光倒換設(shè)備智能選取主、備優(yōu)質(zhì)纖芯技術(shù)改進(jìn)研究與實現(xiàn)

王 偉 宋 威 朱玉龍

（中國人民解放軍31401部隊，黑龍江 哈爾濱 150000）

1 研究的必要性和意義

光線路自動導(dǎo)換保護(hù)設(shè)備是一個集監(jiān)測、保護(hù)和管理為一體的綜合管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以對光纜物理層進(jìn)行自動監(jiān)控保護(hù)，在系統(tǒng)主用光纖通道和備用光纖通道之間實現(xiàn)自動導(dǎo)換的功能，在一定程度上降低了光纜阻斷對傳輸系統(tǒng)的影響，保證光傳輸系統(tǒng)可以正常運行。但傳統(tǒng)的獨立外置型光線路自動導(dǎo)換保護(hù)設(shè)備僅能對主、備光纜進(jìn)行整體導(dǎo)換，在復(fù)雜地形和惡劣氣候下出現(xiàn)主、備光纜各有1根纖芯發(fā)生故障的概率較高，此時，傳統(tǒng)的獨立外置型光線路自動導(dǎo)換保護(hù)設(shè)備就無法充分有效地利用現(xiàn)有緊張的纖芯資源對系統(tǒng)進(jìn)行有效保護(hù)。

2 國內(nèi)外研究概況、水平

國外主要采用傳輸通信設(shè)備自身的迂回電路通道進(jìn)行業(yè)務(wù)保護(hù)，需要消耗主、備用整體纖芯資源作為工作通道和保護(hù)通道。迂回恢復(fù)通路的時間不確定。

國內(nèi)主要基于主、備整體光纜倒換技術(shù)開展研究開發(fā)工作，研究方向更多集中在整體倒換保護(hù)基礎(chǔ)上，尤其是對器件工藝技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化，以減少插入損耗，提升保護(hù)時間。

目前，對主、備用光纜的單芯選取重組倒換進(jìn)行保護(hù)的研究基本處于空白狀態(tài)。

3 智能選取主、備優(yōu)質(zhì)纖芯技術(shù)研究方案

3.1 整體設(shè)計原理

當(dāng)前，獨立外置式光線路自動倒換保護(hù)設(shè)備主要通過光開關(guān)對主、備光纜纖芯進(jìn)行整體倒換，纖芯利用率較低。該項目通過研究光線路智能倒換保護(hù)系統(tǒng)光路選擇優(yōu)先權(quán)限模型機制，采用光功率檢測模塊對接收光功率進(jìn)行檢測判斷，識別優(yōu)質(zhì)纖芯，由系統(tǒng)控制電路控制光開關(guān)進(jìn)行線路纖芯倒換，重新構(gòu)成收發(fā)纖芯回路，實現(xiàn)智能選取優(yōu)質(zhì)纖芯的目的。

當(dāng)主用線路中1根纖芯質(zhì)量劣化或發(fā)生阻斷且備用線路也有1根纖芯產(chǎn)生質(zhì)量劣化或發(fā)生阻斷時，在接收端同時對主、備線路（纖芯）的接收光功率進(jìn)行判定，就可以實時區(qū)分各質(zhì)量優(yōu)劣級別所對應(yīng)的纖芯，再通過智能控制單元對單芯進(jìn)行倒換保護(hù)。具體工作流程如圖1所示。

假定主用的第一芯與備用的第二芯均出現(xiàn)質(zhì)量劣化或阻斷的問題，此時通過判別接收端的功率立即啟動站點B端的光開關(guān)倒換，將主用第一芯的業(yè)務(wù)切至備用第一芯。同時，由于備用第二芯出現(xiàn)質(zhì)量劣化或阻斷的問題，因此A端的接收側(cè)將不會有倒換動作，從而確保B→A的業(yè)務(wù)仍然可以在主用第二芯上正常運行，避免了傳統(tǒng)倒換設(shè)備只能整體倒換的弊端，極大地降低了這種單芯劣化或阻斷造成通信阻斷的概率，從而提升系統(tǒng)的可通率和在用纖芯資源的使用率。

