Многоволновые оптические системы связи

Министерство образования и науки Российской федерации  

 

ТОМСКИЙ  ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  УНИВЕРСИТЕТ   
СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ  И  РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ 

 
 
 
 
 
 
 
 

С.Н. Шарангович 

 
 
 
 

МНОГОВОЛНОВЫЕ ОПТИЧЕСКИЕ  

СИСТЕМЫ СВЯЗИ  

 
 
 

Учебное  пособие 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Томск 
ТУСУР 

2016 

 

УДК   621.372.8.029(075.8) 
ББК    32.845.7я73 
 

           Д 58 
 

Рецензенты: 

Горлов Н.И., д-р техн. наук, проф., зав. каф. линий связи  

Сиб. гос. ун-та телекоммуникаций и информатики; 

Коханенко А.П., д-р физ.-мат. наук, проф. каф.  

квантовой электроники и оптоинформатики Томск. гос. ун-та. 

 
 
 
 

Шарангович С.Н. 
Д 58           Многоволновые оптические системы связи : учеб. пособие/ 
С.Н.Шарангович.. – Томск: Томск. гос. ун-т систем упр. и радиоэлектроники, 2016. –  156 с. 

 
 
Излагаются принципы построения многоволновых оптических систем 

связи, оптического  мультиплексирования и усиления в многоволновых волоконно-оптических системах передачи. Рассматриваются основы построения и расчета мультиплексоров на интерференционных, дифракционных и 
волноводных структурах, оптических усилителей на допированных оптических волокнах. Представлены методические материалы по компьютерному 
моделированию оптических мультиплексоров и усилителей. 

Предназначено для студентов технических вузов, обучающихся по 

направлению подготовки бакалавров 11.03.02  "Инфокоммуникационные 
технологии и системы связи", профиль "Оптические системы и сети связи",   
и направлению 11.03.01 «Радиотехника». 

  

 
 
 
 
 
 

 

 Томск. гос. ун-т систем упр. и  

 радиоэлектроники, 2016 

 
 
          Шарангович С.Н, 2016 
 

Оглавление 

 
Введение ......................................................................................... 5 

Глава 1. МНОГОВОЛНОВЫЕ ОПТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ . 7 

1.1. Структура многоволновых оптических систем связи  ..... 7 

1.2. Частотный план ITU-T ........................................................ 10 

1.3. Оптические усилители ........................................................ 12 

1.3.1. Классификация по способам использования  

и физическим принципам работы ............................... 10 

1.3.2. Полупроводниковые оптические усилители ............ 12 

1.3.3. Усилители на допированном волокне ....................... 15 

1.3.4. Нелинейные оптические усилители .......................... 18 

1.3.5. Методы стабилизации коэффициента усиления ...... 22 

1.4. Оптические мультиплексоры ............................................. 26 

1.4.1. Функциональные принципы построения .................. 26 

1.4.2. Физические принципы построения ........................... 28 

1.4.3. Технические и функциональные параметры ........... 32 

1.5. Характеристики оборудования производителей  WDM  . 37 

1.5.1. Оборудование  «Пуск» ............................................... 38 

1.5.2. Оборудование OptiX BWS 320G ............................... 40 

1.5.3. Оборудование  SpectralWave 40/80  .......................... 42 

1.5.4. Оборудование Alcatel 1640WM (Alcatel)  ................. 42 

1.5.5. Сравнительные характеристики оборудования  ...... 59 

Глава 2. ОСНОВЫ ПОСТРОЕНИЯ И РАСЧЕТА  

МНОГОВОЛНОВЫХ ОПТИЧЕСКИХ УСИЛИТЕЛЕЙ  

И МУЛЬТПЛЕКСОРОВ  ............................................................ 45 

2.1. Многоволновые оптические усилители EDFA ................. 45 

2.1.1. Принцип действия и схемы накачки EDFA ............. 45 

2.1.2. Основные технические параметры  EDFA ............... 48 

2.1.3. Математическая модель многоволнового EDFA ..... 51 

2.1.4. Характеристики промышленных  EDFA .................. 57 

2.2. Мультиплексоры на интерференционных фильтрах ....... 60 

2.2.1. Принципы действия и структура мультиплексора .. 60 

2.2.2. Расчет основных характеристик ................................ 63 

2.2.3. Характеристики промышленных мультиплексоров 70 

2.3. Мультиплексоры на фильтрах Фабри – Перо ................... 72 

2.3.1. Принцип действия и структура мультиплексора ..... 72 

2.3.2. Расчет основных характеристик ................................ 73 

2.4. Мультиплексоры на голографических дифракционных  

решетках ................................................................................. 77 

