岸上端站设备优化方案

2.2.1.1 光传输终端设备

通常，海底光缆系统的光传输终端设备为采用特殊码型、特殊调制方式的终端设备。根据具体工程的实际情况，一些近距离的无中继海底光缆系统也可采用陆地光缆系统所使用的传输终端设备。有中继系统机房内的光传输终端设备与无中继系统没有太大原则区别。光传输终端设备分为SDH设备、WDM设备和OTN设备。

1.SDH传输终端设备

（1）SDH设备传输速率类型

在通信设备市场日益开放的情况下，网络运营商在建设海底光缆通信网络时，可以有很大的自由度选择性价比最好的SDH设备。同时考虑到成本和安全等各种因素和制约条件，运营商通常不会仅采用一个提供商的设备。海缆系统选择设备时，需要根据设备的功能性能进行选择，SDH设备要求线路接口支持STM-1、STM-4、STM-16和STM-64光接口，光接口符合ITU-T G.691—2006和ITU-T G.957—2006中相应条目规定的技术指标要求；其误码性能符合ITU-T G.826—2002中的规定，抖动性能应符合ITU-T G.825—2000中的规定。各种速率类型SDH设备应用如下：

1）155Mbit/s SDH设备用于155Mbit/s海缆传输系统。

2）622Mbit/s SDH设备用于622Mbit/s海缆传输系统。

3）2.5Gbit/s SDH设备用于2.5Gbit/s海缆传输系统。

4）10Gbit/s SDH设备用于10Gbit/s海缆传输系统。

5）40Gbit/s SDH设备用于40Gbit/s海缆传输系统。

（2）SDH设备网元结构类型

根据不同的网络拓扑结构，海缆传输系统的SDH设备有不同网元结构类型，各种不同网元完成SDH网的传输功能，如上/下业务、交叉连接业务、网络故障自愈等。常见的SDH设备网元分为终端复用器（TM）、分插复用器（ADM）、再生中继器（REG）和数字交叉连接设备（DXC）。各种类型SDH设备网元应用如图2-11所示。

1）终端复用器（TM）主要用在海缆系统的两个端点，包括点对点形、单元星形、分支星形、花边形、干线分支形海缆系统等。

2）分插复用器（ADM）主要用海缆系统的中间登陆转接站点，包括单元星形、分支星形、花边形、干线分支形、环形海缆系统等。

3）再生中继器（REG）在早期海缆系统中应用。

4）数字交叉连接设备（DXC）主要用于分支环形海缆系统。

图2-11 SDH终端设备网元在海缆系统中的应用

终端复用器（Termination Multiplexer，TM）用在海缆系统网络终端站点，如一条链的两个端点上，是一个双端口器件，作用是将支路低速信号复用到线路端口的STM-N高速信号中，或者从STM-N信号中解复用出低速支路信号。它的支路端口侧可以输出/输入多路低速支路信号。在把低速支路信号复用进STM-N帧（将低速信号复用到线路）上时，有一个交叉的功能，比如可将支路的STM-1信号复用进STM-16信号中的任意位置，把支路的2Mbit/s信号复用到STM-1中63个VC12的任意位置，如图2-12所示。

分插复用器（Add/Drop Multiplexer，ADM）在海缆系统的中间登陆转接站点处使用，如链的中间结点上或环结点上，是SDH海缆系统最重要而且使用最多的网元。ADM是一个三端口的器件，它有两个方向线路端口以及一些支路端口，线路端口各接一侧光缆，我们分别称其为W（西）向、E（东）向线路端口。ADM可以把低速支路信号交叉复用进东、西线路上，或者从东、西线路上解复用出低速支路信号。ADM除了完成与TM一样的信号复用和解复用功能外，最主要是还能完成两侧线路信号间，以及线路信号与支路信号间的交叉连接。如接入的2Mbit/s系列支路信号和1.5Mbit/s系列支路信号可以分别复用并连接到东向、西向的STM-N信号中。另外，东向和西向的STM-N信号也可以互连。ADM是SDH最重要的一种网元，通过它可以等效成其他网元，即能完成其他网元的功能，例如，一个ADM可等效成两个TM。ADM是应用最为广泛的网元形式，这主要是因为它将同步复用和数字交叉连接功能综合于一体，具有灵活地分插任意支路信号的能力。以STM-N信号等级为例，分插复用器的功能如图2-13所示。

图2-12 TM模型

图2-13 STM-N分插复用器的功能

同步再生中继器（REG）的功能主要是完成信号的再生、放大与中继传输功能，即接收来自光纤线路的信号，将它电再生，并往下一段光纤线路传送，同时还要产生新的再生段开销加到承载信号上，对线路信号质量进行监视。与TM、ADM相比，它在站点上没有上、下业务的功能，主要用于海缆系统的中长距离信号再生。再生中继器的功能图如图2-14所示。

数字交叉连接器（DXC）是SDH网络的重要网络单元，兼有复用、配线、保护/恢复、监控和网管多项功能，DXC的核心是交叉连接。数字交叉连接设备完成的主要是STM-N信号的交叉连接功能，它是一个多端口器件，它实际上相当于一个交叉矩阵，完成各个信号间的交叉连接，DXC可将输入的m路STM-N信号交叉连接到输出的n路STM-N信号上，上图表示有m条入光纤和n条出光纤。DXC的核心是交叉连接，功能强的DXC能完成高速（例STM-64）信号在交叉矩阵内的低级别交叉（例如VC12级别的交叉）。DXC的功能图如图2-15所示。

图2-14 REG功能图

图2-15 DXC功能图

2.WDM复用终端设备

（1）WDM系统

WDM系统传输部分主要由光发射机、光中继放大器、光接收机3部分组成，另外还包括光监控信道和网络管理系统等组成部分，如图2-16所示。光发射机和接收机称为WDM复用终端设备。光发射机将多路光信号合并成一路光信号，再通过光放大器将其放大，最后将放大的光信号输入到光纤线路中进行传输。其中光源应具有标准的光波长和一定的色散容限，以保证能长距离传输的性能。在光纤中，光经过一段长距离传输后，强度被大大衰减，因此，需要对其光中继放大以便再继续传输。目前的光放大器一般是前面所述的EDFA。在接收端的接收机，衰减的光信号经光前置放大器放大后，被送往光解复用器分离出各特定波长的光信号，最后各特定波长光信号被送往各终端设备。接受机除需满足一般接收机对光信号灵敏度、过载功率等参数要求外，还能承受一定的光噪声信号，要具有足够的电带宽性能等。光监控信道（OSC）的主要功能是监控DWDM系统内各信道光传输情况及设备运行状态。在发送端，将信道传输情况及设备运行状态信息插入本节点产生的波长为1550nm的监控信号，并与主信道合波输出；在接收端，将收到的光信号分波送入波长为1510nm的监控信号和业务信道信号。其中帧同步字节、公务字节和网管所用的开销字节等都是光监控信道来传递的，监控信道的信息速率一般为2Mbit/s或100Mbit/s。

图2-16 典型的WDM系统结构图

图2-17 集成式WDM系统方框图

由于长距离海底光缆中光纤芯数较少（一般为2～8对光纤），所以常采用WDM技术，借助具有波分复用/解复用功能的海底分支单元，使设计者根据需要对任何一个或几个光波进行分插复用。这种设计具有很大的灵活性，可以满足所有登陆方和运营商的需要。海底光缆波分复用技术与陆上波分复用技术相同。从WDM接口方式分，可分为集成式WDM传输系统和开放式WDM传输系统。

集成式WDM系统就是把具有标准光波长和满足长色散容限的光源集成在SDH或其他光端机系统中，其结构简单，如图2-17所示。实质上集成式WDM系统就是终端具有满足G.692建议光接口类型的SDH系统，即具有标准的光波长，满足长距离传输的光源的SDH系统。

在WDM传输系统中，如果在复用器与解复用器前后插入了光转换单元（OTU），这样SDH非规范的光波长便可转换为标准光波长信号，从而达到远不满足G.692光接口的各个SDH系统，在经过OTU单元后满足G.692标准，可以兼容原有G.957SDH系统，实现不同厂商的SDH工作在同一WDM系统中。所谓的开放式WDM传输系统就是在同一DWDM系统中，可接纳不同厂商的SDH系统，对不同厂商SDH系统开放系统框图如图2-18所示。

图2-18 开放式WDM传输系统方框图

在设计WDM系统的功率预算时，首先，应考虑的是合适的发射机功率。为了防止进入光纤的总功率太大引起光在光纤中传输产生非线性效应，所以每个信道的发射机的最大输出光功率随信道数的增加而减少。其次，还要考虑光纤非线性效应的限制，其中受激布里渊散射（SBS）和自相位调制（SPM）限制了每个信道的最大信号功率；交叉相位调制（XPM）和四波混频（FWM）也可能在信道之间产生串扰。但在纯石英芯光纤中，通过适当加宽信道间隔，可以明显消除这些效应引起的传输性能下降。应强调的是XPM和FWM可能是限制WDM信号在色散移位光纤传输时提高性能的主要因素之一。

（2）WDM复用终端基本类型

WDM复用终端设备发送端将各路SDH光传输终端设备发送信号，经过光波长复用器复用、放大、加入监控信号后，送入传输线路，接收端将线路信号接收，取出监控信号，将信息放大、解复用后，各路光信号送入SDH光传输终端设备。从WDM接口方式分，WDM复用终端设备分为集成式WDM复用终端和开放式WDM复用终端，其核心区别是是否对原始数据进行G.709标准格式封装，提供链路状况监测功能和链路信噪比的提升。其在系统中的应用如下：

1）集成式WDM复用终端用在集成式WDM传输系统。

2）开放式WDM复用终端用在开放式WDM传输系统。

集成式WDM复用终端设备。集成式WDM系统把具有标准光波长和满足长色散受限传输的光源集成在SDH系统中，其结构简单。集成式WDM复用终端具有满足G.692建议光接口类型，对原始数据进行G.709标准格式封装，即具有标准的光波长，满足长距离传输光源SDH系统要求。集成式WDM复用终端组成框图如图2-19所示。其组成模块有

1）光复用器/光解复用器。光复用器用于WDM复用终端的发送端，是一种具有多个输入端口和一个输出端口的器件，它的每一个输入端口输入一个特定波长的光信号，输入的不同波长的光波由同一输出端口输出。光解复用器用于WDM复用终端的接收端，正好与光复用器相反，它具有一个输入端口和多个输出端口，将各个不同波长信号分类开来。

