Оптические телекоммуникационные системы

УДК 621.315  
ББК 32.889  
    О-62 
 
Р e ц е н з е н т ы : доктор техн. наук, профессор  В. Н. Дмитриев, кандидат 
техн. наук, доцент  Б. Г. Спасский 

О-62 Оптические телекоммуникационные системы. Учебник для 
вузов / В. Н. Гордиенко, В. В. Крухмалев, А. Д. Моченов, 
Р. М. Шарафутдинов. Под ред. профессора В. Н. Гордиенко. – 
М: Горячая линия–Телеком, 2011. – 368 с.: ил. 

ISBN 978-5-9912-0146-9. 

Изложены принципы построения и основные особенности оптических телекоммуникационных систем, использующих в качестве среды передачи волоконно-оптические кабели. Подробно рассмотрены физические основы работы различных оптических и оптоэлектронных компонент, их параметры и характеристики. Обсуждаются особенности передачи цифровых сигналов по линейным трактам и оборудования волоконно-оптических систем передачи (ВОСП) плезиохронной и синхронной цифровых иерархий и 
вопросы построения на его основе современных телекоммуникационных сетей. Рассмотрены волоконно-оптические системы передачи со спектральным разделением оптических каналов и основы 
проектирования волоконно-оптических линий передачи. 
Для студентов вузов, обучающихся по направлениям 210400 – 
«Телекоммуникации» и 210700 – «Инфокоммуникационные технологии  и системы связи», будет полезна для специалистов. 

ББК 32.889 

 
Учебное издание 
 

Гордиенко Владимир Николаевич, Крухмалев Владимир Васильевич, 
Моченов Анатолий Дмитриевич, Шарафутдинов Рафаил Муссолимович 

 
ОПТИЧЕСКИЕ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ 

Учебник 

Редактор  Ю. Н. Чернышов 
Компьютерная верстка  Ю. Н. Чернышова 
Обложка художника  В. Г. Ситникова 

Подписано к печати  05.04.2011.  Формат 60×90 1/16. Усл. печ. л. 23.  Изд. №11146.  Тираж 1000 экз. 

ISBN 978-5-9912-0146-9                    ©  В. Н. Гордиенко, В. В. Крухмалев, 
                                                А. Д. Моченов, Р. М. Шарафутдинов, 2011 
           ©  Издательство «Горячая линия–Телеком», 2011 

Введение

Связь как область человеческой деятельности развивалась от простейших форм цивилизации первобытно-общественного строя до современной цивилизации инфокоммуникационного общества. Непреходяще стремление человека к единственно настоящей роскоши — к
роскоши человеческого общения. И связь в этом играет важную роль,
обеспечивая разнообразные формы общения. Зарождение связи как
формы общения относится к первобытной эпохе, главным достижением которой является возникновение членораздельной речи, необходимой, чтобы договориться об организации труда первобытного общества. Связь здесь имеет форму личного общения, использования
посыльных (гонцов) и простейших форм сигнализации.
В эпоху неолита происходит первое крупное общественное разделение труда — отделение скотоводческих племен от земледельческих. Появляются новые виды связи — контакты между представителями различных племен при обмене продуктами их труда, т.е. связь
в сфере производства.
Второе крупное разделение труда — ремесло отделяется от земледелия. Для этой эпохи связь личным общением усложняется, так
как возникает необходимость ее установления между тремя партнерами: земледельцем, скотоводом и ремесленником. Для передачи сообщений на большие расстояния на этом этапе развития цивилизации
использовались оптические сигналы: днем — дым костров, ночью —
их огонь (пламя). Основу таких оптических систем связи составляли сторожевые посты, расположенные вокруг селений на специально
построенных вышках, башнях, а иногда и просто на деревьях. Оптические системы связи с использованием в качестве носителей сообщения
в виде огня и дыма допускали передачу весьма ограниченного числа
сообщений, содержание которых было заранее обусловлено. Код костров был хотя романтичным и выразительным, но очень бедным, а
пропускная способность весьма ограничена.
Необходимость передавать не только отдельные сигналы типа
тревог и радости привела к применению кодов световых (оптических) сигналов.
Среди разработок того времени можно, например, отметить азбучный факельный оптический телеграф, изобретенный в III в. до н.э.

