技術新知：跨洋海底光纜技術及其發展

2019-11-04 22:48:14

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　　自從1985年世界上第一條海底光纜問世以來，海底光纜的建設在全世界的得到了蓬勃的發展。海底光纜以其大容量、高可靠性、優異的傳輸質量等優勢，在通信領域，尤其是國際通信中起到重要的作用。由于海底光纜系統是應用于非凡的物理環境中的光通信系統，與陸地光纜系統相比相應的系統設計更加復雜，面臨的技術難題更多。另外，由于海底光纜系統設計容量大、建設期長，其技術發展比同期陸地光纜系統相比一直保持領先。
　　
　　海底光纜系統結構
　　圖1所示為一個典型的跨洋海底光纜系統，從圖中可以看出海纜系統主要分為水下設備和岸上設備兩大部分。
　　　技術新知：跨洋海底光纜技術及其發展

　　圖1跨洋海底光纜系統示意圖
　　水下設備主要包括光纜（Cable）、光放大器（OpticalAmplifier）和水下分支單元（BranchingUnit）。海底光纜除與陸地光纜相同的光纖以及更為加強的鎧裝保護之外，還有一個重要的組成部分就是遠供電源導體，導體電阻小于1歐姆/公里，遠供導體將電流輸送到海底中繼器，海底中繼器分流并利用海水作為回流導體，完成電源遠供過程。海底分支單元實現海底光纜的分支和電源遠供的倒換。
　　
　　岸上設備主要包括線路終端設備（LineTerminalEquipment）、SDH設備、遠供電源設備（PowerFeed Equipment）、線路監測設備（Line Monitor Equipment）、網絡治理設備（Network Management Equipment）以及海洋接地裝置（Ocean Ground）等設備。線路終端設備負責再生段端到端通信信號的處理、發送和接收；SDH設備承載在線路終端設備之上，在環形網絡的情況下，形成環路自愈保護；遠供電源設備通過光纜遠供導體向海底中繼器饋電并通過海水和海洋接地裝置回流，遠供采用高電壓、小電流的方式，供電電流在1安培左右，供電電壓可高達幾千伏；線路監測設備自動監測海底光纜和中繼器的狀態，在光纜和中繼器故障的情況下，自動告警并故障定位。
　　
　　海底光纜技術的變遷
　　世界上第一條海底光纜于1985年在加那利群島（CanaryIslands）的兩個島嶼之間建成，第一條跨洋海底光纜TAT-8于1988年在大西洋建成，同年，跨太平洋的海纜系統也建成。系統的工作波長為1310nm，采用常規G.652光纖，系統傳輸速率為280Mbit/s，中繼距離約為70公里，終端設備為PDH設備。到1991年，光纖工作波長改用1550nm窗口，使用G.654損耗最小光纖，系統傳輸速率也上升至560Mbit/s。上述系統以采用電再生中繼器和PDH終端設備為特點，我們稱為第一代海底光纜系統；直至1994年，90年代中期出現第二代海底光纜系統，同步數字傳輸系統（SDH）引入海纜系統，摻鉺光纖放大器（EDFA）取代傳統的電再生中繼器；進入1997年，隨著密集波分復用技術（WDM）的出現及應用，基于密集波分復用技術的海底光纜系統應運而生，我們稱90年代末和21世紀初為第三代海底光纜系統。
　　
　　直至如今，海底光纜系統經過將近20年的發展，其技術發展歷程可以通過以下幾個方面具體體現。整個歷程反映海底光纜技術追逐大容量和長距離的發展過程。
　　
　　1．光纖
　　
