光倒換設備智能選取主、備優質纖芯技術改進研究與實現

王 偉 宋 威 朱玉龍

（中國人民解放軍31401部隊，黑龍江 哈爾濱 150000）

1 研究的必要性和意義

光線路自動導換保護設備是一個集監測、保護和管理為一體的綜合管理系統，該系統可以對光纜物理層進行自動監控保護，在系統主用光纖通道和備用光纖通道之間實現自動導換的功能，在一定程度上降低了光纜阻斷對傳輸系統的影響，保證光傳輸系統可以正常運行。但傳統的獨立外置型光線路自動導換保護設備僅能對主、備光纜進行整體導換，在復雜地形和惡劣氣候下出現主、備光纜各有1根纖芯發生故障的概率較高，此時，傳統的獨立外置型光線路自動導換保護設備就無法充分有效地利用現有緊張的纖芯資源對系統進行有效保護。

2 國內外研究概況、水平

國外主要采用傳輸通信設備自身的迂回電路通道進行業務保護，需要消耗主、備用整體纖芯資源作為工作通道和保護通道。迂回恢復通路的時間不確定。

國內主要基于主、備整體光纜倒換技術開展研究開發工作，研究方向更多集中在整體倒換保護基礎上，尤其是對器件工藝技術進行改進和優化，以減少插入損耗，提升保護時間。

目前，對主、備用光纜的單芯選取重組倒換進行保護的研究基本處于空白狀態。

3 智能選取主、備優質纖芯技術研究方案

3.1 整體設計原理

當前，獨立外置式光線路自動倒換保護設備主要通過光開關對主、備光纜纖芯進行整體倒換，纖芯利用率較低。該項目通過研究光線路智能倒換保護系統光路選擇優先權限模型機制，采用光功率檢測模塊對接收光功率進行檢測判斷，識別優質纖芯，由系統控制電路控制光開關進行線路纖芯倒換，重新構成收發纖芯回路，實現智能選取優質纖芯的目的。

當主用線路中1根纖芯質量劣化或發生阻斷且備用線路也有1根纖芯產生質量劣化或發生阻斷時，在接收端同時對主、備線路（纖芯）的接收光功率進行判定，就可以實時區分各質量優劣級別所對應的纖芯，再通過智能控制單元對單芯進行倒換保護。具體工作流程如圖1所示。

假定主用的第一芯與備用的第二芯均出現質量劣化或阻斷的問題，此時通過判別接收端的功率立即啟動站點B端的光開關倒換，將主用第一芯的業務切至備用第一芯。同時，由于備用第二芯出現質量劣化或阻斷的問題，因此A端的接收側將不會有倒換動作，從而確保B→A的業務仍然可以在主用第二芯上正常運行，避免了傳統倒換設備只能整體倒換的弊端，極大地降低了這種單芯劣化或阻斷造成通信阻斷的概率，從而提升系統的可通率和在用纖芯資源的使用率。

實現上述功能的設計方案原理如圖2所示，主要由光信號同步分配單元、雙路功率同步監測控制單元、功率損耗同步計算單元、反饋控制單元、光信號選路單元、電源單元以及通信單元等部分組成。

3.2 關鍵技術

圖1 智能單芯倒換工作原理示意圖

根據光纖通信理論可知，當單模光纖傳導光信號時，光的能量并不完全在纖芯中傳播，有少量能量在靠近纖芯的包層中傳播。當2根光纖的纖芯的距離足夠小時，在一根光纖中傳輸的光的模場就可以進入另外一根光纖，在2根光纖中重新分配光信號，基于這一理論，在系統的發射端設計一個類似的功能模塊，在模塊里將2根光纖束縛在一起，通過熔融拉伸的方法將2根光纖的中部融為一體。將具體融合的長度設為L，根據光波導理論，傳導模是2個正交的基膜。當傳導模進入熔錐區時，隨著纖芯不斷變細，歸一化頻率V值逐漸減小，越來越多的光功率滲入光纖包層中，因此，光功率是在以包層為芯、纖外介質為新包層的復合波導中傳輸的。在輸出端，隨著纖芯逐漸變粗，V值逐漸增大，光功率被2根光纖芯以特定的比例“捕獲”。在熔錐區，2個光纖包層合并在一起，當纖芯足夠接近時，就可以形成弱耦合。將一根光纖看做是另一光纖的擾動。在弱導近似下，假設光纖是無吸收的，如公式（1）所示。