Введение

александрийскими инженерами Клеоксеном и Демоклитом и в дальнейшем усовершенствованный греческим историком Полибием. Сущность такого оптического телеграфа состоит в том, что на каждой
станции устанавливались две стены с шестью зубцами, имеющими
пять промежутков. Для передачи сообщений применялись греческая
азбука, состоящая из 24 букв, которая была разделена на пять групп:
четыре группы имели пять букв и одна — четыре буквы. Передача
каждого слова производилась буквами по следующему алгоритму: в
промежутках левой стены поднималось число факелов, означающих, в
какой группе находится передаваемая буква, а затем на правой стене —
число факелов, соответствующее номеру буквы в группе. Факельный
азбучный оптический телеграф, несмотря на незначительную дальность передачи (от сотен метров до нескольких километров), громоздкость, низкую скорость передачи, необходимость большого количества
промежуточных (ретрансляционных) станций, без существенных изменений использовался на протяжении многих веков.
Совершенствование оптического телеграфа относится к эпохе
Возрождения и связано с использованием системы вогнутых зеркал
в светосигнальном приборе — гелиографе, отражающем солнечные
лучи на большие расстояния.
Процесс передачи сообщения описывался таким образом: «Послание, отправленное с помощью гелиографа, проходит вспышками света через многочисленные промежуточные станции, с вершины горы — на колокольню, со сторожевой
башни — на скалу, сверкающими линиями между точками X и Y, направленными по четко выверенной дуге в точно установленное
время, согласно расписанию передачи и приема»∗ (предвестники будущих протоколов передачи сообщений).
Новые способы передачи и кодирования сообщений ждали своего
времени — времени промышленной революции.
В 1781 г. французский инженер Клод Шапп сконструировал семафорный телеграф с необычным способом кодирования передаваемых
сообщений. Семафорный телеграф состоял из трех свободно закрепленных на оси сигнальных планок, взаимное расположение которых
определялось элементами передаваемого сообщения (например, отдельные буквы или слова).
На рис. В.1 показана конструкция семафорного телеграфа и приведен пример используемого кода-азбуки (взаимное положение сигнальных планок). Семафорный телеграф позднее получил название

∗ Л. Норфолк.
Словарь Ламприера / Пер. c англ. А. Блейз. — М.:
Эксмо, 2006. Выделено авторами. — Прим. ред.

Введение
5

. .1. Оптический (семафорный) телеграф и его азбука — сигнальный код

оптического, так как наблюдение за положением сигнальных планок
производилось с помощью подзорной трубы со смотровой площадки.
Первая линия оптического телеграфа протяженностью 225 км была сооружена между Парижем и Лиллем в 1794 г. и содержала 22 ретрансляционных (промежуточных) станции. Передача одного знака
(положения сигнальных планок) требовала около 2 минут.
В 1794 г. гениальным русским механиком И.П. Кулибиным был
предложен оптический телеграф, который обладал рядом преимуществ перед телеграфом К. Шаппа: более простой системой привода
к сигнальным планкам и более совершенным сигнальным кодом. Но
чиновничьей Россией телеграф И.П. Кулибина не был рекомендован
к практическому использованию.
Линии оптического телеграфа К. Шаппа были построены не только во Франции (например, Париж — Тулон протяженностью свыше
1000 км), и в ряде других стран, в том числе Италии, Испании, Германии, Индии, Египте, России и др. В 1839 г. была открыта самая
длинная в мире линия оптического телеграфа Петербург — Варшава
длиной 1200 км. Линия имела 149 промежуточных станций, переда