2）光放大器。光放大器不但可以对光信号进行直接放大，同时还具有实时、高增益、宽带、低噪声、低损耗的全光放大器。在目前实用的光纤放大器中主要有掺铒光纤放大器（EDFA）和光纤拉曼放大器（RFA）等，其中掺铒光纤放大器以其优越的性能被广泛应用，作为功率放大器（BA）在发射端使用，作为前置放大器（PA）在接收端使用。

3）光监控信道（OSC）发送器/接收器。光监控信道是为WDM光传输系统的监控而设立的。ITU-T建议优选采用1510nm波长，容量为2Mbit/s，在低速率下具有很高的接收灵敏度（优于-50dBm）。光监控信道（OSC）发送器用于在发射端将监控信道波长信息加入传输系统，光监控信道（OSC）接收器用于在接收端将监控信道波长信息从传输系统中取出。

开放式WDM复用终端设备。在WDM复用终端中，对原始数据未进行G.709标准格式封装，如果在复用器与解复用器前后插入了OTU，这样SDH非规范的光波长便可转换为标准光波长，从而达到原不满足G.692光接口的各个SDH系统，在OTU输出端变得满足了，可以接纳过去G.957SDH系统，实现不同厂商的SDH工作在同一WDM系统中。开放式WDM传输系统在同一DWDM系统中，可接纳不同厂家的SDH系统，对不同厂商SDH系统开放，开放式WDM复用终端框图如图2-20所示，组成模块有

图2-19 集成式WDM传输终端设备

1）光波长转换单元（OTU）。光波长转换单元（OTU）将非标准的波长转换为1TU.T所规范的标准波长，系统中应用光/电/光（O/E/O）的变换，即先用光敏二极管PIN或APD把接收到的光信号转换为电信号，然后该电信号对标准波长的激光器进行调制，从而得到新的光波长信号。

2）光复用器/光解复用器。光复用器用于WDM复用终端的发送端，是一种具有多个输入端口和一个输出端口的器件，它的每一个输入端口输入一个特定波长的光信号，输入的不同波长的光波由同一输出端口输出。光解复用器用于WDM复用终端的接收端，正好与光复用器相反，它具有一个输入端口和多个输出端口，将各个不同波长信号分类开来。

3）光放大器。光放大器不但可以对光信号进行直接放大，同时还具有实时、高增益、宽带、低噪声、低损耗的全光放大器。在目前实用的光纤放大器中主要有掺铒光纤放大器（EDFA）和光纤拉曼放大器（RFA）等，其中掺铒光纤放大器以其优越的性能被广泛应用，作为功率放大器（BA）在发射端使用，作为前置放大器（PA）在接收端使用。

4）光监控信道（OSC）发送器/接收器。光监控信道是为WDM光传输系统的监控而设立的。ITU-T建议优选采用1510nm波长，容量为2Mbit/s，在低速率下具有很高的接收灵敏度（优于-50dBm）。光监控信道（OSC）发送器用于在发射端将监控信道波长信息加入传输系统，光监控信道（OSC）接收器用于在接收端将监控信道波长信息从传输系统中取出。

光线路终端设备包括多种类型设备，OTM或OLT用于点对点连接；OADM对部分波长解复用出来到本地使用，而余下的波长则继续送往其他地方使用，它们通常采用树形结构或环状结构；OXC执行与OADM同样的功能，但其规模要比OADM大得多，通常用于网状结构或连接多个环的节点。

图2-20 开放式WDM传输终端设备

光线路终端（OLT）有时也称光终端复用器（OTM），其功能是一样的，用于点对点系统终端，对波长进行复用/解复用，如图2-21所示。由图中可见，光线路终端包括转发器、WDM复用/解复用器、光放大器（EDFA）和光监控信道（Optical Supervisory channel，OSC）。OLT是具有光/电/光变换功能的转发器（或称中继器），对用户使用的非ITU-T标准波长转换成ITU-T的标准波长，以便于使用标准的波分复用/解复用器。这个功能也可以移到SDH用户终端设备中完成，如果今后全光波长转换器件成熟，也可以用它替换光/电/光转发器。转发器通常占用OLT的大部分费用、功耗和体积，所以减少转发器的数量有助于实现OLT设备的小型化，降低其费用。光监控信道使用一个单独波长，用于监控线路光放大器的工作情况、以及系统内各信道的传输质量（误码率），帧同步字节、公务字节、网管开销字节等都是通过光监控信道传递的。WDM复用/解复用可以使用阵列波导光栅（AWG）、介质薄膜滤波器等器件。

图2-21 光线路终端（OLT）构成原理图

图2-22 光分插复用器（OADM）

在WDM网络中，光分插复用器（OADM）在保持其他信道传输不变的情况下，将某些信道取出而将另外一些信道插入。可以认为，这样的器件是一个波分复用/解复用对，如图2-22所示。图2-22a为固定波长光分插复用器，图2-22b为可编程分插复用器，通过对光纤光栅调谐取出所需要的波长，而让其他波长信道通过，所以这样的分插复用器称为分插滤波器。使用电介质薄膜滤波器或级联MZ滤波器构成的方向耦合器也可以组成多端口的分插滤波器。光分插复用器对部分波长（或波段）解复用出来到本地使用，而余下的波长（或波段）则继续送往其他地方使用。OADM通常位于两个终端之间，但也可以作为独立的网络单元使用，特别是在城域网中。现在的OADM通常分出/插入波长是固定的，如果使用可调谐滤波器和激光器，则可以构成可重新配置（即重构）的OADM（ROADM）。光分插复用器中的主要器件是波分复用/解复用器，大多实用WDM器件使用阵列波导光栅（AWG）或介质薄膜滤波器。

（3）WDM复用终端复用波长类型

ITU-T规定，WDM的工作波段为1260～1675nm的连续波段，共有6个波段，如图2-23所示。目前DWDM系统主要使用1530～1565nm波段，其中1540～1565nm红带增益平坦优先使用，1530～1540nm蓝带增益不平坦。WDM按照其波长间隔，可分为粗波分复用系统CWDM和密集波分复用系统DWDM，WDM复用终端分为CWDM复用终端和DWDM复用终端，应用如下：

1）DWDM复用终端。用在信道间隔较小的1550nm波段波分系统，有8、16、32、40、80或者更多波长，波长间隔为1.6nm、0.8nm或更低，其对应的带宽约为200GHz、100GHz、50GHz或更窄。

2）CWDM复用终端。用在波长间隔比较大的波分系统，波长间隔可以是几十纳米以上，这样设备的成本就降低了，当然复用的光波数也比较有限，主要应用于短距离的海缆系统。

图2-23 WDM工作波段

（4）WDM终端复用设备关键器件

1）光源。WDM系统中，激光器波长的稳定是一个十分关键的问题，根据ITU-T G.692建议的要求，中心波长的偏差不大于光信道间隔的1/10，即光信道间隔为0.8nm的系统，中心波长的偏差不能大于+20GHz。在WDM系统中，由于各个光通路的间隔很小（可低达0.8nm），因而对光源的波长稳定性有严格的要求，例如0.5nm的波长变化就足以使一个光通路移到另一个光通路上。在实际系统中通常必须控制在0.2nm以内，其具体要求随波长间隔而定，波长间隔越小要求越高，所以激光器需要采用严格的波长稳定技术。WDM系统在延长传输系统的色散受限距离的同时，为了克服光纤的非线性效应，要求WDM系统的光源要使用技术更为先进、性能更为优越的激光器。总之，WDM系统的光源的两个突出的特点，即比较大的色散容纳值及稳定的标准波长。目前广泛使用的光纤通信系统均为强度调制——直接检波系统，对光源进行强度调制的方法有两类，即直接调制和间接调制。

2）波分复用器件。波分复用器件是波分复用系统的重要组成部分，将不同光源波长的信号结合在一起经一根传输光纤输出的器件称为合波器。反之，经同一传输光纤送来的多波长信号分解为个别波长分别输出的器件称分波器。有时同一器件既可作分波器，又可以作合波器。WDM器件有多种制造方法，目前已广泛商用的WDM器件可以分为4类，即角色散器件、干涉滤波器、熔锥型波分复用器和集成光波导型。

3.OTN设备

（1）OTN设备的类型

OTN设备线路侧接口最高速率达到100Gbit/s以上，业务侧支持STM-1、STM-4、STM-16、STM-64、GE和10GE等光接口，光接口符合ITU-T G.959.1—2012中相应条目规定的技术指标要求；误码性能符合ITU-TG.8201—2011的规定，抖动性能符合ITU-T G.8251—2010的规定。根据OTN设备形态的不同，可以将OTN设备分为OTNOTM设备、OTH设备、ROADM设备、OTH+ROADM设备4种。

1）OTNOTM设备。OTNOTM设备的结构最为简单，它支持G.709接口，不支持交叉能力，从而使得OTN终端复用设备组网能力弱，不支持智能控制功能。实际上，现网已经应用的WDM设备支持G.709帧接口时就称为OTNOTM设备，是目前最普遍的OTN设备类型，具体结构如图2-24所示。

图2-24 OTNOTM设备

2）OTH设备。OTH设备支持G.709接口，支持ODUk颗粒的交叉调度功能，从而支持电层的组网和智能控制。OTH设备不但支持电层和光层的终端复用功能，而且支持电层以ODUk（k=1，2，3）为交叉颗粒的交叉连接和业务分插复用功能。目前已商用的OTH设备支持ODU0、ODU1、ODU2等多种交叉粒度，交换容量可达Tbit/s量级，具体结构如图2-25所示。

图2-25 OTH设备

基于光层以波长为交叉粒度的ROADM设备是目前业界大多数厂家支持新型OTN设备的主要类型。与OTN电交叉设备相比，OTN光交叉设备的区别在于所支持的交叉粒度为波长，支持波长粒度的交叉调度功能，同时支持波长量级的组网和智能控制。ROADM设备不但支持电层和光层的终端复用功能，而且支持光层以波长为交叉颗粒的交叉连接（重构）和业务分插复用功能。目前ROADM设备的线路方向为2维、4维和8维等，单方向的波长数目为40（44）波，通路间隔为100GHz，具体结构如图2-26所示。

图2-26 OTNROADM设备

3）OTH+ROADM设备。OTH+ROADM设备不但支持电层和光层的终端复用功能，而且支持电层以ODUk（k=1，2，3）为交叉颗粒和光层以波长为交叉颗粒的交叉连接和业务分插复用功能，集成了OTH设备和ROADM设备的功能。OTH+ROADM设备的结构最复杂，同时具备OTN电交叉和光交叉设备的特点，支持ODUk和波长粒度的混合交叉调度、组网能力和智能控制。目前OTH+ROADM设备支持以ODUI为交叉颗粒的电层调度和波长为颗粒的光层调度，具体结构如图2-27所示。

