光纤与光接入网

打印此页面 第一课 光纤与光接入网 第一章 光纤 第一讲 光纤的分类 一， 光纤的分类 光纤是光导纤维（OF：Optical Fiber）的简称。但光通信系统中常常将 Optical Fibe（光纤）又简 化为 Fiber，例如：光纤放大器（Fiber Amplifier）或光纤干线（Fiber Backbone）等等。有人忽略了 Fiber虽有纤维的含义，但在光系统中却是指光纤而言的。因此，有些光产品的中，把fiber直译成 “纤维”，显然是不可取的。 光纤实际是指由透明材料作成的纤芯和在它周围采用比纤芯的折射率稍低的材料作成的包层所被覆， 并将射入纤芯的光信号，经包层界面反射，使光信号在纤芯中传播前进的媒体。 光纤的种类很多，根据用途不同，所需要的功能和性能也有所差异。但对于有线电视和通信用的光 纤，其设计和制造的原则基本相同，诸如：①损耗小；②有一定带宽且色散小；③接线容易；④易于成 统；⑤可靠性高；⑥制造比较简单；⑦价廉等。 光纤的分类主要是从工作波长、折射率分布、传输模式、原材料和制造上作一归纳的，兹将各种 分类举例如下。 （1）工作波长：紫外光纤、可观光纤、近红外光纤、红外光纤（0.85pm、1.3pm、1.55pm）。 （2）折射率分布：阶跃（SI）型、近阶跃型、渐变（GI）型、其它（如三角型、W型、凹陷型等）。 （3）传输模式：单模光纤（含偏振保持光纤、非偏振保持光纤）、多模光纤。 （4）原材料：石英玻璃、多成分玻璃、塑料、复合材料（如塑料包层、液体纤芯等）、红外材料等。按被 覆材料还可分为无机材料（碳等）、金属材料（铜、镍等）和塑料等。 （5）制造方法：预塑有汽相轴向沉积（VAD）、化学汽相沉积（CVD）等，拉丝法有管律法（Rod intube） 和双坩锅法等。 二， 石英光纤 是以二氧化硅（SiO2）为主要原料，并按不同的掺杂量，来控制纤芯和包层的折射率分布的光纤。石 英（玻璃）系列光纤，具有低耗、宽带的特点，现在已广泛应用于有线电视和通信系统。 掺氟光纤（Fluorine Doped Fiber）为石英光纤的典型产品之一。通常，作为1.3Pm波域的通信用光纤 中，控制纤芯的掺杂物为二氧化绪（GeO2），包层是用SiO炸作成的。但接氟光纤的纤芯，大多使用SiO2， 而在包层中却是掺入氟素的。由于，瑞利散射损耗是因折射率的变动而引起的光散射现象。所以，希望形 成折射率变动因素的掺杂物，以少为佳。 氟素的作用主要是可以降低SIO2的折射率。因而，常用于包层的掺杂。由于掺氟光纤中，纤芯并不含 有影响折射率的氟素掺杂物。由于它的瑞利散射很小，而且损耗也接近理论的最低值。所以多用于长距离 的光信号传输。 石英光纤（Silica Fiber）与其它原料的光纤相比，还具有从紫外线光到近红外线光的透光广谱，除 通信用途之外，还可用于导光和传导图像等领域。 打印页 http://www.stcsm.gov.cn/learning/lesson/xinxi/200112... 1 of 39 2011/6/28 18:18 三， 红外光纤 作为光通信领域所开发的石英系列光纤的工作波长，尽管用在较短的传输距离，也只能用于2pm。为 此，能在更长的红外波长领域工作，所开发的光纤称为红外光纤。 红外光纤（Infrared Optical Fiber）主要用于光能传送。例如有：温度计量、热图像传输、激光手 术刀医疗、热能加工等等，普及率尚低。 四， 复台光纤 复合光纤（Compound Fiber）在SiO2原料中，再适当混合诸如氧化钠（Na2O）、氧化硼（B2O2）、氧 化钾（K2O2）等氧化物的多成分玻璃作成的光纤，特点是多成分玻璃比石英的软化点低且纤芯与包层的折 射率差很大。主要用在医疗业务的光纤内窥镜。 五， 氟化物光纤 氯化物光纤（Fluoride Fiber）是由氟化物玻璃作成的光纤。这种光纤原料又简称 ZBLAN（即将氟化 铝（ZrF4）、氰化钡（BaF2）、氟化镧（LaF3）、氟化铝（A1F2）、氰化钠（NaF）等氯化物玻璃原料简化 成的缩语。主要工作在2～ 10pm波长的光传输业务。 由于ZBLAN具有超低损耗光纤的可能性，正在进行着用于长距离通信光纤的可行性开发，例如：其理论 上的最低损耗，在3pm波长时可达10-2～10－3dB／km，而石英光纤在1.55pm时却在0.15～0.16dB/Km之间。 目前，ZBLAN光纤由于难于降低散射损耗，只能用在2.4～2.7pm的温敏器和热图像传输，尚未广泛实 用。 最近，为了利用ZBLAN进行长距离传输，正在研制1.3pm的掺错光纤放大器（PDFA）。 六， 塑包光纤 塑包光纤（Plastic Clad Fiber）是将高纯度的石英玻璃作成纤芯，而将折射率比石英稍低的如硅胶 等塑料作为包层的阶跃型光纤。它与石英光纤相比较，具有纤芯租、数值孔径（NA）高的特点。因此，易 与发光二极管LED光源结合，损耗也较小。所以，非常适用于局域网（LAN）和近距离通信。 七， 塑料光纤 这是将纤芯和包层都用塑料（聚合物）作成的光纤。早期产品主要用于装饰和导光照明及近距离光键 路的光通信中。 原料主要是有机玻璃（PMMA）、聚苯乙稀（PS）和聚碳酸酯（PC）。损耗受到塑料固有的C－H结合结 构制约，一般每km可达几十dB。为了降低损耗正在开发应用氟索系列塑料。由于塑料光纤（Plastic Optical fiber）的纤芯直径为1000pm，比单模石英光纤大100倍，接续简单，而且易于弯曲施工容易。近 年来，加上宽带化的进度，作为渐变型（GI）折射率的多模塑料光纤的发展受到了社会的重视。最近，在 汽车内部LAN中应用较快，未来在家庭LAN中也可能得到应用。 