海底光缆使用的代表性线路光纤及其特点

2.2.2.1 海底光缆

1.海底光缆特点与分类

海底光缆传输系统分为“无中继”和“有中继”两大类，与之相对应，海底光缆按照其在系统中的应用，可以分为有中继海底光缆和无中继海底光缆。为适应海底的复杂环境，包括海水压力、鱼类啃咬、磨损、腐蚀、船只活动等，不论哪种海底光缆，都需要对其提供保护。

海缆的最大特点是寿命和可靠性要求较高（寿命一般要求大于25年）。这是由于人们难以接近海中的设备，海缆链路的建设和维护费时而昂贵，更主要的是海底链路具有重要的战略意义，链路故障将会导致大量业务中断产生重大损失。寿命和可靠性的较高要求给设计带来了难点。海缆的寿命和可靠性的较高要求体现在对机械和电气性能的要求上，具体如下：

1）在敷设和维修操作过程中，能经得起重复拖过缆船船头，能以合适的松弛度和适当的安全考虑精确地布放在海床上。

2）能够承受海底环境条件，特别是流体静压、磨损、腐蚀及海底生物。

3）当被铁钩、锚或渔具钩住时，应不断裂，对拖捞船和锚等引起的损坏有适当的防护。

4）有适当的安全考虑，能经受得住从安装深度回收、维修和替换。

2.海底光缆通信系统的光纤

光纤的传输特性主要是指光纤的损耗特性和色散特性，它依存于光波长相关的传输损耗以及重叠在光的基带信号的速率和频率。光纤的损耗特性是一个非常重要的、对光信号的传播产生制约作用的特性，光纤的损耗限制了光信号的传播距离。光纤的损耗主要取决于吸收损耗、散射损耗、弯曲损耗三种损耗。光脉冲中的不同频率或模式在光纤中的群速度不同，因而这些频率成分和模式到达光纤终端有先有后，使得光脉冲发生展宽，这就是光纤的色散。光纤的色散主要有模式色散、材料色散和波导色散组成。其中，材料色散与波导色散都与波长有关，所以又统称为波长色散。按照国际电信联盟电信标准化部门ITU-T的建议，单模光纤可以分为四种：G.652非色散位移单模光纤、G.653色散位移单模光纤、G.654截止波长位移单模光纤和G.655非零色散位移单模光纤。表2-1列出海底光缆常使用线路光纤特性。光纤有效芯径面积也很重要，见表2-1。NDSF和PSCF比DSF具有较大的有效面积，这意味着允许减小非线性效应的影响，因为非线性效应阈值与有效芯径面积成反比。

表2-1 海底光缆使用的有代表性的线路光纤

非色散位移单模光纤，亦称为G.652光纤，即常规单模光纤和低水峰单模光纤。常规单模光纤是最早采用的单模光纤，也是目前使用最广泛的光纤。其性能特点是：在1310nm波长处的色散为零；在1550nm波长区衰减系数最小，但具有最大色散系数。低水峰单模光纤也称为全波光纤，它几乎消除了石英玻璃中OH-离子引起的损耗峰，所以光纤具有长期的衰减稳定性。其特点是：光纤可在1280～1625nm全波段进行传输，色散比较小。

色散位移单模光纤，也称为G.653光纤，是通过改变光纤的结构参数、折射率分布形状来加大波导色散，将零色散点从1310nm位移到1550nm，实现1550nm波长区最低损耗和零色散波长一致。这种光纤适合于长距离高速率的单信道光纤通信系统。

截止波长位移单模光纤，也称为G.654光纤，它的零色散波长在1310nm附近，其截止波长移到了较长波长。光纤在1550nm波长区损耗极小，最佳工作范围为1500～1600nm。光纤抗弯曲性能好，主要用于无中继的海底光纤通信系统。

非零色散位移单模光纤，亦称为G.655光纤，它是为适应波分复用（WDM）传输系统设计和制造的新型光纤。这种光纤是在色散位移光纤的基础上，通过改变折射率分布的方法使得光纤在1550nm波长色散不为零，且在1530～1560nm波长区具有小的色散（1～6ps/nm·km）。这种光纤又可分为非零色散位移单模光纤、低色散斜率非零色散位移单模光纤和大有效面积非零色散位移单模光纤。

