光倒换设备智能选取主、备优质纤芯技术改进研究与实现

王 伟 宋 威 朱玉龙

（中国人民解放军31401部队，黑龙江 哈尔滨 150000）

1 研究的必要性和意义

光线路自动导换保护设备是一个集监测、保护和管理为一体的综合管理系统，该系统可以对光缆物理层进行自动监控保护，在系统主用光纤通道和备用光纤通道之间实现自动导换的功能，在一定程度上降低了光缆阻断对传输系统的影响，保证光传输系统可以正常运行。但传统的独立外置型光线路自动导换保护设备仅能对主、备光缆进行整体导换，在复杂地形和恶劣气候下出现主、备光缆各有1根纤芯发生故障的概率较高，此时，传统的独立外置型光线路自动导换保护设备就无法充分有效地利用现有紧张的纤芯资源对系统进行有效保护。

2 国内外研究概况、水平

国外主要采用传输通信设备自身的迂回电路通道进行业务保护，需要消耗主、备用整体纤芯资源作为工作通道和保护通道。迂回恢复通路的时间不确定。

国内主要基于主、备整体光缆倒换技术开展研究开发工作，研究方向更多集中在整体倒换保护基础上，尤其是对器件工艺技术进行改进和优化，以减少插入损耗，提升保护时间。

目前，对主、备用光缆的单芯选取重组倒换进行保护的研究基本处于空白状态。

3 智能选取主、备优质纤芯技术研究方案

3.1 整体设计原理

当前，独立外置式光线路自动倒换保护设备主要通过光开关对主、备光缆纤芯进行整体倒换，纤芯利用率较低。该项目通过研究光线路智能倒换保护系统光路选择优先权限模型机制，采用光功率检测模块对接收光功率进行检测判断，识别优质纤芯，由系统控制电路控制光开关进行线路纤芯倒换，重新构成收发纤芯回路，实现智能选取优质纤芯的目的。

当主用线路中1根纤芯质量劣化或发生阻断且备用线路也有1根纤芯产生质量劣化或发生阻断时，在接收端同时对主、备线路（纤芯）的接收光功率进行判定，就可以实时区分各质量优劣级别所对应的纤芯，再通过智能控制单元对单芯进行倒换保护。具体工作流程如图1所示。

假定主用的第一芯与备用的第二芯均出现质量劣化或阻断的问题，此时通过判别接收端的功率立即启动站点B端的光开关倒换，将主用第一芯的业务切至备用第一芯。同时，由于备用第二芯出现质量劣化或阻断的问题，因此A端的接收侧将不会有倒换动作，从而确保B→A的业务仍然可以在主用第二芯上正常运行，避免了传统倒换设备只能整体倒换的弊端，极大地降低了这种单芯劣化或阻断造成通信阻断的概率，从而提升系统的可通率和在用纤芯资源的使用率。

实现上述功能的设计方案原理如图2所示，主要由光信号同步分配单元、双路功率同步监测控制单元、功率损耗同步计算单元、反馈控制单元、光信号选路单元、电源单元以及通信单元等部分组成。

3.2 关键技术

图1 智能单芯倒换工作原理示意图

根据光纤通信理论可知，当单模光纤传导光信号时，光的能量并不完全在纤芯中传播，有少量能量在靠近纤芯的包层中传播。当2根光纤的纤芯的距离足够小时，在一根光纤中传输的光的模场就可以进入另外一根光纤，在2根光纤中重新分配光信号，基于这一理论，在系统的发射端设计一个类似的功能模块，在模块里将2根光纤束缚在一起，通过熔融拉伸的方法将2根光纤的中部融为一体。将具体融合的长度设为L，根据光波导理论，传导模是2个正交的基膜。当传导模进入熔锥区时，随着纤芯不断变细，归一化频率V值逐渐减小，越来越多的光功率渗入光纤包层中，因此，光功率是在以包层为芯、纤外介质为新包层的复合波导中传输的。在输出端，随着纤芯逐渐变粗，V值逐渐增大，光功率被2根光纤芯以特定的比例“捕获”。在熔锥区，2个光纤包层合并在一起，当纤芯足够接近时，就可以形成弱耦合。将一根光纤看做是另一光纤的扰动。在弱导近似下，假设光纤是无吸收的，如公式（1）所示。