八， 单模光纤 这是指在工作波长中，只能传输一个传播模式的光纤，通常简称为单模光纤（SMF：Single ModeFiber）。目前，在有线电视和光通信中，是应用最广泛的光纤。 由于，光纤的纤芯很细（约10pm）而且折射率呈阶跃状分布，当归一化频率V参数＜2.4时，理论上， 只能形成单模传输。另外，SMF没有多模色散，不仅传输频带较多模光纤更宽，再加上SMF的材料色散和结 构色散的相加抵消，其合成特性恰好形成零色散的特性，使传输频带更加拓宽。 SMF中，因掺杂物不同与制造方式的差别有许多类型。凹陷型包层光纤（DePr-essed Clad Fiber）， 其包层形成两重结构，邻近纤芯的包层，较外倒包层的折射率还低。另外，有匹配型包层光纤，其包层折 打印页 http://www.stcsm.gov.cn/learning/lesson/xinxi/200112... 2 of 39 2011/6/28 18:18 射率呈均匀分布。 九， 多模光纤 将光纤按工作彼长以其传播可能的模式为多个模式的光纤称作多模光纤（MMF：MUlti ModeFiber）。 纤芯直径为50pm，由于传输模式可达几百个，与SMF相比传输带宽主要受模式色散支配。在历史上曾用于有 线电视和通信系统的短距离传输。自从出现SMF光纤后，似乎形成历史产品。但实际上，由于MMF较SMF的芯 径大且与LED等光源结合容易，在众多LAN中更有优势。所以，在短距离通信领域中MMF仍在重新受到重视。 MMF按折射率分布进行分类时，有：渐变（GI）型和阶跃（SI）型两种。GI型的折射率以纤芯中心为最 高，沿向包层徐徐降低。从几何光学角度来看，在纤芯中前进的光束呈现以蛇行状传播。由于，光的各个 路径所需时间大致相同。所以，传输容量较SI型大。 SI型MMF光纤的折射率分布，纤芯折射率的分布是相同的，但与包层的界面呈阶梯状。由于SI型光波在 光纤中的反射前进过程中，产生各个光路径的时差，致使射出光波失真，色激较大。其结果是传输带宽变 窄，目前SI型MMF应用较少。 十， 色散使移光纤 单模光纤的工作波长在1.3Pm时，模场直径约9Pm，其传输损耗约0.3dB／km。此时，零色散波长恰好在 1.3pm处。 石英光纤中，从原材料上看1.55pm段的传输损耗最小（约0.2dB／km）。由于现在已经实用的掺铒光纤 放大器（EDFA）是工作在1.55pm波段的，如果在此波段也能实现零色散，就更有利于应用1.55Pm波段的长 距离传输。 于是，巧妙地利用光纤材料中的石英材料色散与纤芯结构色散的合成抵消特性，就可使原在1.3Pm段的 零色散，移位到1.55pm段也构成零色散。因此，被命名为色散位移光纤（DSF：DispersionShifted Fiber）。 加大结构色散的方法，主要是在纤芯的折射率分布性能进行改善。 在光通信的长距离传输中，光纤色散为零是重要的，但不是唯一的。其它性能还有损耗小、接续容 易、成缆化或工作中的特性变化小（包括弯曲、拉伸和环境变化影响）。DSF就是在设计中，综合考虑这些 因素。 11色散平坦光纤 色散移位光纤（DSF）是将单模光纤设计零色散位于1.55pm波段的光纤。而色散平坦光纤 （DFF：Dispersion Flattened Fiber）却是将从1.3Pm到1.55pm的较宽波段的色散，都能作到很低，几乎 达到零色散的光纤称作DFF。由于DFF要作到1.3pm～1.55pm范围的色散都减少。就需要对光纤的折射率分布 进行复杂的设计。不过这种光纤对于波分复用（WDM）的线路却是很适宜的。由于DFF光纤的工艺比较复 杂，费用较贵。今后随着产量的增加，价格也会降低。 12色散补偿光纤 对于采用单模光纤的干线系统，由于多数是利用1.3pm波段色散为零的光纤构成的。可是，现在损耗最 小的1.55pm，由于EDFA的实用化，如果能在1.3pm零色散的光纤上也能令1.55pm波长工作，将是非常有益 的。因为，在1.3Pm零色散的光纤中，1.55Pm波段的色散约有16ps／km／nm之多。如果在此光纤线路中，插 入一段与此色散符号相反的光纤，就可使整个光线路的色散为零。为此目的所用的是光纤则称作色散补偿 光纤（DCF：DisPersion Compe-nsation Fiber）。 DCF与的1.3pm零色散光纤相比，纤芯直径更细，而且折射率差也较大。DCF也是WDM光线路的重要 组成部分。 13偏派保持光纤 在光纤中传播的光波，因为具有电磁波的性质，所以，除了基本的光波单一 模式之外，实质上还存在 打印页 http://www.stcsm.gov.cn/learning/lesson/xinxi/200112... 3 of 39 2011/6/28 18:18 着电磁场（TE、TM）分布的两个正交模式。通常，由于光纤截面的结构是圆对称的，这两个偏振模式的传 播常数相等，两束偏振光互不干涉。但实际上，光纤不是完全地圆对称，例如有着弯曲部分，就会出现两 个偏振模式之间的结合因素，在光轴上呈不规则分布。偏振光的这种变化造成的色散，称之偏振模式色散 （PMD）。对于现在以分配图像为主的有线电视，影响尚不太大。但对于一些未来超宽带有特殊要求的业 务，如：①相干通信中采用外差检波，要求光波偏振更稳定时；②光机器等对输入输出特性要求与偏振相 关时；③在制作偏振保持光耦合器和偏振器或去偏振器等时；④制作利用光干涉的光纤敏感器等，凡要求 偏振波保持恒定的情况下，对光纤经过改进使偏振状态不变的光纤称作偏振保持光纤（PMF：Polarization Maintaining fiber），也有称此为固定偏振光纤的。 