在网络保护恢复方面，OTN的保护恢复功能主要包括基于电层的保护恢复能力和基于光层的保护恢复功能两大类。其中基于电层的保护功能主要包括基于ODUk（k=1，2，3）的子网连接保护（SNCP）、共享环网保护、动态路由恢复、保护+恢复等；基于光层的保护功能主要包括基于光波长的光通道1+1、子波长交叉连接、光通道共享保护、动态路由恢复、保护+恢复等。目前基于电交叉的OTH设备可支持基于ODU1的SNCP、环网共享等保护方式，而基于光交叉的ROADM设备支持光通道1+1、子波长交叉连接、光通道共享保护，其中不同厂商的设备支持的程度有所差异，可支持其中的1种或多种，保护倒换时间均可达到50ms以内。少数厂家支持动态路由恢复、保护+恢复等多种保护恢复方式，业务恢复的时间量级为1～2s。

图2-27 OTH+ROADM设备

（2）OTN设备组网应用

目前除了支持G.709接口的OTN设备（传统WDM节点）之外，基于光交叉的OTN设备（ROADM）和基于电（ODUk）交叉或者基于光电混合交叉的OTN设备均已成熟。作为OTN技术的基本特征，除了强大的维护管理功能之外，主要是基于不同类型的OTN设备支持多种的组网方式和保护功能。基于光交叉的ROADM设备的主要优势是基于波长调度，子网内部全光操作，省去了O-E-O功能单元。最大维度目前已达到16维、32维以上，单维度支持的通信波长可达80以上，有效地实现了在增加组网灵活性的同时降低光电变换的组网成本的目标，但组网半径和物理参数限制等因素在一定程度上妨碍了ROADM在大范围和传输线路复杂环境下的组网应用。基于电（ODUk）交叉的OTN设备支持波长和子波长粒度的调度，但有限的调度容量限制了其在大容量节点组网中的应用。同时支持光电混合调度的OTN设备可以在一定程度上解决上述这些缺陷，但在实际组网应用中，同时支持光电混合调度的OTN设备也并不是任何场景都适用。对于仅需固定提供大容量传送带宽的应用场景，基于点到点的OTN传送设备依然是最佳选择。

因此，选择何种设备类型，应根据其应用的网络层面、业务传送需求和实际组网成本等多方因素进行综合选择，同时可采用分域的方式解决组网的一些限制因素。

2.2.1.2 光放大器

1.光放大器分类

光放大器运用于海底光缆数字传输系统中，实现信号全光放大，可直接对信号进行全光放大，不需要经过光电转换、电光转换和信号再生等过程，具有很好的透明性，特别适用于海底光缆数字传输系统。光放大器具有高增益、高输出功率、低噪声带宽、对偏振不敏感等多项优点，越来越广泛地应用于海底光缆密集波分系统中。其应用也比较灵活，可以作为前置放大器对接收信号进行预放，也可以作为线路放大器用来补偿链路损耗，还可以用作为功率放大器在发射机后提高光功率，可以使用远泵光放大器、分布式拉曼光放大器延长无中继系统传输距离，可以将光放大器进行级联以克服损耗，降低成本扩展有中继传输链路长度。

光放大器一般由增益介质、泵浦光和输入输出耦合结构组成。根据其在海缆通信系统中的不同作用，光放大器可以分为以下几种：

1）光功率放大器（Booster Amplifier，BA）：在信号发射机之后，主要用作功率放大来提高发射机的输出功率。

2）光线路放大器（In-line Amplifier，LA）：在光纤的传输线路中，主要用作补偿光纤的传输损耗，延长传输距离。

3）光前置放大器（Pre-Amplifier，PA）：在信号接收机之前，主要用作光预放大器，来提高光接收机的灵敏度。

4）远泵光功率放大器（Remotely optically pumped Booster Amplifiers，RBA）：由泵浦源激励远端增益模块实现光放大的一种光放大器。在无中继系统中，通过遥泵技术将增益介质放于海底进行光功率放大，进一步延长无中继传输距离。

5）远泵光前置放大器（Remotely optically pumped Pre-Amplifiers，RPA）：由泵浦源激励远端增益模块实现光放大的一种光放大器。在无中继系统中，通过遥泵技术将增益介质放于海底光缆中进行光前置放大，进一步延长无中继传输距离。

6）分布式拉曼光放大器（Distributed Raman Amplifier，DRA）：在无中继系统中，将传输光纤作为增益介质通过拉曼散射非线性效应原理进行分布式光放大，进一步延长无中继传输距离。

2.EDFA光放大器

（1）EDFA光放大器分类

海缆传输系统中将EDFA光放大器可以分为三类：功率放大器（BA）、线路放大器（LA）和前置放大器（PA）。功率放大器（BA）置于终端复用设备或中继设备的发射光源之后，主要作用是实现提高光发送功率，通过提高注入光纤的光功率（一般在10dBm以上），从而延长传输距离。此时对放大器的噪声特性要求不高，主要要求功率线性放大的特性。线路放大器（LA）置于整个中继段的中间，是将光放大器直接插入到光纤传输链路中对信号进行直接放大的应用形式。线路放大器主要应用于长距离通信，此时要求光放大器对小信号增益高，而且噪声系数小。前置放大器（PA）置于光接收设备之前，主要作用是对经线路衰减后的小信号进行放大，从而提高光接收机的接收灵敏度，此时的主要问题是噪声问题。三种放大器最主要的差别体现在输入光功率和增益：BA输入光功率比较高，增益比较小，噪声系数要求不高；PA输入光功率比较低，增益和BA相差不大，噪声系数要求较高；LA输入光功率和PA相差不大噪声系数要求较高，只是增益比BA大。

1）光功率放大器。

功率放大器是将掺铒光纤放大器直接放在光发射机之后用来提升输出功率。由于发射功率的提高，可以将通信距离延长10～20km，延长的通信距离由放大器的增益以及光纤损耗来决定。功率放大器除了要求低噪声以外，还要求高的饱和输出功率，光功率放大器在系统中的应用如图2-28所示。应当注意的是，输入到光纤中的功率太高将出现非线性效应。非线性引起的效应有：消耗有用功率、散射光进入光源影响激光器的正常工作、出现一些新的频率导致功率转移。所以在应用时需要注意光纤中各种非线性效应的阈值。

光功率放大器对光发射机的输出光信号进行放大，这类放大器的特点是输入光信号功率大（约0dBm），输出信号功率更大，对于如此大的输出光功率，将会引起光纤中的受激布里渊散射（SBS），将部分光反射回光发射机，从而影响发射机工作性能甚至导致发射机损坏。为此，可通过低频幅度调制，使激光器频谱展宽来减小这种影响。此外，由于传输光纤的零色散波长和光发射机的中心波长非常接近，所以可引起自相位调制（SPM），这种影响可有意使两种波长发生偏差来减小。

图2-28 EDFA做光纤功率放大器

2）光前置放大器。

由于EDFA的低噪声特性，使它很适用于作为接收机的前置放大器。应用EDFA后，接收机灵敏度可提高10～20dB。其基本概念是：在光信号进入接收机前，使它得到放大，以抑制接收机内的噪声，如图2-29所示。

这种放大器是小信号放大，要求低噪声，但是输出饱和功率则不做要求。它对接收机灵敏度的改善，与EDFA本身的噪声系数有关。噪声系数越小，灵敏度越高。但是它还与掺铒光纤放大器的自发辐射谱宽度有关，谱线越宽，灵敏度越低。因而，为了减小噪声的影响，常在掺铒光纤放大器的后面加上光滤波器，以滤除噪声。

图2-29 EDFA用做光纤前置放大器

3）光线路放大器。

光线路放大器是它在光纤通信系统中的一个非常重要的应用。用掺铒光纤放大器实现全光中继代替原来光-电-光中继，这种方式非常适合在海底光缆中应用。其最大的应用是在WDM系统中，在原来的光-电-光中继中，必须先将各个信道进行解复用，然后分别用各自的光接收机转换成电信号，电信号经过放大后用特定波长的光发射机转变成光信号，最后还要用波分复用器进行光复用才完成再生过程。可以想象，波分复用和波分解复用器件会给线路带来多大的插入损耗，同时还需要多少个波长不同的激光器实现光-电-光转换。有了EDFA后，只需要用一个EDFA就可以放大全部的光信号，当然要求所有的信号光在EDFA的平坦增益带宽内，实现光信号的原幅放大。EDFA在线路中可以多级级联使用，但是不能无限制地增加，因为光纤通信系统还要受到光纤色散和EDFA本身噪声等因素的限制，如图2-30所示。

图2-30 EDFA做光纤线路放大器

（2）EDFA原理与基本结构

目前技术上最为成熟的是掺铒光纤放大器（EDFA），其工作原理可以从EDFA的基本结构和增益介质的放大机理两方面来说明。

EDFA的基本结构。EDFA的核心构件是增益介质——掺铒光纤、泵浦光源和光耦合器。泵浦光源的作用是对输入光信号进行放大提供光能量；光耦合器是把输入光信号和泵浦光耦合到一起并送到掺铒光纤；掺铒光纤作为增益介质能够吸收泵浦光的能量并对输入光信号进行放大。图2-31给出了EDFA的基本结构。

图2-31 EDFA的基本结构示意图

增益介质（掺铒光纤）的放大机理。在制造光纤时，在光纤的纤芯里掺入一定浓度的三阶段铒离子（Er³⁺）就形成了掺铒光纤。掺铒光纤中的Er³⁺离子在未受任何光的激励时处于基态E₁，就是在最低能级上。当泵浦光入射后，Er³⁺离子就吸收泵浦光光子的能量而跃迁到高能级。如果泵浦光的波长不同，其光子的能量就不同，Er³⁺离子吸收该光子的能量所跃迁能级也不同。但是铒离子受泵浦光光子的激励跃迁到高能级的激发态后，都会迅速从激发态以非辐射跃迁的形式衰变到亚稳态（E₂）。受激辐射和自发辐射都发生在亚稳态。处于亚稳态的铒离子有较长的（毫秒级）的存活寿命。

由于泵浦光的不断入射，使处于亚稳态的粒子数不断增加，进而实现粒子数反转。但1550nm波段的光信号通过这一段掺铒光纤时，处于亚稳态的粒子以受激辐射的形式跃迁到基态，并产生出和入射光信号中的光子一样的光子，从而大大增加了信号光的光子数量，实现了信号光在掺铒光纤的传输过程中不断被放大的功能。可以用作泵浦光的波长有1480nm波段、980nm波段、800nm波段等。但是，考虑到转换效率、噪声系数及铒离子对于各个波段光子的吸收效率以及获得大功率泵浦源的可行性，通常多采用1480nm波长和980nm波长的泵浦源。使用这两种波长的光泵浦EDFA时，只用几毫瓦的泵浦功率就可获得高达30～40dB的放大器增益。

