ЛР)

0

0

Другие виды аудиторных занятий

0

0

Самостоятельная работа

40

40

Курсовой проект (работа)

0

0

Расчетно-графическая работа

0

0

Реферат

0

0

Другие виды самостоятельной работы

0

0

Вид итогового контроля (зачет, экзамен)

экзамен (36)

экзамен (36)

5. Содержание дисциплины

5.1. Разделы дисциплины и виды занятий

№п/п

Раздел дисциплины

Лекции

ПЗ (или С)

ЛР

1.

Основы распространения оптических волн в каналах связи

14

2.

Основы волоконно-оптической связи

10

3.

Системы передачи информации на базе устройств волоконной оптики

8

5.2. Содержание разделов дисциплины

Введение.

Оптические системы связи в условиях современного НТП. История проблемы. Основные преимущества волоконно-оптических систем. Общая структура оптического канала связи.

I. Основы распространения оптических волн в каналах связи.

Открытые каналы связи. Сравнение характеристик каналов радио, СВЧ- и оптического диапазона. Особенности открытых атмосферных каналов. Специфика оптического канала передачи информации в ближнем ИК-диапазоне. Основные недостатки открытых линий оптической связи. Физические основы распространения электромагнитных волн в волоконных световодах. Ввод оптического излучения в волокно. Понятие числовой апертуры. Распространение оптических волн в волоконном световоде (ВС) в приближении геометрической оптики. Фазовая лучевая модель формирования модовой структуры в ступенчатом ВС. Нормированная частота ВС. Основные типы световодов, их геометрические и технологические особенности. Волновая модель распространения электромагнитных волн в ВС. Волновое уравнение для цилиндрического волновода. Модовая структура полей в многомодовом ВС. Градиентные световоды. Дисперсионное уравнение и дисперсионные характеристики ВС. Условие отсечки мод. Одномодовый световод (волокно). Материальная дисперсия в волокне. Оценки величин. Волноводная дисперсия в ВС. Сравнение влияния разных дисперсионных механизмов на расплывание волнового пакета в ВС. Физические причины затухания в волокнах. Оптическое поглощение в регулярных и нерегулярных ВС. Рэлеевское рассеяние в волокне. Количественные оценки уровня оптических потерь в ВС. Датчики распределения. Особенности передачи информации по волоконному каналу. Выбор оптимальной протяженности канала. Нормализация распределения излучения по модам. Понятие модуляционных характеристик световода.

II. Основы волоконно-оптической связи.

Общая структура волоконно-оптического канала связи. Элементная база волоконно-оптического канала передачи информации. Источники оптического излучения в волоконной технике. Физические механизмы излучательной рекомбинации в полупроводниках. Инфракрасные светодиоды, их конструкция и рабочие характеристики. Согласование светодиодов с апертурой многомодового ВС. Модуляционная характеристика светодиода. Полупроводниковый инжекционный лазер, его особенности. Структуры полупроводниковых лазеров, применяемых в оптоэлектронных системах связи. Спектрально-энергетические характеристики инжекционных лазеров. Динамическая модель полупроводникового инжекционного лазера. Модуляционные и флуктуационные свойства полупроводниковых лазеров. Полоса модуляции полупроводникового лазера, физические ограничения. Радиотехнические особенности лазерного диода. Перспективы и границы применения полупроводниковых инжекционных лазеров в волоконной оптических системах связи. Согласование источника излучения и волоконно-оптического канала. Общие принципы совместимости планарных волноводов и ВС. Согласование одномодовых волноводных структур. Влияние нерегулярностей на эффективность согласования волноводных структур. Элементы связи как причина избыточных шумов в волоконно-оптических линиях связи. Фотоприемники в волоконно-оптической связи. Типы, общие особенности. Быстродействие и чувствительность ИК-фотодиодов. Шумовые свойства фотоприемников, их соотношение с оптическим шумом волоконного канала.

III. Системы передачи информации на базе устройств волоконной оптики.

Методы модуляции и кодирования в современных системах оптической связи. Статистические свойства АМ и ФМ-модулированного оптического сигнала. Резонансный волоконный усилитель и регенератор. Физические основы когерентной волоконно-оптической связи. Гетеродинное детектирование. Преимущества и перспективы когерентной связи. Спектральное уплотнение каналов оптической связи. Структура и элементная база систем мультиплексирования. Новые технологии в волоконно-оптической связи.

6. Лабораторный практикум

Не предусмотрен.

7. Учебно-методическое обеспечение дисциплины

7.1. Рекомендуемая литература:

а) основная литература:

Адамс М. Введение в теорию оптических волноводов М. «Мир», 1984г.

