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前言

上一篇文章中我们学习了 ADSL，本文我们再来学习另一种接入网技术，它就是 FTTH。FTTH 是一种基于光纤的接入网技术。

下面就开始我们今天的学习之旅！

光纤的基本知识

FTTH 的关键点在于对光纤的使用，因此我们先来介绍一些光纤的基本知识。

光纤是由一种双层结构的纤维状透明材质（玻璃和塑料）构成的，通过在里面的纤芯中传导光信号来传输数字。ADSL 信号是由多个频段的信号组成的，比较复杂，但光信号却非常简单，亮表示 1，暗表示 0。

不过，数字信息并不能一下子变成光信号，而是需要先将数字信息转换成电信号，然后再将电信号转换成光信号。这里的电信号非常简单，1 用高电压表示，0 用低电压表示。将这样的电信号输入 LED、激光二极管等光源后，这些光源就会根据信号电压的变化发光，高电压发光亮，低电压发光暗。这样的光信号在光纤中传导之后，就可以通过光纤到达接收端。接收端有可以感应光纤的光敏元件，光敏元件可以根据光的亮度产生不同的电压。当光信号照射到上面时，光亮的时候就产生高电压，光暗的时候就产生低电压，这样就将光信号转换成了电信号，最后再将电信号转换成数字信息，我们就接收到数据了。

这就是光纤的通信原理。

单模与多模

光纤通信的关键技术就是能够传到光信号的光纤。

光在透明材质中传导听起来似乎很简单，但实际上光的传导方式是非常复杂的，不同材质的光纤其透光率和折射率也不同，纤芯的直径等因素也会影响光的传导。其中，纤芯的直径对光的传导影响很大。 。要理解这一点，我们先来看看光在光纤中是如何传导的。

首先，我们来看看光源发出的光是如何进入纤芯的。  光源在所有方向上都会发光，因此会有各种角度的光线进入纤芯，但入射角度太大的光线会在纤芯和包层（纤芯外沿部分）的边界上折射出去，只有入射角较小的光线会被包层全反射，从而在纤芯中前进。

不过，也不是所有入射角小的光线都会在纤芯中传导。光也是一种波，因此光也有相位，当光线在纤芯和包层的边界上反射时，会由于反射角产生相位变化。当朝反射面前进的光线和被反射回来的光线交会时，如果两条光线的相位不一致，就会彼此发生干涉抵消，只有那些相位一致的光线才会继续在光纤中传导。

这个现象和往水面上投一颗石子产生的波纹是一样的。水波也有相位，在石子进入水面的瞬间，波纹中心会产生各种相位的波。相位不同的波会相互干涉，相位不同的波在干涉后会变弱、消失，最后就只剩下相位相同的波向周围扩散开来。

其中相位相同的波相互加强，相位不同的波相互抵消。

光纤中的情况也是一样的，只不过和水波不同的是，光在被纤芯和包层的边界反射时，相位会发生变化。这个变化的量随光在反射面的反射角度不同而不同，大多数角度下，都会因为相位不同而被干涉抵消。不过，有几个特定的角度下，向反射面千金的光和反射回来的光的相位是一致的，只有以这种角度反射的光才能继续向前传导。

这个角度非常关键，纤芯的直径也是根据这个角度来确定的，而且纤芯的直径大小会极大地改变光纤的性质。

根据纤芯直径，光纤可以划分成几种类型，大体上包括较细的 单模光纤（8~10 纳米）和 多模光纤（50 纳米或 62.5 纳米）。

单模光纤的纤芯很细，只有入射角很小的光纤才能进入，因此在能够保持相位一直的角度中，只有角度最小的光线能够进入光纤。多模光纤的纤芯比较粗，入射角比较大的光也可以进入，这样一来，在相位一致的角度中，不仅角度最小的可以在光纤中传导，其他角度更大一些的也可以，也就是说，可以有多条光线在纤芯中同时传导。