Введение

ча одного знака занимала 15 минут, а передача телеграммы из 100
сигналов — 35 мин.
Дальнейшее развитие оптических систем передачи связано с именем легендарного А.Г. Белла, предложившему миру изобретение фотофона в 1880 г.
«В одном из недавних заседаний Американского общества ученых
Белл демонстрировал новый прибор, который был назван фотофоном,
на том основании, что аппарат этот служит для передачи звуков при
помощи светового луча, причем нет надобности оба корреспондирующих пункта соединять проволокою как при действии телефонами, а
необходимо одно только условие, чтобы луч света из передающего
пункта мог беспрепятственно достигнуть принимающей станции.
Для устройства своего прибора Белл воспользовался особенным
свойством селена изменять силу сопротивления проходящему по нему
току, смотря по тому, находится ли он в темноте или же подвержен
действию световых лучей, и, пропуская через этот металлоид ток,
заставил его действовать обыкновенным способом на вибрирующую
пластинку принимающего телефона»∗.
На рис. В.2 изображен наиболее употребляемый передающий прибор, при помощи которого могут передаваться не только членораздельная речь, но и музыкальные звуки. Звуковая трубка (микрофон
) на противоположном конце покрыта тонкой (не более 1/10 миллиметра толщины) стеклянной пластинкой. Под влиянием действия
звуковых волн, выходящих из трубки, тонкое стекло (позднее Белл
применял металлические зеркала) будет представлять то выпуклую,
то вогнутую поверхность, отчего дошедшие до нее, отраженные от поверхности гелиостата лучи света будут или рассеиваться, или же
наоборот, собираться (первый опыт модуляции света звуковым сигналом). Для уничтожения лучистого теплорода, всегда сопровождающего световые лучи и могущего испортить приемное зеркало, перед
ним и гелиостатом помещается кварцевая призма. Сила световых лучей, отраженных этой пластинкой, будет меняться под воздействием
звуковых волн, вместе с тем будет беспрерывно меняться и степень
токопроводности воспринимающего на себя луча селена R, причем
эти изменения будут соответствовать изменениям выходящих из телефона звуковых волн; т.е. будет передаваема произносимая перед
микрофоном речь.
Чувства, испытанные А.Г. Беллом, выражены им такими словами: «Я услышал внятную речь, порожденную солнечным светом. Я

∗ Электричество. 1880. № 1. C. 114.

Введение
7

. .2. Фотофон Александра Грэхема Белла

услышал, как смеется, покашливает и поет солнечный луч. Я был в
состоянии ощутить голоса тени и ход облаков по солнечному диску».
Заслуга А.Г. Белла состоит в том, что он сделал первый шаг к созданию практических оптических систем передачи. Блестящее изобретение Белла было сдобрено некоторой долей скепсиса, который в
концентрированной форме отражен в газете «Нью-Йорк Таймс» от 30
августа 1880 г.: «То, чего в телефоне достигают применением провода,
в фотофоне получают с помощью солнечного луча. Профессор Белл
с такой ясностью описал свое изобретение, что каждый член Американской ассоциации ученых был обязан его понять. Однако обыкновенный человек может испытать некоторые затруднения в понимании
того, как должен использоваться солнечный луч. Намеривается ли
профессор Белл связать, к примеру, Бостон с Кембриджем с помощью линии солнечных лучей, подвешенных на телеграфных столбах, и если это так, то каким должен быть диаметр лучей и как он
рассчитывает получить требуемые значения?».
Изобретение А. Белла не нашло практического применения, так
как погодные условия и состояние атмосферы оказывали большие
негативные влияния на качество передачи. Требовались другие идеи,
открытия и изобретения.
Вопрос репортера опередил время почти на сто лет. Он, наверное, не знал, что в 1870 году на заседании Лондонского Королевского научного общества физик Джон Тиндаль продемонстрировал возможность управления распространением света на основе внутренних
отражений, описанных до него Р. Декартом в своем фундаментальном
труде «Диоптрик» (1637 г.). Исследовав законы отражения и преломления, Р. Декарт открыл эффект полного внутреннего отражения,
что и было доказано несложным (как и все гениальное) экспериментом Дж. Тиндаля.
Дж. Тиндаль показал явление распространения света в струе
максимально очищенной воды, огибающего любой угол. В экспе