14双折射光纤 双折射光纤是指在单模光纤中，可以传输相互正交的两个固有偏振模式的光纤而言。因为，折射率随 偏报方向变异的现象称为双折射。在造成双折射的方法中。它又称作PANDA光纤，即偏振保持与吸收减少光 纤（Polarization－maintai-ning AND Absorption－ reducing fiber）。它是在纤芯的横向两则，设置 热膨胀系数大、截面是圆形的玻璃部分。在高温的光纤拉丝过程中，这些部分收缩，其结果在纤芯y方向产 生拉伸，同时又在x方向呈现压缩应力。致使纤材出现光弹性效应，使折射率在X方向和y方向出现差异。依 此原理达到偏振保持恒定。 15抗恶环境光纤 通信用光纤通常的工作环境温度可在-40～＋60℃之间，设计时也是以不受大量辐射线照射为前提的。 相比之下，对于更低温或更高温以及能遭受高压或外力影响、曝晒辐射线的恶劣环境下，也能工作的光纤 则称作抗恶环境光纤（Hard Condition Resistant Fiber）。 一般为了对光纤表面进行机械保护，多涂覆一层塑料。可是随着温度升高，塑料保护功能有所下降， 致使使用温度也有所限制。如果改用抗热性塑料，如聚四氟乙稀（Teflon）等树脂，即可工作在300℃环 境。也有在石英玻璃表面涂覆镍（Ni）和铝（A1）等金属的。这种光纤则称为耐热光纤（Heat Resistant Fib-er）。 另外，当光纤受到辐射线的照射时，光损耗会增加。这是因为石英玻璃遇到辐射线照射时，玻璃中会 出现结构缺陷（也称作色心：Colour Center），尤在0.4～0.7pm波长时损耗增大。防止办法是改用掺杂OH 或F素的石英玻璃，就能抑制因辐射线造成的损耗缺陷。这种光纤则称作抗辐射光纤（Radiation Resista-nt Fiber），多用于核发电站的监测用光纤维镜等。 16密封涂层光纤 为了保持光纤的机械强度和损耗的长时间稳定，而在玻璃表面涂装碳化硅（SiC）、碳化钛（TiC）、 碳（C）等无机材料，用来防止从外部来的水和氢的扩散所制造的光纤（HCF：HermeticallyCoated Fiber）。目前，通用的是在化学气相沉积（CVD）法生产过程中，用碳层高速堆积来实现充分密封效应。 这种碳涂覆光纤（CCF）能有效地截断光纤与外界氢分子的侵入。据报道它在室温的 氢气环境中可维持20 年不增加损耗。当然，它在防止水分侵入延缓机械强度的疲劳进程，其疲劳系数（Fatigue Parameter）可 达200以上。所以，HCF被应用于严酷环境中要求可靠性高的系统，例如海底光缆就是一例。 17碳涂层光纤 在石英光纤的表面涂敷碳膜的光纤，称之碳涂层光纤（CCF：Carbon CoatedFiber）。其机理是利用碳 素的致密膜层，使光纤表面与外界隔离，以改善光纤的机械疲劳损耗和氢分子的损耗增加。CCF是密封涂层 光纤（HCF）的一种。 18金属涂层光纤 金属涂层光纤（Metal Coated Fiber）是在光纤的表面涂布Ni、Cu、A1等金属层的光纤。也有再在金 属层外被覆塑料的，目的在于提高抗热性和可供通电及焊接。它是抗恶环境性光纤之一，也可作为电子电 路的部件用。 早期产品是在拉丝过程中，涂布熔解的金属作成的。由于此法因被玻璃与金属的膨胀系数差异太大， 会增微小弯曲损耗，实用化率不高。近期，由于在玻璃光纤的表面采用低损耗的非电解镀膜法的成功，使 打印页 http://www.stcsm.gov.cn/learning/lesson/xinxi/200112... 4 of 39 2011/6/28 18:18 性能大有改善。 19掺稀土光纤 在光纤的纤芯中，掺杂如何（Er）、钦（Nd）、谱（Pr）等稀土族元素的光纤。1985年英国的索斯安 普顿（Sourthampton）大学的佩思（Payne）等首先发现掺杂稀土元素的光纤（Rare Earth DoPed Fiber） 有激光振荡和光放大的现象。于是，从此揭开了惨饵等光放大的面纱，现在已经实用的1.55pmEDFA 就是利用掺饵的单模光纤，利用1.47pm的激光进行激励，得到1.55pm光信号放大的。另外，掺错的氟化物 光纤放大器（PDFA）正在开发中。 20喇曼光纤 喇曼效应是指往某物质中射人频率f的单色光时，在散射光中会出现频率f之外的f±fR， f±2fR等频 率的散射光，对此现象称喇曼效应。由于它是物质的分子运动与格子运动之间的能量交换所产生的。当物 质吸收能量时，光的振动数变小，对此散射光称斯托克斯（stokes）线。反之，从物质得到能量，而 振动数变大的散射光，则称反斯托克斯线。于是振动数的偏差FR，反映了能级，可显示物质中固有的数 值。 利用这种非线性媒体做成的光纤，称作喇曼光纤（RF：Raman Fiber）。为了将光封闭在细小的纤芯 中，进行长距离传播，就会出现光与物质的相互作用效应，能使信号波形不畸变，实现长距离传输。 当输入光增强时，就会获得相干的感应散射光。应用感应喇曼散射光的设备有喇曼光纤激光器，可供 作分光测量电源和光纤色散测试用电源。另外，感应喇曼散射，在光纤的长距离通信中，正在研讨作为光 放大器的应用。 21偏心光纤 标准光纤的纤芯是设置在包层中心的，纤芯与包层的截面形状为同心圆型。但因用途不同，也有将纤 芯位置和纤芯形状、包层形状，作成不同状态或将包层穿孔形成异型结构的。相对于标准光纤，称这些光 纤叫异型光纤。 偏心光纤（Excentric Core Fiber），它是异型光纤的一种。其纤芯设置在偏离中心且接近包层外线 的偏心位置。由于纤芯靠近外表，部分光场会溢出包层传播（称此为渐消彼，Evanescent Wave）。 