Оптические системы с терабитными и петабитными скоростями передачи

Федеральное агентство связи 

 

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение  

высшего образования 

Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики 

(СибГУТИ) 

 
 

В.Г. Фокин 

Р.З. Ибрагимов 

 
 

Оптические системы  

с терабитными и петабитными  

скоростями передачи 

 
 
 

Учебное пособие 

 
 
 
 

«Рекомендовано УМО по образованию в области 

Инфокоммуникационных технологий и систем связи в качестве учебного 

пособия для студентов высших учебных заведений,  

обучающихся по направлению подготовки 11.04.02 и 11.03.02 и – 

Инфокоммуникационные технологии и системы связи  

(уровень высшего образования – магистратура и бакалавриат» 

 
 
 
 
 
 
 
 
 

Новосибирск  

2016 

УДК [621.391.63:681.7.068] 

Утверждено редакционно-издательским советом «СибГУТИ»  
в качестве учебного пособия 

 
Рецензенты: Ю.А. Пальчун, д-р тех. наук, проф. 
                     В.А. Шиянов, канд. тех. наук 
 

В.Г. Фокин, Р.З. Ибрагимов. Оптические системы с терабитными и пета-

битными скоростями передачи: Учебное пособие/ Сибирский государственный 
университет телекоммуникаций и информатики; каф. многоканальной 
электросвязи и оптических систем. Новосибирск, 2016г. –   162 с.: ил. 

 

Учебное пособие предназначено для студентов  направления подготовки 

11.04.02 Инфокоммуникационные технологии и системы связи квалификации «
Магистр» по профилям «Многоканальные телекоммуникационные системы» 
и «Оптические системы и сети связи». Также может быть полезным 
для специалистов предприятий связи, повышающим свою квалификацию по 
перспективному направлению развития техники оптической связи. 

Оцениваются возможности и ограничения современных волоконно-

оптических систем передачи по наращиванию скорости и дистанций при использовании 
DWDM, оптического усиления и форматов представления оптических 
сигналов. 

Рассматриваются принципы построения волоконно-оптических систем 

передачи нового поколения с применением многосердцевинных MCF одно-
модовых и маломодовых FMF волоконных световодов, технологий многоуровневых 
форматов модуляции PDMmQAM, суперканалов OFDM  с тера-
битными, петабитными скоростями и поддержкой flex grid superchannel,  когерентными 
оптическими приёмниками. Приводятся характеристики перспективной 
элементной базы для построения оптических систем и сетей и 
примеры реализации, программные продукты для моделирования и методика  
расчётов суперканалов. 

© Фокин В.Г., Ибрагимов Р.З., 2016 
 
©  Сибирский государственный университет  
телекоммуникаций и информатики, 2016 г. 

 

СОДЕРЖАНИЕ 

 
Предисловие
5

Введение
6

1. Возможности и ограничения в современных системах оптической 
связи
8

1.1. Информационные сигналы и волоконно-оптическая 

среда для их передачи
9

1.2. Оптические передатчики, приёмники и усилители
23

1.3. Оптические мультиплексоры выделения/ввода и коммутато-

ры в оптической сети
36

1.4. Форматы кодирования, оптическое отношение сигнал/шум и 

предел Шеннона для оптических систем передачи
38

1.5. Структура передатчика и приёмника сигналов с решетчатым 

кодированием/декодированием
43

1.6. Выводы
45

Контрольные вопросы
45

2. Способы повышения эффективности  оптических систем передачи
47

2.1. Использование компенсаторов дисперсии и оптических 

усилителей
47

2.2. Использование когерентного приёма и цифровой обработки 

сигнала
53

2.3. Использование многоуровневых форматов модуляции, 

поляризационного мультиплексирования и суперканалов
56

2.4. Выводы
61

Контрольные вопросы
62

3. Характеристики  волоконных световодов с множеством сердцевин
62

3.1. Типы и конструкции многосердцевинных волоконных 

световодов
65

3.2. Характеристики многосердцевинных волоконных световодов
68

3.3. Компоненты для линий с многосердцевинными волоконными 

световодами 
72

3.4. Выводы
77

Контрольные вопросы
77

4. Системы с модовым разделением оптических каналов
77

4.1. Волоконные световоды для систем с модовым мультиплекси-

рованием

79

4.2. Схемы ввода / вывода  и усиления мод
81

4.3. Принципы построения систем передачи FMF
86

4.4. Выводы
87

Контрольные вопросы
87

5. Форматы многоуровневой оптической модуляции и способы 

реализации суперканалов

88

5.1. Простые форматы модуляции
88

5.2. Фазовые форматы модуляции
89

5.3. Квадратурно-амплитудные форматы модуляции
91

5.4. Форматы оптических суперканалов и способы их реализации
92

5.5. Методика расчета энергетических параметров суперканалов
96

5.6. Выводы
98

Контрольные вопросы
99

6. Современная и перспективная компонентная база оптических 
систем
100

6.1. Электронные компоненты передатчиков, приёмников, 
коммутаторов, кодеров и декодеров для оптических каналов
100

