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中京郵電通信設(shè)計(jì)院第一設(shè)計(jì)所總工程師 高軍詩(shī)
自從1985年世界上第一條海底光纜問(wèn)世以來(lái)，海底光纜的建設(shè)在全世界的得到了蓬勃的發(fā)展。海底光纜以其大容量、高可靠性、優(yōu)異的傳輸質(zhì)量等優(yōu)勢(shì)，在通信領(lǐng)域，尤其是國(guó)際通信中起到重要的作用。由于海底光纜系統(tǒng)是應(yīng)用于特殊的物理環(huán)境中的光通信系統(tǒng)，與陸地光纜系統(tǒng)相比相應(yīng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)更加復(fù)雜，面臨的技術(shù)難題更多。另外，由于海底光纜系統(tǒng)設(shè)計(jì)容量大、建設(shè)期長(zhǎng)，其技術(shù)發(fā)展比同期陸地光纜系統(tǒng)相比一直保持領(lǐng)先。
海底光纜系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
圖1所示為一個(gè)典型的跨洋海底光纜系統(tǒng)，從圖中可以看出海纜系統(tǒng)主要分為水下設(shè)備和岸上設(shè)備兩大部分。
圖1跨洋海底光纜系統(tǒng)示意圖
水下設(shè)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(qiáng)的鎧裝保護(hù)之外，還有一個(gè)重要的組成部分就是遠(yuǎn)供電源導(dǎo)體，導(dǎo)體電阻小于1歐姆/公里，遠(yuǎn)供導(dǎo)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(dǎo)體，完成電源遠(yuǎn)供過(guò)程。海底分支單元實(shí)現(xiàn)海底光纜的分支和電源遠(yuǎn)供的倒換。
岸上設(shè)備主要包括線路終端設(shè)備（LineTerminalEquipment）、SDH設(shè)備、遠(yuǎn)供電源設(shè)備（PowerFeed Equipment）、線路監(jiān)測(cè)設(shè)備（Line Monitor Equipment）、網(wǎng)絡(luò)管理設(shè)備（Network Management Equipment）以及海洋接地裝置（Ocean Ground）等設(shè)備。線路終端設(shè)備負(fù)責(zé)再生段端到端通信信號(hào)的處理、發(fā)送和接收；SDH設(shè)備承載在線路終端設(shè)備之上，在環(huán)形網(wǎng)絡(luò)的情況下，形成環(huán)路自愈保護(hù)；遠(yuǎn)供電源設(shè)備通過(guò)光纜遠(yuǎn)供導(dǎo)體向海底中繼器饋電并通過(guò)海水和海洋接地裝置回流，遠(yuǎn)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(dá)幾千伏；線路監(jiān)測(cè)設(shè)備自動(dòng)監(jiān)測(cè)海底光纜和中繼器的狀態(tài)，在光纜和中繼器故障的情況下，自動(dòng)告警并故障定位。
海底光纜技術(shù)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(gè)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(tǒng)也建成。系統(tǒng)的工作波長(zhǎng)為1310nm，采用常規(guī)G.652光纖，系統(tǒng)傳輸速率為280Mbit/s，中繼距離約為70公里，終端設(shè)備為PDH設(shè)備。到1991年，光纖工作波長(zhǎng)改用1550nm窗口，使用G.654損耗最小光纖，系統(tǒng)傳輸速率也上升至560Mbit/s。上述系統(tǒng)以采用電再生中繼器和PDH終端設(shè)備為特點(diǎn)，我們稱為第一代海底光纜系統(tǒng)；直至1994年，90年代中期出現(xiàn)第二代海底光纜系統(tǒng)，同步數(shù)字傳輸系統(tǒng)（SDH）引入海纜系統(tǒng)，摻鉺光纖放大器（EDFA）取代傳統(tǒng)的電再生中繼器；進(jìn)入1997年，隨著密集波分復(fù)用技術(shù)（WDM）的出現(xiàn)及應(yīng)用，基于密集波分復(fù)用技術(shù)的海底光纜系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，我們稱90年代末和21世紀(jì)初為第三代海底光纜系統(tǒng)。