實現(xiàn)上述功能的設(shè)計方案原理如圖2所示，主要由光信號同步分配單元、雙路功率同步監(jiān)測控制單元、功率損耗同步計算單元、反饋控制單元、光信號選路單元、電源單元以及通信單元等部分組成。

3.2 關(guān)鍵技術(shù)

圖1 智能單芯倒換工作原理示意圖

根據(jù)光纖通信理論可知，當(dāng)單模光纖傳導(dǎo)光信號時，光的能量并不完全在纖芯中傳播，有少量能量在靠近纖芯的包層中傳播。當(dāng)2根光纖的纖芯的距離足夠小時，在一根光纖中傳輸?shù)墓獾哪鼍涂梢赃M(jìn)入另外一根光纖，在2根光纖中重新分配光信號，基于這一理論，在系統(tǒng)的發(fā)射端設(shè)計一個類似的功能模塊，在模塊里將2根光纖束縛在一起，通過熔融拉伸的方法將2根光纖的中部融為一體。將具體融合的長度設(shè)為L，根據(jù)光波導(dǎo)理論，傳導(dǎo)模是2個正交的基膜。當(dāng)傳導(dǎo)模進(jìn)入熔錐區(qū)時，隨著纖芯不斷變細(xì)，歸一化頻率V值逐漸減小，越來越多的光功率滲入光纖包層中，因此，光功率是在以包層為芯、纖外介質(zhì)為新包層的復(fù)合波導(dǎo)中傳輸?shù)?。在輸出端，隨著纖芯逐漸變粗，V值逐漸增大，光功率被2根光纖芯以特定的比例“捕獲”。在熔錐區(qū)，2個光纖包層合并在一起，當(dāng)纖芯足夠接近時，就可以形成弱耦合。將一根光纖看做是另一光纖的擾動。在弱導(dǎo)近似下，假設(shè)光纖是無吸收的，如公式（1）所示。

圖2 設(shè)計方案原理圖

式中：Rc為光纖耦合比；C為耦合系數(shù)；L為耦合區(qū)長度；x為坐標(biāo)軸。

因此，可以得到耦合比Rc與耦合區(qū)長度L的關(guān)系。因為正弦平方值為0～1，所以耦合比為0%～100%，耦合比隨波長的變化而變化。根據(jù)實際線路系統(tǒng)的要求，該文將比例設(shè)置為50%。通過如圖3所示的設(shè)計方式就可以實現(xiàn)在主、備線路上傳遞相同業(yè)務(wù)信號的目的。

圖3 光信號同步分配單元制作電路

由于倒換部件存在固有的倒換動作，因此插損增益、無損傷線路倒換技術(shù)會在短時間的物理鏈路上產(chǎn)生一段空窗期，而目前的傳輸設(shè)備自身都設(shè)置有一定時間窗口的容錯，如果這個空檔期短于該容錯窗口，那么對傳輸設(shè)備來說，視為業(yè)務(wù)不受影響。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)可知，該時間窗口指定為不超過50 ms。為了實現(xiàn)這一目的，形成單芯倒換的工作效果，需要考慮在系統(tǒng)的接收處進(jìn)行主、備雙路功率同步監(jiān)測計算識別；同時，在接收處設(shè)計光路選擇裝置，配合功率監(jiān)測識別的結(jié)果進(jìn)行倒換（無損）。

對主、備雙路功率的同步監(jiān)測是通過在主、備接收處各設(shè)計1個光電探測電路來實現(xiàn)的。處理電路則是配置運算放大器，將光電二極管產(chǎn)生的光電流轉(zhuǎn)化為電壓、電流等電路參數(shù)，如圖4所示。