图2-32a为铒离子的能级图。在铒离子受激辐射的过程中，有少部分粒子以自发辐射形式自己跃迁到基态，产生了带宽极宽且杂乱无章的光子，并在传播的过程中不断地得到放大，从而形成了放大的自发辐射（ASE）噪声。它消耗了部分泵浦光的功率，并且导致光信号的信噪比变差。通常，人们在上述EDFA的基本结构中加入隔离器来抑制这种过程的发生，以便获得尽可能小的噪声系数。如图2-33所示，目前一般有以下三种EDFA的基本结构：

图2-32 EDFA的工作原理

图2-33 EDFA基本结构

1）同向泵浦。同向泵浦是一种泵浦光与信号光在掺铒光纤的同一端注入，且泵浦光和信号光在掺铒光纤中传输方向相同的方式。它又称前向泵浦，如图2-33a所示。这种配置的噪声性能较好。

2）反向泵浦。反向泵浦是一种泵浦光与信号光分别从掺铒光纤的两端注入，且泵浦光和信号光在掺铒光纤中传输方向相反的方式。它又称后向泵浦，如图2-33b所示。这种配置具有较高的输出信号功率。

3）双向泵浦。双向泵浦就是两个泵浦光源从掺铒光纤的两端同时注入泵浦光的方式，如图2-33c所示。这种泵浦方式结合了前向泵浦和后向泵浦的优点，输出的光信号功率更高，最多可比前两种单向泵浦多3dB，而且EDFA的性能与信号传输的方向无关。

（3）EDFA的性能参数及其影响因素

1）小信号增益。放大器增益与泵浦强度、掺杂浓度和掺铒光纤长度密切相关。当掺杂浓度超过一定值时，增益反而下降，其原因是掺杂过量会产生聚合，引起浓度消光现象。因此，要控制好铒的掺入量。在相同的掺铒光纤长度下，放大器增益随泵浦功率的增加而增加，但达到一定水平就不再增加了，这就是由于掺铒光纤长度固定，信号总泵浦中汲取功率有限所致。而固定泵浦功率，则放大器增益随掺铒光纤长度的增加而先增加后降低，存在一个对应最大增益输出的最佳长度，这容易理解为当长度小于最佳长度时，整个掺铒光纤都能为信号提供增益，而当大于最佳长度后，多余的部分由于粒子反转水平过低而吸收信号功率。

由于不同波长信号的增益系数不同，所以最佳长度也不同，这意味着当长度小于所有波长信号的最佳长度时，增益系数大的信号比增益系数小的信号获得的增益大，放大器增益谱必定向增益系数大的方向正倾斜，而当掺铒光纤长度长于所有信号的最佳长度时，增益系数大的信号经历了较大的增益和吸收，可能出现增益负倾斜或者不倾斜，所以泵浦功率与掺铒光纤的长度也影响着放大器增益谱形状。

2）噪声特性。EDFA的噪声特性与泵浦方式、泵浦波长以及饱和状态有关。一般说来，同向泵浦下的ASE噪声水平低于反向泵浦条件下的ASE噪声水平，特别是当泵浦功率较小时，两者的差别较大。因为前者泵浦在向接收端传播时粒子反转水平不断降低，ASE光逐渐被吸收，而后者因为粒子反转水平不断升高，ASE光被逐渐放大了的缘故。而在高泵浦功率条件下，由于粒子反转水平沿光纤的分布差别减小，两者趋于相同。对于不同的泵浦波长，噪声系数也略有差异。980nm泵浦的EDFA噪声系数优于1480nm泵浦的EDFA噪声系数约1～2dB。理论上证明，任何利于受激辐射进行放大的光放大器，其噪声系数最小值为3dB，这个极限就被称为噪声系统的量子极限。

由于三能级结构能实现比二能级结构更高的粒子数反转水平，所以可取得更小的噪声系数，常用的1480nm泵浦工作于二能级结构，980nm泵浦工作于三能级结构，所以后者具有较低的噪声系数（通常低于前者1dB）。另外，环境温度可以通过影响粒子数分布、截面积等因素，影响放大器的噪声特性，而且对C波段和L波段放大器的影响也不同，通常L波段放大器对温度的变化更为敏感，从-10～80℃的变化将引起2.7dB增益的变化，而C波段放大器的增益变化仅有0.7dB。

3）饱和输出功率。在EDFA泵浦功率一定且小信号输入时，放大器增益随入射信号功率的变化表现为开始恒定，但当信号功率增大到-30dBm左右时，增益开始随信号功率的增加而下降，如图2-34所示，这是入射信号导致EDFA出现增益饱和的缘故。放大器的饱和输出功率定义为当放大器增益信号随信号输入功率增加而降低3dB时，对应的输出功率。因为放大器小信号增益随泵浦功率和EDF长度而变化，所以饱和输出功率也随着两者而变化，最大的输出功率由泵浦功率和泵浦效率所决定。EDFA的饱和输出功率依放大器的设计不同而异，典型值为1～10mW。这种特性称为增益压缩，它可使海底光缆系统经久耐用。在使用过程中当光纤和无源器件损耗增加时，加到EDFA输入端口的信号功率减小，但由于EDFA的这种增益压缩特性，它的增益将自动扩大，从而又补偿了传输线路上的损耗增加；同样放大器输入功率增加时，由于增益压缩特性，其增益将自动降低，从而在系统寿命期限内可稳定光信号电平到设计值。增益补偿的物理过程较慢，约为毫秒量级，因此增益补偿不会使传输光脉冲形状畸变。

合理设计的光放大器可达到信号增益和噪声间的最佳折中，而维持系统的输出功率不变。但这种增益压缩特性对WDM系统不再适用。由于980nm泵浦效率比1480nm泵浦效率低，所以常用1480nm泵浦作为功率放大器的泵浦源，而且采用泵浦效率较高的后向泵浦方式。另外，为了获得较大的输出功率还可以采用两级或者多级泵浦。

图2-34 光纤放大器的增益自调整能力

4）瞬态效应。所谓的瞬态效应就是在线EDFA工作在饱和区中，当EDFA的输入功率出现较大的变化时（例如光信道的上下），由于抽运激光器的输入并没有发生变化因此使得剩余信道的输出功率迅速地增加或减小，超出光通信系统的动态范围，从而对传输的信息造成损害。瞬态效应的两个主要参数是功率的变化和响应时间。抑制EDFA瞬态效应的思路就是采用光路或电路的自动增益控制，保证每个光信道的输出功率相对稳定。目前主要的抑制技术有抽运源控制法、线路控制法、激光控制法等。抽运源控制法是通过控制抽运源的输入来达到稳定输出的目的。线路控制法主要是指通过一个可以调节其输入功率的额外线路来稳定输入EDFA的光功率，从而控制其输出的光功率。激光控制法是利用第一级EDFA及其一些外加元件构成一个对光波长敏感的反馈回路来控制EDFA输出光功率的大小，从而使EDFA的输出光功率得以稳定。

EDFA泵浦效率高，能实现很高的粒子数反转水平，所以具有低噪声和大功率输出特性；而且上能级粒子的寿命比较长，所以瞬态效应影响不大，也不容易出现因为交叉饱和而产生的信道间串扰；最后，采用的光纤介质为高度对称的圆形波导结构，所以偏振相关增益比较小，而且与传输光纤的连接方便、损耗小。不足的是，增益带宽有限且相对固定，不能灵活调整。

3.远泵光放大器

（1）远泵光放大器的分类

1）远泵光功率放大器。

远泵光放大器用于长跨距无中继海底光缆传输系统，延伸无中继传输距离。远泵光放大器的泵浦源与增益模块分别放置于终端站和光缆接头盒中，通过泵浦传输光纤进行连接，泵浦传输光纤的长度根据系统设计方案确定。根据应用可配置为远泵光功率放大器和远泵光前置放大器。远泵光功率放大器（RBA）在系统中的应用和工作原理如图2-35和图2-36所示。

图2-35 RBA在系统中的应用

图2-36 RBA工作原理图

2）远泵光前置放大器。

远泵光前置放大器（RPA）原理与远泵光功率放大器RBA一样，只是位置是用在系统的接收端前，用作光前置放大。远泵光前置放大器在系统中的应用和工作原理如图2-37和图2-38所示。

图2-37 RPA在系统中的应用(www.xing528.com)

图2-38 RPA工作原理图

（2）远泵光放大技术原理

远泵光放大器是在单跨传输链路中引入一个远程泵浦的光放大器，将掺铒光纤与相关无源器件放置在接头盒内，在传输光纤特定位置外接入光泵浦源放置在终端。在传输光纤中的适当位置熔入一段掺铒光纤，在终端发送一高功率泵浦光，经由光纤传输至掺铒光纤，并激励铒离子。信号光在掺铒光纤内部获得放大，并显著提高传输光纤的输出光功率。远泵光放大器由远端泵浦源（RPU）和远端增益模块（RGU）两部分组成。RGU的增益介质由一段掺铒光纤组成，为系统提供增益单元，实现光信号的放大。RGU通过将远端RPU传来的泵浦光和信号光耦合进增益介质掺铒光纤，实现信号光的受激放大，从而实现信号的无源光中继。

远泵光放大器与常规光放大器的不同之处在于，泵浦激光器与增益介质放置于光纤链路的不同位置。在常规EDFA中，泵浦激光器与增益介质是放在同一站点，以光放大单板的方式对信号光实现放大。远泵光放大器的泵浦激光器与增益介质分别位于线路终端的RPU和线路中间的RGU内。随着RGU在系统中放置的位置不同，其泵浦功率及信号功率是不同的，相应地，RGU的增益及噪声指数也随着其放置位置的变化而变化。因此，远泵光放大器是一个动态放大器。

远程泵浦光放大技术简称遥泵光放大技术，主要应用于超长跨距系统，用来提高系统功率预算，延长传输跨距。当线路的跨距将喇曼放大指标耗尽的时候，采用遥泵光放大可允许跨距上有更大程度的扩展。因此，在系统中将ROPA与RA结合起来使用，可最大限度地延长传输距离，提高系统功率预算。