多模光纤中可以传导多条光线，这意味着能通过的光线较多，对光源和光敏元件的性能要求也就较低，从而可以降低光源和光敏元件的价格。相对地，单模光纤的纤芯中只能传导一条光线，能通过的光线较少，相应地对于光源和光敏元件的性能要求就较高，但信号的失真会比较小。

信号失真与光在纤芯传导时反射的次数相关。多模光纤中，多条反射角不同的光线同时传导，其中反射角越大的光线反射次数越多，走过的距离也就越长；相对地，反射角越小的光线走过的距离越短。光通过的距离会影响其到达接收端的时间，也就是说，通过的距离越长，到达接收端的时间越长。结果，多条光线到达的时间不同，信号的宽度就会被拉伸，这就造成了失真。因此，光纤越长，失真越大，当超过允许范围时，通信就会出错。

相对地，单模光纤则不会出现这样的问题。因为在纤芯传导的光线只有一条，不会因为行进距离的差异产生时间差，所以即便光纤很长，也不会产生严重的失真。

光纤的最大长度也是由上述性质决定的。单模光纤的失真小，可以比多模光纤更长，因此多模光纤主要用于一座建筑物里面的连接，单模光纤则用于距离较远的建筑物之间的连接。FTTH属于后者，因此主要使用单模光纤。

通过光纤分路来降低成本

用光纤来代替 ADSL 将用户端接入路由器和运营商的 BAS 链接起来的接入方式就是 FTTH，从形态上可大致分为两种，直连和分路，这两种方式只是光信号的传输方式有一些区别，实际传输的网络包是相同的。

直连

一种是用一根光纤直接从用户端连接到最近的电话局。这种类型的 FTTH 中，用户和电话局之间通过光纤直接连接，网络包的传输方式如下。

首先，用户端的光纤收发器（将以太网的电信号转换成光信号的设备，也叫“终端盒”）将以太网的电信号转换成光信号。这一步只进行电信号到光信号的转换，而不会像 ADSL 一样还需要将包拆分成信元。

接下来，光信号通过连接到光纤收发器的光纤直接到达 BAS 前面的多路光纤收发器。FTTH 一般使用单模光纤，因此其纤芯中只有特定角度的光信号能够反射并前进。然后，多路光纤收发器将光信号转换成电信号，BAS 的端口接收之后，将包转发到互联网内部。

把网络包发送到互联网之后，服务器会收到响应，响应包的光信号也是沿着同一条光纤传输到用户端的。这里，前往互联网的上行信号和前往用户的下行信号在光纤中混合在一起，信号会变得无法识别，因此我们需要对它们进行区分，办法是上行和下行信号采用不同波长的光。波长不同的光混合后可通过棱镜原理进行分离，因此光纤中的上行和下行信号即便混合起来也可以识别。

像这样 在一条光纤中使用不同的波长传输多个光信号的方式叫做波分复用

分路

另一种光纤的接入方式是在用户附近的电线杆安装一个名为 分光器的设备，通过这个设备让光纤分路，同时链接多个用户。

在这种方式下，用户端不使用光纤收发器，而是使用一个叫做 ONU 的设备，它将以太网的电信号转换成光信号之后，会到达 BAS 前面的一个叫做 OLT 的设备。

光信号的传导方式和刚才介绍的直连方式是一样的。但有一点不同，因为多个用户同时收发网络包时信号会在分光器产生碰撞。因此，OLT 和 ONT 中具备通过调整信号收发时机来避免碰撞的功能。具体来说，OLT 会调整信号发送时机并向 ONU 下发指令，ONU 则根据 OLT 的指令来发送数据。反过来，当 BAS 端向用户发送数据时，分光器只需要将信号发给所有用户就可以了，这里并不会发生碰撞，但这样做会导致一个用户收到其他所有用户的信号，造成信息泄露的问题，因此需要在每个包前面加上用于识别 ONU 的信息，当 ONU 收到信号后，会接收发给自己的信号并将其转换成以太网信号。

参考文档

• 《网络是怎样连接的》—— 户根勤

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