因此，当光纤表面附着物质时，因物质的光学性质在光纤中传播的光波受到影响。如果附着物质的折 射率较光纤高时，光波则往光纤外辐射。若附着物质的折射率低于光纤折射率时，光波不能往外辐射，却 会受到物质吸收光波的损耗。利用这一现象，就可有无附着物质以及折射率的变化。 偏心光纤（ECF）主要用作检测物质的光纤敏感器。与光时域反射计（OTDR）的测试法组合一起，还可 作分布敏感器用。 22发光光纤 采用含有荧光物质制造的光纤。它是在受到辐射线、紫外线等光波照射时，产生的荧光一部分，可经 光纤闭合进行传输的光纤。 发光光纤（Luminescent Fiber）可以用于检测辐射线和紫外线，以及进行波长变换，或用作温度敏感 器、化学敏感器。在辐射线的检测中也称作闪光光纤（Scintillation Fiber）。 发光光纤从荧光材料和掺杂的角度上，正在开发着塑料光纤。 23多芯光纤 通常的光纤是由一个纤芯区和围绕它的包层区构成的。但多芯光纤（MultiCore Fiber）却是一个共同 的包层区中存在多个纤芯的。由于纤芯的相互接近程度，可有两种功能。 其一是纤芯间隔大，即不产生光耦会的结构。这种光纤，由于能提高传输线路的单位面积的集成密 度。在光通信中，可以作成具有多个纤芯的带状光缆，而在非通信领域，作为光纤传像束，有将纤芯作成 成千上万个的。 打印页 http://www.stcsm.gov.cn/learning/lesson/xinxi/200112... 5 of 39 2011/6/28 18:18 其二是使纤芯之间的距离靠近，能产生光波耦合作用。利用此原理正在开发双纤芯的敏感器或光回路 器件。 24空心光纤 将光纤作成空心，形成圆筒状空间，用于光传输的光纤，称作空心光纤（Hollow Fiber）。 空心光纤主要用于能量传送，可供X射线、紫外线和远红外线光能传输。空心光纤结构有两种：一是将 玻璃作成圆筒状，其纤芯与包层原理与阶跃型相同。利用光在空气与玻璃之间的全反射传播。由于，光的 大部分可在无损耗的空气中传播，具有一定距离的传播功能。二是使圆筒内面的反射率接近1，以减少反 射损耗。为了提高反射率，有在简内设置电介质，使工作波长段损耗减少的。例如可以作到波长10.6pm损 耗达几dB／m的。 第二讲 信号传输的革命——光纤传感技术 光纤传感技术是伴随着光通讯技术和半导体技术发展而衍生的一种新的传感技术，是光传感、光通 讯、电子技术互相交叉、互相渗透的高科技技术，是国家“十五”重点支持发展的信息产业的重要组成部 分。由于其信号传输是光，因此具有本质防爆特性，井具有体积小、精度高、耐腐蚀、抗电磁干扰强、可 传距离远以及操作肾单、使用寿命长等一系列优点，特别是能在极端恶劣危险的环境中工作，这在目前起 对不可取代的作用。该技术的产业化可带动和促进多个工业领域的技术进步和发展，将给仪器仪表及其相 关行业带来一次技术革命：将会给石油、化工工业的自动化计量和安全检测技术带来重大变革；大大提高 冶金、化工、建材等行业高温测量的自动化检测水平；为电力系统高压设备参数测量和安全监测提供新的 手段；为特大型工程的长期安全运行提供全新可靠的监测方法；还将带动和兴起一批为之配套的加工工业 和新型敏感材料、特种光纤等新材料工业的发展。在下述应用领域尤其具有重要意义） 一、光纤液位传感器 在我国石油化工、冶金以及国防等部门，对油品和化工产品等易燃易爆液体类物质的储存、检测和安 全管理一直是个难题。长期以来，大多企业是采用人工对其进行检测和管理，劳动强度大，又有危险性， 储罐爆炸事件和人员伤亡事故时有发生。光纤液位传感器某检测湘度高，使用方便、稳定可靠，特别是采 用光纤光缆采集和传输信号，做到现场无电检侧，本质安全防爆，特别适于易燃易爆场所的储罐检测。即 将投产的光纤液位传感器价调查和分析表明，目前全国年需求量应在1万台以上，而1日市场需求仍在快鹏 长如。 二、光纤高温测量仪 目前，我国冶金，化工，建材，能源等工业部门的高温炉体均采用双。。。。。。 我国主要依靠从 南：）娜罗斯进口，因此其生产成 光纤高温测量仪，是采用特种材料制备的光纤传感头，由于环境温度的 变化，引起通过传感光通量的变化，经光传输信息并进行光电转换和数字化处理从而达到测量环境（被测 物体）温度的目的，经用户试用考核，光纤高温测且仪有toT优点：①反应灵敏②安全③寿命长（在复杂环 境下是传统曳热偶的3一4倍）④抗电磁干扰能力强。其馒大优势在生渤本，金属热电偶每支长度一般为：1 米，需铂金丝2米，校目前的进口成本，仅这瓤分的材料费概达刃0元晦支，而光纤高乒测量仪，整体制造 成本仅fo8oo7C／每支，因此县＊jR大的价格优势。目前工业领域涉及采用高沪生产并需检测温度的“行业 主要有：冶金、化工、化肥、羹村等行业。①冶金：主要用于冶炼炉体及出炉钢水、铁水的温度测量，如 武钢·据了解每年需消耗金属热电偶约1万支。国内现有大小钢铁厂和炼铜《炼铬等其它有色金属冶炼企业 的预计年消耗金属热电偶在百万支以上，光纤高温测量仪由于非一次性产品，寿命较长，其需求勾汕在： 顺支以上。②化工、化肥：据全国的化工，化肥企业的预计年消耗量也在1顺支左右，由于光纤高温测且仪 的寿命为全属热电偶的2倍，年懦求也在4万支左右。③巨村：巴村行业采用高温窑炉生产的有水泥窑炉、 玻璃窑炉、陶瓷窑炉，全国有大小水泥厂are余家，玻璃厂41x）亲家，陶瓷厂3m久家，以平均每家年消耗 10支计算，年懦求10万支忻合本产品颂支。④其它行业特别是科研单位，大量研究机构，以及如金属硅， 打印页 http://www.stcsm.gov.cn/learning/lesson/xinxi/200112... 