遥泵放大技术是EDFA技术的一种特殊应用方式，就是在单跨传输链路中引入一个远程泵浦的光放大器，类似线路中的小增益线路放大器，可以比较有效地提高无中继系统的传输距离，其结构如图2-39所示。其原理是在传输光纤适当位置融入一段掺铒光纤，将铒纤（EDF）与相关的一些无源器件放置在特殊盒体内，光泵浦源放置在终端（发射端或接收端）从远端发送一束高功率泵浦光，经过专门的泵浦光纤或传输光纤本身传输后注入掺铒光纤并激励铒离子，使信号光在掺铒光纤内部获得放大。由于泵浦激光器的位置和增益介质（掺铒光纤）不在同一个位置，因此称为“遥泵”。遥泵的远程增益单元为光纤放大器的光学模块，这种模块为无源器件，体积小、安装方便和工作可靠，在-60～60℃的范围内温度特性良好，不需要额外的温度补偿，可以置于室外工作。因此，遥泵的远程增益单元可以安装在光缆接头盒中。

图2-39 远泵光放大器在无中继系统中的应用

泵源放置在接收端的远泵光放大器被称为远泵光前置放大器，泵浦放置在发射端的则被称为远泵光功率放大器。依据泵浦光传输路径的不同又可分为同路（随路）泵浦和旁路泵浦，同路泵浦和旁路泵浦两种结构的差别在于泵浦光是否使用信号传输光纤传递泵浦能量，即信号光和泵浦光是否使用同一光纤传输。由于后向遥泵比前向遥泵可以提供更多增益，因此优先考虑采用后向遥泵，旁路遥泵需要额外提供一芯光纤传输泵浦源，随路遥泵利用信号光纤传输泵浦源，不需要额外的光纤芯。

EDFA的泵浦波长有980nm和1480nm，980nm泵浦在普通单模光纤中的衰减为1.15dB/km，而1480nm的光损耗仅为0.24dB/km。由于泵浦功率在进入远程增益单元之前需传输较长距离。因此，遥泵放大器选用的是1480nm的泵浦源。该泵浦源既承担遥泵的能量供应，同时也承担拉曼放大器的能量供应。随着远程增益单元在系统中放置的位置不同，其泵浦源及光信号进入铒纤的功率是不同的。相应地，远程增益单元的增益及噪声指数也随着其放置位置的变化而变化。远程增益单元（RGU）与远程泵浦单元（RPU）有最佳的距离，满足此距离将得到最佳的OSNR。对于随路后向遥泵，研究表明工程应用按照进入远程增益单元的泵浦光功率（为9～10dBm）考虑即可。

4.拉曼光放大器

光纤拉曼放大器（RFA）因为其在噪声、非线性和带宽方面优良的特性而备受关注。近年来随着泵浦技术的成熟，越来越多的长距离大容量WDM传输系统都选择它来增加系统的裕量，提高系统的传输距离和容量。RFA的特性是由其独特的工作机理所决定的，下面对其作简要的介绍。

（1）光纤拉曼放大器的类型

光纤拉曼放大器有两种类型：分立式光纤拉曼放大器和分布式光纤拉曼放大器。

分立式光纤拉曼放大器。分立式拉曼放大器是指用一个集中的单元来提供增益。分立式光纤拉曼放大器的光纤增益介质比较短，大多在10km以内。它主要像EDFA一样对光信号进行集中放大，主要是用于EDFA无法放大的波段。分立式光纤拉曼放大器不但能放大EDFA的C波段，而且能在较短的S波段和较长的L波段工作。但要求泵浦光功率很高，一般在几瓦到几十瓦，且泵浦功率都被限制在一个由隔离器作为边界的集中单元中，其增益可达到40dB以上，像EDFA一样用来对信号光进行集中放大，一般采用高掺锗、低损耗、小有效面积的光纤作为增益介质。但是在波分复用系统中，随着系统传输容量的提高和复用波长数目越来越大，光纤中光功率过高，结果非线性越来越强，从而容易产生信道串扰使信号失真。色散补偿光纤（DCF）是高质量分立式拉曼放大器的最佳选择，在进行系统色散补偿的同时对信号进行高增益、低噪声的放大，而互不影响。由于分立式光纤拉曼放大器（RFA）的增益和EDFA相比有一定的差距，并且需要较长的光纤（几千米左右），因此主要用于放大一些EDFA不能放大的特殊波长，如1300nm窗口。研究证明，色散补偿型光纤是得到高质量分立式RFA的最佳选择。这预示我们可以在进行系统色散补偿的同时对信号进行高增益、低噪声的放大，而且互相不影响。目前新动向是利用色散补偿光纤（DCF）本身拉曼增益较高的特点，在原有DCF光纤的基础上加以改进。在保持色散补偿特性的同时进一步提高其拉曼增益系数。其装置如图2-40所示。

图2-40 兼顾色散补偿和信号放大的分立式RFA

分布式光纤拉曼放大器。由于分立式光纤拉曼放大器泵浦光功率过高，非线性效应很强，信道串扰严重，所以需设法降低光纤的光功率，控制光纤非线性效应。分布式光纤拉曼放大器能解决该问题。分布式拉曼放大器是一种可以对传输光纤进行泵浦放大的光放大器。分布式拉曼放大器所用的光纤比较长，一般在100km左右，泵浦源功率可降低到几百毫瓦，主要辅助EDFA用于WDM通信系统性能的提高，抑制非线性效应，提高信噪比。分布式光纤拉曼放大器可分为前向泵浦和后向泵浦，由于后向泵浦可减少泵浦光和信号光相互作用长度，从而减少泵浦光对信号光的影响，而且还可避免拉曼放大器引起的光纤非线性效应。所以分布式光纤拉曼放大器通常采用后向泵浦。分布式光纤拉曼放大器随着通信系统容量的增大而迅速发展。在WDM系统中，传输容量，尤其复用波长数目的增加，使光纤中传输的光功率越来越大，引起的非线性效应也越来越强，容易产生信道间串扰，使信号失真。采用分布式光纤拉曼放大辅助传输可大大降低信号的入射功率，同时保持适当的光信噪比（OSNR）。另外，用它可以制成无损光器件如无损色散补偿光纤，还可以制成EDFA的动态均衡器件，用于弥补由于光纤老化损耗上升而造成的增益不均衡。

RFA泵浦波长和泵浦功率的优化主要有两种方法：一是凭借经验，通过模拟计算的结果手动调节泵浦波长和功率，这种方法比较耗费时间；二是通过利用各种优化算法进行仿真验证，设计出一种有效的实用算法来寻找最好的泵浦配置，以达到增益谱平坦的目的。

（2）光纤拉曼放大器原理

RFA利用受激拉曼散射（SRS）原理进行光放大，SRS是电磁场与介质相互作用的结果。介质中的分子和原子在其平衡位置附近振动，将量子化的分子振动称为声子。自发拉曼散射是入射光子与热声子想碰撞的结果，而受激拉曼散射是入射光子与受激声子碰撞的结果。受激声子是在自发拉曼散射过程中产生的，当入射光子与这个新添的受激声子再次发生碰撞时，则在产生一个斯托克斯光子的同时有增添一个受激声子，如此继续下去，便形成一个受激声子的雪崩过程。产生受激声子过程的关键在于要有足够多的入射光子。由于受激声子所形成的声波是相干的，而入射光也是相干的，所以受激散射产生的斯托克斯光也是相干的。如果产生的斯托克斯光与信号光状态相同，那么便实现了对信号光的放大。

光纤拉曼放大器是以光纤作为增益介质而实现的全光放大器。它主要是利用光纤中的受激拉曼散射效应实现能量从较高频率的泵浦光到较低频率的信号光的转换，从而达到放大的目的。若入射的是普通光束则发生普通拉曼散射，这时散射光都是很弱的非相干光，可以向各个方向传播。当用强激光照射某些介质时，由拉曼效应产生的散射光具有受激发射的性质，这是介质在强激光光场作用下产生的一种三阶非线性效应。RFA利用这种非线性作用，借助光学声子作为吸收能量的载体来完成振动态之间的跃迁，实现泵浦功率的转移，并不需要能级间粒子数的反转。光纤拉曼放大器中的能级分布和跃迁示意图如图2-41所示。由于石英光纤中光学声子的波矢的大小和方向可以在很宽范围内变化，因此对于任意相对方向的泵浦波和斯托克斯波，拉曼散射中的动量和能量守恒都容易满足，因此光纤中拉曼散射可以发生在前向或者反向。

图2-41 光纤拉曼放大器中的能级分布和跃迁示意图

（3）光纤拉曼放大器基本结构

光纤拉曼放大器的典型结构如图2-42所示。由图可以看出其结构与EDFA基本相同，由泵浦源、增益光纤、无源器件等构成。

图2-42 光纤拉曼放大器的系统结构

光纤拉曼放大器的泵浦源。目前可实用的拉曼泵浦源主要有两种：一种是复用半导体泵浦激光器，即用WDM合波器将几个较低功率的半导体激光器耦合起来以获得较高功率的输出；另一种是级联式拉曼光纤激光器，利用已有的但波长较短的泵浦源通过类似谐振腔的结构产生具有合适波长的高阶斯托克斯波作为泵浦输出。图2-42中的泵浦源是用LED作为泵浦源，因而需要偏振合波。因为最后放大的光谱可能不够平坦，这里需要加入增益均衡滤波器来均衡增益谱。光纤拉曼放大器在实用中的关键是获得合适波长的高功率泵浦源，事实上在过去正是这种原因限制了拉曼放大器的实用化。可实用的拉曼放大器对泵浦源的要求非常严格：

1）要求泵浦源有较大的输出功率，一般应在200mW上，以获得足够的增益。

2）要有合适的输出波长，由于对应拉曼增益峰值的泵浦光与信号光频移约为100nm，因此泵浦光纤中的几个低损耗窗口应有合适的输出波长以获得最大增益。另外，应保证输出波长的稳定，以保持增益的稳定。