Гауер Дж. Оптические системы связи М. 1989г..

Гроднев И.И. Волоконно-оптические линии связи М. «Радио и связь», 1990г.

Полупроводниковые инжекционные лазеры / Под ред. У.Тсанга – М. «Радио и связь», 1990г.

Семенов А.С., Смирнов В.Л., Шмалько А.В. Интегральная оптика для систем передачи и обработки информации М. «Радио и связь», 1990 г.

Источники и приемники излучения Уч.пособие для вузов. С.Пб. «Политехника», 1991 г.

Сорокин Ю.М., Ширяев В.С. Оптические потери в световодах. Н.Новгород: Изд-во ННГУ, 2000 г. 324 с.

8. Вопросы для контроля

Что такое нормированная частота, и какие свойства волоконных световодов она определяет?

В каком диапазоне – 0,6 мкм, 1,3 мкм или 10 мкм легче обеспечить прием сигнала в оптических каналах связи (чувствительность, шумы, эффективность)?

Почему сложно реализовать полупроводниковые лазеры в диапазонах λ < 0,4 мкм и λ > 4 мкм?

Какой элемент предпочтительней при согласовании многомодового световода и полупроводникового лазера: короткофокусная линза, длиннофокусная линза ?

Известны ли вам оптические системы, где наличие когерентного лазерного излучения является нежелательным фактором?

Проанализируйте преимущества и недостатки возможных источников оптического излучения при использовании их в волоконно-оптических линиях связи.

Является ли одномодовым волокно, имеющее размеры 10/100 мкм, а ступенчатый профиль кварцевого волновода с перепадом показателя преломления 0,5 %?

Найти расстояние, на котором оптическая мощность светового пучка в ВОЛС уменьшится в 10 раз, если волокно характеризуется коэффициентом потерь α = 0,2 дБ/км.

Оптическое волокно представляет собой однослойный кварцевый световод с показателем преломления 1,50 ( без внешней оболочки). Исходя из основных параметров этого световода, дайте его характеристику в сравнении с обычными многомодовыми двухслойными волокнами.

Можно ли осуществить надежный прием информации ( S/N = 10 ) на выходе волоконно-оптического канала связи (α = 10 дБ), если ηлаз = 0,3 мВт/мА, динамический диапазон лазера 55 дБm, а максимальная СВЧ-мощность на входном модуляторе равна 1 мВт ?

Проанализируйте причины избыточных оптических шумов в волоконно-оптических каналах связи.

Оцените эффективность ввода излучения от поверхностно излучающего светодиода в волокно с показателями преломления сердцевины (d=50мкм) и оболочки (D=125мкм) соответственно 1,470 и 1,455. Является ли данное волокно многомодовым? Можно ли оценить его дисперсионные характеристики?

Каким элементом ( источником излучения или волоконным световодом) обусловлено дисперсионное размывание сигнала в протяженных линиях связи? Каковы возможные пути уменьшения этого эффекта ?

Какой уровень входного сигнала надо обеспечить, чтобы осуществить когерентную гетеродинную связь в полосе Δf = 1 ГГц на линии протяженностью L = 100 км и потерями α = 0,5 дБ/км?

На какой длине волны больше дисперсионное размывание импульса в многомодовом кварцевом волокне (L = 100 км) и почему?

В чем преимущество волоконных световодов с градиентным профилем показателя преломления над ступенчатыми?

Преимущества и недостатки оптического гетеродинирования по сравнению с гомодинным приемом сигналов.

Какая причина является основным препятствием при разработке ВОЛС с пропускной способностью ~ 500 Мбит /с?

Какова широкополосность волоконно-оптического канала связи с полупроводниковым лазером в качестве источника света, использующего фазовый метод передачи информации?

9. Критерии оценок

Превосходно

Превосходное знание учебного материала.

Отлично

Отличное знание учебного материала.

Очень хорошо

Очень хорошее знание учебного материала.

Хорошо

Хорошее знание учебного материала.

Удовлетворительно

Удовлетворительное знание учебного материала.

Неудовлетворительно

Плохое, недостаточное знание учебного материала.

Плохо

Отсутствие знаний.

10. Примерная тематика курсовых работ и критерии их оценки

Не предусмотрена.

Программа составлена в соответствии с Государственным образовательным стандартом по направлению 011800 «Радиофизика».

Автор программы ___________ Маругин А.В.

Программа рассмотрена на заседании кафедры 31 января 2011 г. протокол № 01-11

Заведующий кафедрой ___________________ Андронов А.А.

Программа одобрена методической комиссией факультета 11 апреля 2011 года

протокол № 05/10

Председатель методической комиссии _________________ Мануилов В.Н.

PAGE

PAGE 6