直至如今，海底光纜系統(tǒng)經(jīng)過(guò)將近20年的發(fā)展，其技術(shù)發(fā)展歷程可以通過(guò)以下幾個(gè)方面具體體現(xiàn)。整個(gè)歷程反映海底光纜技術(shù)追逐大容量和長(zhǎng)距離的發(fā)展過(guò)程。
1．光纖
上世紀(jì)80年代末，最早的海底光纜系統(tǒng)工作波長(zhǎng)為1310nm，采用常規(guī)G.652光纖；90年代初，光纖工作波長(zhǎng)轉(zhuǎn)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(shí)設(shè)備的接收靈敏度得到了很大提高，因此系統(tǒng)的中繼距離得到了很大的提高。海底光纜系統(tǒng)發(fā)展第一階段以追求光纖低衰耗為目的，從而延長(zhǎng)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(tǒng)。海底光纜發(fā)展第二階段，隨著傳輸速率的加大，從衰耗和色散兩個(gè)方面考慮系統(tǒng)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(gè)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(nèi)每隔7個(gè)中繼段配置一段G.652光纖作為色散補(bǔ)償段，基于此類光纖配置，對(duì)應(yīng)的典型傳輸容量和再生距離是64x10Gb/s和3000公里。隨著無(wú)電再生距離的延長(zhǎng)，混合光纖配置開(kāi)始出現(xiàn)，在一個(gè)中繼段內(nèi)發(fā)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(shù)典型值如下：
發(fā)端光纖：
(1)有效截面: 標(biāo)稱值 70μm2
(2)衰耗: 標(biāo)稱值 <0.215 dB/km @ 1550 nm
(3)色度色散: 標(biāo)稱值 -3.0 ps/km/nm @ 1550 nm
(4)色度色散斜率: 標(biāo)稱值0.12 ps/km/nm2 @ 1550 nm
收端光纖：
(1)有效截面: 標(biāo)稱值 50μm2
(2)衰耗: 標(biāo)稱值 <0.215 dB/km @ 1550 nm
(3)色度色散: 標(biāo)稱值 -3.0 ps/km/nm @ 1550 nm
(4)色度色散斜率: 標(biāo)稱值0.07 ps/km/nm2 @ 1550 nm
混合后中繼段等效光纖參數(shù):
(1)衰耗: 標(biāo)稱值 <0.215 dB/km @ 1550 nm
(2)色度色散: 標(biāo)稱值 -3.0 ps/km/nm @ 1550 nm
(3)色度色散斜率: 標(biāo)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(tǒng)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(tǒng)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(xiàn),海底光纜系統(tǒng)采用再生段光中繼。當(dāng)前投入商用的海底光纜系統(tǒng)的中繼器的放大帶寬一般為C波段20-28nm；一般配置四個(gè)泵浦源分兩級(jí)放大，接收端采用兩個(gè)980nm泵浦以降低噪聲，發(fā)送端采用兩個(gè)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(shè)備
波分復(fù)用技術(shù)商用之前，第一代和第二代海底光纜系統(tǒng)的線路終端設(shè)備為PDH或SDH終端設(shè)備。90年代后期，波分復(fù)用引入海底光纜系統(tǒng)，光、電分層，線路終端設(shè)備為光層設(shè)備。
1997年中美跨太平洋海底光纜開(kāi)始施工，系統(tǒng)容量為8x2.5Gb/s，配合以G.655光纖，最長(zhǎng)再生距離11000公里。線路終端設(shè)備采用RS(255,239)前向糾錯(cuò)技術(shù)（線路速率10.7Gb/s,系統(tǒng)Q值改善5dB），自動(dòng)預(yù)均衡技術(shù)、極化擾膜技術(shù)、色散管理技術(shù)、線路增益均衡技術(shù)；1998年日美海底光纜開(kāi)始建設(shè)，系統(tǒng)容量16x10Gb/s,配合以混合光纖配置，最長(zhǎng)再生距離8800公里,除采用中美光纜中的其他技術(shù)外，前向糾錯(cuò)技術(shù)發(fā)展為RS(239,223)和 RS (255,239)的級(jí)聯(lián)糾錯(cuò)技術(shù)（FEC）技術(shù)（線路速率11.4Gb/s,系統(tǒng)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(xiàn)CONVOLUTION RS (255,239) FEC技術(shù)，線路速率12.4Gb/s, 改善系統(tǒng)Q值9dB。