Введение

рименте вода протекала по горизонтальному желобу и по параболической траектории падала в другой желоб.
Свет попадал в струю
воды через прозрачное окно на дне первого желоба. Когда Тиндаль
направлял свет по касательной к струе (искал апертуру оптического
излучения, обеспечивающей полное внутреннее отражение на разделе
двух сред: воздуха и воды), аудитория могла наблюдать зигзагообразное распространение света внутри изогнутой части струи. Струя
максимально очищенной воды явилась прототипом будущих световодов, в совокупности с воздухом — оптическим волокном.
Первый практический световод был разработан русским электротехником В.И. Чиколаевым в 1876 г. Им было предложено использование полых, зеркальных внутри, металлических труб для освещения дуговой лампой нескольких помещений, в том числе и пороховых
погребов, где использование других ламп было взрывоопасным. Зеркальная поверхность труб и создавала внутреннее отражение.
В 1905 г. английский физик Р. Вуд отмечал, что «свет без больших потерь энергии можно перевести из одной точки в другую, пользуясь внутренним отражением от стенок палочки из
стекла или лучше плавленого кварца». К этому времени относятся
теоретические и экспериментальные исследования диэлектрических
волноводов, в том числе на основе гибких стеклянных стержней.
В 30-х годах ХХ столетия в Германии проводятся работы по передаче электромагнитных (электромагнитная природа света уже доказана) волн по прозрачным световодам — волокнам.
Эксперименты А. Белла в области модуляции света и Дж. Тиндаля в области управления распространением света, достижения в производстве прозрачных световодов позволили в 1934 г. американцу Норману Р. Френчу получить патент на оптическую телефонную систему, в котором описывается, как речевые сигналы могут передаваться
через сеть оптических кабелей, которые должны изготавливаться из
стержней чистого стекла или аналогичного материала с низким коэффициентом затухания на рабочей длине волны.
В 50-е годы прошлого века волокна, предназначенные для передачи изображения, были разработаны сотрудником Американской оптической компании Брайеном О’Бриеном и доктором Наридером Капани с коллегами из Императорского научно-технического колледжа
в Лондоне. Отметим, что эти волокна нашли применение в световодах, используемых в медицине для визуального наблюдения внутренних органов человека. Н. Капани был первым, кто разработал стеклянные волокна в стеклянной оболочке и ввел термин «волоконная
оптика». К этому времени относится открытие основного принци