6.2. Оптические компоненты передатчиков, приёмников, 
усилителей, коммутаторов
102

6.3. Выводы
117

Контрольные вопросы
118

7. Достигнутые результаты в построении терабитных и петабитных 
систем передачи

118

7.1. Стандартные решения для коммерческих сетей связи
119

7.2. Экспериментальные и планируемые системы
121

7.3. Планирование и проектирование гибко управляеых  
оптических транспортных систем и сетей с DWDM
126

7.4. Выводы
130

Контрольные вопросы
130

8. Моделирование сложных оптических систем
131

8.1. Среда моделирования OptiSystem
132

8.2. Среда моделирования OptSim
135

8.3. Алгоритмы упреждения ошибок
136

8.4. Выводы
140

Заключение
140

Приложения
141

Список сокращений
144

Список литературы
148

 

ПРЕДИСЛОВИЕ 

 

Постоянный рост потребляемых информационных услуг требует всё боль-

ших коммуникационных возможностей от телекоммуникационных сетей, которые 
связывают центры обработки данных (ЦОД) с пользователями. При этом и 
коммуникационная инфраструктура ЦОД должна справляться с растущими объемами 
передаваемых данных. Также требуется учитывать то, что все более критическое 
значение приобретает время реакции на запросы по оказанию услуг. 
Последний параметр зависит от ряда факторов: от пропускной способности 
внутрисистемных каналов связи ЦОД; от пропускной способности каналов связи 
транспортных магистральных, городских и местных сетей и также сетей доступа. 

В большинстве транспортных сетей и в сетях ЦОД среднего и крупного 

масштаба базой телекоммуникаций являются линии 10 GEthernet и оптические 
каналы технологии OTN-OTH. Оборудование этого класса широко используется 
с середины минувшего десятилетия и 10-гигабитная техника фактически подошла 
к пределу своих возможностей. Для решения проблемы ограниченной пропускной 
способности были предприняты первые шаги по стандартизации интерфейсов 
40/100 Гбит/с Ethernet (стандарт IEEE 802.3bа) в 2010 году с перспективой 
наращивания скорости до 1Тбит/с. С 2012 года началось широкомасштабное 
внедрение оптических систем передачи в транспортные сети на скорости до 120 
Гбит/с стандарта G.709/2012 Международного Союза Электросвязи, сектора 
стандартизации телекоммуникаций (МСЭ-Т). При этом продолжается работа над 
стандартами передачи для скоростей 240 Гбит/с, 480 Гбит/с, 1 Тбит/с. В экспериментальных 
системах в 2012 году достигнута скорость 1 Пбит/с передачи информационных 
потоков в одном волоконном световоде. Такая скорость, по прогнозам 
академика Российской академии наук Е.М. Дианова [1], будет востребована 
уже в ближайшее десятилетие. 

Таким образом, существует реальна перспектива кардинальных изменений в 

сфере оптических телекоммуникаций различного масштаба, что потребует подготовку 
новых специалистов для отрасли связи, т.е. проектировщиков, строителей, 
эксплуатационного персонала. Для этого необходима корректировка учебных 
программ для студентов и повышения квалификации работающих специалистов. 
Учитывая высокие темпы совершенствования техники и полное отсутствие 
подходящего учебного материала становится актуальным разработка учебного 
пособия, в котором должны быть отражены все современные тренды развития 
техники оптической связи с учётом подготовки бакалавров и магистров, обучающихся 
по направлениям 11.03.02, 11.04.02 «Инфокоммуникационные технологии 
и системы связи», профилей: «Многоканальные телекоммуникационные 
системы» и «Оптические системы и сети связи». Учебное пособие также будет 
полезно специалистам предприятий связи, занимающимся внедрением новых 
технологий и оборудования оптических сетей связи. 

