海底通信光纜水下設備原理及設計研究＊

［劉興華］

1 引言

海底通信光纜承載著全球90%以上的國際通信流量，是全球最重要的通信基礎(chǔ)設施之一。我國海底通信光纜產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀與“網(wǎng)絡強國”地位并不相稱，目前我國建成了全球最大規(guī)模的信息通信網(wǎng)絡，光纜覆蓋到了絕大部分行政村，但在我國（含港澳臺）登陸的所有國際海底光纜工程，卻全部由歐美日等國企業(yè)承建。我國雖在全球海底光纜產(chǎn)業(yè)中起步較晚，但在十多年時間里取得了長足的進步，我國企業(yè)已走向國際市場，并初步具備了越洋工程的建設能力和經(jīng)驗。

本文詳細分析了海底通信光纜系統(tǒng)中海底光中繼器、海底分支單元等水下設備的原理及設計，可為從事海底光纜規(guī)劃、建設、運維等的工作人員提供有益參考。同時也希望能讓更多人了解海底光纜，并參與到國際海底光纜建設中來。

2 海底光中繼器

海底光纜長度可達上萬公里，在長距離傳輸后信號光功率會衰減，需要配置海底光中繼器對信號進行放大，如一條長8 000 公里的國際海底光纜系統(tǒng)，約需要配置100個光中繼器。海底光中繼器主流采用摻鉺光纖放大技術(shù)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1 所示。其主要部件包括摻鉺光纖、高功率泵浦源、波分復用器、光隔離器等。泵浦激光器向摻鉺光纖提供泵浦光，摻鉺光纖吸收泵浦光的能量后，其電子會從基態(tài)躍遷到能階較高的亞穩(wěn)態(tài)。當有信號光通過摻鉺光纖時，亞穩(wěn)態(tài)電子會發(fā)生受激輻射效應，放射出大量與信號光相同波長的光子，從而實現(xiàn)信號的放大。

圖1 海底光中繼器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

海底光纜系統(tǒng)的設計壽命一般在25 年左右，由于海底環(huán)境惡劣，光中繼器主體外殼一般采用銅/鈦合金等材料制造，具有密封性好、耐腐蝕、耐磨損、耐高壓（最大承受壓強82.5 MPa，最大可承受水深在8 000 m）等特點，以保護內(nèi)部器件穩(wěn)定工作。下文將分析光中繼器光路及電路的原理及設計方法。

2.1 光路原理及設計

光中繼器中摻鉺離子的能級如圖2 所示，E1是基態(tài)，E2是中間能級（亞穩(wěn)態(tài)），E3是激發(fā)態(tài)。若泵浦光（如980 nm 泵浦光）的光子能量等于E1 與E3 之差，鉺離子吸收泵浦光后，會從E1基態(tài)升至E3激發(fā)態(tài)。但是激活態(tài)不穩(wěn)定，激發(fā)到E3的鉺離子會很快返回到E2的亞穩(wěn)態(tài)。若信號光（如1 550 nm 信號光）的光子能量等于E2和E1之差，則當處于E2亞穩(wěn)態(tài)的鉺離子返回E1基態(tài)時將產(chǎn)生信號光子，結(jié)果使信號光得到放大。

圖2 摻鉺光纖放大器原理圖

放置在深海的光中繼器維護非常困難，為提升光中繼器的可靠性，光中繼器的泵浦源通常采用共享設計。圖3是一種4x4 光泵浦激光器的典型設計，每根光纖由多個泵浦激光器提供泵浦光，每個泵浦激光器也同時給多根光纖提供泵浦光。當其中一個甚至兩個泵浦激光器出現(xiàn)故障時，通過調(diào)節(jié)其余激光器的發(fā)光功率，使每根光纖仍能獲得足夠的泵浦光功率。

圖3 海底光中繼器泵浦光路設計

由于摻鉺光纖放大器的增益頻譜不是平坦的，信號光在通過光放大器后，某些波長得到的光功率增益多，某些波長得到的光功率增益少，不同波長的信號光功率參差不齊。另外由于光纖衰減頻譜也不是平坦的，在長距離傳輸后，某些波長光功率衰減得多，某些波長光功率衰減得少，不同波長的信號光功率變得更加參差不齊。這最終會導致信號光在某些通道嚴重劣化從而影響信號的接收，如圖4（a）所示。為了修正這種現(xiàn)象，需在光中繼器里配置增益平坦濾波器，圖4（b）是配置了增益平坦濾波器情形。增益平坦濾波器的設計要綜合考慮摻鉺光纖的增益頻譜以及通信光纖的衰耗頻譜，設計合適的濾波頻譜，使信號光經(jīng)過放大、整形、衰減后，到達下一個光中繼器時，不同波長的光功率仍能保持平坦。

