［劉興華］

1 引言

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

本文詳細(xì)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(shè)備的原理及設(shè)計(jì)，可為從事海底光纜規(guī)劃、建設(shè)、運(yùn)維等的工作人員提供有益參考。同時(shí)也希望能讓更多人了解海底光纜，并參與到國(guó)際海底光纜建設(shè)中來(lái)。

2 海底光中繼器

海底光纜長(zhǎng)度可達(dá)上萬(wàn)公里，在長(zhǎng)距離傳輸后信號(hào)光功率會(huì)衰減，需要配置海底光中繼器對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，如一條長(zhǎng)8 000 公里的國(guó)際海底光纜系統(tǒng)，約需要配置100個(gè)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(fù)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(huì)從基態(tài)躍遷到能階較高的亞穩(wěn)態(tài)。當(dāng)有信號(hào)光通過(guò)摻鉺光纖時(shí)，亞穩(wěn)態(tài)電子會(huì)發(fā)生受激輻射效應(yīng)，放射出大量與信號(hào)光相同波長(zhǎng)的光子，從而實(shí)現(xiàn)信號(hào)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(shè)計(jì)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(qiáng)82.5 MPa，最大可承受水深在8 000 m）等特點(diǎn)，以保護(hù)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(shè)計(jì)方法。

2.1 光路原理及設(shè)計(jì)

光中繼器中摻鉺離子的能級(jí)如圖2 所示，E1是基態(tài)，E2是中間能級(jí)（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(huì)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(huì)很快返回到E2的亞穩(wěn)態(tài)。若信號(hào)光（如1 550 nm 信號(hào)光）的光子能量等于E2和E1之差，則當(dāng)處于E2亞穩(wěn)態(tài)的鉺離子返回E1基態(tài)時(shí)將產(chǎn)生信號(hào)光子，結(jié)果使信號(hào)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(hù)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(shè)計(jì)。圖3是一種4x4 光泵浦激光器的典型設(shè)計(jì)，每根光纖由多個(gè)泵浦激光器提供泵浦光，每個(gè)泵浦激光器也同時(shí)給多根光纖提供泵浦光。當(dāng)其中一個(gè)甚至兩個(gè)泵浦激光器出現(xiàn)故障時(shí)，通過(guò)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(shè)計(jì)

由于摻鉺光纖放大器的增益頻譜不是平坦的，信號(hào)光在通過(guò)光放大器后，某些波長(zhǎng)得到的光功率增益多，某些波長(zhǎng)得到的光功率增益少，不同波長(zhǎng)的信號(hào)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(zhǎng)距離傳輸后，某些波長(zhǎng)光功率衰減得多，某些波長(zhǎng)光功率衰減得少，不同波長(zhǎng)的信號(hào)光功率變得更加參差不齊。這最終會(huì)導(dǎo)致信號(hào)光在某些通道嚴(yán)重劣化從而影響信號(hào)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)合適的濾波頻譜，使信號(hào)光經(jīng)過(guò)放大、整形、衰減后，到達(dá)下一個(gè)光中繼器時(shí)，不同波長(zhǎng)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(shè)計(jì)

在故障情況下，為最大限度的恢復(fù)中斷的通信業(yè)務(wù)，可能需要重構(gòu)水下設(shè)備的供電方式。海纜登陸站的遠(yuǎn)供電源系統(tǒng)的電極可能會(huì)根據(jù)需要切換，從而導(dǎo)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(shè)計(jì)，如圖5 所示。通過(guò)設(shè)計(jì)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(guò)內(nèi)部電路轉(zhuǎn)換后，經(jīng)過(guò)用電單元（如泵浦激光器驅(qū)動(dòng)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(shè)計(jì)

海底光纜系統(tǒng)在電源切換或者短路的情況下可能會(huì)產(chǎn)生足以損壞內(nèi)部器件的浪涌電流，光中繼器應(yīng)設(shè)計(jì)合適的浪涌保護(hù)電路。在系統(tǒng)正常工作時(shí)，浪涌保護(hù)單元處于開(kāi)路狀態(tài)，工作電流只經(jīng)過(guò)用電單元。當(dāng)系統(tǒng)中產(chǎn)生浪涌電流時(shí)，浪涌保護(hù)單元形成通路狀態(tài)，疏導(dǎo)絕大部分浪涌電流，保護(hù)用電單元安全。

3 海底分支單元

海底光纜系統(tǒng)除了設(shè)置主干段外，往往還需要設(shè)置分支段連接不同的地區(qū)。如圖6 所示，通過(guò)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(fù)用器（ROADM），還可以將同一根光纖的信號(hào)分配到不同方向，使不同站點(diǎn)之間的業(yè)務(wù)調(diào)度更加靈活。除此之外，在海底光纜發(fā)生故障時(shí)，通過(guò)調(diào)整BU 內(nèi)部的電壓切換單元，還可以實(shí)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(lái)通信業(yè)務(wù)中斷的影響。光纖切換單元和電壓切換單元均可通過(guò)海纜登陸站發(fā)送切換命令來(lái)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(shè)計(jì)

