Мультиплексорное и усилительное оборудование многоволновых оптических систем передачи

Министерство образования и науки Российской федерации  

 

ТОМСКИЙ  ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  УНИВЕРСИТЕТ   
СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ  И  РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ 

 
 
 
 

Е.А. Довольнов, В.В. Кузнецов,  

В.Г. Миргород, С.Н. Шарангович 

 
 
 

МУЛЬТИПЛЕКСОРНОЕ  

И УСИЛИТЕЛЬНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ  

МНОГОВОЛНОВЫХ ОПТИЧЕСКИХ  

СИСТЕМ ПЕРЕДАЧИ  

 
 

Учебное  пособие 

 

Издание третье, дополненное 

 

Рекомендовано 

Сибирским региональным отделением 

учебно-методического объединения высших учебных заведений РФ 

по образованию в области радиотехники, электроники, 

биомедицинской техники и автоматизации 

для межвузовского использования в качестве учебного пособия 

для студентов, обучающихся по направлениям подготовки 11.03.01 
«Радиотехника», 11.03.02  «Инфокоммуникационные технологии и 

системы связи»  

 
 
 

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. 

 
 
 

Довольнов Е.А.  Кузнецов В.В., Миргород В.Г., Шарангович С.Н. 
Д 58 
  Мультиплексорное и усилительное оборудование многоволновых 

оптических систем передачи: учеб. пособие/ Е.А.Довольнов,   В.В.Кузнецов, 
В.Г.Миргород, С.Н.Шарангович.. 3-е изд., доп.– Томск: Томск. гос. ун-т систем упр. и радиоэлектроники, 2016. –  156 с. 

ISBN 5-56889-319-0 
Излагаются принципы 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  
к лабораторному практикуму по курсу «Мультиплексорное оборудование оптических цифровых 
систем связи». Даны описания компьютерных лабораторных работ и руководств по компьютерному моделированию оптических мультиплексоров и усилителей. 

Предназначено для студентов технических вузов, обучающихся направлению 11.03.02 

«Инфокоммуникационные технологии и системы связи» (дисциплина «Мультиплексорное оборудование оптических цифровых систем связи») и направлению 11.03.01 «Радиотехника» (дисциплина «Оптические устройства в радиотехнике»). 

  

УДК 621.372.8.029(075.8) 
ББК 32.845.7я73 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 Томск. гос. ун-т систем упр. и  
     радиоэлектроники, 2016 

ISBN 5-56889-319-0 
 
          Довольнов  Е.А., Кузнецов В.В.,     

Миргород  В.Г., Шарангович С.Н, 2016  

Оглавление 

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

Глава 1. МНОГОВОЛНОВЫЕ ВОСП ....................................................... 6 
1.1. Структура многоволновых ВОСП  ..................................................... 6 
1.2. Частотный план ITU-T ......................................................................... 8 
1.3. Оптические усилители ........................................................................ 10 

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 мультпплексорного и усилительного   

оборудования основных производителей  WDM ВОСП .................. 37 
1.5.1. Оборудование  «Пуск» ............................................................... 38 
1.5.2. Оборудование OptiX BWS 320G ............................................... 40 
1.5.3. Оборудование SpectralWave 40/80 DWDM System (NEC)  .... 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 и характеристики EDFA . 48 
2.1.3. Математическая модель многоволнового EDFA ..................... 51 
2.1.4. Характеристики и структура оборудования промышленных  

оптических усилителей 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 и структура оборудования 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  промышленных мультиплексоров............... 97 

Глава 3. ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ ................................................ 101 

3.1. Рекомендации по проведению лабораторных работ и 

оформлению отчетов ............................................................................ 101 

3.2. Лабораторная работа № 1 Оптические  многоволновые EDFA 

усилители ............................................................................................... 101 

3.3. Лабораторная работа № 2 Демультиплексоры на 

интерференционных и  Фабри-Перро фильтрах  ............................... 104 

3.4. Лабораторная работа № 3 Демультиплексоры на 

голографических дифракционных структурах .................................. 109 

3.5. Лабораторная работа № 4 Демультиплексоры  на основе массива 

планарных волноводов  ........................................................................ 111 

Глава 4. ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЛАБОРАТОРНОГО 
ПРАКТИКУМА .............................................................................................. 114 

4.1. Моделирование оптических многоволновых усилителей  ............... 114 
4.2. Моделирование оптических демультиплексоров  

на тонкопленочных и Фабри-Перо фильтрах .................................... 118 

4.3. Моделирование оптических демультиплексоров  

на голографических дифракционных структурах ............................. 127 

4.4. Моделирование оптических демультиплексоров на основе 

массива планарных волноводов  ......................................................... 134 

Список литературы ........................................................................................ 143 
Приложение. Аппаратура волоконно-оптической системы передачи со 

спектральным разделением. Технические требования ............................ 146 

Список основных сокращений и обозначений ............................................ 153 
 
 

 
 
 
 

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 глобальных до локальных оптических сетей связи. Возможность передачи большого количества 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 информационных 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, демультиплексорами, 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 характеристик WDM-мультиплексоров и многоволновых усилителей, освещены недостаточно.  

