海底通信光缆水下设备原理及设计研究＊

［刘兴华］

1 引言

海底通信光缆承载着全球90%以上的国际通信流量，是全球最重要的通信基础设施之一。我国海底通信光缆产业现状与“网络强国”地位并不相称，目前我国建成了全球最大规模的信息通信网络，光缆覆盖到了绝大部分行政村，但在我国（含港澳台）登陆的所有国际海底光缆工程，却全部由欧美日等国企业承建。我国虽在全球海底光缆产业中起步较晚，但在十多年时间里取得了长足的进步，我国企业已走向国际市场，并初步具备了越洋工程的建设能力和经验。

本文详细分析了海底通信光缆系统中海底光中继器、海底分支单元等水下设备的原理及设计，可为从事海底光缆规划、建设、运维等的工作人员提供有益参考。同时也希望能让更多人了解海底光缆，并参与到国际海底光缆建设中来。

2 海底光中继器

海底光缆长度可达上万公里，在长距离传输后信号光功率会衰减，需要配置海底光中继器对信号进行放大，如一条长8 000 公里的国际海底光缆系统，约需要配置100个光中继器。海底光中继器主流采用掺铒光纤放大技术，内部结构如图1 所示。其主要部件包括掺铒光纤、高功率泵浦源、波分复用器、光隔离器等。泵浦激光器向掺铒光纤提供泵浦光，掺铒光纤吸收泵浦光的能量后，其电子会从基态跃迁到能阶较高的亚稳态。当有信号光通过掺铒光纤时，亚稳态电子会发生受激辐射效应，放射出大量与信号光相同波长的光子，从而实现信号的放大。

图1 海底光中继器内部结构图

海底光缆系统的设计寿命一般在25 年左右，由于海底环境恶劣，光中继器主体外壳一般采用铜/钛合金等材料制造，具有密封性好、耐腐蚀、耐磨损、耐高压（最大承受压强82.5 MPa，最大可承受水深在8 000 m）等特点，以保护内部器件稳定工作。下文将分析光中继器光路及电路的原理及设计方法。

2.1 光路原理及设计

光中继器中掺铒离子的能级如图2 所示，E1是基态，E2是中间能级（亚稳态），E3是激发态。若泵浦光（如980 nm 泵浦光）的光子能量等于E1 与E3 之差，铒离子吸收泵浦光后，会从E1基态升至E3激发态。但是激活态不稳定，激发到E3的铒离子会很快返回到E2的亚稳态。若信号光（如1 550 nm 信号光）的光子能量等于E2和E1之差，则当处于E2亚稳态的铒离子返回E1基态时将产生信号光子，结果使信号光得到放大。

图2 掺铒光纤放大器原理图

放置在深海的光中继器维护非常困难，为提升光中继器的可靠性，光中继器的泵浦源通常采用共享设计。图3是一种4x4 光泵浦激光器的典型设计，每根光纤由多个泵浦激光器提供泵浦光，每个泵浦激光器也同时给多根光纤提供泵浦光。当其中一个甚至两个泵浦激光器出现故障时，通过调节其余激光器的发光功率，使每根光纤仍能获得足够的泵浦光功率。

图3 海底光中继器泵浦光路设计

由于掺铒光纤放大器的增益频谱不是平坦的，信号光在通过光放大器后，某些波长得到的光功率增益多，某些波长得到的光功率增益少，不同波长的信号光功率参差不齐。另外由于光纤衰减频谱也不是平坦的，在长距离传输后，某些波长光功率衰减得多，某些波长光功率衰减得少，不同波长的信号光功率变得更加参差不齐。这最终会导致信号光在某些通道严重劣化从而影响信号的接收，如图4（a）所示。为了修正这种现象，需在光中继器里配置增益平坦滤波器，图4（b）是配置了增益平坦滤波器情形。增益平坦滤波器的设计要综合考虑掺铒光纤的增益频谱以及通信光纤的衰耗频谱，设计合适的滤波频谱，使信号光经过放大、整形、衰减后，到达下一个光中继器时，不同波长的光功率仍能保持平坦。

图4 海底光中继器光谱增益平坦控制

2.2 电路原理及设计

在故障情况下，为最大限度的恢复中断的通信业务，可能需要重构水下设备的供电方式。海缆登陆站的远供电源系统的电极可能会根据需要切换，从而导致输入光中继器的电流方向发生改变。因此光中继器的内部电路一般采用双极性设计，如图5 所示。通过设计光中继器双极性转换电路，虽然输入光中继器的外部电流方向发生变化，但通过内部电路转换后，经过用电单元（如泵浦激光器驱动电路等）的电流方向保持不变，内部用电单元仍能正常工作。

图5 海底光中继器内部电路设计

海底光缆系统在电源切换或者短路的情况下可能会产生足以损坏内部器件的浪涌电流，光中继器应设计合适的浪涌保护电路。在系统正常工作时，浪涌保护单元处于开路状态，工作电流只经过用电单元。当系统中产生浪涌电流时，浪涌保护单元形成通路状态，疏导绝大部分浪涌电流，保护用电单元安全。

3 海底分支单元

海底光缆系统除了设置主干段外，往往还需要设置分支段连接不同的地区。如图6 所示，通过控制海底分支单元内部的光纤切换单元，可以把海底光缆纤芯分配到不同的方向。在分支单元配置可重构分插复用器（ROADM），还可以将同一根光纤的信号分配到不同方向，使不同站点之间的业务调度更加灵活。除此之外，在海底光缆发生故障时，通过调整BU 内部的电压切换单元，还可以实现海底光缆系统供电方式的倒换，尽可能减少因故障带来通信业务中断的影响。光纤切换单元和电压切换单元均可通过海缆登陆站发送切换命令来控制。

