Организация и эксплуатация волоконно-оптических линий передачи

 
 
 
 
 
П. М. Тимонин 
 
 
 
 
 
 
 
ОРГАНИЗАЦИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИЯ  
ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ЛИНИЙ ПЕРЕДАЧИ 
 
Учебное пособие 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2024 
1 
 

 
УДК 621.39 
ББК 32.88 
Т41 
 
 
 
Рецензент: 
заместитель начальника Минераловодского регионального центра связи – 
структурного подразделения Ростовской дирекции  
Центральной станции связи – филиала ОАО «РЖД» В. В. Шульга 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Тимонин, П. М. 
Т41  
Организация и эксплуатация волоконно-оптических линий передачи : 
учебное пособие / П. М. Тимонин. – Москва ; Вологда : ИнфраИнженерия, 2024. – 256 с. : ил., табл. 
ISBN 978-5-9729-1690-0 
 
Рассмотрены основные вопросы построения и эксплуатации волоконнооптических систем передачи (ВОСП) и волоконно-оптических линий передачи 
(ВОЛП). 
Для обучающихся техникумов и колледжей, приобретающих специальность 
«Техническая эксплуатация радиоэлектронного оборудования» при освоении профессионального модуля «Монтаж, ввод в действие и эксплуатация радиоэлектронного 
оборудования». 
 
УДК 621.39 
ББК 32.88 
 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-1690-0 
” Тимонин П. М., 2024 
 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
2 
 

 
ВВЕДЕНИЕ 
 
Во все времена человечество испытывало потребность в получении, а 
также в передаче информации. В различные периоды времени использовались 
и различные технологии, методы и способы получения и передачи необходимой информации. Эти технологии шли в ногу со временем. После изобретения 
телеграфа информацию передавали с его помощью, телефон, радиосвязь и другие виды связи использовали свои технологии. Современные технологии, использующие оптические виды связи, используют свои новейшие методы и способы передачи информации.  
Жизнь современного общества характеризуется тем, что с каждым годом 
по имеющимся или созданным заново каналам связи необходимо передавать 
все большие и большие объемы информации. Одновременно с этим стоит задача передать их за короткий промежуток времени. Однако бесконечное увеличение каналов связи, например, с использованием медножильных кабелей не 
может решить всех возникающих проблем, для их решения нужны совершенно 
новые технологии.  
К таким новейшим технологиям следует отнести связь на основе передачи полезного сигнала с помощью гибких световодов. Другими словами, связь, 
которая возникла в результате объединения технологии передачи информации 
в виде модулированного пучка света – и волоконной оптики – распространения 
света внутри гибких оптических волокон. Каждая из этих технологий в отдельности выполняет ограниченный набор возможностей, но их объединение дало 
огромное преимущество, благодаря чему волоконно-оптическая связь и получила широкое распространение при передаче больших объемов информации в 
течение короткого промежутка времени. 
Средства волоконно-оптической связи для передачи информации в различных странах мира стали применяться, начиная с 80 годов прошлого столетия и совершенствуются по настоящее время. В современных условиях можно 
выделить четыре основные области использования волоконно-оптических технологий: 
– Волоконно-оптические линии связи (ВОЛС), первая из которых была 
внедрена в 1985 г. на участке Ленинград – Волховстрой Октябрьской железной 
дороги и долгое время (до 1992 г.) являлась наиболее протяженной ВОЛС  
(120 км) не только на транспорте, но и среди ВОЛС Министерства связи. 
– В связи с интенсивным внедрением средств вычислительной техники, 
созданием автоматизированных рабочих мест и распределенных информационных систем были созданы локальные вычислительные оптические сети 
(ЛВОС), которые расширяются и модернизируются на всех предприятиях не 
только в России, но и во всем мире. 
– В связи с активизацией террористических организаций получили широкое распространение системы видеонаблюдения. Данные системы исполь3 
 