6 of 39 2011/6/28 18:18 碳化硅的烧结炉和输变电站的大型变压器工作温度检测等领域，预计财产品的需求且也在5万支以上。上述 几方面的衫合计为年23万支左右。 三、光纤阀位回讯器 在易燃易馒、瞩蚀性液体物质管遭输送系统中，阀位控制尤为重要，而我国石化、化工行业目前所使 用的各种阀位回讯器，由于受工矿环境的影响及各种原料溶液的腐蚀，基本上用不了几个月就无法正常工 作）由此导致阀门的开起度无法控制．这不仅存在安全隐息i也严重影响生产的自动化管理，目前急需一种 安全可靠的替代品。光纤阀位回讯器具有本质防馒，使用寿命长卜1小次）使用时间在三年以上，效果良 好。：～“、光纤阀位回讯器主要用于石油化工筹领域的省仑输送中的阀门检测与控制，调查显示，目前 石化系统共拥有各类阀（下5～40万合，其更换周期为4郝：向购：年新增阀门有】万台，这样仅石化系统 年需要的阀位回讯器约8h10万支。此外，其它行业如油品的运输、贮存、化工筹单位以及国家正在建设的 西气东送工择，均有大鱼的阀门斋乡装阀位回讯器，因此保守的估计1国内隼 心沥血，终于取得重大突破，至目前已形成光纤传感领！域六大类30亲种科技成果和产品，通过在石 油、怄、剃金、铁路、建材、水利等行业的实际推广应用，效果极佳，取得了巨大的经济效益和社会效 益，并先后获得了m多项国家和省部级科技成果奖励和国家专利。其产品技术已达到或接近国际先进水平。 其中光纤高温测量仪、光纤液位传感器、光纤阀位回讯器三大系列产品的生产技术已达到实用化程度，具 有极大的市场潜力，也已具备开发和批量生产的条件。 卜北新建材参与发起设立的武汉工大光纤传感科技 股份有限公司已在有“中国光谷”之你的武汉市正式挂牌。该公司的主发起人为武汉工业大学科技开发总 公司，注册资金2500万元人民币，北新建材投资700万元，持有20%的发起人股份。北新建材因此在中国 “光谷：”的光传感科技领域占有了一席之地。 第二章 光接入网讲座 第一讲 光接入网概述 摘要：本讲首先讨论了光接入网的基本概念和应用环境，然后介绍系统接入方式，接下 来重点讲述系统参考配置和应用类型，最后分别简要介绍其业务支持能力和配置结构的选 择。 关键词：光接入网 无源光网络 1 光接入网的基本概念和应用环境 所谓光接入网（OAN）就是采用光纤传输技术的接入网，泛指本地交换机或远端模块与用户之间采用光 纤通信或部分采用光纤通信的系统。通常，OAN指采用基带数字传输技术并以传输双向交互式业务为目的的 接入传输系统，将来应能以数字或模拟技术升级传输宽带广播式和交互式业务。在北美，美国贝尔通信研 究所规范了一种称为光纤环路系统（FITL）的概念，其实质和目的与ITU-T所规定的OAN基本一致，只是具 体规范稍有差异因而泛指时OAN和FITL两者可以等效使用，不作区分。 根据接入网室外传输设施中是否含有源设备，OAN又可以划分为无源光网络（PON）和有源光网络 （AON），前者采用光分路器分路，后者采用电复用器分路，两者均在发展，但多数国家和国际电联标准部 （ITU-T）更注重推动PON的发展，ITU-T第15研究组已于1996年6月通过了第一个有关PON的国际建议 G.982，不少国家也已开始或准备开始在接入网中大量引入OAN系统，其中德国走得最快，已敷设了大约 1500 000线。目前商用的PON系统主要是窄带PON（2Mbit/s以下业务），宽带PON（BPON）尚处于研究试验 阶段，但发展势头很猛，值得密切注视。 总体上看，目前的接入网仍然主要是铜缆网，约占94%左右，携带的业务主要是电话业务。铜缆网的故 障率很高，维护运行成本也很高，仅美国贝尔电话运营公司每年用于其用户铜缆网维护运行和满足新用户 增长要求的花费就达30亿美元。在光通信时代，花费巨额费用去维护运行一个将要淘汰的铜缆网实在是迫 打印页 http://www.stcsm.gov.cn/learning/lesson/xinxi/200112... 7 of 39 2011/6/28 18:18 不得已之举。OAN和FITL概念的提出正是为了达到将上述大规模用户接入网投资和花费逐渐转向光纤的目 的。总的看，在电信网中引入OAN或FITL的最基本的目标有两条。 首先是为了减少铜缆网的维护运行费用和故障率。据估算，采用光用户接入网后，每年的维护运 行和供给成本可以比传统铜缆网节约至少每线50美元。对于1亿用户线相当每年可以节约50亿美元，20年累 计可达1000亿美元，已完全可以用这笔费用来弥补将铜缆网转变为光缆网所需的新投资，当然故障率也可 大大降低。 其次是为了支持开发新业务，特别是多媒体和宽带新业务，从而加强竞争力，增加新业务收入， 补偿建设光用户接入网所需的新投资。近年来由于光器件价格的持续稳定下降而铜缆价格的持续上升，光 接入网的初装费用也已经可以与传统铜缆网相比，在传输距离大约为（2～3）km以上时已低于传统铜缆 网。 除了上述两个基本目标外，采用光接入网可以满足用户希望较快提供业务，改进业务质量和可用性的 要求，也可以节约城市拥挤不堪的地下管道空间，延长传输复盖距离，适应扩大的本地交换区等其他目 的，其结果当然也把接入网的数字化进一步推向了用户。简言之，采用光接入网已经成为解决电信发展瓶 颈的主要途径，其应用场合，不仅最适合那些新建的用户区，而且也是对需要更新的现有铜缆网的主要代 替手段。 OAN和FITL的主要设计目标有三条： 首先主要是为小企事业单位和居民住宅用户设计的，因 而可以看作是一种小型的数字环路载波系统。这一点不仅与传统的大容量点到点光纤传输系统不同，也与 数字环路载波系统不同，从而引入了不少新的特点。 