图2 设计方案原理图

式中：Rc为光纤耦合比；C为耦合系数；L为耦合区长度；x为坐标轴。

因此，可以得到耦合比Rc与耦合区长度L的关系。因为正弦平方值为0～1，所以耦合比为0%～100%，耦合比随波长的变化而变化。根据实际线路系统的要求，该文将比例设置为50%。通过如图3所示的设计方式就可以实现在主、备线路上传递相同业务信号的目的。

图3 光信号同步分配单元制作电路

由于倒换部件存在固有的倒换动作，因此插损增益、无损伤线路倒换技术会在短时间的物理链路上产生一段空窗期，而目前的传输设备自身都设置有一定时间窗口的容错，如果这个空档期短于该容错窗口，那么对传输设备来说，视为业务不受影响。根据国家标准可知，该时间窗口指定为不超过50 ms。为了实现这一目的，形成单芯倒换的工作效果，需要考虑在系统的接收处进行主、备双路功率同步监测计算识别；同时，在接收处设计光路选择装置，配合功率监测识别的结果进行倒换（无损）。

对主、备双路功率的同步监测是通过在主、备接收处各设计1个光电探测电路来实现的。处理电路则是配置运算放大器，将光电二极管产生的光电流转化为电压、电流等电路参数，如图4所示。

由图4可知，通过设计运放，可以有效地将模拟量转换为数字量，实现ADC转换处理的目标。在具体电路设计方面，电阻、电容的对称设计在降低噪声的同时，还可以消除高频、低频的噪声，因此，在设计时须重点设置相应的阻容值，从而形成匹配网络。匹配π网络的调整从原理上来说，在具有电阻、电容的电路里，对交流电所起的阻碍作用称作阻抗，一个具体的电路的阻抗是可能随时变化的，因此需要在测试过程中逐步优化、调整，使其达到最佳状态。具体解决方案需要使用串联/并联电阻的形式，该项目主要采用Smith圆图的形式对参数进行选择、设计，定义一个反射系数Γ，如公式（2）所示。

图4 光电检测处理电路示意图

式中：Z为网络端口阻抗；Z为参考阻抗；z为归一化阻抗；θ为相角（-180°≤θ≤180°）；j为复指数。

阻抗与Γ平面上的点存在一一对应的关系。假设z=r+jx（r为电阻；x为坐标轴），则有公式（3）。

式中：（Γ，Γ）为Γ平面的直角坐标。

通过公式（2）、公式（3）可以将（Γ，Γ）其转换为直角平面上的2组圆（电阻圆与电抗圆）。将这2个圆重合在一起，即形成Smith阻抗圆图。根据上述点位的参数情况设计匹配网络，在实际使用过程中大多都是按照π网络进行设计、调整的，π网络架构如图5所示。

图5 π网络架构示意图

在具体计算时，可以考虑将L分解为L与L，相当于是分解为2个L型网络，R经L与C变换为中间电阻R，R经L与C变换为中间电阻R，当2个中间电阻相等时，说明阻抗匹配任务结束。

4 光信号选路单元

光路选择装置主要通过设计光开关来实现，光开关是一种具有1个或多个可选的传输端口的光学器件，其作用是对光传输线路或集成光路中的光信号进行物理倒换或逻辑操作。通过光纤或光学元件的移动来改变光路，目前主要是通过移动反射镜的方法来实现（原理如图6所示）。

图6 移动反射镜光路选择开关示意图

主要通过光开关技术与微机电技术（MEMS）来实现具体设计，从而解决无损伤光路切换的问题。其中，微机电系统（MEMS， Micro-Electro-Mechanic System）是一种先进的制造技术平台，它是以半导体制造技术为基础发展起来的。MEMS技术采用了半导体技术中的光刻、腐蚀以及薄膜等一系列的现有技术和材料。该器件的设计不受偏振和波长的影响；同时，因为所涉及的光器件较少，所以附加插入损耗低（小于l dB），串扰小于-60 dB，更重要的是其开关速度是毫秒量级，能够满足小于或等于50 ms无损倒换的要求。

5 结论

该项目研制完成并配置到通信台站后，能够更好地对光缆物理层进行自动监控保护，尤其对复杂地形条件和恶劣气候条件来说，能够有效地解决因主、备用光缆纤芯同时出现单断而引起的系统阻断问题，在传统的基础上提升现有主、备用光缆纤芯的利用率，减少了系统光缆因单芯衰耗大或阻断而导致系统误码和全阻断的概率，有效地解决了通信光缆纤芯资源紧张的矛盾，提升了现有纤芯资源的利用率。在该基础上可以推广到全国使用，应用前景广泛，实用效益明显。