Введение
9

па волоконной оптики — принцип передачи света по двухслойному
диэлектрическому световоду. Все световоды, используемые в современных телекоммуникационных системах и сетях, построены на
основе этого принципа.
Первый этап создания оптических волокон
подходил к завершению: были определены принципы волоконной оптики, определена сырьевая база ее реализации (кварц), но оставался
существенный недостаток — большое затухание, чтобы использовать
свет для передачи на большие расстояния.
В 1954 году советскими учеными Н.Г. Басовым и А.М. Прохоровым и независимо от них Ч. Таунсом (США) было сделано одно из
величайших открытий ХХ века — разработаны физические основы
когерентного излучения — лазер, за что в 1964 г. они получили Нобелевскую премию. Изобретением лазера была решена проблема получения мощного оптического излучения. Возможность изготовления
полупроводниковых лазеров на основе двойных гетероструктур, или
гетеролазера (1963–1966 гг.), связана с именем Нобелевского лауреата
(2000 г.) Ж.И. Алферова. К этому же времени относятся и разработки приемников оптического излучения на основе полупроводниковых
фотодиодов той же структуры.
Использование полупроводниковых лазеров и фотодиодов не было оставлено без внимания специалистами по телекоммуникациям.
Возможности лазерного излучения для передачи информации на
4–5 порядков превышают возможности радиочастотного излучения.
Несмотря на это, лазерное излучение не вполне пригодно для передачи
сигнала в открытом пространстве. На работу такой оптической линии
существенно влияют туман, смог и дождь, равно как и состояние атмосферы. Лазерному лучу гораздо проще преодолеть расстояние между
Землей и Луной, чем между противоположными границами Большого
Садового кольца. Требовалась соответствующая среда передачи, и все
надежды были связаны с волоконной оптикой. Однако потери в стеклянных световодах в это время составляли около 1000 дБ/км. Для построения эффективных оптических систем передачи на значительные
расстояния, как показали Чарльз Г. Као и Джордж А. Хокем, работающие в английской лаборатории телекоммуникационных стандартов,
необходимо было, чтобы коэффициент затухания световода был не
более 20 дБ/км. Высокое затухание, присущее первым оптическим
волокнам (ОВ), связано с присутствующими в стекле примесями железа, меди, магния, хрома и др. Но работы в направлении снижения
затухания с этого времени велись весьма интенсивно и результаты не
заставили себя ждать: в 1970 г. Роберт Мауэр с коллегами из компании
Corning Glass Works получил первое кварцевое волокно со ступенча

Введение

тым профилем преломления и затуханием менее 16 дБ/км — табу с
оптической связи было снято. К 1972 г. в лабораторных условиях было получено ОВ с градиентным профилем показателя преломления
и затуханием не более 4 дБ/км. В настоящее время лучшие ОВ, как
правило, имеют затухание не более 0,2 дБ/км.
«Законный брак» оптоэлектроники (источники и приемники оптического излучения, оптические усилители и коммутаторы, оптические фильтры и др.) и оптоволоконной техники (оптические кабели,
оптические разветвители, аттенюаторы и др.) состоялся в 70-е годы
прошлого века, и его плоды оказали и оказывают самое благоприятное влияние на развитие телекоммуникационных систем и сетей. Вот
их основные этапы:
1980 г. — первая коммерческая волоконно-оптическая система передачи (ВОСП) Бостон — Ричмонд (США), три рабочих длины волны, градиентное многомодовое оптическое волокно (МОВ), скорость
передачи 45 Мбит/с;
1981 г. — получена скорость передачи 140 Мбит/с по одномодовому ОВ (ООВ) на длине волны 1,31 мкм; начало работ с ООВ со
смещенной дисперсией;
1982 г. — достигнута скорость передачи по ООВ 400 Мбит/с на
длине волны 1,31 мкм;
1987 г. — разработан эрбиевый оптический усилитель; начало работ по созданию ВОСП со спектральным разделением каналов
(ВОСП-СР);
1988 г. — прокладка первой трансатлантической оптической магистрали ТАТ-8.
До конца 80-х годов прошлого века основным каналообразующим оборудованием ВОСП являлись системы передачи плезиохронной цифровой иерархии (ПЦИ), или PDH (Plesiochronous Digital Hierarchy).
1989 г. — разработка и начало внедрения систем передачи синхронной цифровой иерархии (СЦИ), или SDH (Synchronous Digital
Hierarchy).
1990-е годы — создание ООВ со смещенной и нулевой дисперсией
на длине волны 1,55 мкм.
В 1990 г. Линн Моллинер (США) продемонстрировал возможность передачи сигналов без регенерации или усиления со скоростью
2,5 Гбит/с на расстояние до 7500 км.
В системе Моллинара лазер
работал в солитоновом режиме, использовалось самоусиливающее
волокно, легированное эрбием. Ценность солитоновой технологии за