其次光接入网的引入不应依赖于交换机的类型，既要能与现有模拟交换机或数字交换机兼容，也 应能与新的数字交换机兼容，即能工作于多厂家，多类型交换机环境。 最后光接入网必须能提供所有原来铜缆网所能提供的业务（主要为2Mbit/S以下速率的业务），将 来还应能升级提供图像和数据等新的宽带业务。 综上可知，OAN不是传统的光纤传输系统，而是一种针对接入网环境所设计的特殊的光纤传输系统。尽 管有人将之称为小型数字环路载波系统（DLC），其实两者在设计思想、结构、成本和应用环境等方面都有 不少差别。 2 系统接入方式 从光接入网系统接入方式看，FITL有三类接入方式： 1.综合的FITL系统 这类系统的主要特点是通过一个开放的高速数字接口与数字交换机相连。由于接口是开放的因而FITL 系统与交换机制造厂商无关，可以工作在多厂家环境，有利于将竞争机制引入接入网，从而降低了用户接 入网成本。这种方式代表了FITL的主要发展方向。 目前这类标准开放接口有两大类，一类是美国贝尔通信研究所为综合的数字环路载波（IDLC）系统提 出的TR-303开放接口。该接口采用嵌入的OAM通路，增加一些为支持FITL系统所需要的功能后将成为综合的 FITL系统的开放接口。另一类是ITU-T提出的V.5.1和V.5.2开放接口，后者比前者仅多了集中和保护功能。 这类接口将成为OAN的标准开放式数字接口。遗憾的是两者间都互不兼容。 2.通用的FITL系统 这类系统在FITL和交换机之间需要应用一个局内终端设备，在北美称之为局端（COT）。其功能是进行 数模转换并将来自FITL系统的信号分解为单个的话带信号，以音频接口方式经音频主配线架与交换机相 连。由于接口是音频话带接口，因而这种方式适合于任何交换机环境，包括模拟交换机和尚不具备标准开 放接口的数字交换机。然而，由于需要增加局内终端设备、音频主配线架和用户交换终端，因而这种方式 打印页 http://www.stcsm.gov.cn/learning/lesson/xinxi/200112... 8 of 39 2011/6/28 18:18 的成本和维护费用要比综合的FITL系统高。其好处是通用性。 3.专用交换机的FITL系统 这类系统与交换机之间不存在开放的标准接口，而是工厂自行开发的专用内部接口，因而交换机和 FITL系统必须由同一制造厂家生产。这往往是迫不得已的方法，不是发展方向，将逐渐淘汰。 3 参考配置和应用类型 3.1 功能参考配置 ITU-T建议G.982提出了一个与业务和应用无关的光接入网功能参考配置示例，如图1所示。尽管图示参 考配置是以无源光网络（PON）为例的，但原则上也适用其他配置结构，例如将图中无源光分路器用电复用 器代替就成了有源双星形结构。 图中从给定网络接口（V接口）到单个用户接口（T接口）之间的传输手段的总和称为无源光接入链 路。利用这一概念可以方便地进行功能和规程的描述以及规定网络需要。通常，光接入键路的用户侧和网 络侧是不一样的，因而是非对称的。光接入传输系统可以看作是一种使用光纤的具体实现手段，用以支持 接入链路。于是，光接入网（OAN）可以定义为共享同样网络侧接口且由光接入传输系统支持的一系列接入 链路，由光线路终端（OLT）、光配线网（ODN）、光网络单元（ONU）及适配功能（AF）组成，可能包含若 干与同一OLT相连的ODN。 下面先对几个主要功能块的作用作一简要介绍。 OLT的作用是为光接入网提供网络侧与本地交换机之间的接口并经一个或多个ODN与用户侧的ONU通 信，OLT与ONU的关系为主从通信关系。在北美，OLT称为局用数字终端（HDT）。OLT可以分离交换和非交换 业务，管理来自ONU的信令和监控信息，为ONU和本身提供维护和供给功能。OLT可以直接设置在本地交换机 接口处，也可以设置在远端，与远端集中器或复用器接口。OLT在物理上可以是独立设备，也可以与其他功 能集成在一个设备内。 ODN为OLT与ONU之间提供光传输手段，其主要功能是完成光信号功率的分配。ODN是由无源光元体（诸 如光纤光缆、光连接器和光分路器等）组成的纯无源的光配线网，呈树形—分支结构。 ONU的作用是为光接入网提供直接的或远端的用户侧接口，处于ODN的用户侧。ONU的主要功能是终结来 自ODN的光纤处理光信号并为多个小企事业用户和居民住宅用户提供业务接口。ONU的网络侧是光接口而用 户侧是电接口，因此ONU需要有光/电和电/光转换功能，还要完成对语声信号的数/模和模/数转换、复用、 信令处理和维护管理功能。其位置有很大灵活性，既可以设置在用户住宅处，也可以设置在DP处甚至FP 处，按照ONU在用户接入网中所处的位置不同，可以将OAN划分为三种基本不同的应用类型，即光纤到路边 （FTTC），光纤到楼（FTTB）以及光纤到办公室（FTTO）和光纤到家（FTTH）。 AF为ONU和用户设备提供适配功能，具体物理实现则既可以包含在ONU内，也可以完全独立。以FTTC为 例，ONU与基本速率NTI（相当AF）在物理上就是分开的。 图中发送参考点S是紧靠在发送机（ONU或OLT）光连接器后的光纤点；而接收参考点R是紧靠在接收机 （ONU或OLT）光连接器前的光纤点；a参考点是ONU与AF之间的参考点；V参考点是用户接入网与业务节点间 参考点；T参考点是用户网络接口参考点；Q3是网管接口。 3.2 应用类型 按照ONU在光接入网中所处的具体位置不同，可以将OAN划分为三种基本不同的应用类型，如图2所示。 下面分别讲述各自的优点和缺点以及适用场合。 3.2.1 光纤到路边（FTTC） 打印页 http://www.stcsm.gov.cn/learning/lesson/xinxi/200112... 