由圖4可知，通過設(shè)計運放，可以有效地將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，實現(xiàn)ADC轉(zhuǎn)換處理的目標(biāo)。在具體電路設(shè)計方面，電阻、電容的對稱設(shè)計在降低噪聲的同時，還可以消除高頻、低頻的噪聲，因此，在設(shè)計時須重點設(shè)置相應(yīng)的阻容值，從而形成匹配網(wǎng)絡(luò)。匹配π網(wǎng)絡(luò)的調(diào)整從原理上來說，在具有電阻、電容的電路里，對交流電所起的阻礙作用稱作阻抗，一個具體的電路的阻抗是可能隨時變化的，因此需要在測試過程中逐步優(yōu)化、調(diào)整，使其達(dá)到最佳狀態(tài)。具體解決方案需要使用串聯(lián)/并聯(lián)電阻的形式，該項目主要采用Smith圓圖的形式對參數(shù)進(jìn)行選擇、設(shè)計，定義一個反射系數(shù)Γ，如公式（2）所示。

圖4 光電檢測處理電路示意圖

式中：Z為網(wǎng)絡(luò)端口阻抗；Z為參考阻抗；z為歸一化阻抗；θ為相角（-180°≤θ≤180°）；j為復(fù)指數(shù)。

阻抗與Γ平面上的點存在一一對應(yīng)的關(guān)系。假設(shè)z=r+jx（r為電阻；x為坐標(biāo)軸），則有公式（3）。

式中：（Γ，Γ）為Γ平面的直角坐標(biāo)。

通過公式（2）、公式（3）可以將（Γ，Γ）其轉(zhuǎn)換為直角平面上的2組圓（電阻圓與電抗圓）。將這2個圓重合在一起，即形成Smith阻抗圓圖。根據(jù)上述點位的參數(shù)情況設(shè)計匹配網(wǎng)絡(luò)，在實際使用過程中大多都是按照π網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行設(shè)計、調(diào)整的，π網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖5所示。

圖5 π網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)示意圖

在具體計算時，可以考慮將L分解為L與L，相當(dāng)于是分解為2個L型網(wǎng)絡(luò)，R經(jīng)L與C變換為中間電阻R，R經(jīng)L與C變換為中間電阻R，當(dāng)2個中間電阻相等時，說明阻抗匹配任務(wù)結(jié)束。

4 光信號選路單元

光路選擇裝置主要通過設(shè)計光開關(guān)來實現(xiàn)，光開關(guān)是一種具有1個或多個可選的傳輸端口的光學(xué)器件，其作用是對光傳輸線路或集成光路中的光信號進(jìn)行物理倒換或邏輯操作。通過光纖或光學(xué)元件的移動來改變光路，目前主要是通過移動反射鏡的方法來實現(xiàn)（原理如圖6所示）。

圖6 移動反射鏡光路選擇開關(guān)示意圖

主要通過光開關(guān)技術(shù)與微機電技術(shù)（MEMS）來實現(xiàn)具體設(shè)計，從而解決無損傷光路切換的問題。其中，微機電系統(tǒng)（MEMS， Micro-Electro-Mechanic System）是一種先進(jìn)的制造技術(shù)平臺，它是以半導(dǎo)體制造技術(shù)為基礎(chǔ)發(fā)展起來的。MEMS技術(shù)采用了半導(dǎo)體技術(shù)中的光刻、腐蝕以及薄膜等一系列的現(xiàn)有技術(shù)和材料。該器件的設(shè)計不受偏振和波長的影響；同時，因為所涉及的光器件較少，所以附加插入損耗低（小于l dB），串?dāng)_小于-60 dB，更重要的是其開關(guān)速度是毫秒量級，能夠滿足小于或等于50 ms無損倒換的要求。

5 結(jié)論

該項目研制完成并配置到通信臺站后，能夠更好地對光纜物理層進(jìn)行自動監(jiān)控保護(hù)，尤其對復(fù)雜地形條件和惡劣氣候條件來說，能夠有效地解決因主、備用光纜纖芯同時出現(xiàn)單斷而引起的系統(tǒng)阻斷問題，在傳統(tǒng)的基礎(chǔ)上提升現(xiàn)有主、備用光纜纖芯的利用率，減少了系統(tǒng)光纜因單芯衰耗大或阻斷而導(dǎo)致系統(tǒng)誤碼和全阻斷的概率，有效地解決了通信光纜纖芯資源緊張的矛盾，提升了現(xiàn)有纖芯資源的利用率。在該基礎(chǔ)上可以推廣到全國使用，應(yīng)用前景廣泛，實用效益明顯。