技术新知：跨洋海底光缆技术及其发展

2019-11-04 22:48:14

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供稿：网友

　　自从1985年世界上第一条海底光缆问世以来，海底光缆的建设在全世界的得到了蓬勃的发展。海底光缆以其大容量、高可靠性、优异的传输质量等优势，在通信领域，尤其是国际通信中起到重要的作用。由于海底光缆系统是应用于非凡的物理环境中的光通信系统，与陆地光缆系统相比相应的系统设计更加复杂，面临的技术难题更多。另外，由于海底光缆系统设计容量大、建设期长，其技术发展比同期陆地光缆系统相比一直保持领先。
　　
　　海底光缆系统结构
　　图1所示为一个典型的跨洋海底光缆系统，从图中可以看出海缆系统主要分为水下设备和岸上设备两大部分。
　　　技术新知：跨洋海底光缆技术及其发展

　　图1跨洋海底光缆系统示意图
　　水下设备主要包括光缆（Cable）、光放大器（OpticalAmplifier）和水下分支单元（BranchingUnit）。海底光缆除与陆地光缆相同的光纤以及更为加强的铠装保护之外，还有一个重要的组成部分就是远供电源导体，导体电阻小于1欧姆/公里，远供导体将电流输送到海底中继器，海底中继器分流并利用海水作为回流导体，完成电源远供过程。海底分支单元实现海底光缆的分支和电源远供的倒换。
　　
　　岸上设备主要包括线路终端设备（LineTerminalEquipment）、SDH设备、远供电源设备（PowerFeed Equipment）、线路监测设备（Line Monitor Equipment）、网络治理设备（Network Management Equipment）以及海洋接地装置（Ocean Ground）等设备。线路终端设备负责再生段端到端通信信号的处理、发送和接收；SDH设备承载在线路终端设备之上，在环形网络的情况下，形成环路自愈保护；远供电源设备通过光缆远供导体向海底中继器馈电并通过海水和海洋接地装置回流，远供采用高电压、小电流的方式，供电电流在1安培左右，供电电压可高达几千伏；线路监测设备自动监测海底光缆和中继器的状态，在光缆和中继器故障的情况下，自动告警并故障定位。
　　
　　海底光缆技术的变迁
　　世界上第一条海底光缆于1985年在加那利群岛（CanaryIslands）的两个岛屿之间建成，第一条跨洋海底光缆TAT-8于1988年在大西洋建成，同年，跨太平洋的海缆系统也建成。系统的工作波长为1310nm，采用常规G.652光纤，系统传输速率为280Mbit/s，中继距离约为70公里，终端设备为PDH设备。到1991年，光纤工作波长改用1550nm窗口，使用G.654损耗最小光纤，系统传输速率也上升至560Mbit/s。上述系统以采用电再生中继器和PDH终端设备为特点，我们称为第一代海底光缆系统；直至1994年，90年代中期出现第二代海底光缆系统，同步数字传输系统（SDH）引入海缆系统，掺铒光纤放大器（EDFA）取代传统的电再生中继器；进入1997年，随着密集波分复用技术（WDM）的出现及应用，基于密集波分复用技术的海底光缆系统应运而生，我们称90年代末和21世纪初为第三代海底光缆系统。
　　
　　直至如今，海底光缆系统经过将近20年的发展，其技术发展历程可以通过以下几个方面具体体现。整个历程反映海底光缆技术追逐大容量和长距离的发展过程。
　　
　　1．光纤
　　
　　上世纪80年代末，最早的海底光缆系统工作波长为1310nm，采用常规G.652光纤；90年代初，光纤工作波长转移到1550nm窗口，使用G.654损耗最小光纤，从而使光纤的衰减大为降低，同时设备的接收灵敏度得到了很大提高，因此系统的中继距离得到了很大的提高。海底光缆系统发展第一阶段以追求光纤低衰耗为目的，从而延长再生距离；90年代中期，G.653色散位移光纤(DSF)被引入海底光缆系统。海底光缆发展第二阶段，随着传输速率的加大，从衰耗和色散两个方面考虑系统采用的光纤；90年代后期以后，光纤的采用基于衰耗、色散和非线性三个方面。G.655非零色散位移、大有效截面光纤被引入，色度色散为-2~-3Ps/nm/km，再生段内每隔7个中继段配置一段G.652光纤作为色散补偿段，基于此类光纤配置，对应的典型传输容量和再生距离是64x10Gb/s和3000公里。随着无电再生距离的延长，混合光纤配置开始出现，在一个中继段内发射端采用大有效截面、非零色散位移光纤，接收端采用小色散斜率、正常有效面积光纤，两种光纤距离配比1：1，前者在于降低非线性的影响，后者在于提供传输带宽。两种光纤的参数典型值如下：
　　
　　发端光纤：
　　
　　(1)有效截面: 标称值 70μm2
　　
　　(2)衰耗: 标称值 <0.215 dB/km @ 1550 nm
　　
　　(3)色度色散: 标称值 -3.0 ps/km/nm @ 1550 nm
　　
　　(4)色度色散斜率: 标称值0.12 ps/km/nm2 @ 1550 nm
　　
　　收端光纤：
　　
　　(1)有效截面: 标称值 50μm2
　　
　　(2)衰耗: 标称值 <0.215 dB/km @ 1550 nm
　　
　　(3)色度色散: 标称值 -3.0 ps/km/nm @ 1550 nm
　　
　　(4)色度色散斜率: 标称值0.07 ps/km/nm2 @ 1550 nm
　　
　　混合后中继段等效光纤参数:
　　
