Методы и средства измерения параметров оптических телекоммуникационных систем

Субботин Е. А.

Москва
Горячая линия - Телеком
2013

УДК 621.372.8 
ББК 32.88 
      С89 
 
Р е ц е н з е н т ы :  доктор техн. наук, профессор  Ю. А. Пальчун;  
доктор техн. наук, профессор  В. В. Лебедянцев 
 

Субботин Е. А.  
С89       Методы и средства измерения параметров оптических 
телекоммуникационных систем. Учебное пособие для 
вузов. – М.: Горячая линия–Телеком, 2013. – 224 с: ил. 
ISBN 978-5-9912-0304-3. 

Систематизированы обширные сведения в области методов 
и средств измерений параметров систем и устройств связи оптического диапазона. Рассмотрены вопросы метрологического 
обеспечения и сертификации средств измерений параметров 
волоконно-оптических систем передачи информации. Особое 
внимание уделено измерениям в волоконно-оптических линиях 
передачи. Приведены технические характеристики источников 
и приемников оптического излучения, оптических тестеров и 
импульсных рефлектометров. Пособие подготовлено в соответствии с ФГОС 3-го поколения. 
Для студентов старших курсов, обучающихся по направлению 210700 – «Инфокоммуникационные технологии и системы 
связи».  

ББК 32.88 

Адрес издательства в Интернет WWW.TECHBOOK.RU 
 
Учебное издание 

Субботин Евгений Андреевич 

Методы и средства измерения параметров  
оптических телекоммуникационных систем 

Учебное пособие для вузов 

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

Подписано к печати 28.10.2012.  Формат 60×88 1/16. 
Усл. печ. л. 14.  Изд. № 12304.  Тираж 500 экз. (1-й завод 200 экз.) 

ISBN 978-5-9912-0304-3                                      ©  Е. А. Субботин, 2012 
                                 ©  Издательство «Горячая линия–Телеком», 2012 

Введение

Интенсивный прогресс волоконно-оптических телекоммуникационных технологий невозможен без достижений измерительной
техники, развитие которой, с одной стороны, зависит от достижений
теории передачи информации, физической и квантовой оптики, математического моделирования информационных, физических и технологических процессов, физики и технологии волоконно-оптических и полупроводниковых элементов, схемотехники, микроэлектроники, а с другой — влияет на их развитие, являясь базой, без
которой невозможен прогресс ни в одной области техники. Следует также отметить, что повышение качественных показателей предоставляемых телекоммуникационных услуг обусловливает необходимость в высокоточных средствах измерений как при выходном
контроле оптических компонентов, так и в процессе эксплуатации
волоконно-оптических систем передачи.
В настоящее время в ряде вузов страны ведется подготовка специалистов по физике и технике оптической связи. Однако до настоящего времени отсутствуют учебники и учебные пособия, в которых
была бы сосредоточена вся необходимая информация по методам и
средствам измерения в оптических телекоммуникационных системах. Информация подобного характера разрознена и мало доступна
студентам. Из большого объема сведений, имеющихся в современной технической литературе, отобрана лишь та информация, которая, на наш взгляд, позволяет оценить состояние и тенденцию развития, а также сделать правильный выбор средств измерений. Такой
подход определил структуру и содержание настоящего учебного пособия. Его материал условно можно разделить на три, казалось бы,
самостоятельные части, включающие:
• методы и средства измерений в волоконно-оптических линиях
передачи;
• методы и средства измерений в волоконно-оптических системах
передачи;
• метрологическое обеспечение и сертификация средств измерений параметров волоконно-оптических систем передачи информации.
На самом деле эти разделы тесно связаны между собой, так как
обеспечивают комплексное понимание задач и предмета измерений
параметров систем и устройств связи оптического диапазона.