4．線路監(jiān)控設(shè)備
海底光纜網(wǎng)絡(luò)的線路監(jiān)控系統(tǒng)主要有兩種方式：一是以NEC為代表的全光監(jiān)測(cè)方式。用專門的波道負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)光纜和中繼器的狀態(tài)，利用Coherent-OTDR的原理，通過(guò)比對(duì)監(jiān)測(cè)波長(zhǎng)后向散射光當(dāng)前軌跡和初始狀態(tài)下的軌跡，判斷線路狀態(tài)；二是以ALCATEL為代表的遙控/遙信監(jiān)測(cè)方式。遙控?cái)?shù)字信號(hào)以移頻鍵控方式調(diào)制到低頻（150Kb/s）載波信號(hào)上，此載波信號(hào)通過(guò)淺度調(diào)頂?shù)姆绞秸{(diào)制到主信號(hào)上，通過(guò)發(fā)射光纖到達(dá)中繼器，中繼器濾波得到控制信號(hào)，然后采用相同方式將中繼器的收、發(fā)光功率、放大器偏置電流利用另一條光纖發(fā)回線路監(jiān)控設(shè)備。
5．遠(yuǎn)供電源設(shè)備
遠(yuǎn)供電源設(shè)備是控制傳輸距離和每光纜系統(tǒng)數(shù)的另一個(gè)主要原因。早期海底光纜系統(tǒng)由于系統(tǒng)元件抗高壓特性不高和中繼器功耗高的原因，遠(yuǎn)供電壓要控制在5000伏以下，光纖線對(duì)數(shù)不高于4對(duì)。隨著技術(shù)的發(fā)展，90年代末投入商用的系統(tǒng)遠(yuǎn)供電壓可高達(dá)萬(wàn)伏，支持纖對(duì)數(shù)達(dá)到8對(duì)。
6．SDH設(shè)備
早期海底光纜系統(tǒng)都是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)系統(tǒng)。隨著傳輸容量的增大，海底光纜系統(tǒng)多采用環(huán)形結(jié)構(gòu)，SDH層面采用網(wǎng)絡(luò)保護(hù)倒換設(shè)備，支持4纖復(fù)用段共享保護(hù)環(huán)，環(huán)路倒換支持G.841附錄A要求的越洋應(yīng)用協(xié)議，當(dāng)環(huán)路發(fā)生故障時(shí)，倒換發(fā)生在業(yè)務(wù)電路的源、宿點(diǎn)，而不是發(fā)生在故障點(diǎn)的兩個(gè)相鄰節(jié)點(diǎn)，從而避免倒換后，業(yè)務(wù)電路多次越洋，造成傳輸時(shí)延增大。
海底光纜技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)
1．高系統(tǒng)帶寬
采用C波段和L波段并行EDFA中繼器的6850公里無(wú)電再生試驗(yàn)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)66nm帶寬的傳輸；
采用拉曼放大中繼器的試驗(yàn)也證實(shí)了37.5GHz波長(zhǎng)間隔、240x12.0 Gbit/s、7400公里無(wú)電中繼傳輸技術(shù)，帶寬范圍在1536.4nm到1610.4nm之間共74nm。拉曼放大器結(jié)構(gòu)比采用C波段和L波段EDFA的中繼器結(jié)構(gòu)要簡(jiǎn)單，放大器采用4種泵浦源，其波長(zhǎng)范圍在1430 nm 到1502 nm之間，這種拉曼放大器的優(yōu)點(diǎn)是容易控制增益波形，并減少增益均衡帶來(lái)的損耗；
最近報(bào)道，中繼器采用C波段EDFA和L波段拉曼兩種放大器，實(shí)現(xiàn)38GHz波長(zhǎng)間隔、256x12.3Gbit/s、11000公里的無(wú)電中繼傳輸，整個(gè)帶寬從1527 nm 到 1606.6 nm共80nm。
2．高頻帶效率
盡管試驗(yàn)證明了60-80nm帶寬越洋傳輸?shù)目赡苄裕浅瑢挼膫鬏旑l帶需要精確的色散管理和增益均衡，在商用過(guò)程中將面臨一些困難。所以提高頻帶效率是追求每光纖總?cè)萘康牧硪徽n題。
權(quán)衡波道線路速率和FEC增益是增加頻帶效率的一個(gè)關(guān)鍵因素。42GHz波道間隔、120x22 Gbit/s RZ 信號(hào)經(jīng)過(guò)6200 km無(wú)電中繼傳輸?shù)膶?shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了頻帶效率48%。