圖4 海底光中繼器光譜增益平坦控制

2.2 電路原理及設計

在故障情況下，為最大限度的恢復中斷的通信業(yè)務，可能需要重構(gòu)水下設備的供電方式。海纜登陸站的遠供電源系統(tǒng)的電極可能會根據(jù)需要切換，從而導致輸入光中繼器的電流方向發(fā)生改變。因此光中繼器的內(nèi)部電路一般采用雙極性設計，如圖5 所示。通過設計光中繼器雙極性轉(zhuǎn)換電路，雖然輸入光中繼器的外部電流方向發(fā)生變化，但通過內(nèi)部電路轉(zhuǎn)換后，經(jīng)過用電單元（如泵浦激光器驅(qū)動電路等）的電流方向保持不變，內(nèi)部用電單元仍能正常工作。

圖5 海底光中繼器內(nèi)部電路設計

海底光纜系統(tǒng)在電源切換或者短路的情況下可能會產(chǎn)生足以損壞內(nèi)部器件的浪涌電流，光中繼器應設計合適的浪涌保護電路。在系統(tǒng)正常工作時，浪涌保護單元處于開路狀態(tài)，工作電流只經(jīng)過用電單元。當系統(tǒng)中產(chǎn)生浪涌電流時，浪涌保護單元形成通路狀態(tài)，疏導絕大部分浪涌電流，保護用電單元安全。

3 海底分支單元

海底光纜系統(tǒng)除了設置主干段外，往往還需要設置分支段連接不同的地區(qū)。如圖6 所示，通過控制海底分支單元內(nèi)部的光纖切換單元，可以把海底光纜纖芯分配到不同的方向。在分支單元配置可重構(gòu)分插復用器（ROADM），還可以將同一根光纖的信號分配到不同方向，使不同站點之間的業(yè)務調(diào)度更加靈活。除此之外，在海底光纜發(fā)生故障時，通過調(diào)整BU 內(nèi)部的電壓切換單元，還可以實現(xiàn)海底光纜系統(tǒng)供電方式的倒換，盡可能減少因故障帶來通信業(yè)務中斷的影響。光纖切換單元和電壓切換單元均可通過海纜登陸站發(fā)送切換命令來控制。

圖6 海底分支單元內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

3.1 光路原理及設計

海底分支單元主流采用波長選擇開關(guān)（WSS）來實現(xiàn)波長級任意帶寬的分插復用。BU 和ROADM 采用互為獨立的單元設計，BU 其中的兩個接線端連接主干段海底光纜，另外一個接線端與ROADM 連接。二者配合使用，可以完成復雜度更高的業(yè)務調(diào)度及故障災備。

如圖7 所示，BU 中纖芯主要有兩種切換狀態(tài)，一種是主干直通方式，信號光不經(jīng)過ROADM；另一種分支上下方式，信號光經(jīng)過ROADM。

圖7 BU 光路切換狀態(tài)

在正常狀態(tài)下，BU 切換為分支上下方式，即無論是通往主干還是通往分支的信號光均經(jīng)過ROADM，光路的分解和耦合示意如圖8 所示。A 端同時有發(fā)送至B 端和C端的業(yè)務，調(diào)節(jié)BU 的光開關(guān)，使A 端發(fā)出的信號光傳送至ROADM。信號光在ROADM 內(nèi)部被分為兩個光路，其中一路至B 端的信號光被WSS 過濾掉，只允許至C 端的信號光通過，并通過光開關(guān)引導至C 端方向。另外一路至C端的信號光被WSS過濾掉，只允許至B端的信號光通過，并通過光開關(guān)引導至B 端方向。

圖8 海底分支單元內(nèi)部光路設計

C 端同時有發(fā)送至B 端的業(yè)務，為保持系統(tǒng)光功率平衡，C 端還需要發(fā)送填充光。C 端發(fā)送的光在ROADM 中也被分為兩個光路。其中一路信號光被WSS 過濾掉，只剩下填充光。填充光與來自A 端的信號光耦合后，經(jīng)光開關(guān)引導至C 端方向。另外一路填充光被WSS 過濾掉，只剩下信號光。信號光與來之A 端的信號光耦合后，經(jīng)光開關(guān)引導至B 端方向。

由于水下設備維護非常困難，一般采用雙WSS 的設計方式來提高ROADM 的可靠性。圖9 為ROADM 其中一個WSS 發(fā)生故障的情景。調(diào)整ROADM 中的光開關(guān)，使其中一路信號光從ROADM 直通至C 端方向，由C 端的終端傳輸設備對接收的信號光進行篩選，只保留至本海纜登陸站的業(yè)務。另外一路信號光經(jīng)WSS 過濾后，與來自C 端的信號光耦合后，傳送至B 端方向。故障時BU 的光切換時間要求小于500 ms。