还有一种很有应用前景的单模光纤，即色散补偿单模光纤，它是一种在1550nm波长区有很大负色散的单模光纤。当它与G.652光纤连接使用时，可以抵消几十千米光纤的正色散，可以实现长距离、大容量的传输。

对长距离海底光缆通信系统来说，光纤损耗是首要的因素，这是因为系统OSNR与中继段入射光功率成正比，而入射光功率又与光纤有效芯径面积成正比而与光纤非线性系数成反比，即芯径面积越大，允许入射光功率越大；光纤非线性越大，允许进入光纤的入射功率越小。同时OSNR与中继段光纤损耗成反比。因此，减小光纤损耗系数和增大有效芯径面积，可扩大传输距离，提高光信噪比。因此，长距离无中继系统倾向选择G.654纯硅芯光纤（Pure Silica Core Fiber，PSCF）。然而，若距离不是很长，使用G.653色散移位光纤和G.655非零色散移位光纤（NZDSF）也是可以的，但这两种光纤因色散小将减小WDM升级的可能性。实际上，小色散光纤要比大色散光纤的WDM非线性效应阈值低，因为色散越小，四波混频等效应越大。因此，使用色散较大光纤，即使引起信道光谱展宽，也使光信号长距离传输受益。事实上，2.5Gbit/s信号传输距离超过500km，NDSF和PSCF色散可被抑制。然而，对于10Gbit/s或更高比特率的信号，接收端或发送端必须补偿线路色散。这可以用色散补偿光纤或布拉格光栅进行补偿，即使距离很长，也无须经受显著的色散代价。

为了减小光纤非线性影响，扩大无中继系统传输距离，增加传输带宽，要求采用低损耗大芯径单模光纤。目前已有超低损耗大有效面积的光纤，如超低损耗纯硅芯光纤，纤芯有效面积为110～130μm²，平均传输损耗为0.162dB/km或0.167dB/km。有报道称，也有纤芯有效面积更大的光纤，这种光纤有效面积高达155μm²，损耗为0.183dB/km（在1550μm波长）。新型的基于100Gbit/s数字相干技术和使用非色散管理光纤线路的大容量海底光缆系统，其主要挑战是提高系统OSNR。在这种系统中，色散（CD）和偏振模色散（PMD）产生的线性损伤可通过数字信号处理器（DSP）均衡，Q参数几乎与OSNR成比例增加。为了提高系统的性能，对低损耗低非线性效应光纤的需求与日俱增。事实上，当今海底光缆光纤的标准传输损耗已低至0.16dB/km。而最近开发并批量生产的纯硅芯光纤，在1550nm波长，损耗已达0.15dB/km，并具有110～130μm²足够大的有效芯径面积。

2.2.2.2 海底光缆接头盒

海底光缆接头盒主要用于接续海底光缆，是海底光缆线路不可缺少的组成器件。它可完成海底光缆的机械、光电传输及密封绝缘的连接，满足远程通信系统线路中继的需求。当海底光缆线路受到人为的破坏和非人为的自然灾害破坏时，接头盒还可用于线路故障维修，或将光放大模块配置在接头盒中实现无中继器大长度通信传输。

海底光缆接头盒结构主要满足以下3个方面的要求：

1）与海底光缆性能指标（机械、防水密封、光电、防腐等性能）相同。

2）与海底光缆的结构尺寸相匹配。

3）适应现有布缆船敷设设备的敷设技术条件。因而，在海底光缆接头盒的整体结构设计过程中必须考虑在水下25年使用寿命中满足被连接海底光缆的铠装钢丝紧固、防水密封绝缘、光纤接续点贮存保护、光缆弯曲缓冲、防腐材料选用及最大外形尺寸，以及布缆船上装备的一系列敷设与打捞设备的施工。