2.4.1. Принцип действия и структура мультиплексора ..... 77 

2.4.2. Математическая модель ............................................. 78 

2.4.3. Расчет основных оценочных характеристик ............ 85 

2.5. Мультиплексоры на основе AWG ...................................... 86 

2.5.1. Принципы действия и структура мультиплексора .. 86 

2.5.2. Математическая модель ............................................. 88 

2.5.3. Расчет основных оценочных характеристик ............ 96 

2.5.4. Характеристики  мультиплексоров ........................... 97 

Список литературы ....................................................................... 139 

Приложение. Аппаратура волоконно-оптической системы передачи со 

спектральным разделением. Технические требования ........... 143 

Список основных сокращений и обозначений ........................... 152 

 

 

 
 
 
 

Введение 
 

 

Технология волнового оптического мультиплексирования (WDM/ DWDM) 

позволяет осуществить передачу информации терабитных объемов со скоростями, 

достигающими 100 Гбит/сек, и в настоящее время широко внедряется от глобаль
ных до локальных оптических сетей связи. Возможность передачи большого ко
личества информации по волоконно-оптическим линиям связи (ВОЛС) связана с 

использованием технологии спектрального уплотнения, где передача информации 

по волокну ведется одновременно на разных длинах волн. При этом введение ин
формационных оптических сигналов с различающимися длинами волн в ВОЛС 

осуществляется с помощью оптических мультиплексоров (MUX) на передаче, а 

выведение на приеме — при помощи демультиплексоров (DMUX). Необходимым 

элементом мультиплексорного оборудования WDM-систем является оптические 

усилители. Достаточно высокий (20–25 дБ) коэффициент усиления EDFA
усилителя позволяет компенсировать потери, вносимые мультиплексорами, де
мультиплексорами, ВОЛС и другими пассивными элементами. В настоящее время 

телекоммуникационное оборудование WDM-систем включает широкий спектр  

усилительного и мультиплексорного оборудования, представленного на рынке. 

Однако в известной учебной литературе вопросы, в полной мере охватывающие 

физические принципы построения, методы расчета и моделирования характери
стик WDM-мультиплексоров и многоволновых усилителей, освещены недоста
точно.  

В данном учебном пособии первый раздел посвящен изложению принципов 

построения многоволновых оптических систем связи, оптического  мультиплек
сирования и усиления в многоволновых волоконно-оптических системах переда
чи. Во-втором разделе рассматриваются основы построения и расчета мульти
плексоров на интерференционных, дифракционных и волноводных структурах, 

оптических усилителей на допированных оптических волокнах. Приводятся све

дения по структуре и параметрам промышленного усилительного и мультиплек
сорного оборудования..  

Пособие предназначено для студентов технических вузов старших курсов, 

обучающихся по направлению подготовки бакалавров 11.03.02 "Инфокоммуника
ционные технологии и системы связи", профиль "Оптические системы и сети свя
зи" (дисциплина «Многоволновые оптические системы связи»), а также по 

направлению 11.03.01 «Радиотехника» (дисциплина «Оптические устройства в 

радиотехнике»). 

 

Глава 1. Многоволновые оптические системы связи 

1.1. Структура многоволновых  оптических систем связи  

 

Волоконно-оптической системой связи (ВОСС) называется совокупность оп
тических устройств и оптических линий передачи для создания, обработки и пе
редачи оптических сигналов. При этом оптическим сигналом служит модулиро
ванное оптическое излучение лазера или светодиода [1-8]. 

Один из наиболее перспективных методов увеличения коэффициента исполь
зования пропускной способности оптического волокна — спектральное уплотне
ние, или WDM (Wavelength Division Multiplexing). Суть метода состоит в том, что 

m информационных цифровых потоков, переносимых каждый на своей оптиче
ской несущей на длине волны λm и разнесенных в пространстве с помощью спе
циальных устройств — оптических мультиплексоров (MUX) — объединяются в 

один оптический поток λ1 ... λm, который вводится в оптическое линейное волок
но, входящее в состав оптического кабеля [7]. На приемной стороне производится 

обратная операция демультиплексирования (DMUX). 

Структурная схема ВОСП-WDM, соответствующая рекомендации G.692 

МСЭ-Т, приведена на рис. 1.1 [14]. 

На рисунке:  

Txi и Rxi (i  1, 2,...,n) — передающие и приемные транспондеры (приемопе
редатчики) каждого канала N-канальной ВОСП-WDM;  

ОМ — оптический мультиплексор; 

ОА — оптический усилитель;  

OD — оптический демультиплексор;  

RTi — контрольные точки (интерфейсы) на входе передающих транспондеров;  

STi — контрольные точки на выходах приемных транспондеров;  

Si — контрольные точки на ОВ, на выходах оптических соединителей (ОС) 

передающих транспондеров, соответственно для каналов i;  

OM/
BOA

OSC

STM
-16
Tx1

λ0

S
Rt1
S1
Rm1

λ1

STM
-16
Tx2

λ0

S
Rt2
S2
Rm2

λ2

ATM
Txn

λ0

S
Rtn
Sn
Rmn

λn

MPI-S

LOA

OSC

R/
S/
R/

OADM

OSC

STM-16

S/

MPI-R

POA/
OD

STM
-16

Rxn

λ0

SD1
R1
λ1

STM
-16
Rx2

λ0
λ2

ATM

Rx1

λ0

λn

OSC

Stn

R
St1

St2
R

R

SD2

SDn

R2

Rn

Tx

Rx

 