3）要保证有足够的使用寿命，连续工作时间长。

4）要抑制拉曼增益的偏振依赖现象，由于拉曼增益对偏振敏感，泵浦光与信号光的偏振态不同会导致不同的增益，为了保证增益的平坦，应该使泵浦光消偏。

5）要保证输出功率可以高效地耦合到光纤中去，在这方面光纤激光器就有明显的优势。

拉曼光纤放大器的拉曼光纤是产生拉曼放大的增益介质，拉曼增益系数决定于光纤本身的性质，当然也随泵浦波长成比例的变化。为了提高RFA的效率，充分利用有限的泵浦功率，在拉曼放大器中，尤其是在分立式光纤拉曼放大器和拉曼激光器中需要使用特种光纤。在泵浦功率一定的情况下，减小放大器光纤的损耗和有效面积，提高拉曼增益参数，有助于提高拉曼光纤放大器的增益。掺杂也是常用的方法。如在石英光纤中掺入不同浓度的Ge，可以将增益提高几倍。色散补偿光纤（DCF）因其芯径小，其增益系数也比普通的单模光纤高7倍左右。DCF光纤相对于单模光纤（SMF）有很高的增益系数，正因为如此，常用它来作为分立式光纤拉曼放大器。光纤拉曼放大器最基本的无源器件就是泵浦光、信号光波长耦合器，泵浦光要注入拉曼光纤必须通过波长耦合器耦合注入，最基本的要求就是对信号光、泵浦光的插入损耗小并且偏振相关损耗小。为了提高放大器的性能，抑制反向瑞利散射和泵浦源的波动等不利影响，系统中还需要加隔离器。

拉曼光纤放大器（RFA）的性能很大程度上是由其泵浦方式决定的，因而泵浦方式也是研究的热点之一。根据受激拉曼散射（SRS）的特性，RFA可采用前向、反向及双向泵浦等。其中泵浦光与信号光同方向传输称为前向泵浦，反之称为反向泵浦，两个方向同时泵浦则称为双向泵浦。采用分布式拉曼光放大器技术的传输系统典型结构如图2-43所示，在系统中接入拉曼泵浦，信号将会沿光纤实现分布式拉曼放大，这种分布式拉曼放大器能改进系统的信噪比，有利于提高码速、延长中继距离。前向泵浦在信号光输入端就对信号进行放大，这使得信号的功率始终保持在较高的水平，因此具有更好的噪声性能。但是这种泵浦方式容易将泵浦光的强度和偏振不稳定性引入信号光中，而且信号功率的增大意味着更为严重的非线性效应。反向泵浦的RFA中，信号光与泵浦光分立于传输光纤的两端，泵浦光的抖动被光纤长度平均化，信号光所受的影响相对于前向泵浦要小得多。因此反向泵浦技术相对成熟，而前向泵浦只能应用在光纤色散较大或者泵浦相对强度噪声较低的情况下。双向泵浦方式可以综合前、反向泵浦的优点。通过双向泵浦可以很好地控制增益沿光纤的分布，取得噪声和非线性失真间的最佳平衡。而且双向泵浦下可以将长、短波长泵浦波分开，分别作为反向和前向的泵浦源。这样可以有效地减少泵浦波间的功率耦合，提高短波长信道的增益，保证长、短波长信道一致的传输性能。

图2-43 设备在无中继光纤系统中的应用

早期RFA的设计以前向泵浦为主，但是后来发现，由于拉曼放大过程具有瞬态特性，导致前向泵浦RFA的泵浦噪声对WDM信道产生较严重的影响，而且当前向泵浦RFA的泵浦波有轻微的功率波动时，个别数据位的放大将出现异常，使得放大过程中由前向泵浦带来的信号光和泵浦光的串扰较大，相对噪声强度（对N）性能较差。所以后来的拉曼放大器基本上采用反向泵浦方式。与前向泵浦RFA比较起来，反向泵浦具有如下优势：一方面，反向泵浦RFA的泵浦光和信号光的传输方向相反，泵浦源噪声会因此被平均，所以后向泵浦光纤拉曼放大器的RIN比较低；另一方面，后向泵浦RFA的偏振依赖性也较小，增益谱比较平坦；再一方面，后向泵浦RFA可抑制泵浦源诱发的高频偏振和强度噪声，带来相对比较稳定的系统。反向泵浦RFA也存在缺点，它的增益受限于双向瑞利散射，而且当增益较大时，在出纤处信号光功率较大，非线性效应严重，另外其跨度损耗也很大。所以使用后向泵浦也不尽如人意。如果要完全补偿跨度损耗，同时保持合理的光信噪比，可行的方法有两种：一种是光纤拉曼放大器和掺铒光纤放大器级联组成的EDFA+RFA混合放大器；一种是采用双向泵浦光纤拉曼放大器。

（4）光纤拉曼放大器的特点

通过对光纤拉曼放大器原理和结构的分析，不难得到RFA的优点如下：

1）其增益波长由泵浦光波长决定，只要有合适波长的泵浦源，理论上可以对任意波长的信号进行放大。因此光纤拉曼放大器可以放大EDFA所不能放大的波段，而且使用多个泵浦源还可得到比EDFA宽得多的增益带宽。

2）分布式光纤拉曼放大器的增益介质为传输光纤本身，不需要特殊的放大介质。而且RFA与光纤系统具有良好的兼容性，为已有光纤通信系统的改造提供了广阔的前景，尤其适用于海底光缆通信等不方便设立中继器的场合。

3）噪声指数低，分布式光纤拉曼放大器的放大是沿光纤分布，而不是集中作用，产生的ASE噪声也随传输光纤而被衰减，可以得到较低的噪声指数。光纤中各处的信号光功率都比较小，从而可降低非线性效应的干扰，增加传输跨距。

4）拉曼增益谱比较宽，在普通光纤上单波长可实现约40nm范围内的有效增益，采用多个泵源可以较容易实现宽带放大。并且可通过选择泵浦波长和强度等多种方式调整增益谱。

5）拉曼放大器的饱和功率高，拉曼放大的作用时间为飞秒（fs）级，可实现对超短脉冲的放大。

但是，拉曼放大器也有一些缺点：不仅是泵浦光对信号光产生作用，信号光与信号光之间，泵浦与泵浦之间也会有拉曼作用，即一些DWDM信道会对其他信道产生放大作用，这会导致信道之间的能量交换，引起串扰。而且，如果分布式光纤拉曼放大器增益较高，将会产生不可忽略的双瑞利散射噪声（Double Ray-leigh Scattering，DRS），从而降低信噪比。

总结拉曼放大器的特点是：优点：增益带宽宽，增益范围灵活可调整，噪声性能好，可作为分布式放大或分立式放大；缺点：泵浦效率低，增益具有偏振相关性，相应时间快，容易引起各种噪声。

（5）光纤拉曼放大器的增益

泵浦光ω_p和信号光ω_s的频率差Ω_R=ω_p-ω_s称为斯托克斯（Stokes）频差，当Ω_R=ω_p-ω_s=13.2THz时，信号光获得的增益最大。就石英玻璃光纤而言，1450nm泵浦光波长与待放大信号光波长之间的频率差大约为13THz，在1550nm波段，相当于约110nm的波长差，即有110nm的增益带宽。硅光纤的拉曼增益系数主要取决于有效芯径面积，同时也与光纤的化学成分有关，掺锗光纤，如非零色散移位光纤（NZDSF）或色散移位光纤（DSF）比纯硅芯光纤（PSCF）具有较高的拉曼增益系数。较小有效面积的光纤与具有较大有效面积的光纤相比，具有较大的拉曼增益系数，如图2-44所示。

分布式光纤拉曼放大器（DRA）的增益频谱只由泵浦波长决定，与掺杂物的能级电平无关，所以只要泵浦波长适当，就可以在任意波长获得信号光的增益。正是由于DRA在光纤全波段放大的这一特性，以及可利用传输光纤作增益介质在线放大实现光路的无损耗传输的优点。如果用色散补偿光纤作放大介质构成拉曼放大器，那么光传输路径的色散补偿和损耗补偿可以同时实现。光纤拉曼放大器已成功地应用于DWDM系统和无中继海底光缆系统中。

图2-44 不同种类光纤的拉曼增益频谱形状

分布式光纤拉曼放大器增益为开关增益G_on-off，定义拉曼开关增益为

式中，P_on和P_off分别是拉曼泵浦光源接通和断开时，在增益测量点（GMP）测量到的信号光功率，如图2-45所示。

图2-45给出了3种不同泵浦方式的分布式拉曼放大器，信号光功率沿传输光纤的分布。由图中可见，信号功率在传输光纤的输出端都增加了，但在输入端却都没有变化。知道从光纤输出端发出的信号功率和噪声电平有多大，要比知道它们沿光纤如何精确分布重要得多。因此，通常在光纤输出端使用离散放大器等效模型评估系统性能，如图2-45c所示。该虚拟放大器产生与分布式拉曼放大器相等的有效增益和ASE输出功率。因为在分布式放大器光纤内，产生的ASE因光纤损耗减少了，所以ASE输出功率要比实际的小。

有效噪声指数（F_eff）等效于在光纤末端插入一个离散光放大器的噪声指数，该放大器产生与分布式光放大器相等的有效增益和ASE输出功率。在混合使用分布式拉曼放大器和常规EDFA情况下，也包括该EDFA增益和ASE噪声（ITU-T G.6654.5.3），按照IEC 61291-1规范，称为等效总噪声指数。当泵浦激光器注入传输光纤的功率中断时，可定义等效输入参考点R_equ的等效输入参数。于是，可测量等效输入功率和输入OSNR。当接通泵浦光源时，在等效输出参考点S_equ也可以测量等效输出功率和等效输出OSNR。按照IEC 61290的规定，接通/断开泵浦源，测量离散光放大器在测量点的等效输出光功率，用式（2-1）可计算开关增益G_on-off；使用离散光放大器输入/输出OSNR，以便简化系统性能评估。而OSNR是从测量系统BER得到的。

图2-45 光纤分布式拉曼放大器开关增益测量

图2-46 分布式拉曼放大器泵浦方式不同沿传输光纤的信号功率分布也不同

净增益G_net也是开关增益，它是在混合使用分布式拉曼放大和EDFA时，拉曼开关增益G_on-off和EDFA增益G_EDFA之和与光纤线路放大器输入和输出参考点间的损耗L_fiber之差，即

G_net=（G_on-off+G_EDFA）-L_fiber （2-2）

信道净增益是WDM系统给定波长信道的净增益。

（6）光纤拉曼放大器的噪声特性

光纤拉曼放大器中主要有放大的自发辐射噪声（ASE）、热噪声、串话噪声、瑞利散射噪声以及泵浦到信号的非线性噪声等。其产生机制各不相同。

1）ASE噪声。ASE噪声是由于自发拉曼散射经泵浦光的放大而产生的覆盖整个拉曼增益谱的背景噪声。泵浦光功率越大，ASE噪声越大。接收端的光滤波器带宽越窄，ASE噪声功率越小。一般分立式RFA的ASE噪声特性小于4.5dB，优于EDFA（典型值5dB）。

