海底光缆通信系统技术进展探析

海底光缆通信系统技术进展探析

袁松

中国电子科技集团公司第八研究所 , 宇航光纤互连技术安徽省重点实验室

安徽 淮南 232001

【摘要】作为通信系统的基础，光纤具有非常重要的作用，尤其是随着信息化时代的到来，光纤的地位越来越高。对于海底光缆来说，需要具有抗干扰、保密性好、隐蔽性好和稳定可靠的优势。尤其是对于我国来说，拥有非常广阔的海域面积，众多岛屿，跨海通信就变得非常重要。国家近些年也逐渐加大了对海底光缆的建设工作，也取得了非常显著的成果。本文研究的主要目的，就是对海底光缆通信系统技术进行了多角度深层次探索，希望对我国海底光缆通信系统的可持续健康发展提供一定的意见和建议。

【关键词】海底光缆；通信系统技术；进展

作为跨洋通信的重要通信手段，海底光缆在全球范围内已经由200多条，尤其是对于我们国家，海底光缆的地位非常重要，海域广阔使海缆通信变得越发重要。随着国家综合实力的提升和全球化进程的深入，对海洋权益的维护和海洋战略的发展越来越紧迫，中国对自己的海洋通信系统进行深入研究具有重要意义。

一、海底光缆通信系统概述

海底光缆通信系统主要的组成部分为：传输终端设备、分路器、水下中继器和海底光缆。可以分为两大类：第一类，无中继短距离通信系统，主要采用的传统方式是岛屿间、近海岛屿与大陆等距离较短的通信系统。传输距离一般在450-500KM。第二类，中继的中、长距离系统。主要是进行跨洋国际间通信。其中，系统主要分为两部分，岸上设备和水下设备。其中，水下设备包含，额水下分支单元、光放大器、光缆等。相比较陆地光缆有保护装置来说，海底光缆的保护装置更加强大。光放大器的作用主要是对通信链路的中继距离进行演唱，而水下分支单元能够实现电源远供，比如非常重要的组成部分——远供电源导体。而岸上设备主要包含了海洋接地装置、网络管理设备、线路监测设备、远供电源、线路终端设备等。其中，线路监测设备可以对各部件进行监测，如果出现故障，可以自动定位故障并发出警告。

二、海底光缆通信系统发展历程

海底光缆(Submarine Optical Fibre Cable)也被称为海底通讯电缆，用以国家主干线路的电信传输，到目前为止已经由100多年的历史。在1850年英国与法国质检铺设了全世界第一条海底电缆。我国在1997年参与建设了全球海底光缆系统（FLAG）并投入运营，属于我国登录洲际光缆系统第一条。

图1 海底光缆

随着科技的进步，在2009年的时候就已经进行了26个信道、100 Gbit/s速率、401 km的无中继传输试验，也就是第三代海底光缆系统。相比较卫星和微波来说，海底光缆通信质量更强，而且施工难度相比较陆上光缆更小，因此，全球的海底光缆系统开始大量敷设，这也在一定程度上增加了海底光缆传输的话务量。

图2 海底光缆传输容量与网络拓扑结构

在上世纪90年代，我国与美国、日本共同建设了通向世界的大容量海底光缆——中日海底光缆，大大提高了我国的国际通信能力。到2008年，我国国际海底光缆总数为17条8个系统。海底光缆通信具有传输质量好、可靠性高和容量大的优势，承担着世界80%以上的长途通信业务，在通信网络中的地位越来越高，具有非常广阔的发展前景，到目前为止海底光缆通信系统速率已经达到了640 Gbit/s

三、海底光缆结构

（一）海底光缆光纤

海底光缆采用的光纤分为三种：G.654低衰减单模光纤、G.653色散位移单模光纤以及G.652非色散位移单模光纤。与陆缆相比，海底光缆内使用的光纤除了陆缆常用的G.652和G.655外，还有专用的G.654光纤，以上三种光纤的主要指标如下表：

