第1章 FTTH 概论

早在光纤通信之前，人们已经在利用光进行通信上的尝试了。容 易想像，利用光在空气中直线传播的特点，进行大气传输光通信，不 需要任何线路，简单、经济。1960 年梅曼（T.H.Maiman）发明了红 宝石激光器，产生了单色相干光，使高速的光调制成为可能，美国林 肯实验室首先利用氦氖激光器通过大气传输了一路彩色电视。随后， 相继出现了各色各样的大气传输系统实验。但后来发现大气传输光通 信有许多严重的问题：
(1). 气候对通信的影响十分严重。大雾时，通信几乎中断。 (2). 由于大气气温不均匀，使它的密度或折射率不均匀，以及
大气湍流的影响，使光线发生漂移和抖动。通信的信噪比 变劣，传输不稳定。 (3). 大气传输设备要求架设在高处，收发两地直线可见。这种 地理条件使大气传输光通信的使用范围具有局限性。 1966 年，英籍华人高锟（C.K.Kao）和 Hockham 预见利用玻璃可 以制成衰减为 20dB/km 的通信光导纤维（简称光纤）。同时期的其他
第一章 FTTH 概论 1.1. 光纤通信概论 1.1.1. 光通信
光通信，就是利用光波来载送信息，实现通信。 光通信是自然界最原始、最普遍的一种通信手段，也是人与自然、 人与社会、人与人交流的最基础的手段之一。我们每天目视的一切， 都是一种光通信过程，只不过是一种被动的接收性光通信过程。随着 信息交互的需要，发展出主动利用光传递信息的手段和技术，比如古 代的烽火台、现在用以指挥交通的红绿灯等均可算是主动性光通信手 段，但这种光通信仅限于大气式视距通信，并且仅仅具备传送图像信 息的功能。随着近现代“信息”含义的內伸和外延，信息通信除了图 像交互，还发展出了文本交互、音频交互、视频交互和数据交互等等 方式，这些信息交互方式以“超视距、不可视”为特征，并且这些交 互方式已经复杂到不可能单纯只利用光在空气中的直线传播特性来 完成，光通信系统应运而生。 光通信系统具有如下模型：
图 1-3 光纤的损耗窗口 之后通过对光纤损耗原因作进一步分析，人们发现光纤材料中的 水气（主要是 OH-）对光纤损耗影响很大，特别是在 1.38 波长的 地方有一个强烈的吸收峰。在改进工艺，降低这个吸收峰以后，人们 又发现在 1.31 和 1.55 这两个波长处有比 0.8～0.9 波 段更低的损耗。1.31 波长的最低损耗可达 0.35 / 以下， 1.55 波长的最低损耗可达 0.15 / 。后来由于 1.31 激
光纤引入通信领域之后，随着光纤传输系统的发展，通信网络也 一步步向着光网络进化。
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发光二极管
P
发射机
λ
再生器
（a）
多纵模激光器
P
1.31μm
发射机
单模光纤
λ
（b）
单纵模激光器
P
1.55μm
发射机
λ
单纵模激光器
P
发射机
λ1
（c）
λ λ2
发射机
λ1λ2λ3
λ3
光放大器
发射机
WDM复用器
（d）
多模光纤 WDM解复用器
通信变成了现实。
1.1.3. 光纤通信的特点
与电缆和微波通信相比，光纤通信具有无与伦比的通信是以光纤为传输媒介，光波为载波的通信方式，其载波
—光波—具有很高的频率(约 10
)，因此光纤具有很大的通信
容量。
(2). 传输距离长
光纤具有极低的传输衰耗系数，若配以适当的光发送设备和光接
要实现大容量的通信，就要求光纤具备很宽的带宽。受归一化频 率的制约，单模光纤具有最宽的带宽，是最理想的传输介质。但单模 光纤的芯径只有 4～10 ，工艺要求极高，在 70 年代初，难以做 到，所以在当时多采用芯径较粗的多模光纤。光信号在多模光纤中传 输时，遵循传统的几何光学模型，光信号中的每一条光线，都沿着不 同的路径在光纤中传播，每一条不同的路径相应于一个传输模式。不 同的路径长度有所不同，因此与其他模式相比，每一个模式在光纤中 传播的速度也稍有不同。这样，不同的模式到达光纤接收端时的时间 也不同，造成光信号的展宽模糊，这种信号模糊通常被称为色散，而 由于上述情况引入的色散被称为模间色散。随着光纤制作工艺的改进， 1.31 波段的单模光纤研制成功，这样在光纤中光能量只能以单一 模式传输，有效消除了模间色散的影响，应用于通信系统后，使得传 输的比特率和传输距离都大幅增加。但伴随更低损耗的 1.55 波段 单模光纤的研制和使用，另一个限制因素——色散射，逐渐成为影响
为了增加光纤的机械强度，满足成缆要求，在涂覆层外面还加有塑料
外套。
目前主流应用的光纤有两种尺寸规格，一种是芯线标称直径规格
为 62.5 / 125 （纤芯直径/包层直径，下同）或 50 /
125 的多模光纤，一种是芯线标称直径规格为 9 / 125
的单模光纤。如图 1-5 所示。
图 1-5 单模光纤、多模光纤标称规格 1.2.2. 光纤导光原理-几何光学理论
维而言，在 1.31 波段几乎没有色散射，但在 1.55 波段色
散射则较大。为克服这种难题，色散位移光纤发展了起来。终于在
80 年代中期，经过仔细设计，在 1.55 波长窗口色散为零的色散
位移光纤研制成功。这样采用单模光纤进行超大容量光纤通信也成为
了可能。
解决了光纤低损耗和零色散的问题，使长距离、超大容量的光纤
收设备，可使其中继距离达数百公里以上。这是传统的电缆、微波等
根本无法与之比拟的。
