劉中華，龔浩敏，吳 巖，張益昕

(1.中國科學(xué)院聲學(xué)研究所，北京 100190； 2.烽火通信科技股份有限公司，武漢 430073；3.南京大學(xué) 光通信工程研究中心，南京 210023)

0 引 言

隨著全球網(wǎng)絡(luò)全國際互聯(lián)協(xié)議(Internet Protocol,IP)化和寬帶多媒體業(yè)務(wù)驅(qū)動數(shù)據(jù)通信尤其是互聯(lián)網(wǎng)的爆發(fā)式發(fā)展，國際間通信對傳輸容量的要求不斷提升。海纜傳輸作為當(dāng)代國際通信的重要手段，承載了包括互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)、語音業(yè)務(wù)以及跨國公司專線業(yè)務(wù)等90%以上的國際通信業(yè)務(wù)，是國際信息化發(fā)展的主要載體。

與傳統(tǒng)的陸地傳輸系統(tǒng)相比，海底傳輸系統(tǒng)具有鋪設(shè)難度高、可靠性要求高、超高抗水壓能力以及傳輸距離超長等特點，這就要求在海底光纜發(fā)生故障時能夠準(zhǔn)確快速定位故障。在普通陸地傳輸系統(tǒng)中，當(dāng)光纜故障發(fā)生時，可使用光時域反射儀(Optical Time-Domain Reflectometry，OTDR)來準(zhǔn)確檢測光纜故障點，實施快速修復(fù)。但在有中繼器(Repeater，RPT)的海底傳輸系統(tǒng)中，由于RPT內(nèi)摻鉺光纖放大器(Erbium Doped Fiber Application Amplifier，EDFA)的反向自發(fā)輻射噪聲對反向瑞利散射有較大影響，大大降低了普通OTDR測量的信噪比和動態(tài)范圍，因而無法準(zhǔn)確檢測故障點。目前針對海底傳輸系統(tǒng)，業(yè)界一般采用相干光時域反射儀(Co-herent Optical Time-Domain Reflectometer，C-OTDR)技術(shù)來進(jìn)行海纜故障檢測[1]。

1 C-OTDR技術(shù)基本原理

1.1 海底光纖傳輸系統(tǒng)介紹

在了解C-OTDR技術(shù)之前，需要先了解海纜傳輸系統(tǒng)。海纜傳輸系統(tǒng)主要分為海底設(shè)備和陸上設(shè)備兩大部分。海底設(shè)備主要包括海底光纜(Submarine Optical Cable)、RPT和分支單元(Branching Unit，BU)等設(shè)備；陸上設(shè)備包括海纜線路監(jiān)測(Submarine Line Monitor，SLM)、海纜線路終端設(shè)備(Submarine Line Terminal Equipment，SLTE)、饋電設(shè)備(Power Feed Equipment，PFE)和網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)(Network Management System，NMS)等。

各類業(yè)務(wù)通過SLTE進(jìn)行匯聚和光/電轉(zhuǎn)換后通過海纜進(jìn)行傳輸，RPT內(nèi)的EDFA對信號進(jìn)行放大以便有效延伸傳輸距離，當(dāng)存在多點之間業(yè)務(wù)上下話需求時，可以通過BU完成，同時BU可以對電能進(jìn)行切換，保障海纜線路維修安全，日常運行采用NMS和SLM設(shè)備進(jìn)行運行狀態(tài)監(jiān)控和故障的定位。

根據(jù)實際傳輸距離，海纜傳輸系統(tǒng)又可細(xì)分為無中繼和有中繼海纜傳輸系統(tǒng)。無中繼海纜傳輸系統(tǒng)一般用在傳輸距離較短的點到點之間的跨海通信中，常見于國內(nèi)沿海城市之間或沿海城市與相鄰海島之間200～300 km間通信。如圖1所示，有中繼海纜傳輸系統(tǒng)一般用于傳輸距離較長的點到多點之間的跨海通信中，常見于國內(nèi)沿海城市與距離遙遠(yuǎn)的海島、國家與國家之間、大洲與大洲之間的通信，通常傳輸長度在幾千甚至上萬千米。