2）热噪声。当要放大的信号光波长与泵浦光波长比较接近时，由于环境温度的升高，光纤里会产生很多热感应光子，它们同样能经历拉曼放大，因而对波长接近泵浦光的信号光产生额外的噪声。当泵浦和信号间隔很远时热噪声很小，两者相距很近时，热噪声将大大增加。总体面言，对于宽带拉曼光纤放大器来说，在室温下很难获得3dB的量子极限噪声，通常在短波长情形下，由于泵浦光和信号光波长比较接近会使自发辐射增大并导致约5dB的噪声系数。

3）串话噪声。串话噪声分为两种：一种是由于泵浦光源的波动而造成的泵浦信号间串话；另一种是由于泵浦源同时对多个信道放大而导致的泵浦介入信号间串话。信号功率越大、泵浦功率越大、泵浦光到信号光的转换效率越高，串话越严重。当采用反向泵浦时，由于泵浦功率的平均作用，串话性能明显优于前向泵浦的情况。因此在用拉曼放大器放大DWDM系统时，应尽量采用反向泵浦，且泵浦功率不能过高。

4）瑞利散射噪声。瑞利散射噪声是由于瑞利反向散射引起的，分为单瑞利散射和双瑞利散射，单瑞利散射的影响主要表现为ASE噪声，双瑞利散射则主要表现为多路串话干扰。瑞利散射噪声与放大器增益和传输线长度有关，放大器增益越高，传输线越长，瑞利散射噪声越大。可以采用多个放大器级联的方式，避免单个放大器增益过大，传输距离过长，因而能有效地抑制瑞利散射噪声，因此使用RFA作为线路放大器时常采用多段放大并加隔离器隔离的方法抑制瑞利噪声的影响。因为瑞利散射不改变入射光频率，所以双瑞利散射信号与信号是同一个频段，也就无法测量。

5）泵浦到信号的非线性噪声。泵浦到信号的非线性噪声主要是泵浦与信号之间的四波混频（FWM）作用。当泵浦带与信号带分别位于光纤零色散点的两侧时，可以产生很强的FWM效应，而落在信号带内的FWM分量将成为噪声，严重恶化信号的OSNR。显然，这种非线性影响可以通过合理设置光纤的零色散点位置来有效的抑制。

5.对放大器的要求和性能优化措施

（1）对放大器的要求

海底光缆数字传输系统对光放大器有特殊的要求，可以归结为低噪声、高增益和大输出功率、平坦宽带增益特性、动态特性、偏振相关增益特性和功耗体积特性等。

1）低噪声特性。

放大器在提升信号功率的同时也附加了自发辐射噪声，而且自发辐射噪声在经历光增益区时会得到放大，形成放大的自发辐射噪声（ASE），导致光信噪比的降低。在海底传输系统中，多级放大器中的ASE噪声积累非常严重，从而限制了总的传输距离。为了实现长距离传输，必须尽量减小放大器的ASE噪声。

2）高增益和大输出功率。

高增益和大输出功率是光放大器的另一个关键指标。高增益特性允许较低的输入信号功率，有利于小信号功率接收，大的输出功率可以使信号传得更远，并能够在大功率条件下进行各种信号处理。通常用小信号增益与饱和输出功率来度量放大器的增益和输出功率特性。

小信号增益指小信号功率条件下对应的放大器增益，小信号功率的界定范围以放大器增益基本不随信号功率变化而变化，通常为小于-20dBm。放大器的小信号增益与放大器介质、工作机理和泵浦等条件有关，EDFA的小信号增益可以达到40dB以上。

饱和输出功率定义为当放大器增益随输入信号功率增加而降低信号增益的一半时对应的输出功率。饱和输出功率与放大器介质、工作机理和泵浦条件等因素有关，通信用EDFA的饱和输出功率通常可达到+20dBm以上。大的饱和输出功率不仅能够得到大的信号输出，而且还能减小放大器工作在深饱和状态下带来的瞬态和信道串扰等问题。

3）宽带平坦增益特性。

WDM传输系统扩容的一种方式是通过扩展带宽增加信道数量来实现，这要求放大器有足够的带宽，而且平坦增益特性才能保证各个信道功率等特性参数的一致，否则增益较大的信道输出功率大，在后级放大器中将获得更大的功率，这种“强者更强”的积累结果会使小增益信道由于信噪比恶化而不能正常接收，而大增益信道的功率过于大而引起非线性损伤。由于在海底光缆传输中需要经过几十个放大器，这种增益的平坦性显得更为重要。

4）减低瞬态特性

当放大器处于饱和状态（大信号输入条件）时，放大器具有均匀展宽特性，由于信号调制、故障、网络重构或者上下话路等原因导致放大器的信道数量或者输入总功率发生变化，当这种变化速率落入放大器的相应范围之内，则输出功率将随之发生变化，这种现象称为放大器的瞬态效应。瞬态效应实质上是放大器随输入变化进行能量再分配的过程，其产生的影响如下：

①当输入信道数量减小时，则剩余信道的功率将增加，如果此功率足够大，将引起光纤的非线性损伤甚至烧毁器件；当输入信道数量增加时，则信道的功率将减小，当功率小到低于接收机的灵敏度时将导致接收误码。

②放大器从输入变化前的稳定状态过渡到变化后的稳定状态需要一个过程，在这个过程中信号平均功率在变化，如果接收机的调整跟不上此变化，将影响正常接收。

③当放大器对输入信号的变化响应时间与信号变化的时间可以相比拟时，使得不同时刻的信号经历大小不同的增益而造成信号畸变。另外，在多信道放大时，各信道信号还通过此效应影响其他信道，引起信道间的串扰。放大器的瞬态特性在级联放大器链路中表现得更为明显，瞬态响应时间反比于链路中级联的放大器数量，所以对于级联几十个放大器的超长距离传输系统其影响更为严重。

④偏振相关增益。偏振相关增益（PDG）是指放大器的增益与输入信号的偏振状态有关，PDG把输入信号偏振态的随机变化转化成为信号功率的随机变化起伏，增加了强度噪声。由于EDFA采用了几何对称的光纤介质，且光纤较短，所以PDG较小。

⑤功耗体积。放大器的功耗和体积是网络建设时比较关心的指标，特别是在海底光缆传输系统中，系统可支配的功率有限，节点的成本比重较大，此时功耗和体积重要性更为突出。决定功耗大小的因素主要有输出功率需求和泵浦功率大小决定，而体积大小除了与功耗有关外，还与放大器的工作机理、放大介质和结构功能有关。

（2）性能优化措施

1）增益均衡滤波器。

通常，C波段EDFA的3dB增益带宽只有10nm左右，L波段也只有20nm左右，这无法满足容量传输的需要，为了避免增益竞争导致系统故障必须扩展平坦的增益带宽。这需要采用增益均衡技术，即用各种光谱特性互补的光滤波器来平坦放大器增益，如体型光滤波器、长周期和短周期光纤光栅，其他滤波方式还有如挤压、包层镀膜、AOTF等。利用增益均衡滤波器可以将EDFA的增益带宽扩展到40nm以上。

固定式的增益均衡滤波器存在增益带宽缺乏灵活性的缺点。因为最佳的增益必须在某个特定的平均粒子反射水平下取得，此时放大器的增益与滤波器的传递特性恰好是互补的。但现实中由于各种原因（如链路配置变化等），需要EDFA提供可变的增益，例如在整个系统寿命期间，光缆损耗增加，光纤一旦偏离原定的增益，滤波器传递特性便不能有效地补偿放大器增益，导致总输出增益的不平坦。这需要动态增益均衡来解决，以实现均衡滤波器特性随放大器增益变化而动态地改变，保持总的输出增益平坦。动态增益均衡滤波器常采用晶体、光纤、液晶、MEMS、具有加热器的抽头延迟线MZ干涉仪、AOTF等来实现。

2）泵浦考虑。

泵浦配置对放大器的增益、输出功率和噪声特性有较大的影响。由于980nm和1480nm泵浦没有强的激发态吸收，而且泵浦效率较高，所以是最常用的泵浦波长。980nm泵浦工作是三能级工作方式，有较高的粒子反转水平，所以噪声特性好，可以产生接近3dB极限的噪声系数。1480nm泵浦是二能级工作方式，粒子反转水平低，所以噪声特性较差，但泵浦效率高，能产生较大的功率输出。另外，1480nm处的吸收频带比较宽，可以采用大功率的F-P腔激光器，而且还能把波长不同的泵浦复用起来以增加泵浦功率，所以最佳的泵浦方案是采用980nm同向泵浦，1480nm反向泵浦的双向泵浦方案，这样放大器具有较小的噪声系数和足够的输出功率。

当光纤链路中存在DCF、GEF、OADM等有插损的器件时，一级EDFA结构因为输出功率小而无法完全补偿功率损耗，此时需要采用两级EDFA结构。在两级EDFA结构中，第一级多采用980nm泵浦，第二级采用1480nm双向泵浦，各级放大器还分别加增益均衡滤波器以保持输出增益的平坦。

3）瞬态效应的解决。

在长距离传输系统中，级联放大器链的瞬态效应比较严重，当链路中发生上下信道、网络动态重构或者保护恢复等操作，将导致通过放大器的信道数量和功率发生变化，从而引起放大器的瞬态效应。为了解决该问题，需要采用相应的抑制措施，如泵浦功率控制、激射光控制和链路控制等。

①泵浦功率控制。监测放大器输入输出功率变化，通过改变泵浦功率，来保持信号输出功率不变，其相应速度可以达到微秒数量级，但是这种方法需要在每一级放大器中加装监控装置。

②激光控制。该方法是在信道带外的某个波长处建立环反馈形成激光，此时放大器增益与环路的损耗相等，所以能保持不变。这种方法简单有效，但是浪费了一部分放大器带宽并降低了放大器增益。另外，这种方法的控制速率主要由激光器的张弛振荡频率决定。

③链路控制。该方法是在链路的输入端加一个功率可控的控制信道，通过调整控制光的大小来保持注入放大器链路的信号总功率不变，从而抑制放大器的瞬态效应，这种方法的响应时间可达几微秒。

2.2.1.3 远供电源设备

远供电源设备是制约传输距离和每光缆纤芯对数的另一个主要原因。远供电源设备（PFE）安装在传输终端站，通过海底光缆的铜导体向沉入海底的设备[如海底中继器、有源均衡器、水下分支单元（BU）等]供电。远供电源设备采用一线一地恒流供电方式，各登陆站设备具有自动控制并协调工作的特性。远供电源设备不仅要向海里的设备提供电源，并在端站完成陆缆和海缆的终结，还提供地连接以及显示供电系统的电子监控状态。远供电源设备配置的供电转换模块的容量估算应考虑海底光缆和陆地电缆的电压降、光中继器的电压降、维护海底光缆的电压降预留值以及地电位差等。给海底设备供电，既可以单独由终端站A供电，此时B作为备份，反之亦然，也可以由两个终端站同时供电，提供高压恒流直流电源，如图2-47所示。终端站C的供电由它自己提供，但要在BU处供电线路另一端接海床，以便形成供电回路。当终端站A和终端站B间海缆发生故障维修时，在BU内应能重构供电线路，由终端站C向AC干线或BC干线中的设备供电，如图2-47所示。其供电切换方式为