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(3). 保密性能好 光波在光纤中传输时只在其芯区进行，基本上没有光泄露出去， 因此其保密性能极好。 (4). 适应能力强 光纤基材为玻璃，无金属辅件的光缆可以在强电场环境下工作， 不受电磁场干扰，可用于电力网或变电所内做通信控制线路；光纤的 抗腐蚀能力很强，可以在具有有害气体环境下工作，如化工厂等；光 纤还具有优良的抗核辐射能力。 (5). 体积小、重量轻、便于施工维护 光缆的敷设方式方便灵活，既可以直埋、管道敷设，又可以水底 敷设和架空。 (6). 原材料来源丰富，价格低廉 制造石英光纤的最基本原材料是二氧化硅既石英砂，在大自然中 几乎是取之不尽、用之不竭，规模生产后价格低廉，并且替代了铜缆 以后，节省了有色金属资源， 1000 的光缆线路可以节省铜 150 吨、铅 500 吨。 但光纤也具有其固有的缺点： (1). 质地脆，机械强度差 因此光纤外围需要大量的辅材以弥补这一缺点，同时提高了施工 工艺要求。 (2). 光纤的切断和接续需要一定的工具、设备和技术 对光纤的断续操作其实是对纤芯的一项精细化操作，已经超出了
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光器首先成熟得并到广泛应用，所以现在正在大量运营的光纤通信系 统就工作在这一窗口。不过，由于 1.55 波长的损耗最低，其损 耗系数大约为 1.31 波长区的一半，因此又称 1.55 波长区为 石英光纤的最低损耗窗口，继 0.85 和 1.31 波长之后，被称 之为第三窗口。1980 年，在 1.55 窗口，实用光纤衰减低至 0.2 / ，已接近理论值。这样，使得长距离的光纤通信成为可能。 这一窗口对人们具有很大的吸引力，特别是近几年 1.55 光纤放 大器的研制成功，使得这一窗口成为人们积极开发、应用的热点。
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实验证明，编码在光信号上的信息可以通过玻璃纤维波导传输。波导 提供了一种可以传导光信号的介质，该介质使光信号在其中传输一定 的距离而不发生散射，即光能仍较集中。这就使信号在另一端被接受 时仍有足够的强度，因此传输的信息可以通过解码被读取出来。这些 早期的实验证明了光信息通过光纤传输是可行的。
1970 年，康宁公司的 Maurer 等人根据高锟的理论首先制出衰减 为 20dB/km 的光纤，光纤传输的实用取得重大突破。之后，世界各发 达国家纷纷开展光纤通信的研究，从此光纤传输开始了以最高的传输 容量和最长的传输距离来传输信息的历程，并且发展速度惊人。随着 技术难题的解决，光网络传输容量和传输距离持续增长，同时，将一 比特信息传输一公里所耗费的造价持续降低。基本上实现了运营商可 以不考虑传输距离，而只对线路估价的目标。
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系统性能的主要限制因素。与模间色散相似但不同的是，色散射是由
于玻璃材质的不均匀性（如折射率不均匀、参杂离子浓度不均匀等），
引起光脉冲中不同的频率分量以不同的速度传播，最终造成和模间色
散一样的信号展宽现象，使得光信号变模糊，而且，光脉冲的谱越宽，
由色散引发的信号模糊程度越大。对于标准的基于二氧化硅的光学纤
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人的手眼可以直接操作的范畴，必须借助一定的工具和设备，采用特 殊的操作手段。
(3). 分路、耦合不灵活 光纤的分路、耦合涉及到对光纤的熔融操作，且需要精密的仪器 控制操作参数以保障分路、耦合后光纤的技术参数，非工厂环境下难 以实施。此外，由于光纤本身的物理特性，需要对光纤的分路、耦合 设计额外的接口单元。 (4). 光纤光缆的弯曲半径不能过小 光在纤芯中是以全反射的方式进行传播，光纤光缆弯曲半径过小 将破环全反射条件，使得光能量泄露，造成光信号大幅衰减甚至通信 中断。 1.2. 光纤及光缆基础知识 1.2.1. 光纤的概念 光纤是光导纤维（Optical Fiber）的简称。它是由玻璃、塑料 和晶体等对某个波长范围透明的材料制成的，能传输光的纤维，是一 种介质光波导，具有把光封闭在其中进行传播的导波结构。 光纤主要由纤芯、包层和涂敷层三部分组成，如图 1-4 所示。
图 1-1 光通信系统模型 信源系统：信息的产生来源，是信息动态运行一个周期的起始环 节。可以是人、机器、自然界的物体等等。
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信宿系统：信宿系统是相对于信源系统而言的。信宿系统是信息 动态运行一个周期的最终环节。其功能是接收情报信息，并选择对自 身有用的信息加以利用，直接或间接地为某一目的服务。
光信道系统：以光波作为运输载体和处理对象，以有效性和可靠 性为目，保证信源信息高效无误地传送至信宿的通路系统，是连接信 源系统与信宿系统的中间环节。 1.1.2. 光纤通信
光波与通信用的无线电波一样也是一种电磁波。不同的只是它的
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