Предлагаемое учебное пособие составлено на основе информационных и 

методических материалов из различных научных-технических и специальных 

изданий, конференций, стандартов ITU-T (International Telecommunications 
Union – Telecommunications services sector) и IEEE (Institute of Electrical and 
Electronics Engineers), электронных ресурсов ведущих производителей оборудования 
оптических сетей и т.д. В работе над учебным пособием принял 
участие инженер Ибрагимов Р.З., подготовивший раздел 5.4 и главу 8. 

 

ВВЕДЕНИЕ 

 
Основные тенденции развития современных оптических сетей связи 

определены по направлениям с общим обозначеним в научно-технической 
литературе «М-технологии» (или M-technologies). 

До определённого времени (до 2010 года) известны этапы развития (или 

первый тренд): волоконная оптика FO (Fibre Optic) + оптическое усиление 
OA (Optical Amplification) + мультиплексирование с разделением волн оптического 
диапазона WDM (Wavelength Division Multiplex). 

Основные тренды (от англ. trend — тенденция) настоящего времени 

(после 2010 года, когда стали стандартами 40/100 Гбит/с цифровые потоки 
транспорта с оптической транспортной иерархией Ethernet/OTH, Optical 
Transport Hierarchy), представлены ниже и на рис. В.1: 

1 – гибко управляемая когерентная передача цифровых потоков на ско-

ростях от 100 Гбит/с до 1 Тбит/с и выше за счёт многоуровневой оптической 
модуляции (Multilevel Modulation) с квадратурными и фазовыми форматами 
от DPSK (Differential Phase Shift Keying) до 256 QAM (Quadrature-Amplitude-
Modulation) на одной волне с двумя поляризационными составляющими и 
использования OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing, мультиплексирование 
с ортогональным частотным разделением) для реализации те-
рабитных суперканалов на нескольких оптических поднесущих (тера – 1012); 
цифровой когерентный приём [2]; 

2 – внедрение многосердцевинных оптических волоконных световодов 

MCF (Multicore Fiber) с числом от 2-х до 7, 19 и т.д., имеющих минимальные 
потери оптической мощности (в пределах 0,14 – 0,19 дБ/км), минимальную 
хроматическую (в пределах 4 – 10 пс/нм×км) и поляризационную (менее 
0,05пс/км0,5) дисперсию в известном диапазоне волн 1490 – 1625 нм, высокий 
порог оптической мощности перегрузки (100 – 200 мВт), порождающей нелинейные 
оптические эффекты; волокна позволяют реализовать пространственно-
разделённое 
мультиплексирование 
SDM 
(Space 
Division 

Multiplexing); 

3 – пространственное мультиплексирование/демультиплексирование 

множества мод в одном волоконном световоде, управление множеством мод 
с множественным вводом и выводом MIMO (Multiple Input and Multiple Out-
put), решение, направленное на увеличение пропускной способности коротких 
и протяженных оптических линий в ЦОД и на межузловых линиях. 

Эти тренды, называемые в научной литературе 3М (Multilevel Modula-

tion, Multicore Fiber, Multiple Input and Multiple Output), подкрепляемые рядом 
экспериментов [3], позволяют предположить возможность по реализации 
уже к 2020 году систем на скорости до Петабит/с на волокно (пета – 1015) как 
для связи между компонентами ЦОД, так и на оптических транспортных сетях (
см. приложение 1), а в дальнейшем до 2030 года достигнуть скоростей 
Эксабит/с (экса -1018). 

Однако на 3М трендах развитие телекоммуникаций не останавливается, 

а позволяет уверенно переходить к ряду других решений в рамках M-
technologies, например, мультисервис, мультипротокол, мультизащита соединений 
за счёт множества альтернативных соединений и т.д.  

Всё вместе позволит реализовать в ближайшее время новые виды серви-

сов телекоммуникаций с высокими скоростями передачи данных: связь для 
суперкомпьютеров с производительностью до 30–50 Петафлопс (от англ. 
FLOPS, flops, flop/s – Flouting Point Operations Per Second, величина для оценки 
производительности компьютеров, показывающая число операций с плавающей 
запятой в секунду, выполняемых вычислительной системой); прецизионная 
цифровая томография; телемедицина; видео высокой чёткости; 3D 
мультимедиа; информационные структуры банков, компаний, библиотек, 
учебных и научных заведений и т.д.; интеллектуальный транспорт и робототехника. 

 

 

 


Рис. В.1. Тренды в развитии оптических систем передачи [3] 

Основное внимание в учебном пособии сосредоточено на реализациях но-

вых оптических компонентов систем передачи и оптических сетей ближайшего 
времени (десятилетия). Для этого учебное пособие разделено на восемь связанных 
между собой глав. 