Физические основы передачи
информации по волоконнооптическим линиям передачи

1.1. Структурная схема оптической системы
передачи

Волоконно-оптической системой передачи называется совокупность активных и пассивных устройств, предназначаемых для передачи информации на расстояние по оптическим волокнам (ОВ) с
помощью оптических волн и сигналов. Другими словами, ВОСП —
это совокупность оптических устройств и оптических линий передачи для создания, обработки и передачи оптических сигналов. При
этом оптическим сигналом служит модулированное оптическое излучение лазера или светодиода. На рис. 1.1 представлены основные
компоненты такой системы [1, 21].
Мультиплексор — устройство, обеспечивающее объединение нескольких независимых каналов на передаче и их разделение на приеме. Мультиплексор объединяет как аналоговые, так и цифровые

. 1.1. Обобщенная схема оптической системы передачи

Физические основы передачи информации по ВОЛП
5

каналы. Основным аналоговым каналом является канал тональной
частоты со спектром 0,3...3,4 кГц. Могут быть аналоговые каналы
и с другими характеристиками, типовые:
• первичные, в частотном диапазоне 60...108 кГц;
• вторичные, в частотном диапазоне 312...552 кГц;
• третичные, в частотном диапазоне 812..2044 кГц и специальные;
• звуковое вещание в спектре 0,03...15 кГц;
• телевизионные в спектре 0,05 кГц...6,5 МГц.
Цифровые каналы также имеют определенные стандарты скоростей передачи данных. Основной цифровой канал 64 кбит/с формируется по принципам импульсно-кодовой модуляции (дискретизация тонального сигнала во временном интервале 125 мкс и восьмиразрядное кодирование). Другие цифровые каналы:
• первичный цифровой канал — 2 048 кбит/с;
• вторичный цифровой канал — 8 448 кбит/с;
• третичный цифровой канал — 34 368 кбит/с;
• четверичный цифровой канал — 139 264 кбит/с.
В оптических системах передачи основное применение получили цифровые мультиплексоры, так как образуемые ими групповые
сигналы представлены в двоичном коде, который придает высокую
помехоустойчивость передаваемой информации.
Однако в коротких линиях оптической связи применяются и аналоговые методы
мультиплексирования, например, телевизионных каналов для сетей
кабельного телевидения [1].
Широкое распространение получили цифровые мультиплексоры технологий:
PDH, Plesiochronous Digital Hierarchy — плезиохронной цифровой иерархии;
SDH, Synchronous Digital Hierarchy — синхронной цифровой иерархии;
ATM, Asynchronous Transfer Mode — асинхронного режима передачи.
Оптический конвертор в системе передачи выполняет главные
функции в преобразовании электрических сигналов в оптические на
передаче и оптических в электрические с их регенерацией на приеме. Функции конвертора полностью контролируются и могут быть
управляемыми благодаря встроенным средствам, например микроконтроллерам [1].
В состав системы передачи могут входить оптические усилители (ОУс), которые позволяют увеличить мощность одноволнового
или многоволнового сигнала на передающей стороне или повысить

Г л а в а 1

. 1.2. Схема волнового мультиплексирования/демультиплексирования

чувствительность приемника. Оптические усилители имеют хорошо
согласованные характеристики с оптическими передатчиками, приемниками и волоконно-оптическими линиями.
Промежуточные станции оптической системы передачи могут
быть представлены различными устройствами электронными регенераторами, оснащенными оптическими конверторами, электронными мультиплексорами с доступом к определенному числу каналов,
оптическими усилителями, служащими для ретрансляции оптических сигналов оптическими мультиплексорами с формированием доступа к отдельным оптическим каналам. В состав мультиплексоров
промежуточных станций могут входить электрические и оптические кроссовые коммутаторы [1].
Цифровые оптические системы передачи, как правило, снабжены средствами телеконтроля и телеуправления, что позволяет контролировать работу всех компонентов системы передачи и быстро
ликвидировать аварийные состояния [1, 18].
Наряду с временным мультиплексированием, широко используемым в цифровых системах связи, в оптических системах связи в
последнее время стал использоваться метод мультиплексирования
с разделением по длине волны, часто называемый также волновым
мультиплексированием. Этот метод в настоящее время получил широкое распространение в оптических системах передачи в связи с
распространением технологии WDM (рис. 1.2) ВОСП-СР.
Суть метода волнового мультиплексирования заключается в
объединении нескольких оптических несущих λi (на передающей
стороне) и передаче полученного сигнала ∑