圖1 有中繼海纜傳輸系統(tǒng)Figure 1 Relay submarine cable transmission system

1.2 OTDR技術(shù)及其制約

純凈介質(zhì)中的光散射是由光子與傳輸介質(zhì)中的粒子發(fā)生彈性或非彈性碰撞引起的，當(dāng)光波在光纖中前向傳輸時，會在光纖沿線不斷產(chǎn)生反向瑞利散射光，OTDR技術(shù)利用的是光纖中折射率分布不均勻引起的瑞利散射，通過檢測其功率來實現(xiàn)對光纖損耗的分布式監(jiān)測。

將一定功率的激光脈沖注入光纖，當(dāng)光沿光纖傳輸時，若遇到光纖裂紋、斷點、彎曲、端面不潔和連接頭等情況，反向瑞利散射光功率會有不同的變化，通過檢測沿光纖長度各點返回的反向瑞利散射光功率的信息，分析測定光纖的各項性能，如熔接點、彎曲點、連接頭和光纖裂縫等事件，如圖2所示。

圖2 典型的OTDR探測曲線Figure 2 Typical OTDR detection curve

由于傳統(tǒng)OTDR直接探測反向瑞利散射光功率，通?？梢哉J(rèn)為光源輸出功率越高，反向瑞利散射光功率越強(qiáng)，探測距離越長，因此傳統(tǒng)OTDR一般采用寬譜光源，避免高功率激光脈沖在光纖傳輸中引起非線性效應(yīng)影響OTDR性能。

在帶有光中繼放大的傳輸線路中，目前大多采用EDFA來補(bǔ)償信號光的損耗，延長信號光的傳輸距離。由于EDFA自身特性，在對信號進(jìn)行放大的同時會產(chǎn)生自發(fā)輻射噪聲，噪聲的不斷累積會使OTDR測量的信噪比快速下降，導(dǎo)致無法測量。在陸地系統(tǒng)上，可以通過站點間的相關(guān)設(shè)備管理信息定位到傳輸段落后，剝離EDFA再進(jìn)行OTDR測量來快速定位光纖具體故障點，但在海底傳輸系統(tǒng)中，RPT一般深埋在海底幾千米的地方，每次打撈將耗費巨大的資金，因此陸地的處理方式不具備可行性，無法探測海底光纜斷點等情況。

相對于傳統(tǒng)OTDR技術(shù)，C-OTDR技術(shù)能夠濾除絕大部分的放大器自發(fā)輻射 (Amplified Spontaneous Emission，ASE)噪聲，從而提升系統(tǒng)測量的信噪比，延長傳感距離，無懼EDFA的級聯(lián)ASE噪聲影響，在多跨距EDFA傳輸系統(tǒng)中依舊能夠?qū)崿F(xiàn)探測[2]。

1.3 C-OTDR技術(shù)原理及其實現(xiàn)

相比傳統(tǒng)的OTDR技術(shù)，C-OTDR技術(shù)主要利用了相干探測技術(shù)。在對無中繼放大器通信線路的監(jiān)測中，假設(shè)反向瑞利散射信號能量Eb為

本振光能量Elo為

式中：Ps、Plo、f0和f分別為反向瑞利散射信號的功率、本振光功率、激光器輸出的頻率以及聲光調(diào)制器的頻移量；t為離散時間變量；j為虛數(shù)單位。這樣反向瑞利散射信號和本振光二者相干的過程能量E可表示為

于是從光電探測器輸出的光電流I可表示為

式中：e為電子電荷；η為探測器量子效率；h為普朗克常量；ω0為光子頻率。

C-OTDR 技術(shù)使用平衡探測器且采用交流耦合輸出，于是相干中頻(Intermediate Frequency，IF)分量Iif可表示為

由上述公式可知，反向瑞利散射信號的功率Ps就集中在此相干IFf上[3]， 所以C-OTDR技術(shù)利用OTDR技術(shù)和相干接收探測方法來檢測光脈沖在被測光纖中的反向瑞利散射光功率，通過相干探測方法把探測到的信號光功率集中到IF，通過對該頻率的信號進(jìn)行帶通濾波即可濾除大部分噪聲，使其能穿過EDFA不斷延伸探測距離[4]。