圖9 單WSS 故障情況光路路由

光路切換后，由于插損、長度等發(fā)生變化，會導致光路的總衰耗發(fā)生變化，從而引起其它水下設備接收到的光功率發(fā)生變化。通過調(diào)節(jié)BU 內(nèi)的光衰耗器參數(shù)，可以使與BU 互連的光中繼器和ROADM 獲得的輸入光功率在合適的工作范圍之內(nèi)。

當ROADM 中兩個WSS 同時發(fā)生故障時，無法再通過ROADM 進行波長級的調(diào)度。這時分支單元只能進行纖芯的切換，可分為主干互通方式或主干與分支互通方式，如圖10 所示。A 端只能與B 端通信，C 端通信中斷。或者A/B 端只能與C 端通信，A 端與B 端的通信中斷。

圖10 雙WSS 故障情況下光路路由

3.2 電路原理及設計

BU 的A、B、C 三個接線端通過海底光纜分別連接至三個不同海纜登陸站的遠供電源設備，同時內(nèi)部配置一個電極（GND 端）與海水連接，如圖11 所示。BU 可支持雙極性的電流方向，A、B、C 端中的任意兩個均可以傳導主干電流，而另外一個自動配置傳導分支電流。可通過改變BU 的A、B、C 端的連接狀態(tài)來調(diào)整供電系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)，在海底光纜線路故障的情況下最大限度恢復通信業(yè)務。BU 可切換的電源供電狀態(tài)有A-B/C-GND，A-C/B-GND 及B-C/A-GND 三種。

目前BU 電源切換技術(shù)已經(jīng)由早期的控制海纜登陸站遠供電源設備上電順序的方式，發(fā)展為通過海纜登陸站發(fā)送命令來控制BU 切換的智能控制方式。BU 的內(nèi)部控制電路如圖12 所示，控制命令經(jīng)海底光纜纖芯傳送到BU 控制信號接收器，切換控制器負責調(diào)整陣列電路的閉合/斷開，實現(xiàn)電源供電狀態(tài)的調(diào)整。圖12 中為A-B（藍線）/C-GND（紅線）狀態(tài)下的電路配置。

圖12 BU 內(nèi)部電路圖

通過加強內(nèi)部單元的絕緣設計及選取高可靠性的繼電器，BU 由原來幾百伏低壓發(fā)展到高壓熱切換，減少了電源切換過程中遠供電源設備上下電操作及極性調(diào)整時間，提升業(yè)務的恢復速度。

為保護內(nèi)部用電單元，BU 內(nèi)部也需要設計合適的浪涌保護電路，其電路設計如圖13 所示。在系統(tǒng)正常工作時，浪涌保護單元處于開路狀態(tài)；當系統(tǒng)中產(chǎn)生浪涌電流時，浪涌保護單元形成通路狀態(tài)，疏導絕大部分浪涌電流。

圖13 浪涌保護單元電路設計

ROADM 的電路設計類似光中繼器，本文不展開論述。

4 結(jié)束語

本文從海底光纜水下設備的基本原理出發(fā)，詳細研究了海底光中繼器、海底分支單元的內(nèi)部光路及電路設計，對海底光纜系統(tǒng)的規(guī)劃、建設、運維具有借鑒意義。

隨著海底光纜多芯對技術(shù)（HFC）的應用，海底光中繼器的性能需進一步提升。HFC 是在現(xiàn)有成熟的海底光纜通信技術(shù)基礎(chǔ)上，通過擴展光纖的對數(shù)來實現(xiàn)系統(tǒng)容量的倍增，是海底通信光纜行業(yè)公認的發(fā)展方向。HFC 技術(shù)的應用,需提升光中繼器的多項關(guān)鍵技術(shù)，包括高效泵浦驅(qū)動技術(shù)、大數(shù)纖芯的饋通技術(shù)、15 千伏以上的超高工作電壓、多纖對泵浦共享技術(shù)、超大浪涌防護技術(shù)等，還需進一步研究。

海底分支單元目前單結(jié)構(gòu)體主流集成2 對纖芯，支持多個結(jié)構(gòu)體級聯(lián)，業(yè)界領(lǐng)先技術(shù)可做到單結(jié)構(gòu)體集成4 對纖芯。未來需要進一步選用更高集成度的WSS 模塊來提升空間利用率，做到單體結(jié)構(gòu)集成更多對的纖芯，減少級聯(lián)帶來的施工成本及后期維修回收難度。