i
λi, по одному волок
ну с последующим выделением (демультиплексированием) отдельных несущих, например путем их фильтрации на приемной стороне.
Каждая составляющая (несущая) такого многочастотного сигнала
принципиально может передавать поток цифровых сигналов, сформированный по законам различных сетевых технологий. Например,
одна несущая формально может передавать трафик ATM или гигабитного Ethernet, другая — SDH, третья — PDH и т. д. Единственное,
что нужно для этого, модулировать несущие цифровым сигналом в

Физические основы передачи информации по ВОЛП
7

соответствии с передаваем трафиком и иметь интерфейс для сигналов данной сетевой технологии.
Принято выделять четыре типа мультиплексоров WDM:
• грубые CWDM;
• обычные WDM;
• плотные DWDM;
• высокоплотные WDM (HDWDM).
Можно считать:
• системами CWDM и WDM — системы с шагом (разносом) каналов по частоте >200 ГГц, позволяющие мультиплексировать
не более 16 каналов;
• системами DWDM — системы с шагом (разносом) каналов по
частоте равным 100 ГГц, позволяющие мультиплексировать не
более 64 каналов;
• системами HDWDM — системы с шагом (разносом) каналов по
частоте 50 ГГц, позволяющие мультиплексировать более 64 каналов.
Если число каналов в этой спецификации можно считать достаточно условным, то шаг по частоте играет принципиальное значение, в последней позиции он может быть и 25 ГГц.
Излучение с разными длинами волн, несущее для каждой длины волны свою информацию, вводится в один волоконный световод
с помощью специального устройства — мультиплексора, усиливается оптическим усилителем и распространяется по волоконной линии
связи. На выходе линии связи после оптического усилителя излучение разделяется по длинам волн с помощью демультиплексора.
Полная скорость передачи информации B определяется выражением
B = Nb,
(1.1.1)

где N — число спектральных каналов, b — скорость передачи информации по одному каналу, которая в настоящее время составляет от 2,5 до 40 Гбит/с, и ведутся успешные работы по увеличению скорости передачи информации одного спектрального канала
до 160 Гбит/с с использованием временного уплотнения информации. Число спектральных каналов достигает 100 и более.
В настоящее время технология плотного спектрального уплотнения (DWDM) эффективно применяется в магистральных транспортных сетях, где основным требованием является большая пропускная способность сети и возможность ее быстрого увеличения.
Однако стоимость DWDM систем высока. Обусловлена она тем, что

Г л а в а 1

спектральные каналы в DWDM системе расположены очень близко
друг к другу (50/100 ГГц), и поэтому к устройствам мультиплексирования и демультиплексирования предъявляются очень высокие
требования.
Кроме того, для каждого канала требуется свой лазер, настроенный на длину волны, соответствующую этому каналу,
и каждый такой лазер должен быть стабилизирован по температуре [20].

1.2. Основные параметры оптических волокон
1.2.1. Оптические параметры

При расчете параметров передачи необходимо учитывать, что
в световоде границей раздела сред сердцевины — оболочки являются прозрачные стекла. Поэтому возможно не только отражение
оптического луча, но и проникновение его в оболочку. Для предотвращения перехода энергии в оболочку и излучения в окружающее
пространство необходимо соблюдать условие полного внутреннего
отражения и апертуру.
Апертура — это угол между оптической осью и одной из образующих светового конуса, попадающего в торец волоконного световода, при котором выполняется условие полного внутреннего отражения. Этот телесный угол θA характеризуется числовой апертурой
NA и связан с ней следующим соотношением:

NA = sin θA =
√

n2
1 − n2
2.
(1.2.1)