具體實現(xiàn)上，C-OTDR系統(tǒng)通過窄線寬激光器產(chǎn)生一個光源，該光源經(jīng)過耦合器被分成兩束光[5]，其中一束經(jīng)過聲光調(diào)制器調(diào)制后形成脈沖信號，與密集波分復(fù)用(Dense Wavelength Division Multiplexing，DWDM)激光器產(chǎn)生的互補(bǔ)信號通過耦合器形成連續(xù)信號后再送入脈沖EDFA，經(jīng)過放大后進(jìn)入傳輸下行鏈路。另一束光經(jīng)過擾偏器形成與本振光相位相干信號，與進(jìn)入下行鏈路的探測光束所返回的瑞利散射光共同耦合后進(jìn)入光電探測器再通過放大及模/數(shù)轉(zhuǎn)換等一系列處理得出探測曲線。圖3所示為C-OTDR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3 C-OTDR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Figure 3 Schematic diagram of C-OTDR system

C-OTDR技術(shù)有效克服了OTDR的缺點，其采用單頻窄線寬激光光源將可探測光信號集中在一個頻率上，探測光信號在被測光纖中的反向瑞利散射與窄線寬激光器光源的相干探測產(chǎn)生一個中頻信號，通過解調(diào)該信號的功率就可以得到反向瑞利散射進(jìn)而得到反射信息，在探測器后設(shè)置一個帶通濾波器就可以濾除絕大部分噪聲，圖4所示為濾波前后信號的對比圖。EDFA產(chǎn)生的ASE噪聲對測量的實際干擾也僅集中在探測光附近，從而將ASE噪聲對探測信號的影響降低至可忽略的范圍[6]。

圖4 濾波前后信號對比圖Figure 4 Signal comparison diagram before and after filtering

2 C-OTDR技術(shù)的應(yīng)用

2.1 光浪涌現(xiàn)象

在長距離(1 000 km以上)帶中繼海纜傳輸系統(tǒng)中，一般需要幾十級RPT才能完成傳輸，C-OTDR技術(shù)采用的是單脈沖、相干檢測方式對海底光纜進(jìn)行探測，當(dāng)執(zhí)行海纜線路檢測時，探測光信號就會以脈沖形式不斷向海纜線路中發(fā)射光信號，此時EDFA中大量鉺離子被激發(fā)，在積累到一定程度后，在下一個脈沖過來時，EDFA的增益會在短時間內(nèi)突然增大造成信號的起伏，具體表現(xiàn)為，在脈沖信號上升過程中，EDFA的泵浦功率被脈沖信號搶占，導(dǎo)致業(yè)務(wù)信號放大效果降低，也就是業(yè)務(wù)信號的輸出功率會降低；而當(dāng)探測脈沖信號下降時，信號功率的放大效果又會加強(qiáng)，從而產(chǎn)生光浪涌現(xiàn)象[7]。

如何抑制光浪涌現(xiàn)象是海纜傳輸系統(tǒng)中必須解決的一個問題，傳統(tǒng)的解決辦法是降低信號的功率或探測脈沖光的功率。采用模擬海纜線路的方式，搭建了20級EDFA級聯(lián)傳輸線路，通過改變信號功率與脈沖功率的大小來對末端光浪涌情況進(jìn)行測試。從總體上來說，降低脈沖信號的功率對光浪涌的改善效果更明顯。

實驗最后一級EDFA的監(jiān)控口使用光/電轉(zhuǎn)換探頭，通過示波器抓取相關(guān)波形來測試?yán)擞看笮?。圖5所示為不同信號功率疊加不同脈沖信號功率的光浪涌。由圖5(a)和圖5(b)可知，在疊加2 dBm的恒定脈沖信號功率、業(yè)務(wù)信號功率輸出在11和8 dBm的情況下，信號功率變化幅度分別為ΔV=125.38 和358.74 mV，即在脈沖功率不變的情況下，信號功率越低，光浪涌現(xiàn)象越明顯，浪涌功率越大；如圖5(c)所示，將脈沖信號功率降低至-1 dBm，業(yè)務(wù)信號輸出功率恒定為11 dBm，對比圖5(a)和圖5(c)可知，信號功率變化幅度分別為ΔV=125.380 0和15.872 4 mV，也即信號功率輸出不變的情況下，脈沖功率越低，光浪涌現(xiàn)象越小，浪涌功率越低。

圖5 不同信號功率疊加不同脈沖信號功率的光浪涌圖Figure 5 Different signal power superimposes different pulse signal power light surge diagram

在實際海纜傳輸系統(tǒng)中，信號功率降低會直接影響傳輸距離，而探測脈沖光降低將影響探測效果，均對海纜傳輸系統(tǒng)有不利的影響。如何消除光浪涌現(xiàn)象，在保證信號傳輸距離的前提下，也能確保光纜監(jiān)測的準(zhǔn)確性一直是業(yè)界難題。