зуются практически во всех сферах жизнедеятельности человечества. Эти системы постоянно модифицируются в связи с постоянным ужесточением требований, предъявляемых к надежности, безопасности и экономичности видеоконтроля за всеми объектами, требующими охраны и обороны. Видеонаблюдение является одним из важнейших и рациональных способов удовлетворения этих требований. 
– Волоконно-оптические преобразователи (ВОП) также достаточно широко внедряются в производственный цикл различных предприятий, как за рубежом, так и в России. На их основе создаются различные типы датчиков, используемых в системах безопасности, что имеет непосредственную связь с рядом преимуществ, присущих ВОП, и общей концепцией интеграции различных 
средств волоконно-оптической связи на основе ВОЛС и ЛВОС. Самым очевидным из преимуществ ВОП по сравнению с другими типами преобразователей является отсутствие в них электрического тока, что устраняет проблемы 
электромагнитной совместимости и безопасности. 
 
Волоконно-оптическая связь является самостоятельной областью передачи и приема информации. Она объединена современными концепциями и 
обладает современными технологиями построения, общим для которых является применение электронно-оптических, оптоэлектронных преобразователей и 
оптических волокон.  
Проводимый анализ показывает, что по сравнению с медножильными 
кабелями связи волоконно-оптические кабели обладают несомненными преимуществами. 
В учебном пособии будут рассмотрены основные вопросы построения и 
эксплуатации волоконно-оптических систем передачи (ВОСП) и волоконнооптических линий передачи (ВОЛП). 
 
4 
 

 
Глава 1 ОСНОВЫ ПОСТРОЕНИЯ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ  
СИСТЕМ ПЕРЕДАЧИ 
 
1.1 Общие принципы передачи информации  
по волоконно-оптической системе 
 
Оптоэлектронная связь сегодня является одним из главных направлений 
научно-технического прогресса. Достоинства оптических кабелей и систем передачи, и в первую очередь экономия меди, вызвали повышенный интерес к 
ним и привели к интенсивному развитию этой отрасли техники. В настоящее 
время волоконная оптика получила широкое развитие в различных областях 
науки и техники, и производства (связь, радиоэлектроника, энергетика, термоядерный синтез, медицина, машиностроение, летательные аппараты, вычислительные комплексы и т. д.). 
Особое внимание у нас и за рубежом уделяется созданию и внедрению 
одномодовых систем передачи по оптическим кабелям, которые рассматриваются как наиболее перспективное направление развития техники связи. Достоинством одномодовых систем является возможность передачи большого потока 
информации на требуемые расстояния при больших длинах регенерационных 
участков. Уже сейчас имеются волоконно-оптические линии на большое число 
каналов с длиной регенерационного участка 100...150 км. В последнее время в 
мире ежегодно изготавливаются  миллионы километров оптических волокон, 
причем 80  из них – в одномодовом варианте. Проложены подводные одномодовые магистрали через Атлантический и Тихий океаны на 12000 каналов с 
регенерационными участками длиной 50 км. Для сравнения можно указать, что 
для традиционных медножильных кабелей требуется установка регенераторов 
через каждые 6,3 и даже 1,5 км. 
Область возможных применений – ВОЛС весьма широка — от линий городской, сельской связи и бортовых комплексов (самолеты, ракеты, корабли) до 
систем связи на большие расстояния с высокой информационной емкостью. На 
основе оптической волоконной связи могут быть созданы принципиально новые системы передачи информации. 
На базе ВОЛС развивается единая интегральная сеть многоцелевого 
назначения – для телефонной и телеграфной связи, телевидения, передачи данных и т. д. Весьма перспективно применение оптических систем в кабельном 
телевидении, которое обеспечивает высокое качество изображения и существенно расширяет возможности информационного обслуживания абонентов. 
Наиболее перспективное спектральное уплотнение позволяет увеличить 
пропускную способность оптических трактов передачи. Дальнейшее развитие 
получат оптоэлектронные устройства передающего и приемного назначения, 
широко будет применяться интегральная оптика. Следует ожидать, что усиление и преобразование сигналов будут происходить на оптических частотах. В 
5 
 