表1 海底光缆主要光纤类型及主要指标

通常来说，光纤强度达到2%，直径125±2.4% ，非色散位移单模光纤要按照比特速率和链路长度选择色散补偿光纤开展调节。G.653色散位移单模光纤具有色散小和损耗少的特点。而在1550nm区域光纤衰减最低的是G.654单模光纤，在远距离海底通信系统中比较适用。

（二）光缆结构

海缆结构设计要充分体现出安全、可靠和全面的特性，在不同深度敷设海底光缆的时候，要采用相对应的技术要求。在设计海底光缆结构的时候，一定要满足护层防腐蚀性好、抗张力强、耐水压高、长度长的要求，另外还需要加强防氢工作。目前，国际上回按照敷设的深度划分海底光缆结构。一种是浅海区域的海底光缆，具有外层恺装结构。另一种适用于深海区域的海底光缆，没有外层恺装结构的光缆，是在光缆内部进行加强件。结构图见表2 。

表2 海底光缆类型及结构

四、第4代海底光缆通信系统技术

近30年来，海底光缆研究经历了4代商用系统，详见表3所示。

表3 各代海底光缆通信系统特点

对于光纤通信技术来说，海底光缆通信技术能够代表最新的进展，为了扩大传输容量，会通过提高频谱利用率的方式，使光放大器带宽有限的问题得到缓解。首先，在发送端使用频谱整形技术，减小信道间距，降低光信号的光谱宽度。其次，采用每符号携带比QPSK调制更多比特的调制方式，也就是多维调制。想要增大光纤有效芯径面积，可以通过提高光信噪比，减小非线性影响，扩大传输距离的方式，减小光纤衰减系数。

采用数字信号处理(DSP)技术，能够有效提高及DWDM的系统性能、非线性效应影响的单信道、受光纤色度色散(CD)。对光纤通信系统传输产生的随机单个误码和突发性长串误码的现象有效纠正，使光纤通信系统的可靠性大大增强，比如增加了传输容量、延长了无中继传输距离、提高接收机灵敏度。

想要使海底光缆通信系统容量得到扩大，后期可以采用空分复用(SDM)的方式，如图3所示。也就是使用多芯光纤、多模光纤或光子晶体光纤。采用多模光纤，能够在不同的模式上复用互不相同的信息。比如，在2011年的时候就已经在2个模式光纤中传输了2个现行单模光纤系统信号。

图3 未来光纤应用

随着时代的发展社会的进步，光纤传输技术也得到了飞速发展，推动了海底光缆通信技术的提高。海底光缆通信系统技术经过这些年的发展，已经到了第4代海底光缆通信技术。现阶段，实用系统每根光纤可以支持15Th/s (150-100Gb/s)的容量。预计未来的光纤线路可以选择使用超低损耗光纤，相比较石英光纤最低损耗约低2个数量级。对于超低损耗光纤的研究正在开展，其种类较多，但存在的一个问题是光纤工作波长是2-3 。从理论上来说，氟化物光纤无中继距离可达数千千米。但相配套的器件还需要进一步研发，未来的发展前景不是特别明朗。目前，对于实现超低损耗光纤可以通过尝试采用光子晶体光纤的方法。

四、结束语

在当前新时代背景下，随着国家对海洋经济的日益重视，“一带一路”战略及5G通讯的实施，国家想要在国际上的地位不断提升，就必须要加强与外界的沟通交流，加大各国之间的合作力度。而海底光缆通信系统技术的发展，能够加强各国之间的联系，海底光缆技术未来的发展方向是低成本、可维修、大长度、四容量、高可靠和长寿命。近年来，国家对于海底光缆的投入力度越来越大，也取得了非常显著的成就，后期应当紧跟时代发展的步伐，加快海底光缆通信系统的建设工作，对海底光缆通信系统技术不断进行创新优化，从而使我国的国内外通信能力不断得到增强。

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