В первой главе рассматриваются системные проблемы ограничений суще-

ствующих оптических систем. 

Во второй главе представлены доступные способы расширения возможно-

стей оптической передачи на существующих сетях связи и на основе новых 
компонентов. 

В третьей главе достаточно подробно представлены конструкции, характе-

ристики, способы согласования и варианты применения волоконных световодов 
типа MCF. 

Четвёртая глава посвящена многоуровневым оптическим форматам моду-

ляции оптического излучения. 

В пятой главе представлены новые типы многомодоых волоконных свето-

водов и рассмотрены возможности по пространственному межмодовому мультиплексированию. 


В шестой главе сведены данные по новым оптическим компонентам, кото-

рые могут служить основой для построения терабитных и петабитных систем 
передачи. 

В главе семь представлены примеры экспериментальной реализации ново-

го класса оптических систем передачи с возможностями и проблемами. Также 
представлены варианты для оценочных расчётов систем передачи. 

В главе восемь приводится краткий обзор возможностей современных си-

стем програмного моделирования оптических систем передачи, оптических сетей. 


Каждая из глав учебного пособия заканчивается выводами и группой кон-

трольных вопросов для самопроверки. Учебное пособие оснащено словарём 
терминов и сокращений на английском языке, используемых в главах. Также 
представлен полный список литературы, используемой для подготовки глав 
учебного пособия. 

Учебное пособие рассчитано на подготовленных студентов и специалистов 

предприятий, знакомых с основами техники оптической связи, в том числе техники 
частотного (WDM) и временного (OTDM) оптического мультиплексирования, 
техники цифрового мультиплексирования (TDM) каналов и пакетов. 

 

1. ВОЗМОЖНОСТИ И ОГРАНИЧЕНИЯ В СОВРЕМЕННЫХ 

СИСТЕМАХ ОПТИЧЕСКОЙ СВЯЗИ 

 

Весь ход развития оптических систем передачи последних 10 – 15 лет свя-

зан с тремя тенденциями: совершенствование характеристик существующих 
волокон для расширения полосы передачи, применения новых конструкций волокон, 
в том числе с пространственным и поляризационным мультиплексиро-

ванием; плотного спектрального мультиплексирования для получения максимального 
числа спектральных и пространственных оптических каналов в существующих 
и новых волокнах; применении новых многопозиционных форматов 
модуляции, позволяющих в ограниченной полосе частот оптического канала 
наращивать скорости передачи информационных потоков.  

В современных и в перспективных телекоммуникационных сетях на осно-

ве волоконных световодов и организуемых в их оптических каналах передача 
информационных потоков производится преимущественно в цифровом формате 
с двоичным импульсным представлением. Постоянный рост скорости передачи 
двоичных посылок ведёт к их сокращению по длительности, что требует 
расширения полосы частот передачи сигналов. Даже использование одномодо-
вых волоконных световодов с полосой пропускания 30 ТГц не позволяет получить 
перспективные скорости выше 100 Тбит/с, учитывая, что уже реализованы 
в коммерческих системах передачи скорости более 10 Тбит/с на основе плотного 
мультиплексирования волн DWDM (0,8 нм; 0,4 нм; 0,2 нм между каналами) 
и спектральных суперканалов на основе OFDM (orthogonal frequency division 
multiplexing, мультиплексирование с ортогональным частотным разделением)  
[4, 5], представляет интерес анализ возможностей существующих систем передачи 
и перспектив их дальнейшего развития по использованию стандартных и 
новых волокон, оптических трансиверов, коммутаторов, форматов кодирования 
оптических сигналов и т.д. 

 

1.1. Информационные сигналы и волоконно-оптическая среда 

для их передачи 

 
В оптических системах передачи для переноса информационных сигналов 

используются оптические частоты, излучаемые светодиодами и лазерами. Для 
детектирования оптических сигналов применяются полупроводниковые фотодетекторы. 
Самое простое и эффективное по различным показателям решение 
для передачи импульсных двоичных посылок связано с модуляцией интенсивности 
оптического излучения (обычно лазер непрерывного излучения CW, 
continuous wave) и его прямым детектированием на приёмной стороне. Двоичные 
информационные посылки позволяют сформировать излучение двух уровней 
интенсивности максимальной разности (включен и выключен источник излучения). 
Эти два уровня интенсивности преобразуются фотодетектором в две 
величины фототока (включен и выключен). При этом величина фототока в состоянии «
включено» многократно превосходит величину тока в цепи фотодетектора 
в состоянии «выключено». Для определения амплитудного значения 
импульсной посылки на приёме достаточно использовать простейшее пороговое 
устройство – компаратор (рис.1.1). 