2.2.2.3 水下分支单元

为了满足海底光缆系统在海底分配业务到多个登陆点的需要，海底光缆系统需要用到水下分支单元（BU），它能连接3根海缆（干线、分支1、分支2），每一根包含若干对光纤，可以提供全光纤或者单个光信道的路由选择。分支单元是整个路由光纤或单个光学通道在3个光缆构成的海底网络节点。通常，对分支内的光信号没有放大，但有时对干线信号，就像光中继器那样，用EDFA放大，水下分支单元内的器件通常选择对偏振效应不太敏感的器件。水下分支单元具有在3根光缆之间完成光纤连接的能力，具有相干光时域反射仪（COTDR）需要的光滤波和耦合能力，机械强度具有能够适应敷设和回收3根连接光缆的能力，分支单元在工作、铺设、回收和重新铺设时，其机械特性和电、光特性不会降低。水下分支单元在外形上，类似于光中继器，但分支单元有一端具有两个光缆连接端口，如图2-53所示。

水下分支单元从光学设计上可分为分纤分歧功能的水下分支单元和带上下波功能的水下分支单元，从电学设计上可以分成不可切换型水下分支单元和带电切换功能的水下分支单元。当无分支登陆站时，系统中不需要配置水下分支单元。在实际应用中有4种分支单元：全光纤无源分支单元、电源切换分支单元、有源分支单元和波长分插分支单元。下面分别简介如下：

1.全光纤无源分支单元

图2-53 海底光缆分支单元外形图

全光纤无源分支单元是具有三个端口的密封容器，如图2-54所示。在干线光缆和分支光缆之间，提供全光纤路由。全光纤无源分支单元是指在需要分支的支路里无电子器件，具有全光纤分出和/或WDM分插功能。如需要也给一对或多对光纤提供光放大的能力，尽管全光纤无源分支单元通常设计为全无源器件，即只是一个熔接光纤和重构传输方向的盒子，不对业务光信号做任何放大。通常，光分支单元是无源的，即对分支内的光信号没有放大，无源分支单元主要是在无中继系统中使用，可提供多对无须光放大的光纤接入和分出，如图2-54a所示。但有时对干线信号就像光中继器那样，内置光纤放大器EDFA放大光纤对的光信号。该EDFA拥有监视功能、自动增益控制功能，以及和光中继放大器一样的相干光时域反射仪（COTDR）性能监视、故障定位能力。从有EDFA放大的干线光缆分出业务到分支光纤的全光纤无源分支单元如图2-54b所示。

2.电源切换分支单元

电源切换分支单元在岸上提供3根光缆间的供电电源的管理控制，具有在3根光缆之间切换供电电源和信息流的能力。在分支单元内，因光缆维修和故障恢复需进行供电电路切换，所需的电连接重构由网络终端站控制完成。电源切换分支单元必须提供接地连接，具有浪涌保护功能，要能够抵抗海底光缆中导体上的高电压产生的电功率浪涌给设备带来的损伤，壳和内部的光电单元要具有高压绝缘措施。在一根光缆发生故障时，电源切换分支单元对供电路由进行控制，确保分支系统中的3条光缆中的两条维持供电，如图2-55所示。在分支应用中，有4种工作状态：全部正常、一个分支发生故障、两个分支发生故障以及干线发生故障。电源切换单元可以构成这4种状态中的任一种，但不能实现光信息的路由重选。

图2-54 全光纤无源分支单元

图2-55 电源切换分支单元工作原理

不同的网络设计要求不同的电源切换分支单元交换功能，例如，具有许多地区分支的长距离干线光缆或骨干光缆网络，可能要求干线自锁设备，以便总是保持干线可用，不管分支维修的需要。另一方面，具有保护功能的双登陆路由跨洋系统，可能要求对称自保持，即使一个登陆路由在维修，也能保证另一路由能够提供业务。所有这些情况，因为电隔离取决于电源切换分支单元内部电路，假如一部分光缆在维修期间仍保持供电，将强制采用“热”维修技术。在电源切换分支单元中，任意两根具有馈电导体的输入光缆可能连接在一起，而与电源切换分支单元接海水电极隔离。在馈电设备（PFE）发生故障或光缆断裂后，可能存在几种可能的结构，以便确保信息流恢复。在使用电源切换分支单元的海底光缆网络中，某个线段、系统、特别是电源切换分支单元电源切换电路发生故障情况下，即使在维修期间，应有能力在所有其他线段恢复业务。