перспективе получат развитие акустооптические преобразователи, непосредственно преобразующие сигналы в оптические. 
В оптических системах передачи, как и в обычных системах передачи по 
электрическим кабелям, применяются частотный и временной методы разделения каналов. Но наибольшее распространение получила цифровая система с 
временным разделением каналов и импульсно-кодовой модуляцией (ИКМ), использующая модуляцию интенсивности излучения источника. Дуплексная 
связь осуществляется по двум волоконным световодам, каждый из которых 
предназначен для передачи информации в одном направлении. В оптических 
системах связи преимущественно используются цифровые системы передачи с 
ИКМ на 30, 120, 480 и 1920 каналов. 
Структурная схема волоконно-оптической связи с ИКМ приведена на рисунке 1. Основными элементами схемы являются оптический кабель (ОК), а 
также оптический передатчик (ОПер) в начале и оптический приемник (ОПр) в 
конце системы. Передатчик выполняет роль преобразователя электрического 
сигнала в оптический (ЭОП), а приемник обеспечивает обратное преобразование оптического сигнала в электрический (ОЭП). В качестве ЭОП наибольшее 
применение получили полупроводниковый лазер (ПЛ) и светоизлучающий диод (СД), а в качестве ОЭП – фотодиод (ФД). 
Для преобразования кода и согласования элементов схемы используются 
кодирующие и согласовывающие оптические устройства (СУ). Преобразователь кода (ПК) формирует требуемую последовательность импульсов и осуществляет согласование уровней по мощности между электрическими (ИКМ) и 
оптическими (СД и ФД) элементами схемы. Передающие и приемные согласовывающие устройства формируют и согласовывают диаграммы направленности и апертуру между приемно-передающими устройствами и кабелем. 
 
 
Рисунок 1 – Структурная  схема волоконно-оптической связи 
 
Передаваемый ИКМ-сигнал через ПК поступает в ЭОП, где он модулирует оптическую несущую, создаваемую ПЛ или СД, и через передающее СУ по6 
 

ступает в оптический кабель. На приеме оптический сигнал через приемное СУ 
поступает в фотодиод, где преобразуется в электрический сигнал, усиливается 
и через ПК поступает в приемник аппаратуры ИКМ. 
Таким образом, на передающей стороне от аппаратуры ИКМ до ЭОП, а 
также на приемной стороне от ОЭП до аппаратуры ИКМ проходит электрический сигнал, а от ЭОП до ОЭП по оптическому кабелю – оптический сигнал. 
В реальных условиях оказалось весьма целесообразным все элементы оптического передатчика и приемника изготавливать в виде компактного устройства – оптоэлектронного модуля: ПОМ – на передаче и ПРОМ на приеме. Конструктивно этот модуль размером в спичечную коробку позволяет подключить 
с одной стороны аппаратуру ИКМ, а с другой – оптический кабель. 
Через определенные расстояния (30...100 км), обусловленные величиной 
затухания кабеля вдоль оптической линии, располагаются линейные регенераторы (ЛР), где сигнал восстанавливается и усиливается до требуемой величины. 
Приведенная структурная схема связи является основой построения волоконно-оптических систем передачи для различных звеньев сети связи.  
В таблице 1 приведены основные характеристики ВОСП для городской, 
сельской, зоновой и магистральной связи. 
 
Таблица 1 – Основные характеристики ВОСП 
Характеристика 
ВОСП для связи 
 
городской 
сельской 
зоновой 
магистральной 
Тип световода 
Ступенчатый Ступенчатый 
Градиентный 
Одномодовый 
Размеры ОВ, 
мкм 
50/125  
и 10/125 
50/125 
60/125 
8...10/125 
Длина волны, 
мкм 
0,85 и 1,3 
0,85 
1,3 
1,55 
Коэффициент   
затухания, дБ/км 
1...3 
3...5 
1 
0,3 
Полоса  
пропускания, 
МГц ā км 
250...500 
200...300 
500...800 
5000 
Числовая   
апертура 
0,2 
0,2 
0,15 
0,12 
Растягивающее    
усилие, Н 
1200 
1200 
3000 
3000 
Система  
передачи 
ИКМ-120 
ИКМ-30 
ИКМ-480 
ИКМ-1920 
Скорость         
передачи, 
Мбит/с 
8,5 
2 
34 
140 
 