Форма представления информационных импульсных посылок может быть 

в одном из двух вариантов, в одной или двух полярностях (рис.1.2). 
 

Рис. 1.1. Структурная схема передачи информационных  

импульсных сигналов в оптической системе 

 

 

 

Рис. 1.2. Форматы кодирования информационных импульсных  

последовательностей в двоичном представлении 

 

Форма представления рассматривается на тактовом интервале или интер-

вале двоичной посылки, т.е. времени Т, отведённом для передачи посылки. В 
двоичном представлении логическая единица «1» это высокий уровень одной 
из величин: электрического напряжения, тока, мощности, интенсивности оптического 
излучения, а логический ноль «0», соответственно, низкого уровня указанных 
величин. 

Импульсная посылка «1» на всём интервале Т определила название форма-

та – без возвращения к нулю на тактовом интервале, non return to zero, NRZ. 

Импульсная посылка «1» на части интервала Т также определила название 

формата – с возвращением к нулю на тактовом интервале, return to zero, RZ. 
При этом может быть указана часть тактового интервала присутствия «1» в 
процентах, например, RZ 50%, RZ 33%, RZ 69% и т.д. Чаще всего применяется 
формат RZ 50%. 

Спектральные характеристики сигналов в этих форматах имеют суще-

ственные отличия по спектральной плотности мощности компонент (рис.1.3). 
 

 

 

 

Рис. 1.3. Спектральная плотность мощности двоичных  

последовательностей в форматах RZ, NRZ 

 

Спектральное распределение плотности мощности позволяет определить 

требуемый частотный диапазон для передачи импульсов с минимальными допустимыми 
искажениями, которые возможны в полосе частот, где сконцентрировано 
более 90% мощности сигнала. Для сигнала формата NRZ эта полоса составляет 
величину, оцениваемую соотношением для большого лепестка плотности 
мощности ΔfNRZ=1/T, для формата RZ 50% эта полоса составит ΔfRZ=2/T, 
т.е. спектр расширяется в два раза. 

С модуляции информационным сигналом оптической несущей частоты 

начинается формирование оптического линейного сигнала, ширина спектра которого 
зависит от ширины спектра  излучения источника (светодиода или лазера) 
и от спектра модулирующего сигнала. Учитывая, что максимальная эффективность 
использования полосы пропускания волокна достигается через плот-

ное (DWDM) мультиплексирование несущих волн, спектр излучения источников 
должен быть минимальным для уровня оценки -3 дБм (уровень половины 
мощности излучения) или -20 дБм от максимального значения мощности 
(рис.1.4). Принятые величины оценки Δλ<0,1 нм или Δf<100 МГц. 

 

 

 

Рис. 1.4. Оценка ширины спектральной линии источника излучения 

 
Достижимые скорости передачи информации двоичными посылками в со-

временных технологиях, например, OTN/OTH составляют: 2,7 Гбит/с; 10,7 
Гбит/с; 43 Гбит/с; 112 Гбит/с. Нетрудно установить связь между скоростью передачи 
двоичного символа R и длительностью тактового интервала Т, т.е. 
Т=1/R и тогда временные интервалы для указанного примера составят величины: 
0,37×10-9 с; 0,93×10-10 с; 2,3×10-11 с; 8,9×10-12 с. Для передачи в волоконной 
линии этих коротких по времени импульсных посылок оптической мощности 
формата NRZ потребуются минимальные полосы частот ∆f с несущей fc 
(рис.1.5): 5,4 ГГц; 21,4 ГГц; 86 ГГц; 224 ГГц. В формате RZ эти частоты удваиваются: 
10,8 ГГц; 44,8 ГГц; 172 ГГц; 448 ГГц.  

Учитывая, что МСЭ-Т определил в стандартах деление полосы частот пе-

редачи волоконных световодов на диапазоны (табл.1.1, рис.1.6), нетрудно подсчитать 
реальную пропускную ёмкость современных волоконных одномодовых 
световодов с учётом стандартных сеток частот G.694.1, где частотные интервалы 
между оптическими несущими составляют: 12,5 ГГц; 25 ГГц; 50 ГГц; 100 
ГГц.