3.有源分支单元

有源分支单元有时也称光纤切换分支单元，如图2-56所示。它提供分支电源供电和光信息流的控制。光纤切换单元具有与电源切换单元相同的4种工作状态，并且这些状态的每一种都与光纤路径图有关。

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图2-56 光纤切换分支工作原理说明

4.波长上/下分支单元

波长上/下分支单元的功能是从海底WDM传输线路中选择性地分下一个或多个波长光信号，但不影响其他不相关波长信道的光信号传输，内置光分插模块确保完成波长复用和波长解复用功能，具有固定或重构光分插复用-分支单元（OADM-BU）的分插能力。目前一般为OADM设备，实现的功能类似于SDH电分插复用器（ADM）在时域内实现的分插功能，但波长上/下分支单元工作在光波长域内，并且具有传输透明性，可以处理任何格式和速率的信号，它有效克服了传统电子ADM设备的电子瓶颈限制，大大拓展了网络带宽。就节点功能分类有两种类型：固定波长型和可变波长型。固定波长水下分支单元只能分插一个或多个固定的波长信道，节点的路由是固定的。该类型水下分支单元缺乏组网灵活性，但性能可靠、没有延时，由这种固定波长水下分支单元组成的海底点对点DWDM传输系统的静态路由DWDM光网络是目前商用海底光网络的主流。波长上/下分支单元内波长上/下光路原理如图2-57a所示，用光环形器和光栅实现波长分出/插入原理如图2-57b所示。

图2-57 波长上/下分支单元原理

2.2.2.4 海底中继器

海底光放大中继器利用远供电源工作、放大光通信信号并接收和发送监测信号。海底光再生中继器利用远供电源工作、放大光通信信号并接收和发送监测信号。在现代海缆系统中，已基本不再使用海底光再生中继器。通常中继器是一个防水漏、耐高压、抗腐蚀的密封盒，材料为磷青铜或钛合金。所有的光电元器件均装在里边，利用中继器盒内的放大中继器。中继盒具有隔离内部上千伏供电电压的能力，而不受漏电和有害的电器放电的影响，其外形结构如图2-58a所示。

图2-58 海底中继器

海底光中继器设备提供双向光线路放大，每对相向光纤放大的子设备构成一个中继模块，中继放大模块由光放大模块、泵浦激光器驱动控制模块、光监控通道模块、电源模块、密封壳体5个主要部分构成，内部功能模块结构如图2-58b所示。具体功能分工如下：

1）光放大模块由两个方向的EDFA光路构成，分别放大发送和接收的光信号。光放大模块是整个设备的核心部分，由掺铒光纤、WDM、光纤隔离器、光纤耦合器等光纤器件构成。为了支持远程网管，光学模块两端增加了1510nm波分上/下复用器；为了支持光缆健康检测故障定位，光路必须支持COTDR信号返回，光学模块输出端增加了环形器，输入端增加了COTDR使用波长的波分上/下复用器，如图2-59所示。

图2-59 光放大单元支持COTDR信号返回的光路连接图

2）泵浦驱动控制模块由泵浦驱动电路和泵浦激光器构成，完成对EDFA模块内部泵浦激光器的控制，它控制泵浦激光器的工作状态，并在需要情况下启动备用泵浦源，具有自动重启、自动功率关断等功能。泵浦驱动电路还执行对放大器的输入光功率、输出光功率、泵浦驱动电流、泵浦温度和泵浦背向光功率等性能指标的监视。放大器泵浦单元通常选用半导体激光器，泵浦单元由泵浦激光器组构成，一个泵浦控制驱动电路同时泵浦和控制两个泵浦激光器，由其中一支工作的激光器为两个方向上的放大器提供泵浦，同一个驱动电路上的泵浦激光器作为热备份，另外两支激光器作为冷备份使用，其电源开关使用光耦控制。激光器驱动单元主要由微处理器（MCU）、激光器驱动电流控制电路（简称电流驱动）、激光器温度监测电路、模数转换芯片（ADC）、数模转换芯片（DAC）和接口电路部分组成，各部分的相互关系如图2-60所示。