為了更好地解決光浪涌現(xiàn)象，在海纜傳輸系統(tǒng)中有效利用C-OTDR技術(shù)，本文引入了頻移鍵控(Frequency-Shift Keying,FSK)技術(shù)[8]。采用一路與探測光脈沖互補(bǔ)的填充光，使二者合成為準(zhǔn)連續(xù)光，可以很好地消除光浪涌，如圖6所示。

圖6 基于FSK技術(shù)的C-OTDR系統(tǒng)Figure 6 C-OTDR system based on FSK

FSK技術(shù)下的探測光雖然在時域上是一個連續(xù)的光，如圖7所示，但在頻域上依然是離散的，實際上的連續(xù)探測光還是以脈沖形式存在。

圖7 100 μs脈沖C-OTDR探測光Figure 7 100 μs pulsed C-OTDR probe light

2.2 C-OTDR技術(shù)在海纜傳輸系統(tǒng)中的應(yīng)用

海底光纜傳輸系統(tǒng)一般需要傳輸幾千km距離，每隔100～120 km放置一個RPT。RPT內(nèi)部使用EDFA放大單元，一般情況下EDFA需要放置光隔離器用來隔離信號反射光對EDFA性能的影響。所以C-OTDR探測脈沖光信號的瑞利反射也是無法穿過EDFA器件的。為了解決探測光的反向瑞利散射光的返回路徑, 一般海纜系統(tǒng)在RPT內(nèi)部將反向瑞利散射光耦合到另一根反向傳輸鏈路中, 利用反向傳輸光纖作為探測光瑞利反射的返回途徑。

當(dāng)中間光纜出現(xiàn)中斷時，探測光瑞利反射光的返回路徑也中斷，表現(xiàn)在曲線上時為斷點，如圖8所示，通過兩端探測方式分析斷點位置，結(jié)合海纜布放路由路徑即可定位到具體的故障地點，再安排施工船進(jìn)行修理。

圖8 C-OTDR探測曲線Figure 8 C-OTDR detection curve

近年來，國內(nèi)多家單位通過采用上述分析的相關(guān)技術(shù)聯(lián)合開發(fā)了C-OTDR樣機(jī)，并在相關(guān)實驗室中對25跨系統(tǒng)超過2 500 km模擬海纜線路做了測試，對C-OTDR的動態(tài)范圍、分辨率、盲區(qū)、斷點和多跨曲線等相關(guān)項目做了較為完整的測試，獲得了不錯的測試數(shù)據(jù)。

實驗室模擬海纜系統(tǒng)如圖9所示。

圖9 模擬25跨海纜傳輸系統(tǒng)Figure 9 Simulation of 25 cross-sea cable transmission system

相關(guān)測試數(shù)據(jù)如表1所示。

由表可知，C-OTDR技術(shù)完全可以在超長距帶中繼海纜傳輸系統(tǒng)中應(yīng)用，無論是動態(tài)范圍還是定位精度和斷點的探測能力都能滿足相應(yīng)的要求，未來隨著海洋網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的持續(xù)發(fā)展，相信業(yè)界在C-OTDR技術(shù)上也會挖掘潛力，做進(jìn)一步的優(yōu)化探索。

3 結(jié)束語

本文主要介紹了C-OTDR相關(guān)技術(shù)原理和在海纜系統(tǒng)中的應(yīng)用情況，采用相干探測技術(shù)的C-OTDR能夠有效消除多級EDFA級聯(lián)自發(fā)ASE帶來的影響，延長了探測距離，同時可采用FSK技術(shù)消除光浪涌影響，通過增加瑞利反射回路方式可應(yīng)用于海底帶有中繼系統(tǒng)的傳輸線路中，有效解決了海纜傳輸系統(tǒng)的檢測和故障定位難題。文章第二部分給出了C-OTDR樣機(jī)在模擬海纜系統(tǒng)中的測試效果，也驗證了該技術(shù)的可用性，為后續(xù)的系統(tǒng)應(yīng)用提供了參考，相信隨著海洋網(wǎng)絡(luò)的持續(xù)建設(shè)和發(fā)展，C-OTDR技術(shù)也會進(jìn)一步得到優(yōu)化。