　　上世紀80年代末，最早的海底光纜系統工作波長為1310nm，采用常規G.652光纖；90年代初，光纖工作波長轉移到1550nm窗口，使用G.654損耗最小光纖，從而使光纖的衰減大為降低，同時設備的接收靈敏度得到了很大提高，因此系統的中繼距離得到了很大的提高。海底光纜系統發展第一階段以追求光纖低衰耗為目的，從而延長再生距離；90年代中期，G.653色散位移光纖(DSF)被引入海底光纜系統。海底光纜發展第二階段，隨著傳輸速率的加大，從衰耗和色散兩個方面考慮系統采用的光纖；90年代后期以后，光纖的采用基于衰耗、色散和非線性三個方面。G.655非零色散位移、大有效截面光纖被引入，色度色散為-2~-3Ps/nm/km，再生段內每隔7個中繼段配置一段G.652光纖作為色散補償段，基于此類光纖配置，對應的典型傳輸容量和再生距離是64x10Gb/s和3000公里。隨著無電再生距離的延長，混合光纖配置開始出現，在一個中繼段內發射端采用大有效截面、非零色散位移光纖，接收端采用小色散斜率、正常有效面積光纖，兩種光纖距離配比1：1，前者在于降低非線性的影響，后者在于提供傳輸帶寬。兩種光纖的參數典型值如下：
　　
　　發端光纖：
　　
　　(1)有效截面: 標稱值 70μm2
　　
　　(2)衰耗: 標稱值 <0.215 dB/km @ 1550 nm
　　
　　(3)色度色散: 標稱值 -3.0 ps/km/nm @ 1550 nm
　　
　　(4)色度色散斜率: 標稱值0.12 ps/km/nm2 @ 1550 nm
　　
　　收端光纖：
　　
　　(1)有效截面: 標稱值 50μm2
　　
　　(2)衰耗: 標稱值 <0.215 dB/km @ 1550 nm
　　
　　(3)色度色散: 標稱值 -3.0 ps/km/nm @ 1550 nm
　　
　　(4)色度色散斜率: 標稱值0.07 ps/km/nm2 @ 1550 nm
　　
　　混合后中繼段等效光纖參數:
　　
　　(1)衰耗: 標稱值 <0.215 dB/km @ 1550 nm
　　
　　(2)色度色散: 標稱值 -3.0 ps/km/nm @ 1550 nm
　　
　　(3)色度色散斜率: 標稱值0.09 ps/km/nm2 @ 1550 nm
　　
　　混合光纖配置保證了基于10Gb/s64~80波DWDM系統傳輸容量和不小于6000公里的再生距離。
　　
　　2．中繼器
　　
　　90年代初之前,海底光纜系統采用電再生中繼器,隨著90年代中后期摻鉺光纖放大器（EDFA）的出現,海底光纜系統采用再生段光中繼。當前投入商用的海底光纜系統的中繼器的放大帶寬一般為C波段20-28nm；一般配置四個泵浦源分兩級放大，接收端采用兩個980nm泵浦以降低噪聲，發送端采用兩個1480nm泵浦以提高輸出功率，泵浦源1+1備份，極大提高中繼器可靠性。
　　
　　3．線路終端設備
　　
　　波分復用技術商用之前，第一代和第二代海底光纜系統的線路終端設備為PDH或SDH終端設備。90年代后期，波分復用引入海底光纜系統，光、電分層，線路終端設備為光層設備。
　　
　　1997年中美跨太平洋海底光纜開始施工，系統容量為8x2.5Gb/s，配合以G.655光纖，最長再生距離11000公里。線路終端設備采用RS(255,239)前向糾錯技術（線路速率10.7Gb/s,系統Q值改善5dB），自動預均衡技術、極化擾膜技術、色散治理技術、線路增益均衡技術；1998年日美海底光纜開始建設，系統容量16x10Gb/s,配合以混合光纖配置，最長再生距離8800公里,除采用中美光纜中的其他技術外，前向糾錯技術發展為RS(239,223)和 RS (255,239)的級聯糾錯技術（FEC）技術（線路速率11.4Gb/s,系統Q值改善7dB），線路采用RZ編碼；隨后，在亞美海底光纜工程中，又出現CONVOLUTION RS (255,239) FEC技術，線路速率12.4Gb/s, 改善系統Q值9dB。