При переходе из среды с большей плотностью в среду с меньшей
плотностью, т. е. при n1 > n2, волна при определенном угле падения полностью отражается и не переходит в другую среду в виде
преломленных лучей.
Угол падения α0 (рис. 1.3), начиная с которого вся энергия отражается от границы раздела сред, называется углом полного внутреннего отражения [2]:

sin θ = n2

n1
=
√µ2ε2

µ1ε1
,
(1.2.2)

. 1.3. Распространение света в волоконном световоде

Физические основы передачи информации по ВОЛП
9

. 1.4. Профиль показателя преломления волоконного световода

где µ1 и µ2 — магнитная проницаемость сердечника и оболочки соответственно; ε1 и ε2 — диэлектрическая проницаемость сердечника
и оболочки.
Относительное значение показателя преломления оптического волокна определяется соотношением

∆ = (NA)2

2n2
1
= n2
1 − n2
2

2n2
1
.
(1.2.3)

Профили показателя преломления сердцевины.
Если рассматривать показатель преломления n волоконного световода как
функцию от радиуса r, то используется термин «профиль распределения показателя преломления». С его помощью описывается радиальное изменение показателя преломления от оси волокна в стекле
сердцевины в направлении стекла оболочки: n = n(r).
Распределение мод в волоконном световоде зависит от формы
этого профиля распределения показателя преломления (рис. 1.4).
Для практического применения важными являются профили
распределения показателя преломления, описываемые по степенному закону (степенные профили). Под ними понимаются профили
показателя преломления, у которых кривая изменения по радиусу
описывается как степенная функция радиуса:

nr = n0
√

1 − 2∆(r/a)u,
(1.2.4)

для r < a (в сердцевине) и

n2(r) = n2
2 = const
(1.2.5)

для r ⩾ a (в оболочке), где n0 — показатель преломления в центре
сердцевины; n1 — показатель преломления вдоль оси оптического
волокна; ∆ — нормированная разность показателей преломления;
r — расстояние от оси оптического волокна, мкм; a — радиус сер

Г л а в а 1

Таблица 1.1
Соотношения для нормированной частоты

Значение V при α, мкм

λ,
4
5
25
50

мкм
n2

1,49
1,5
1,49
1,5
1,49
1,5
1,49
1,5

0,85
7,24
5,1
9,05
6,2
45,2
32,1
90,5
63,9

1,00
6,15
4,2
7,69
5,2
38,5
27,1
76,9
54,3

1,30
4,73
3,2
5,92
4,1
29,3
21,4
59,2
41,8

1,55
3,97
2,7
4,96
3,4
25,2
17,6
49,6
35,1

дцевины, мкм; u - показатель степени профиля; n2 — показатель
преломления оболочки.
Отметим особые случаи (см. рис. 1.4):
u = 1 — треугольный профиль;
u = 2 — параболический профиль;
u → ∞ — ступенчатый профиль (предел величины u — бесконечность).
Лишь в последнем случае — при ступенчатом профиле — показатель преломления n(r) = n1 в стекле сердцевины остается постоянным. Для всех других профилей показатель преломления n(r) в
стекле сердцевины постепенно увеличивается от n2 для стекла оболочки до n1 у оси волоконного световода.
Поэтому такие профили называют градиентными профилями
распределения показателя преломления. Это название особенно хорошо закрепилось за параболическим профилем, имеющим u = 2,
оптические волокна с таким профилем имеют технически очень хорошие характеристики передачи света.

1.2.2. Волновые параметры

Нормированная частота. Это один из важнейших обобщающих параметров, используемых для оценки свойств ОВ, который
связывает его структурные параметры и длину световой волны, распространяющейся в волокне. Он определяется соотношением [1.3]

V = 2πa

λ

√

n2
1 − n2
2 = 2πa

λ NA,
(1.2.6)

где a — радиус сердцевины волокна.
С увеличением радиуса сердцевины волокна величина V растет,
а с увеличением длины волны уменьшается. В табл. 1.1 приведены соотношения нормированной частоты, длины волны и радиуса
сердцевины при различных значениях коэффициента преломления
оболочки (n1 = 1,51) [4].