　　(1)衰耗: 标称值 <0.215 dB/km @ 1550 nm
　　
　　(2)色度色散: 标称值 -3.0 ps/km/nm @ 1550 nm
　　
　　(3)色度色散斜率: 标称值0.09 ps/km/nm2 @ 1550 nm
　　
　　混合光纤配置保证了基于10Gb/s64~80波DWDM系统传输容量和不小于6000公里的再生距离。
　　
　　2．中继器
　　
　　90年代初之前,海底光缆系统采用电再生中继器,随着90年代中后期掺铒光纤放大器（EDFA）的出现,海底光缆系统采用再生段光中继。当前投入商用的海底光缆系统的中继器的放大带宽一般为C波段20-28nm；一般配置四个泵浦源分两级放大，接收端采用两个980nm泵浦以降低噪声，发送端采用两个1480nm泵浦以提高输出功率，泵浦源1+1备份，极大提高中继器可靠性。
　　
　　3．线路终端设备
　　
　　波分复用技术商用之前，第一代和第二代海底光缆系统的线路终端设备为PDH或SDH终端设备。90年代后期，波分复用引入海底光缆系统，光、电分层，线路终端设备为光层设备。
　　
　　1997年中美跨太平洋海底光缆开始施工，系统容量为8x2.5Gb/s，配合以G.655光纤，最长再生距离11000公里。线路终端设备采用RS(255,239)前向纠错技术（线路速率10.7Gb/s,系统Q值改善5dB），自动预均衡技术、极化扰膜技术、色散治理技术、线路增益均衡技术；1998年日美海底光缆开始建设，系统容量16x10Gb/s,配合以混合光纤配置，最长再生距离8800公里,除采用中美光缆中的其他技术外，前向纠错技术发展为RS(239,223)和 RS (255,239)的级联纠错技术（FEC）技术（线路速率11.4Gb/s,系统Q值改善7dB），线路采用RZ编码；随后，在亚美海底光缆工程中，又出现CONVOLUTION RS (255,239) FEC技术，线路速率12.4Gb/s, 改善系统Q值9dB。
　　
　　4．线路监控设备
　　
　　海底光缆网络的线路监控系统主要有两种方式：一是以NEC为代表的全光监测方式。用专门的波道负责监测光缆和中继器的状态，利用Coherent-OTDR的原理，通过比对监测波长后向散射光当前轨迹和初始状态下的轨迹，判定线路状态；二是以ALCATEL为代表的遥控/遥信监测方式。遥控数字信号以移频键控方式调制到低频（150Kb/s）载波信号上，此载波信号通过浅度调顶的方式调制到主信号上，通过发射光纤到达中继器，中继器滤波得到控制信号，然后采用相同方式将中继器的收、发光功率、放大器偏置电流利用另一条光纤发回线路监控设备。
　　
　　5．远供电源设备
　　
　　远供电源设备是控制传输距离和每光缆系统数的另一个主要原因。早期海底光缆系统由于系统元件抗高压特性不高和中继器功耗高的原因，远供电压要控制在5000伏以下，光纤线对数不高于4对。随着技术的发展，90年代末投入商用的系统远供电压可高达万伏，支持纤对数达到8对。
　　
　　6．SDH设备
　　
　　早期海底光缆系统都是点对点系统。随着传输容量的增大，海底光缆系统多采用环形结构，SDH层面采用网络保护倒换设备，支持4纤复用段共享保护环，环路倒换支持G.841附录A要求的越洋应用协议，当环路发生故障时，倒换发生在业务电路的源、宿点，而不是发生在故障点的两个相邻节点，从而避免倒换后，业务电路多次越洋，造成传输时延增大。
　　
　　海底光缆技术的发展趋势
　　1．高系统带宽
　　
　　采用C波段和L波段并行EDFA中继器的6850公里无电再生试验已经实现66nm带宽的传输；
　　
　　采用拉曼放大中继器的试验也证实了37.5GHz波长间隔、240x12.0 Gbit/s、7400公里无电中继传输技术，带宽范围在1536.4nm到1610.4nm之间共74nm。拉曼放大器结构比采用C波段和L波段EDFA的中继器结构要简单，放大器采用4种泵浦源，其波长范围在1430 nm 到1502 nm之间，这种拉曼放大器的优点是轻易控制增益波形，并减少增益均衡带来的损耗；
　　
　　最近报道，中继器采用C波段EDFA和L波段拉曼两种放大器，实现38GHz波长间隔、256x12.3Gbit/s、11000公里的无电中继传输，整个带宽从1527 nm 到 1606.6 nm共80nm。
　　
　　2．高频带效率
　　
　　尽管试验证实了60-80nm带宽越洋传输的可能性，但是超宽的传输频带需要精确的色散治理和增益均衡，在商用过程中将面临一些困难。所以提高频带效率是追求每光纤总容量的另一课题。
　　
　　权衡波道线路速率和FEC增益是增加频带效率的一个要害因素。42GHz波道间隔、120x22 Gbit/s RZ 信号经过6200 km无电中继传输的实验实现了频带效率48%。
　　
　　选择不同的调制方式也是改进频带效率的另一个重要因素。据报道，19GHz波道间隔、200x11.4Gbit/s的传输终端，实现9200公里无电再生传输，本实验利用LiNbO3调制器产生的vestigial-sideband RZ (VSB-RZ) 信号改进频谱效率，达到53%。实际上，可以利用光滤波产生这样一个带宽受限的信号。相应的实验是，利用光滤波产生的VSB-RZ信号实现50 GHz波道间隔、100 x 20 Gbit/s，传

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