В 
данном 
учебном 
пособии 
первый 
раздел 
посвящен  

изложению принципов оптического  мультиплексирования и усиления в многоволновых волоконно-оптических системах передачи. Во-втором разделе 
рассматриваются основы построения и расчета мультиплексоров на интерференционных, дифракционных и волноводных структурах, оптических усилителей на допированных оптических волокнах. Приводятся сведения по структуре и параметрам промышленного усилительного и мультиплексорного оборудования. В третьем разделе представлены методические материалы  
к лабораторному практикуму по курсу «Мультиплексорное оборудование 
оптических цифровых систем связи». В четвертом разделе даны описания 
компьютерных лабораторных работ и руководств по компьютерному моделированию оптических мультиплексоров и усилителей.  

Пособие предназначено для студентов технических вузов старших кур
сов, обучающихся по направлению 11.03.02 «Инфокоммуникационные технологии и системы связи» ( дисциплина «Мультиплексорное оборудование 
оптических цифровых систем связи») и направлению 11.03.01 «Радиотехника» (дисциплина «Оптические устройства в радиотехнике») 

 

Глава 1. Многоволновые ВОСП 
1.1. Структура многоволновых  ВОСП  

Волоконно-оптической системой передачи (ВОСП) называется сово
купность оптических устройств и оптических линий передачи для создания, 
обработки и передачи оптических сигналов. При этом оптическим сигналом 
служит модулированное оптическое излучение лазера или светодиода [1-8]. 

Один из наиболее перспективных методов увеличения коэффициента 

использования пропускной способности оптического волокна — спектральное уплотнение, или WDM (Wavelength Division Multiplexing). Суть метода 
состоит в том, что m информационных цифровых потоков, переносимых  
каждый на своей оптической несущей на длине волны λm и разнесенных в 
пространстве с помощью специальных устройств — оптических мультиплексоров (MUX) — объединяются в один оптический поток λ1 ... λm, который 
вводится в оптическое линейное волокно, 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 (при
емопередатчики) каждого канала N-канальной ВОСП-WDM;  

ОМ — оптический мультиплексор; 
ОА — оптический усилитель;  
OD — оптический демультиплексор;  
RTi — контрольные точки (интерфейсы) на входе передающих транс
пондеров;  

STi — контрольные точки на выходах приемных транспондеров;  
Si — контрольные точки на ОВ, на выходах оптических соединителей 

(ОС) передающих транспондеров, соответственно для каналов i;  

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 усилите
лем, на входе ОС;  

MPI-R — контрольная точка (интерфейс) на ОВ перед оптическим 

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

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]: 

— оптические соединители

 
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 

(транспондеры) 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 сигнал, 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 (бустер), с помощью которого в интерфейсе MPI-S устанавливается необходимая общая средняя мощность линейного сигнала Рлс. 

Главный оптический тракт (ОР) содержит линейные оптические усили
тели (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 оптического 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, ле
жащей вне диапазона спектра WDM. OSC вводится и выводится как в оптических передатчике и приемнике, так и линейных усилителях, и мультиплексорах ввода/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 
каждого 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 оптических 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.  

Частотный план ITU-T WDM по рекомендации МСЭ-Т  G.692 

Частота, ТГц
Интервал, ГГц
Длинна волны, нм

100
200
400
400/500
600
1000

196,1
●
●
1528,77

196,0
●
1529,55

195,9
●
●
1530,33

195,8
●
1531,12

195,7
●
●
1531,90

195,6
●
1532,68

195,5
●
●
●
●
1533,47

195,4
●
1534,25

195,3
●
●
●
1535,04

195,2
●
1535,82

195,1
●
●
1536,61

195,0
●
1537,40

194,9
●
●
●
1538,19

194,8
●
●
1538,98

194,7
●
●
1539,77

194,6
●
1540,56

194,5
●
●
●
1541,35

194,4
●
1542,14

194,3
●
●
●
●
1542,94

194,2
●
1543,73

194,1
●
●
1544,53

194,0
●
1545,32

193,9
●
●
●
●
1546,12

193,8
●
1546,92

193,7
●
●
●
●
1547,72

193,6
●
1548,51

193,5
●
●
●
●
1549,32

193,4
●
●
1550,12

193,3
●
●
●
1550,92

193,2
●
1551,72

193,1
●
●
●
●
1552,52

193,0
●
●
1553,33

192,9
●
●
●
1554,13

192,8
●
1554,94

192,7
●
●
●
1555,75

192,6
●
1556,55

192,5
●
●
●
●
●
●
1557,36

194,4
●
1558,17

192,3
●
●
●
1558,98

192,2
●
1559,79

192,1
●
●
●
1560,61

 
Частотные план ITU-T  DWDM (рек. МСЭ-Т  G.694.1) и CWDM (рек. 

МСЭ-Т  G.694.2)  приведены в табл.7 и 8  Приложения. 
1.3. Оптические усилители 

1.3.1. Классификация по способу применения  
и физическим принципам работы 

В зависимости от области использования оптические усилители делятся 

на предварительные, линейные и усилители мощности (рис. 1.2) [1,7,9,10,16]. 

Предварительные усилители (предусилители) устанавливаются непо
средственно перед приемником регенератора и способствуют увеличению 
отношения сигнал/шум на выходе электронного каскада усиления в оптоэлектронном приемнике. Оптические предусилители часто используются в качестве замены дорогих когерентных оптических приемников.