選擇不同的調(diào)制方式也是改進(jìn)頻帶效率的另一個(gè)重要因素。據(jù)報(bào)道，19GHz波道間隔、200x11.4Gbit/s的傳輸終端，實(shí)現(xiàn)9200公里無(wú)電再生傳輸，本實(shí)驗(yàn)利用LiNbO3調(diào)制器產(chǎn)生的vestigial-sideband RZ (VSB-RZ) 信號(hào)改進(jìn)頻譜效率，達(dá)到53%。 實(shí)際上，可以利用光濾波產(chǎn)生這樣一個(gè)帶寬受限的信號(hào)。相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)是，利用光濾波產(chǎn)生的VSB-RZ信號(hào)實(shí)現(xiàn)50 GHz波道間隔、100 x 20 Gbit/s，傳輸距離4000公里， 頻帶效率達(dá)到57%。最近采用光濾波的CS-RZ信號(hào)也使75 x 42.7 Gbit/s的容量到達(dá)4500公里對(duì)端，頻譜效率達(dá)到60%。事實(shí)上，因?yàn)楹?jiǎn)單、無(wú)源的特點(diǎn)，通過(guò)光濾波器限制帶寬的方式是比較有用的。但是光濾波器可能造成波形畸變，可以通過(guò)全光波形再生器來(lái)降低這種影響�；谶@種技術(shù)的55 x 42.7 Gbit/s、2500公里的實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)頻譜效率80%。
3．基于20and40Gbit/s的WDM 技術(shù)
海底光纜系統(tǒng)一直在追求高的傳輸速率，從而降低系統(tǒng)造價(jià)、設(shè)備功耗以及降低網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)的負(fù)荷。但是提高線路速率會(huì)降低系統(tǒng)承受光纖色度色散和非線性效應(yīng)的能力。為了解決這個(gè)問(wèn)題，新的光纖和新型的光纖配置方案在實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中出現(xiàn)。
在光放段的發(fā)射端2/3段落配置超大有效面積單膜光纖（EE-SMF），而收端1/3的段落配置色散斜率補(bǔ)償光纖（SCDCF）配置如圖2所示。
圖2光放段混合光纖配置
其中EE-SMF光纖：
(1)有效截面：標(biāo)稱值100μm2
(2)衰耗：標(biāo)稱值 <0.18 dB/km @ 1550 nm
(3)色度色散：標(biāo)稱值 +20 ps/km/nm @ 1550 nm
(4)色度色散斜率：標(biāo)稱值+0.06ps/km/nm2 @ 1550 nm
SCDCF光纖：
(1)有效截面：標(biāo)稱值20μm2
(2)衰耗：標(biāo)稱值 <0.29 dB/km @ 1550 nm
(3)色度色散：標(biāo)稱值 -46 ps/km/nm @ 1550 nm
(4)色度色散斜率：標(biāo)稱值-0.06ps/km/nm2 @ 1550 nm
2：1混合后光放段等效光纖參數(shù)：
(1)衰耗：標(biāo)稱值 <0.23 dB/km @ 1550 nm
(2)色度色散：標(biāo)稱值 -2.0 ps/km/nm @ 1550 nm
(3)色度色散斜率：標(biāo)稱值0.01ps/km/nm2 @ 1550 nm
EE-SMF光纖最大限度地降低系統(tǒng)非線性的影響，而SCDCF光纖通過(guò)色散斜率的補(bǔ)償使色散在整個(gè)傳輸帶寬范圍內(nèi)平坦。通過(guò)這種光纖配置可以有效降低整個(gè)帶寬內(nèi)的累積色散，并降低邊緣波長(zhǎng)的傳輸性能劣化。光纖的PMD也保持在很低的范圍內(nèi)，典型值小于0.1ps/km1/2。從而保證系統(tǒng)跨洋傳輸性能。
另外，為實(shí)現(xiàn)下一代海纜系統(tǒng)，新的調(diào)制、接收技術(shù)以及前向糾錯(cuò)技術(shù)也正在研究之中。在新一代傳輸系統(tǒng)中，系統(tǒng)PMD將是限制系統(tǒng)傳輸距離的一個(gè)重要因素，除選擇PMD極低的光纖外，選擇PMD較低的中繼器元件也變得十分重要，拉曼放大器在這方面將優(yōu)于EDFA放大器。
跨洋海底光纜傳輸網(wǎng)絡(luò)在經(jīng)過(guò)上世紀(jì)末的高速發(fā)展后，近幾年十分蕭條，但隨著現(xiàn)有容量的消耗，新的海底光纜網(wǎng)絡(luò)建設(shè)契機(jī)幾經(jīng)出現(xiàn)。相信在不遠(yuǎn)的將來(lái)基于40Gbit/s的系統(tǒng)，在低非線性效應(yīng)、色散斜率補(bǔ)償、低PMD光纖技術(shù)和先進(jìn)的調(diào)制、接收、前向糾錯(cuò)、編碼技術(shù)支撐下，將投入商用。
----《通信世界》 |
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