海底分支單元主流采用波長(zhǎng)選擇開(kāi)關(guān)（WSS）來(lái)實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)級(jí)任意帶寬的分插復(fù)用。BU 和ROADM 采用互為獨(dú)立的單元設(shè)計(jì)，BU 其中的兩個(gè)接線端連接主干段海底光纜，另外一個(gè)接線端與ROADM 連接。二者配合使用，可以完成復(fù)雜度更高的業(yè)務(wù)調(diào)度及故障災(zāi)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(hào)光不經(jīng)過(guò)ROADM；另一種分支上下方式，信號(hào)光經(jīng)過(guò)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(wú)論是通往主干還是通往分支的信號(hào)光均經(jīng)過(guò)ROADM，光路的分解和耦合示意如圖8 所示。A 端同時(shí)有發(fā)送至B 端和C端的業(yè)務(wù)，調(diào)節(jié)BU 的光開(kāi)關(guān)，使A 端發(fā)出的信號(hào)光傳送至ROADM。信號(hào)光在ROADM 內(nèi)部被分為兩個(gè)光路，其中一路至B 端的信號(hào)光被WSS 過(guò)濾掉，只允許至C 端的信號(hào)光通過(guò)，并通過(guò)光開(kāi)關(guān)引導(dǎo)至C 端方向。另外一路至C端的信號(hào)光被WSS過(guò)濾掉，只允許至B端的信號(hào)光通過(guò)，并通過(guò)光開(kāi)關(guān)引導(dǎo)至B 端方向。

圖8 海底分支單元內(nèi)部光路設(shè)計(jì)

C 端同時(shí)有發(fā)送至B 端的業(yè)務(wù)，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(gè)光路。其中一路信號(hào)光被WSS 過(guò)濾掉，只剩下填充光。填充光與來(lái)自A 端的信號(hào)光耦合后，經(jīng)光開(kāi)關(guān)引導(dǎo)至C 端方向。另外一路填充光被WSS 過(guò)濾掉，只剩下信號(hào)光。信號(hào)光與來(lái)之A 端的信號(hào)光耦合后，經(jīng)光開(kāi)關(guān)引導(dǎo)至B 端方向。

由于水下設(shè)備維護(hù)非常困難，一般采用雙WSS 的設(shè)計(jì)方式來(lái)提高ROADM 的可靠性。圖9 為ROADM 其中一個(gè)WSS 發(fā)生故障的情景。調(diào)整ROADM 中的光開(kāi)關(guān)，使其中一路信號(hào)光從ROADM 直通至C 端方向，由C 端的終端傳輸設(shè)備對(duì)接收的信號(hào)光進(jìn)行篩選，只保留至本海纜登陸站的業(yè)務(wù)。另外一路信號(hào)光經(jīng)WSS 過(guò)濾后，與來(lái)自C 端的信號(hào)光耦合后，傳送至B 端方向。故障時(shí)BU 的光切換時(shí)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(zhǎng)度等發(fā)生變化，會(huì)導(dǎo)致光路的總衰耗發(fā)生變化，從而引起其它水下設(shè)備接收到的光功率發(fā)生變化。通過(guò)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(dāng)ROADM 中兩個(gè)WSS 同時(shí)發(fā)生故障時(shí)，無(wú)法再通過(guò)ROADM 進(jìn)行波長(zhǎng)級(jí)的調(diào)度。這時(shí)分支單元只能進(jìn)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?；蛘逜/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(shè)計(jì)

BU 的A、B、C 三個(gè)接線端通過(guò)海底光纜分別連接至三個(gè)不同海纜登陸站的遠(yuǎn)供電源設(shè)備，同時(shí)內(nèi)部配置一個(gè)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(gè)均可以傳導(dǎo)主干電流，而另外一個(gè)自動(dòng)配置傳導(dǎo)分支電流?？赏ㄟ^(guò)改變BU 的A、B、C 端的連接狀態(tài)來(lái)調(diào)整供電系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在海底光纜線路故障的情況下最大限度恢復(fù)通信業(yè)務(wù)。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(yuǎn)供電源設(shè)備上電順序的方式，發(fā)展為通過(guò)海纜登陸站發(fā)送命令來(lái)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(hào)接收器，切換控制器負(fù)責(zé)調(diào)整陣列電路的閉合/斷開(kāi)，實(shí)現(xiàn)電源供電狀態(tài)的調(diào)整。圖12 中為A-B（藍(lán)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(guò)加強(qiáng)內(nèi)部單元的絕緣設(shè)計(jì)及選取高可靠性的繼電器，BU 由原來(lái)幾百伏低壓發(fā)展到高壓熱切換，減少了電源切換過(guò)程中遠(yuǎn)供電源設(shè)備上下電操作及極性調(diào)整時(shí)間，提升業(yè)務(wù)的恢復(fù)速度。

為保護(hù)內(nèi)部用電單元，BU 內(nèi)部也需要設(shè)計(jì)合適的浪涌保護(hù)電路，其電路設(shè)計(jì)如圖13 所示。在系統(tǒng)正常工作時(shí)，浪涌保護(hù)單元處于開(kāi)路狀態(tài)；當(dāng)系統(tǒng)中產(chǎn)生浪涌電流時(shí)，浪涌保護(hù)單元形成通路狀態(tài)，疏導(dǎo)絕大部分浪涌電流。

圖13 浪涌保護(hù)單元電路設(shè)計(jì)

ROADM 的電路設(shè)計(jì)類似光中繼器，本文不展開(kāi)論述。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文從海底光纜水下設(shè)備的基本原理出發(fā)，詳細(xì)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(shè)計(jì)，對(duì)海底光纜系統(tǒng)的規(guī)劃、建設(shè)、運(yùn)維具有借鑒意義。

隨著海底光纜多芯對(duì)技術(shù)（HFC）的應(yīng)用，海底光中繼器的性能需進(jìn)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(guò)擴(kuò)展光纖的對(duì)數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)容量的倍增，是海底通信光纜行業(yè)公認(rèn)的發(fā)展方向。HFC 技術(shù)的應(yīng)用,需提升光中繼器的多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，包括高效泵浦驅(qū)動(dòng)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(duì)泵浦共享技術(shù)、超大浪涌防護(hù)技術(shù)等，還需進(jìn)一步研究。

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