　　
　　4．線路監控設備
　　
　　海底光纜網絡的線路監控系統主要有兩種方式：一是以NEC為代表的全光監測方式。用專門的波道負責監測光纜和中繼器的狀態，利用Coherent-OTDR的原理，通過比對監測波長后向散射光當前軌跡和初始狀態下的軌跡，判定線路狀態；二是以ALCATEL為代表的遙控/遙信監測方式。遙控數字信號以移頻鍵控方式調制到低頻（150Kb/s）載波信號上，此載波信號通過淺度調頂的方式調制到主信號上，通過發射光纖到達中繼器，中繼器濾波得到控制信號，然后采用相同方式將中繼器的收、發光功率、放大器偏置電流利用另一條光纖發回線路監控設備。
　　
　　5．遠供電源設備
　　
　　遠供電源設備是控制傳輸距離和每光纜系統數的另一個主要原因。早期海底光纜系統由于系統元件抗高壓特性不高和中繼器功耗高的原因，遠供電壓要控制在5000伏以下，光纖線對數不高于4對。隨著技術的發展，90年代末投入商用的系統遠供電壓可高達萬伏，支持纖對數達到8對。
　　
　　6．SDH設備
　　
　　早期海底光纜系統都是點對點系統。隨著傳輸容量的增大，海底光纜系統多采用環形結構，SDH層面采用網絡保護倒換設備，支持4纖復用段共享保護環，環路倒換支持G.841附錄A要求的越洋應用協議，當環路發生故障時，倒換發生在業務電路的源、宿點，而不是發生在故障點的兩個相鄰節點，從而避免倒換后，業務電路多次越洋，造成傳輸時延增大。
　　
　　海底光纜技術的發展趨勢
　　1．高系統帶寬
　　
　　采用C波段和L波段并行EDFA中繼器的6850公里無電再生試驗已經實現66nm帶寬的傳輸；
　　
　　采用拉曼放大中繼器的試驗也證實了37.5GHz波長間隔、240x12.0 Gbit/s、7400公里無電中繼傳輸技術，帶寬范圍在1536.4nm到1610.4nm之間共74nm。拉曼放大器結構比采用C波段和L波段EDFA的中繼器結構要簡單，放大器采用4種泵浦源，其波長范圍在1430 nm 到1502 nm之間，這種拉曼放大器的優點是輕易控制增益波形，并減少增益均衡帶來的損耗；
　　
　　最近報道，中繼器采用C波段EDFA和L波段拉曼兩種放大器，實現38GHz波長間隔、256x12.3Gbit/s、11000公里的無電中繼傳輸，整個帶寬從1527 nm 到 1606.6 nm共80nm。
　　
　　2．高頻帶效率
　　
　　盡管試驗證實了60-80nm帶寬越洋傳輸的可能性，但是超寬的傳輸頻帶需要精確的色散治理和增益均衡，在商用過程中將面臨一些困難。所以提高頻帶效率是追求每光纖總容量的另一課題。
　　
　　權衡波道線路速率和FEC增益是增加頻帶效率的一個要害因素。42GHz波道間隔、120x22 Gbit/s RZ 信號經過6200 km無電中繼傳輸的實驗實現了頻帶效率48%。
　　
　　選擇不同的調制方式也是改進頻帶效率的另一個重要因素。據報道，19GHz波道間隔、200x11.4Gbit/s的傳輸終端，實現9200公里無電再生傳輸，本實驗利用LiNbO3調制器產生的vestigial-sideband RZ (VSB-RZ) 信號改進頻譜效率，達到53%。實際上，可以利用光濾波產生這樣一個帶寬受限的信號。相應的實驗是，利用光濾波產生的VSB-RZ信號實現50 GHz波道間隔、100 x 20 Gbit/s，傳

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