图6 海底分支单元内部结构图

3.1 光路原理及设计

海底分支单元主流采用波长选择开关（WSS）来实现波长级任意带宽的分插复用。BU 和ROADM 采用互为独立的单元设计，BU 其中的两个接线端连接主干段海底光缆，另外一个接线端与ROADM 连接。二者配合使用，可以完成复杂度更高的业务调度及故障灾备。

如图7 所示，BU 中纤芯主要有两种切换状态，一种是主干直通方式，信号光不经过ROADM；另一种分支上下方式，信号光经过ROADM。

图7 BU 光路切换状态

在正常状态下，BU 切换为分支上下方式，即无论是通往主干还是通往分支的信号光均经过ROADM，光路的分解和耦合示意如图8 所示。A 端同时有发送至B 端和C端的业务，调节BU 的光开关，使A 端发出的信号光传送至ROADM。信号光在ROADM 内部被分为两个光路，其中一路至B 端的信号光被WSS 过滤掉，只允许至C 端的信号光通过，并通过光开关引导至C 端方向。另外一路至C端的信号光被WSS过滤掉，只允许至B端的信号光通过，并通过光开关引导至B 端方向。

图8 海底分支单元内部光路设计

C 端同时有发送至B 端的业务，为保持系统光功率平衡，C 端还需要发送填充光。C 端发送的光在ROADM 中也被分为两个光路。其中一路信号光被WSS 过滤掉，只剩下填充光。填充光与来自A 端的信号光耦合后，经光开关引导至C 端方向。另外一路填充光被WSS 过滤掉，只剩下信号光。信号光与来之A 端的信号光耦合后，经光开关引导至B 端方向。

由于水下设备维护非常困难，一般采用双WSS 的设计方式来提高ROADM 的可靠性。图9 为ROADM 其中一个WSS 发生故障的情景。调整ROADM 中的光开关，使其中一路信号光从ROADM 直通至C 端方向，由C 端的终端传输设备对接收的信号光进行筛选，只保留至本海缆登陆站的业务。另外一路信号光经WSS 过滤后，与来自C 端的信号光耦合后，传送至B 端方向。故障时BU 的光切换时间要求小于500 ms。

图9 单WSS 故障情况光路路由

光路切换后，由于插损、长度等发生变化，会导致光路的总衰耗发生变化，从而引起其它水下设备接收到的光功率发生变化。通过调节BU 内的光衰耗器参数，可以使与BU 互连的光中继器和ROADM 获得的输入光功率在合适的工作范围之内。

当ROADM 中两个WSS 同时发生故障时，无法再通过ROADM 进行波长级的调度。这时分支单元只能进行纤芯的切换，可分为主干互通方式或主干与分支互通方式，如图10 所示。A 端只能与B 端通信，C 端通信中断。或者A/B 端只能与C 端通信，A 端与B 端的通信中断。

图10 双WSS 故障情况下光路路由

3.2 电路原理及设计

BU 的A、B、C 三个接线端通过海底光缆分别连接至三个不同海缆登陆站的远供电源设备，同时内部配置一个电极（GND 端）与海水连接，如图11 所示。BU 可支持双极性的电流方向，A、B、C 端中的任意两个均可以传导主干电流，而另外一个自动配置传导分支电流。可通过改变BU 的A、B、C 端的连接状态来调整供电系统的拓扑结构，在海底光缆线路故障的情况下最大限度恢复通信业务。BU 可切换的电源供电状态有A-B/C-GND，A-C/B-GND 及B-C/A-GND 三种。

目前BU 电源切换技术已经由早期的控制海缆登陆站远供电源设备上电顺序的方式，发展为通过海缆登陆站发送命令来控制BU 切换的智能控制方式。BU 的内部控制电路如图12 所示，控制命令经海底光缆纤芯传送到BU 控制信号接收器，切换控制器负责调整阵列电路的闭合/断开，实现电源供电状态的调整。图12 中为A-B（蓝线）/C-GND（红线）状态下的电路配置。

图12 BU 内部电路图

通过加强内部单元的绝缘设计及选取高可靠性的继电器，BU 由原来几百伏低压发展到高压热切换，减少了电源切换过程中远供电源设备上下电操作及极性调整时间，提升业务的恢复速度。

为保护内部用电单元，BU 内部也需要设计合适的浪涌保护电路，其电路设计如图13 所示。在系统正常工作时，浪涌保护单元处于开路状态；当系统中产生浪涌电流时，浪涌保护单元形成通路状态，疏导绝大部分浪涌电流。

图13 浪涌保护单元电路设计

ROADM 的电路设计类似光中继器，本文不展开论述。

4 结束语

本文从海底光缆水下设备的基本原理出发，详细研究了海底光中继器、海底分支单元的内部光路及电路设计，对海底光缆系统的规划、建设、运维具有借鉴意义。

随着海底光缆多芯对技术（HFC）的应用，海底光中继器的性能需进一步提升。HFC 是在现有成熟的海底光缆通信技术基础上，通过扩展光纤的对数来实现系统容量的倍增，是海底通信光缆行业公认的发展方向。HFC 技术的应用,需提升光中继器的多项关键技术，包括高效泵浦驱动技术、大数纤芯的馈通技术、15 千伏以上的超高工作电压、多纤对泵浦共享技术、超大浪涌防护技术等，还需进一步研究。

海底分支单元目前单结构体主流集成2 对纤芯，支持多个结构体级联，业界领先技术可做到单结构体集成4 对纤芯。未来需要进一步选用更高集成度的WSS 模块来提升空间利用率，做到单体结构集成更多对的纤芯，减少级联带来的施工成本及后期维修回收难度。