Рис. 1.1 — Структурная схема волоконно-оптической системы связи  

со 
спектральным 
уплотнением 
каналов 
[4]:  

 

 

RMi — контрольные точки на ОВ непосредственно перед блоком ОМ/BОА, на 

входе ОС, соответственно для каналов i;  

MPI-S — контрольная точка (интерфейс) на ОВ сразу после блока ОМ/BОА 

на выходе ОС;  

S — контрольная точка сразу после линейного оптического усилителя LOA 

на выходе ОС;  

R — контрольная точка на ОВ перед линейным оптическим усилителем, на 

входе ОС;  

MPI-R — контрольная точка (интерфейс) на ОВ перед оптическим усилите
лем РОА на входе оптического демодулятора (OD), на входе ОС; 

 SDi — контрольные точки на выходе блока OA/OD, на выходе ОС;  

OSC — точки подключения оптического служебного канала;  

OADM — мультиплексор ввода-вывода оптических каналов;  

S, R — интерфейсы на выходе передатчиков и входе приемников аппаратуры 

STM-N (обычно N=16, либо 64), или ATM. 

Как видно из рис. 1.1, структурная схема ВОСП-WDM содержит  

оптический передатчик (ТХ), оптический приемник (RX) и главный оптический 

тракт (ОР). 

Оптический передатчик содержит канальные приемопередатчики (транс
пондеры) Tx1÷Тxn, которые, в частности, преобразуют длину волны STM-N (или 

ATM) 
λ0 
в 
длины 
волн 
спектра 
каналов 
λi,. 
На 
выходе 
Txj 
обра- 

зуется канальный сигнал, спектр которого соответствует скорости передачи STM
N. Канальные сигналы, а, следовательно, и их спектры объединяются с помощью 

оптического мультиплексора (ОМ), на выходе которого образуется групповой сиг
нал, спектр которого содержит суммарный спектр канальных сигналов: 



ãñ
êñ
í ÷ð
1
,
f
f
n
f

 



 

где 
ãñ
f

 — спектр группового сигнала; 
кс
f

 — спектр канального сигнала; 
нчр
f

 — 

номинальное частотное разнесение каналов (НЧР). 

Групповой сигнал усиливается оконечным оптическим усилителем BOA (бу
стер), с помощью которого в интерфейсе MPI-S устанавливается необходимая 

общая средняя мощность линейного сигнала Рлс. 

Главный оптический тракт (ОР) содержит линейные оптические усилители 

(LOA), компенсирующие затухание, вносимое участками оптических волокон 

длиной l1 – lk. Вместо любого из усилителей может быть включен мультиплексор 

ввода/вывода каналов OADM с такими же интерфейсами R' и S', как и у оптиче
ского усилителя. 

Приемник (RX) содержит предварительный оптический усилитель (РОА), 

усиливающий линейный сигнал, демультиплексор (DM), разделяющий групповой 

сигнал на канальные сигналы, приемные транспондеры Rxj, преобразующие длины 

волн λi, в длину волны λ0, соответствующую STM-N или ATM. 

Оптический служебный канал (OSC) организуется на длине волны, лежащей 

вне диапазона спектра WDM. OSC вводится и выводится как в оптических пере
датчике и приемнике, так и линейных усилителях, и мультиплексорах вво
да/вывода (OADM) оптического тракта. 

 

1.2. Частотный план ITU-T 

Оптические 
параметры 
систем 
WDM 
регламентируются 
рекоменда- 

циями G.692, в которых определены длины волн и оптические частоты для каждо
го 
канала. 
Согласно 
этим 
рекомендациям, 
многоволновые 
системы  

передачи работают в 3-м окне прозрачности ОВ, т.е. в диапазоне длин волн 

1530…1565 нм. Для этого установлен стандарт длин волн, представляющий собой 

сетку оптических частот, в которой расписаны регламентированные значения оп
тических 
частот 
196,1 
ТГц 
до 
192,1 
ТГц 
с 
интервалами 
100 
ГГц  

и длины волн от 1528,77 до 1560,61 нм с интервалом 0,8 нм. Однако в последнее 

время установилась четкая тенденция уменьшения частотного интервала между 

спектральными 
каналами 
до 
50 
и 
даже 
25 
ГГц, 
что 
приводит  

к более плотному расположению спектральных каналов в отведенном диапазоне 

длин 
волн 
(1530…1565 
нм). 
Такое 
уплотнение 
получило  

название плотного волнового уплотнения, или DWDM (Dense Wavelength Division 

Multiplexing). Частотный план ITU-T WDM представлен в таблице.