图2-60 激光器驱动单元电路结构框图

3）线路监视模块提供对设备线路输入信号和输出信号的监视，并对海底光中继设备工作状态进行控制。采用对EDFA输入信号和输出信号的监测，控制泵浦激光器和增益均衡器实现理想的增益和增益平坦度。通过线路监视模块将接收到的网管指令转化成激光器驱动单元可以接收的格式，以调整或向网管反馈设备的工作状态。网管信息采用1510nm光传输，进入海底中继器之前使用1510波分解复用器将网管信息解调下来，分析识别信息地址并判断是否与本地管理模块地址相符，不相符的通过1510波分复用器转发出去，相符的根据网管命令调整设备运行状态。

4）电源模块为设备内其他几个单元提供所需的直流电源，由DC/DC变换模块组成，其基本功能是将输入的高压DC变换为泵浦激光器和其他配套电路模块需要的直流工作电压，并且能适应几十伏到几千伏的电压范围。电源模块具有完善的故障检测诊断与保护功能，内部通过多模块冗余备份方式提高电源转换模块的可靠性。模块运行数据由串行通信接口转换成光信号，通过光纤传输到远端，远程监控系统可以对其进行远距离的监控。

5）密封壳体提供对整个设备的密封和抗水压性能。机械结构是固定各功能单元模块的主体，并具有一定的散热措施和密封性，其对各功能单元模块的固定要满足一定的抗振动性能，提供的散热措施、密封性和对外接口要满足设备的环境工作性能，设备散热利用海水进行热量平衡控制。设备外壳材料可选用钛合金材料或铍青铜合金等材料，通常铍青铜的传热效果优于钛合金。密封壳体由内层光电结构模块、中间层组合密封结构、外层钢丝连接与防腐结构3部分组成，如图2-61a所示。密封壳体按照功能可划分为弯曲过渡结构、抗拉结构、绝缘密封结构、防腐结构与贮纤结构5大部分，如图2-61b所示。

图2-61 密封壳体结构

2.2.2.5 海底光均衡器

海底光缆通信系统中，EDFA增益不平坦，多级串联后使不同波长的光增益相差很大，这种光放大器线路的非一致性频谱响应使长距离传输系统的SNR下降。为了补偿这种效应可采用两种技术方式：一是功率预增强技术，根据每个波长在线路中的损耗情况，使进入每个WDM信道的光功率不同，从而使终端接收机对所有波长信道接收的SNR（BER）都几乎相同；其次是保持适当的预均衡，将增益平坦滤波器插入线路中。然而，每个中继器使用增益平坦滤波器（GFF），纠正EDFA增益形状和与波长有关的光纤传输损耗引起的输出功率-频谱曲线的畸变，这种方式不能完全解决所有信道级联后的偏差。而且，光纤老化或海缆维修也会引起网络传输特性的变化，进而使功率-频谱特性发生偏差。使用海底光均衡器可确保在信道间信号功率的均等分配，以满足所有信道对最小比特误码率的要求。海底均衡器按它们纠正的目的分类，纠正增益-频谱特性倾斜或斜率的，称为斜率均衡器（TEG），纠正与残留非线性有关倾斜的，称为形状均衡器（SEQ）。另外，按实现原理分为无源海底光均衡器和有源海底光均衡器。

图2-62表示段长损耗增加或减小1dB时观察到的EDFA增益曲线倾斜的变化。在波长32nm范围内，段长损耗变化为1dB，EDFA增益倾斜典型值为0.7dB。因此，对于包含120个EDFA的长6000km的海底光缆线路，总的增益倾斜是0.35×120=42dB，这样的增益倾斜不能被预增强补偿调整，因此，有必要在链路中周期性地插入一个补偿设备，以便在系统寿命期内，从终端站遥控调整它的频谱传输响应，进行增益均衡。这样的补偿设备称为调谐增益均衡器（TGEG）。