9 of 39 2011/6/28 18:18 在FTTC结构中，ONU设置在路边的人孔或电线杆上的分线盒处，即DP点，有时也可能设置在交接箱处， 即FP点，但通常为前者。此时从ONU到各个用户之间的部分仍为双绞线铜缆。若要传送宽带图像业务，则这 一部分可能会需要同轴电缆。这样FTTC将比传统的DLC系统的光纤化程度更靠近用户，增加了更多的光缆共 享部分，有人将之看作一种小型的DLC系统。 FTTC结构主要适用于点到点或点到多点的树形—分支拓扑。用户为居民住宅用户和小企事业用户，典 型用户数在128个以下，经济用户数正逐渐降低至8～32个乃至4个左右。还有一种称为光纤到远端（FTTR） 的结构，实际是FTTC的一种变形，只是将ONU的位置移到远离用户的远端（RT）处，可以服务更多的用户 （多于256个），从而降低了成本。由于FTTR具有的业务量处理能力，因而特别适用于点到点或环形结构。 FTTC结构的主要特点可以总结如下： 在FTTC结构中引入线部分是用户专用的，现有铜缆设施仍能利用，因而可以推迟引入线部分（有 时甚至配线部分，取决于ONU位置）的光纤投资，具有较好的经济性。 预先敷设了一条很靠近用户的潜在宽带传输链路，一旦有宽带业务需要，可以很快地将光纤引至 用户处，实现光纤到家的战略目标。同样，如果考虑到经济性需要也可以用同轴电缆将宽带业务提供给用 户。 由于其光纤化程度已十分靠近用户，因而可以较充分地享受光纤化所带来的一系列优点，诸如节 省管道空间，易于维护，传输距离长，带宽大等。 由于FTTC结构是一种光缆/铜缆混合系统，最后一段仍然为铜缆，还有室外有源设备需要维护，从维护运行 的观点仍不理想。但是如果综合考虑初始投资和年维护运行费用的话，FTTC结构在提供2Mbit/s以下窄带业 务时仍然是OAN中最现实，最经济的。然而对于将来需要同时提供窄带和宽带业务时，这种结构就不够理想 了，届时初期对窄带业务合适的光功率预算值对以后的宽带业务就不够了，可能不得不减少节点数和用户 数，或者采用1.5μm波长区来传宽带业务。还有一种是干脆将宽带业务放在独立的光纤中传输，例如 采用HFC结构，此时在HFC上传模拟或数字图像业务，而FTTC主要用来传窄带交互型业务，具有一定灵活性 和独立性，但需要有两套基本独立的基础设施。 3.2.2 光纤到楼（FTTB） FTTB也可以看作是FTTC的一种变型，不同处在于将ONU直接放到楼内（通常为居民住宅公寓或小企事业 单位办公楼），再经多对双绞线将业务分送给各个用户。FTTB是一种点到多点结构，通常不用于点到点结 构。FTTB的光纤化程度比FTTC更进一步，光纤已敷到楼，因而更适于高密度用户区，也更接近于长官远发 展目标，预计会获得越来越广泛的应用，特别是那些新建工业区或居民楼以及与宽带传输系统共处一地的 场合。 需要注意有些文献将FTTB理解为光纤到办公楼或商务楼是不准确的，这里B表示Buliding而非 Bisenes，而且Building主要指公寓楼。若为光纤到办公大楼，则称FTTO，详见后。 3.2.3 光纤到家（FTTH）和光纤到办公室（FTTO） 在原来的FTTC结构中，如果将设置在路边的ONU换成无源光分路器，然后将ONU移到用户家即为FTTH结 构。如果将ONU放在大企事业用户（公司、大学、研究所、政府机关等等）终端设备处并能提供一定范围的 灵活的业务，则构成所谓的光纤到办公室（FTTO）结构。由于大企事业单位所需业务量大，因而FTTO结构 在经济上比较容易成功，发展很快。考虑到FTTO也是一种纯光纤连接网络，因而可以归入与FTTH一类的结 构。然而，由于两者的应用场合不同，结构特点也不同。FTTO主要用于大企事业用户，业务量需求大，因 而结构上适于点到点或环形结构。而FTTH用于居民住宅用户，业务量需求很小，因而经济的结构必须是点 到多点方式。以下的讨论将以FTTH为主进行。总的看，FTTH结构是一种全光纤网，即从本地交换机一直到 用户全部为光连接，中间没有任何铜缆，也没有有源电子设备，是真正全透明的网络。其主要特点可以总 结如下： 由于整个用户接入网是全透明光网络，因而对传输制式（例如POH或SDH，数字或模拟等）、带 宽、波长和传输技术没有任何限制，适于引入新业务，是一种最理想的业务透明网络，是用户接入网发展 打印页 http://www.stcsm.gov.cn/learning/lesson/xinxi/200112... 10 of 39 2011/6/28 18:18 的长远目标。 由于本地交换机与用户之间没有任何有源电子设备，ONU安装在住户处，因而环境条件比户外不可 控条件大为改善，可以采用低成本元器件。同时，ONU可以本地供电，不仅供电成本比网络远供方式可以降 低约一个量级，而且故障率也大大减少。最后，维护安装测试工作也得以简化，维护成本可以降低，是网 络运营者长期以来一直追求的理想网络目标。 由于只有当光纤直接通达住户，每个用户才真正有了名副其实的宽带链路，B-ISDN的实现才有了 最终的保证，采用各种WDM或FDM技术真正发掘光纤巨大潜在带宽的工作才有可能。 综上所述，一个全光纤的FTTH网在战略上具有十分重要的位置。然而主要由于经济的原因目前尚不能 立即实现光纤到家，影响这一目标实现的因素很复杂，有系统成本的因素、竞争的需要、政策法规的影响 以及新技术的推动等。