7 
 

Окончание таблицы 1 
Тип  световода 
Ступенчатый 
Ступенчатый Градиентный 
Одномодовый 
Длина регенерационного 
участка, км 
12...30 
10...15 
30 
70…100 
Число волокон 
в кабеле 
4,8 
4 
4,8 
4,8 и 16 
Диаметр  
кабеля, мм 
14 
12 
17 
18 
Масса кабеля, 
кг/км 
140 
100 
370 
400 
Температура, 
ƒС 
–40...+50 
–40…+50 
–40…+50 
–40…+50 
Строительная 
длина, км 
1...2 
1...2 
2 
2 
Электропитание 
Местное 
Местное 
Дистанционное 
От электросети,  
автономное 
 
1.2 
Структурная схема передачи информации по оптическим кабелям 
 
Для передачи информации по ВОК используются волоконно-оптические 
системы передачи информации плезиохронной (PDH – Pleziochronous Digital 
Hierarchy) и синхронной цифровой иерархии (SDH – Synchronous Digital Hierarchy). 
Первые состоят из типового оборудования канало- и группообразования, 
единого для всех цифровых систем передачи (ЦСП), PDH-иерархии, а также 
оборудования цифрового волоконно-оптического линейного тракта, обеспечивающего передачу цифровых сигналов от одной оконечной станции до другой. 
Типовое оборудование канало- и группообразования обеспечивает формирование: 
– первичного группового сигнала, соответствующего тридцати каналам (со 
скоростью передачи 2,048 Мбит/с),  
– вторичного группового сигнала, соответствующего 120 телефонным каналам (8,448 Мбит/с),  
– третичного группового сигнала, соответствующего 480 телефонным каналам (34,368 Мбит/с),  
– четвертичного группового сигнала, соответствующего 1920 телефонным 
каналам (139,264 Мбит/с). 
 
Появление ВОСП SDH-иерархии во многом обусловлено освоением современных ВОК, суммарная скорость передачи цифровых сигналов в которых 
составляет тысячи Гбит/с. Для переноса информации в SDH-системах исполь8 
 

зуются синхронные транспортные модули (STM – Synchronous Transport 
Modul): STM-1, STM-4, STМ-16 и SТМ-64. 
Нагрузкой для SТМ-1 являются потоки информации цифровых систем 
передачи PDH-иерархии, а для SТМ-4 и SТМ-16 кроме них также и сигналы  
SТМ-1: электрические и оптические. Для SТМ-64 нагрузкой являются электрические и оптические сигналы более низких уровней иерархии SDН систем: 
SТМ-16, SТМ-4, SТМ-1. 
В состав оборудования линейного тракта ВОСП любой иерархии входят: 
оборудование тракта на оконечных и промежуточных станциях, линейные регенераторы (ЛР), волоконно-оптические усилители (ВОУ), соединенные между 
собой волоконно-оптическими линиями связи. 
В SDН-системах оконечное и промежуточное оборудование линейного 
тракта принято называть терминальными мультиплексорами (ТМ) и мультиплексорами ввода-вывода (МВB), осуществляющими ввод-вывод цифровых потоков и трактов. 
Основными элементами линейного тракта ВОСП являются участки регенерации – участки между выходами оборудования тракта, соединенными 
ВОЛС: ТМ-ЛР, ЛР-МВВ, МВВ-МВВ, ЛР-ЛР, МВВ-ТМ, ТМ-ВОУ, ВОУ-МВВ  
и т. д. 
Линейные регенераторы ВОСП осуществляют оптоэлектронное преобразование оптического сигнала в электрический, затем восстановление амплитуды, формы и временных положений импульсов цифрового сигнала – регенерацию и далее его электронно-оптическое преобразование в оптический сигнал. 
В отличие от линейных регенераторов, ВОУ осуществляют только усиление оптического сигнала. По этому признаку ВОУ часто относят к пассивным 
элементам ВОЛС. Их применение позволяет существенно увеличить длину 
участков регенерации, не прибегая к помощи ЛР. Заметим, что ЛР систем  
SDН – это МВВ без специальных блоков, обеспечивающих ввод-вывод цифровых или оптических сигналов. 
Современные ВОСП строятся по однокабельной (реже двухкабельной), 
двухволоконной (при резервировании волокон – четырехволоконной), однополосной схеме. Поэтому передача и прием оптических сигналов осуществляется 
на одной длине волны в двух (четырех) волокнах одного и того же или двух кабелей. Недостатком данной схемы построения является низкий коэффициент 
использования пропускной способности волокон. 
Для повышения пропускной способности волокон могут применяться 
ВОСП с уплотнением по длинам волн. Они строятся по однокабельной, двухволоконной, многополосной схеме. На передающей станции сигналы от ЦСП 
поступают в оборудование сопряжения (ОС) и далее на оптические передатчики (ОП), излучающие оптические сигналы с длинами волн l1…ln. С помощью 
волнового мультиплексора (МП) выполняется ввод оптических несущих в волокно в тракт передачи. В тракте приема осуществляется их разделение с помощью волнового демультиплексора (ДМ). 
9 
 