圖2 設計方案原理圖

式中：Rc為光纖耦合比；C為耦合系數；L為耦合區長度；x為坐標軸。

因此，可以得到耦合比Rc與耦合區長度L的關系。因為正弦平方值為0～1，所以耦合比為0%～100%，耦合比隨波長的變化而變化。根據實際線路系統的要求，該文將比例設置為50%。通過如圖3所示的設計方式就可以實現在主、備線路上傳遞相同業務信號的目的。

圖3 光信號同步分配單元制作電路

由于倒換部件存在固有的倒換動作，因此插損增益、無損傷線路倒換技術會在短時間的物理鏈路上產生一段空窗期，而目前的傳輸設備自身都設置有一定時間窗口的容錯，如果這個空檔期短于該容錯窗口，那么對傳輸設備來說，視為業務不受影響。根據國家標準可知，該時間窗口指定為不超過50 ms。為了實現這一目的，形成單芯倒換的工作效果，需要考慮在系統的接收處進行主、備雙路功率同步監測計算識別；同時，在接收處設計光路選擇裝置，配合功率監測識別的結果進行倒換（無損）。

對主、備雙路功率的同步監測是通過在主、備接收處各設計1個光電探測電路來實現的。處理電路則是配置運算放大器，將光電二極管產生的光電流轉化為電壓、電流等電路參數，如圖4所示。

由圖4可知，通過設計運放，可以有效地將模擬量轉換為數字量，實現ADC轉換處理的目標。在具體電路設計方面，電阻、電容的對稱設計在降低噪聲的同時，還可以消除高頻、低頻的噪聲，因此，在設計時須重點設置相應的阻容值，從而形成匹配網絡。匹配π網絡的調整從原理上來說，在具有電阻、電容的電路里，對交流電所起的阻礙作用稱作阻抗，一個具體的電路的阻抗是可能隨時變化的，因此需要在測試過程中逐步優化、調整，使其達到最佳狀態。具體解決方案需要使用串聯/并聯電阻的形式，該項目主要采用Smith圓圖的形式對參數進行選擇、設計，定義一個反射系數Γ，如公式（2）所示。

圖4 光電檢測處理電路示意圖

式中：Z為網絡端口阻抗；Z為參考阻抗；z為歸一化阻抗；θ為相角（-180°≤θ≤180°）；j為復指數。

阻抗與Γ平面上的點存在一一對應的關系。假設z=r+jx（r為電阻；x為坐標軸），則有公式（3）。

式中：（Γ，Γ）為Γ平面的直角坐標。

通過公式（2）、公式（3）可以將（Γ，Γ）其轉換為直角平面上的2組圓（電阻圓與電抗圓）。將這2個圓重合在一起，即形成Smith阻抗圓圖。根據上述點位的參數情況設計匹配網絡，在實際使用過程中大多都是按照π網絡進行設計、調整的，π網絡架構如圖5所示。

圖5 π網絡架構示意圖

在具體計算時，可以考慮將L分解為L與L，相當于是分解為2個L型網絡，R經L與C變換為中間電阻R，R經L與C變換為中間電阻R，當2個中間電阻相等時，說明阻抗匹配任務結束。

4 光信號選路單元

光路選擇裝置主要通過設計光開關來實現，光開關是一種具有1個或多個可選的傳輸端口的光學器件，其作用是對光傳輸線路或集成光路中的光信號進行物理倒換或邏輯操作。通過光纖或光學元件的移動來改變光路，目前主要是通過移動反射鏡的方法來實現（原理如圖6所示）。

圖6 移動反射鏡光路選擇開關示意圖

主要通過光開關技術與微機電技術（MEMS）來實現具體設計，從而解決無損傷光路切換的問題。其中，微機電系統（MEMS， Micro-Electro-Mechanic System）是一種先進的制造技術平臺，它是以半導體制造技術為基礎發展起來的。MEMS技術采用了半導體技術中的光刻、腐蝕以及薄膜等一系列的現有技術和材料。該器件的設計不受偏振和波長的影響；同時，因為所涉及的光器件較少，所以附加插入損耗低（小于l dB），串擾小于-60 dB，更重要的是其開關速度是毫秒量級，能夠滿足小于或等于50 ms無損倒換的要求。

5 結論

該項目研制完成并配置到通信臺站后，能夠更好地對光纜物理層進行自動監控保護，尤其對復雜地形條件和惡劣氣候條件來說，能夠有效地解決因主、備用光纜纖芯同時出現單斷而引起的系統阻斷問題，在傳統的基礎上提升現有主、備用光纜纖芯的利用率，減少了系統光纜因單芯衰耗大或阻斷而導致系統誤碼和全阻斷的概率，有效地解決了通信光纜纖芯資源緊張的矛盾，提升了現有纖芯資源的利用率。在該基礎上可以推廣到全國使用，應用前景廣泛，實用效益明顯。