随着时间的推移，光纤光缆和光元器件成本在稳步下降；各种宽带业务的需求正在 逐步呈现；现有铜缆网的维护运行负担的增加在不断推动网络运营者转向光纤网；来自同行，特别是CATV 公司的竞争压力正迫使电话公司可能提前实施FTTH网以便保证长远的宽带业务收入；各国电信政策法规管 制的逐渐放开越来越有利于FTTH的实施；各种新技术，诸如新型环路用激光器的出现，平面光波电路 （PLC）的发展，光纤放大器的问世，波分复用和频分复用以及数字集成和压缩技术的进展都在积极推动 FTTH的实现，人们对FTTH的兴趣又在重新增加。有理由相信，在接入网中较大规模引入FTTH的时机已不太 遥远了。 4 业务支持能力 OAN是一种为双向交互式业务而设计的系统，初期主要支持2Mbit/s以下速率的业务，基本业务有下面7 类： 普通电话（POTS）； 租用线； 分组数据； ISDN基本速率接入（BRA）； ISDN一次群速率接入（PRA）； n×64kbit/s； 2Mbit/s（成帧和不成帧）。 除了上述7种基本窄带业务外，还有其他一些可能支持的业务，特别是在将来应能支持宽带业务，诸如 单向广播式业务（如CATV业务），双向交互式业务（如VOD或数据通信业务）等，而且还可能支持模拟广播 式业务。例如有些国家就计划在近期利用1.5μm波长开放几十路模拟方式的副载波复用（SCM）电视节目。 5 配置结构的选择 光接入网的配置结构选择取决于众多的因素，十分复杂，需要详细分析比较和综合计算，下面仅列出 几个基本考虑的因素和原则，供读者思考。 （1）用户类型 用户类型是配置结构选择所要首先考虑的因素，定位不准自然不会有合理的选择。通常，不同的用户 类型往往需要配置不同的结构，例如企事业用户所需的用户线数目总是大于居民住宅用户， 因而FTTO和 FTTC都可用于这类用户，前者适于业务量要求较大的大企业用户，而后者主要适用于小企事业和户和居民 住宅用户。居民住宅用户通常只需要一二根用户电话线而已，因而必须采用具有较大共享能力的结构，例 如FTTC、FTTB和FTTR。FTTC更适于分散用户，而FTTB更适于集中的公寓住宅用户。从长远看，则FTTH是方 向。 （2）成本 成本是用户接入网技术能否成功的关键，成本高低在很大程度上取决于ONU成本究竟能在多大程度上为 打印页 http://www.stcsm.gov.cn/learning/lesson/xinxi/200112... 11 of 39 2011/6/28 18:18 用户共享分担。显然，FTTH共享程度最低，用户侧需要安装专用于一个用户的ONU，其初装费用和维护成本 都最高。美国Raynet公司的成本模型计算结果表明，当ONU能为24～32个用户共享时成本最佳。与FTTC和 FTTB相比，FTTH的成本要高得多，目前计划安装FTTH的原因只能是其他非成本考虑因素。在相当一段时间 内，FTTC和FTTB将成为最经济可行的居民用户线解决方案。对于大企事业用户，由于所需用户线数量大， 平均每线的成本下降，因而FTTO结构是最经济可行的方案。像城市的新建办公大楼、饭店和大公司现在就 可直接采用FTTO结构，而没必要再敷设大量铜缆用户线了。 在考虑成本时，不仅要考虑初始成本，还要考虑整个寿命期的成本，包括将来线路增长或整修的花费以及 运营成本（供给、维护和供电等）。这样一来，FTTH的好处就显示出来了。按照美国贝尔通信研究所的研 究结果，尽管FTTH的初始成本比FTTC要高很多，但供电成本可以节约75%至90%，供给成本可以节约20%以 上，业务保证成本可以节约25%至40%，因而总的寿命期成本已可以与其他方式相比。 （3）与本地交换的综合 随着交换技术和光纤传输技术进展，特别是光纤传输成本的大幅度下降，多数电话公司正在重新组织 配置接入网，主要趋势是减少本地交换机的数量增加交换机容量，扩大接入网的覆盖范围，而安装光接入 网往往构成上述网络重新配置计划的一部分。如果能将远端交换和集中功能综合在ONU内，将使上述网络重 新配置计划比较容易实现。然而此时ONU必须能为较大数量的用户服务才具有经济性，初步研究分析结果表 明，一个ONU应能服务256个用户才比较经济可行。此时，SDH环形结构可以将综合FTTC/FTTB/FTTR接入网联 成一体。 （4）服务灵活性 服务灵活性往往是企事业用户特别重视的特性。FTTO结构可以快速、灵活地按请求提供或切断业务， 十分适合企事业用户的活动特性。通常，随着共享ONU的用户数的减少，能为每个用户提供特殊服务的能力 会相应增加。对于大企事业用户，又由于业务量需求量大，因而FTTO提供了最灵活的服务。 （5）业务类型 从长远的观点看，光接入网必须能提供宽带图像业务，包括交互型和分配型的图像业务。显然，适于 提供交互型低速业务（电话和数据）的配置结构未必能适于提供宽带图像业务，尤其是分配型图像业务。 这方面，纯光的FTTH和FTTO结构具有最好的业务透明性。此外，ONU设置的位置越靠近用户的地方，将来的 升级更新越容易。当然还有其他的考虑因素，这儿就不能 细说了。 第二讲 光接入网系统总体要求 摘要：本讲首先介绍光接入网的工作波长范围和光纤选型，然后介绍了4种双向传输技术，接下来讲述OAN 的容量和ONU类别以及逻辑传输距离的规定，最后着重介绍几个主要网络远件的功能规定以及信号传输延时 的要求。 关键词：光接入网 双向传输 功能 1 工作波长范围 目前光纤的可用工作波长区有3个，即780nm窗口、1310nm窗口和1550nm窗口。鉴于OAN对成本最敏感的 部分是光电器件，因而设法降低这一部分的费用是改进整个系统技术经济性能的关键。一般地说，设法采 用新技术，革新工艺和规模生产是三个降低成本的主要措施。就新技术而言，大量采用平面光波电路 （PLC）是主要发展趋势。那么，是否还有别的降低成本的措施？其中之一就是采用780nm波长区。主要考 虑是这一波长区的光盘用激光器已经大规模生产，成