Способ уплотнения по длинам волн является наиболее перспективным. 
В настоящее время используют волоконно-оптические кабели с многомодовыми градиентами или одномодовыми волокнами, различающимися характером изменения показателя преломления по сечению волокна, и, как следствие, 
характером распространения оптического излучения по волокну. В магистральных линиях передачи используют кабель с одномодовыми волокнами, обеспечивающими большие длины регенерационных участков и высокую пропускную 
способность. 
Энергетической характеристикой аппаратуры цифрового волоконнооптического линейного тракта является энергетический потенциал (W), определяемый как разность между уровнями средней мощности оптического сигнала 
на выходе передающего (Рпер и минимально допустимым на входе приемного 
оптоэлектронных модулей (Рmin при заданном значении коэффициента ошибок 
Кош (обычно при Kош = 1,10-10). Значения величин энергетических потенциалов 
аппаратуры линейного тракта в зависимости от скорости передачи сигналов и 
используемых типов излучателей находятся в пределах 20–50 дБ. 
Оптические сигналы, передаваемые по волокну, претерпевают очень малое затухание. Характерной особенностью потерь в волокне является то, что 
они носят избирательный характер, то есть на некоторых длинах волны затухание волокон имеет минимумы, которые называют «окнами прозрачности». В 
настоящее время используются три «окна прозрачности» с длинами волн –  
0,85 мкм; 1,3 мкм; 1,55 мкм. 
Использование диапазона 0,85 мкм обеспечивает возможность получения 
предельных значений затухания в градиентном волоконно-оптическом кабеле 
порядка 3 дБ/км. 
Использование диапазона 1,3 мкм позволяет уменьшить величину затухания в волоконно-оптическом кабеле до 1 дБ/км в градиентном волокне и до  
0,5 дБ/км в одномодовом волокне. 
Диапазон 1,55 мкм позволяет получить затухание в одномодовом волокне 
до 0,2 дБ/км. 
Для каждого линейного тракта должен быть обеспечен энергетический 
запас 6 дБ, расходуемый на компенсацию возможных ухудшений характеристик волокна и оптоэлектронных модулей в процессе эксплуатации, а также на 
дополнительные стыки, появляющиеся при ремонте кабеля. 
С учетом величин энергетического запаса и потерь в волокне, дисперсионных искажений, связанных с особенностями распространения оптического 
сигнала в волокне, потерь на стыках при сращивании строительных длин волоконно-оптических кабелей при вводе излучения от излучателя в волокно и из 
волокна к приемному оптоэлектронному модулю в волоконно-оптических линейных трактах можно обеспечить при максимально возможных значениях 
энергетических потенциалов следующие предельные длины регенерационных 
участков: 
 
10