图2-47 远供电源设备在有中继海缆系统中的应用

1）对于点到点海缆系统的双端供电远供电源系统，在一端远供电源设备出现故障时，另一端远供电源设备能自动对整个系统供电；在海底光缆发生接地故障情况下，远供电源设备可自动调整输出工作电压，实现新的供电平衡；远供电源设备的供电转换模块应采用1+1的冗余配置。

2）对于分支型海底光缆系统的远供电源系统，在正常工作情况下，其中两个登陆站之间应双端供电，第三个登陆站到海底分支器应单端供电；在连接海底分支器的一个分支发生故障的情况下，海底分支器可实现供电倒换，实现另外两个分支之间双端供电或分别对海底分支器单端供电；远供电源设备的供电转换模块应1+1冗余配置。

1.PFE的功能和特性

远供电源设备（PFE）具有高压防护指示标志；远供电源设备机柜门或光电缆终端箱未闭锁时，一般不得启动供电；当远供电源设备机柜门或光电缆终端箱打开时，一般应紧急关机。PFE设备的尺寸要利于安装在终端机房中，PFE设备应具有高效率、高可靠性以满足系统长时间的工作。同时，PFE设备应能通过人机交互界面提供海底网络的长期运行状态、瞬间启动状态、告警信息，并可以通过界面控制设备的运行以及进行设备的监测和管理。电源的启动和关闭必须按照严格的顺序进行，并且要求终端电源设备之间的高度协调。在每个网络终端站，计算机管理系统作为中间的协调设备，控制设备的运行过程、监视状态、配置电源启动时所有系统工作的顺序。

PFE设备要求具有如下的一些基本功能以保证远供系统安全可靠地工作，包括：电流输出稳定、分支单元（Branching Unit，BU）电流控制功能、极性切换、过电压保护、缓启动和缓关闭、关断功能、放电功能、电流信号调制等功能。

1）电流输出稳定。远供电源设备采用两端同时向海底系统供电，要求两端PFE设备自动适应，并且输出电流稳定。两端的PFE设备通常工作在主从模式，即两端同时馈电时，一台工作在主模式，另一台为跟随从模式，也可工作在对等模式，即两台PFE设备之间工作相互协调，电压均衡。

2）分支单元电流控制功能。如果系统中安装了分支单元，PFE设备应该具有分支电流控制功能。分支单元电流控制功能可以通过电流跟随控制或者通用的通过光路加以控制。PFE支持前向电流跟随控制功能，因此，PFE具有两个工作模式：①通常情况下，工作在电流控制模式；②当进行分支单元配置时，工作在电压控制模式。

3）极性切换。如果远供系统中安装有电源切换的分支单元的话，在远供电源路径配置过程中，PFE设备给海缆系统配电时要求进行极性切换，即正极和负极可以切换。

4）过电压保护功能。为了避免PFE输出电压超过系统允许的最大工作电压，通常PFE设备要求具有过电压保护功能。

5）缓启动和缓关闭。为了避免海缆线路中出现大的浪涌电流，PFE设备一般具有输出电压缓慢上升和缓慢下降的功能。

6）关断功能。PFE设备的关断功能包括自动关断功能和紧急关断功能。PFE设备通常输出在高压状态，其输出电压具有人身伤害的隐患，因此PFE设备一般具有自动关闭的功能。如果操作人员不慎靠近高压输出终端，PFE设备的自动关闭功能启动并关闭设备输出，此时电源转换电路将停止工作。除此之外，PFE设备具有紧急关闭按钮，当突发事件产生或者其他潜在危险来临时，可通过紧急关闭按钮立即关闭所有输出。

7）放电功能。海缆和PFE设备的线路上通常具有等效电容，PFE设备一般提供了电容放电功能。电容放电一般通过电阻电路实现，目的是使PFE设备的输出电压降低到零，以保证操作人员的人身安全。

8）电流信号调制功能。此功能是为了便于海缆船定位和敷设海缆，以及出现海缆短路故障后进行海缆的精确定位。电流信号调制功能是指端站的远供电源设备在输出正常电流的基础上，调制叠加一个低频电流信号（4～50Hz）。海缆船上装配有电磁场探测器，通过探测海缆上的低频调制信号，可以定位海缆的精确故障位置。

2.PFE设备的结构原理

典型的供电设备（PFE）由电源调整单元、控制单元、负载转换单元、接地切换单元和测试负载单元等组成，如图2-48所示。

图2-48 供电设备组成

电源调整单元，由多个整流转换器串联组成，产生所要求的恒流高压，转换器采用n∶1保护。

控制单元，连续检测产生的电流和电压，发送控制信号到每个转换器，以便保持恒定的电压和电流。当进行分支单元控制时，该控制单元也可以将电流控制模式切换成电压控制模式。

负载转换单元，在海底光缆线路和测试负载单元之间进行PFE输出切换。

接地切换单元，切换系统地连接，如果海床地接触不良，可从海床地切换到终端站地。

测试负载单元，为PFE测试提供模拟负载。

3.PFE设备高压恒流的产生

PFE设备输入一般为交流市电或者蓄电池的直流供电。供电设备必须根据用户需求定制，该设备通常是模块化结构设计，采用高效率的开关电源技术实现。高压电源发生器使用功率金属-氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET），其转换效率通常大于85%，工作频率为变频（例如20kHz），可在恒压和恒流模式之间无缝切换。首先交流市电进入专用滤波器，以消除纹波和干扰噪声，然后供给多路完全相同的AC/CC（交流市电转恒流电流）转换模块，实现恒流输出。多组高压模块串联后，可以实现高压输出，如图2-49所示。

图2-49 低压直流输入/高压直流输出变换电路

高压变换器的输入为50V的直流电池，该电池由交流市电一直充电，必要时该电池在没有充电的情况下，也可以提供短期供电。直流/交流开关电源变换器的变压器将输入电压提升约10倍，然后送入滤波器。滤波器输出送入多个并联的作为交/直流变换器的桥式整流器，每个转换器提供输出功率。将这多个交/直流变换器的输出串联叠加起来，就可以提供高压直流电源。为保证可靠性，供电设备应有备份。

4.海洋接地装置

远供电源系统必须设计独立的海洋接地装置，在海洋接地发生故障时可转换至端站接地系统。海洋接地装置有以下特点：

1）海洋接地装置宜埋设在海底光缆登陆岸滩上。

2）当海底光缆登陆岸滩不具备埋设海洋接地装置的条件时，海洋接地装置可埋设在登陆站内，或埋设在海水里。在海水中安装的海洋接地装置不易施工和维护，应尽量避免使用。

3）海洋接地电阻要求过小，则加大海洋地成本。

4）在海洋接地装置发生故障时可转换至局（站）接地系统。

2.2.1.4 网络管理设备

网络管理设备应符合具体工程的技术要求，并应满足海底光缆系统日常运行和维护的各项功能要求，同时应能适应将来建立统一的网络管理系统的需要。网络管理系统数据通信网应由本海底光缆系统内置的DCC通道和外部保护通道组成。网络管理设备通常根据下列要求进行配置：

1）配置统一的网元级管理系统，统一管理海底光缆终端设备、海底设备、远供电源设备和线路监控设备。

2）对海底光缆数字信号传输系统、远供电源系统和线路监测系统应具有故障管理、配置管理、性能管理和安全管理功能。

3）应具有海底分支单元远供电源状态倒换控制功能。

4）每个海底光缆登陆站宜配置一套本地维护终端和一套网元管理系统。

5）网络管理系统数据通信网应由光缆系统内置的DCC通道和外部保护通道组成。

2.2.1.5 海缆线路监测设备

海底光缆监测系统对于保护海底光缆通信系统、保障通信安全和畅通，有着非常重要的意义。海缆线路监控系统主要有COTDR全光监测、遥控/遥信监测两种方式。根据这两种方式，海缆线路监控设备有COTDR设备和OSC监控设备两种。

1）COTDR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，判断线路状态；

2）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（150kbit/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。

COTDR设备。相干光时域反射仪（COTDR）是一种改进的OTDR。它利用相干接收原理来检测背向散射信号，其工作原理与雷达类似，用移频器将探测光频率改变后，再将其注入传感光纤，由于光纤的不均匀性，光脉冲在光纤各点都要产生背向散射光，背向散射光将回到注入端，再利用相干检测技术的出色的光频选择性提取微弱的背向散射光信号。COTDR通过检测背向散射光可以掌握光缆工作状态，可以监测普通OTDR难以测试的长距离，通过利用COTDR技术也可实现中短距离更高精度的监测。应用COTDR对典型的海缆系统监控的框图如图2-50所示，用WDM将探测光耦合到海缆系统。由于探测光波长与工作波长不同且稳定，所以不影响海缆正常工作，以实现在线监测。当传输线路和EDFA都正常工作时，由于探测光的背向散射光不断地被EDFA中继器放大，在COTDR上收到的探测光背向反射光波形是一串锯齿波。每一个锯齿对应与一个EDFA和其后继的一段中继线路，锯齿的峰值代表该级EDFA的增益，锯齿的斜边代表背向散射光功率随着传输距离的增加而衰减。当光缆发生故障时，由于故障点后的探测光的背向散射光不能返回，COTDR的波形如图2-51所示。

图2-50 典型的海缆系统监控框图

图2-51 COTDR在故障定位中的应用示例

OSC监控设备。OSC监控设备通常是以模块形式存在于WDM设备中（见2.2.2节），与WDM设备中的PMU模块一起完成对光路信号的实时监测功能。OSC监控设备单独使用一个信道来管理WDM设备，即增加一个波长信道专用于对系统的管理，这个信道就是所谓的光监控信道（OSC）。监控通路采用信号翻转码CMI为线路码型。在WDM传输系统中，OSC主要负责为相邻的光网络单元提供传送监控信息、管理开销以及自动保护倒换等信息的传输通道，并且WDM网管系统通过光监控信道传送监控信息到其他节点和接收来自其他节点的监控信息对WDM系统进行管理，实现配置管理、故障管理、性能管理、安全管理等功能，并与上层管理系统如电信管理网相连。OSC在WDM传输系统中的应用如图2-52所示。

图2-52 OSC在WDM系统中的应用