1.无源海底均衡器

图2-62 段长损耗变化1dB引起EDFA增益曲线倾斜变化

无源海底均衡器的特性在出厂前均已调整好。无源海底均衡器有倾斜均衡器（TEQ）和形状均衡器（SEQ），两者的区别在于是否与波长有关，前者与波长有关，而后者则无关。但两者均由固定传输滤波器组成，用光纤熔接方法接入中继器盒。一种无源均衡器用多个多层电介质膜（TFF）或布拉格光栅（IFBG）滤波器组成，典型均衡器的构成如图2-63所示，在包含8对光纤的中继器盒中，只用一个均衡器即可。

通常，每10～15个中继器段长插入一个无源海底均衡器，补偿放大器链路中残留非一致性频谱响应，如图2-64所示，没有增益均衡时，在1533～1565nm范围（32nm）内，增益波动3dB，当插入增益平坦均衡器后，只有0.25dB的波动。通常，均衡器的均衡范围为1～6dB，插入损耗为3～7dB。需要均衡的区段增益-频谱特性形状，以及滤波器的传输特性，通常直接测量决定。无源海底均衡器直流电阻小于0.5Ω，不需要供电。

图2-63 无源海底均衡器的滤波器

图2-64 固定增益均衡器对EDFA增益频谱响应的影响

2.有源海底均衡器

在输出功率自动控制中继器中，输入信号功率的下降将引起短波长信号EDFA增益的增加，于是产生了负的斜率，即频带短波长信道将携带更多的功率。使用有源海底均衡器可以均衡这种特性，可以通过发送管理指令，通过光纤传送给中继器监控电路，进行增益倾斜调整。对倾斜均衡的监控与对中继器的类似，不过使用的指令要少得多。光纤对上的每个有源滤波器有唯一的地址，终端站只需通知指定的倾斜均衡器调整线圈偏流，对倾斜实施控制。用于1个光纤对的有源倾斜均衡器（TEG）如图2-65所示，该均衡器利用法拉第磁光效应使入射光偏振方向发生旋转的效应构成，其磁场由通电线圈产生。波长不同旋转角度也不同，法拉第旋转器输出端对WDM波段内不同波长信道信号提供不同的线性衰减特性，即检偏器输出倾斜的增益-频谱特性，可用于对输入WDM信道信号增益的纠正。不同的偏流产生不同的倾斜校正，使用监控信号设置一套偏置电流。图2-65所示监控电路中的PIN光检测器接收终端站发送来的监控指令，被监控电路接收理解，并对光纤对上的有源滤波器独立控制。通常，6个光纤对均衡器消耗的电力可使供电网络电压下降15～20V（线性电流1000mA）。

图2-65 有源倾斜均衡器

通常，每10个左右海底中继器插入一个可调谐倾斜均衡器，补偿因器件老化和海缆维修引起的增益畸变。图2-66表示横跨大西洋海底光缆系统增益均衡前后的实测输出频谱曲线，该系统长6000km，有80个EDFA光中继器，采用8个波长C波段WDM，增益均衡器采用在线布拉格光栅（In-Fiber Bragg Grating，IFBG）滤波器。倾斜纠正范围典型值为±4dB，提供的平坦偏差为0.1～0.4dB。

图2-66 横跨大西洋海底光缆系统增益均衡前后实测（1nm带宽）输出信号频谱比较

有源均衡器还可以采用其他原理构成，例如可用拉曼泵浦获得正倾斜增益-频谱特性（见图2-65），用于纠正老化和维修产生的负斜率。单个拉曼波长泵浦就可以获得40nm以上的带宽。混合使用EDFA和拉曼泵浦，同时可以提供倾斜和增益补偿。另外一种有源均衡技术是使用可变光衰减器，调整输入到EDFA的输入功率，EDFA就产生一个线性倾斜的输出，直接控制VOA的设置。但这种方法的系统代价要比固定滤波器或拉曼倾斜均衡器的高。还有一种有源均衡是用光开关从一套无源倾斜滤波器特性中选择所需要的那种特性进行均衡，但这种方法将中断业务运行。