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

2 國內(nèi)外研究概況、水平

國外主要采用傳輸通信設(shè)備自身的迂回電路通道進行業(yè)務(wù)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(fù)通路的時間不確定。

國內(nèi)主要基于主、備整體光纜倒換技術(shù)開展研究開發(fā)工作，研究方向更多集中在整體倒換保護基礎(chǔ)上，尤其是對器件工藝技術(shù)進行改進和優(yōu)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(tài)。

3 智能選取主、備優(yōu)質(zhì)纖芯技術(shù)研究方案

3.1 整體設(shè)計原理

當前，獨立外置式光線路自動倒換保護設(shè)備主要通過光開關(guān)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(tǒng)光路選擇優(yōu)先權(quán)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(yōu)質(zhì)纖芯，由系統(tǒng)控制電路控制光開關(guān)進行線路纖芯倒換，重新構(gòu)成收發(fā)纖芯回路，實現(xiàn)智能選取優(yōu)質(zhì)纖芯的目的。

當主用線路中1根纖芯質(zhì)量劣化或發(fā)生阻斷且備用線路也有1根纖芯產(chǎn)生質(zhì)量劣化或發(fā)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(qū)分各質(zhì)量優(yōu)劣級別所對應(yīng)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(xiàn)質(zhì)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(guān)倒換，將主用第一芯的業(yè)務(wù)切至備用第一芯。同時，由于備用第二芯出現(xiàn)質(zhì)量劣化或阻斷的問題，因此A端的接收側(cè)將不會有倒換動作，從而確保B→A的業(yè)務(wù)仍然可以在主用第二芯上正常運行，避免了傳統(tǒng)倒換設(shè)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(tǒng)的可通率和在用纖芯資源的使用率。

實現(xiàn)上述功能的設(shè)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(jiān)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(guān)鍵技術(shù)

圖1 智能單芯倒換工作原理示意圖

根據(jù)光纖通信理論可知，當單模光纖傳導(dǎo)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?shù)墓獾哪鼍涂梢赃M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(tǒng)的發(fā)射端設(shè)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(shè)為L，根據(jù)光波導(dǎo)理論，傳導(dǎo)模是2個正交的基膜。當傳導(dǎo)模進入熔錐區(qū)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(zhì)為新包層的復(fù)合波導(dǎo)中傳輸?shù)?。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(qū)，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(dǎo)近似下，假設(shè)光纖是無吸收的，如公式（1）所示。

圖2 設(shè)計方案原理圖

式中：Rc為光纖耦合比；C為耦合系數(shù)；L為耦合區(qū)長度；x為坐標軸。

因此，可以得到耦合比Rc與耦合區(qū)長度L的關(guān)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(jù)實際線路系統(tǒng)的要求，該文將比例設(shè)置為50%。通過如圖3所示的設(shè)計方式就可以實現(xiàn)在主、備線路上傳遞相同業(yè)務(wù)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(shù)會在短時間的物理鏈路上產(chǎn)生一段空窗期，而目前的傳輸設(shè)備自身都設(shè)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(shè)備來說，視為業(yè)務(wù)不受影響。根據(jù)國家標準可知，該時間窗口指定為不超過50 ms。為了實現(xiàn)這一目的，形成單芯倒換的工作效果，需要考慮在系統(tǒng)的接收處進行主、備雙路功率同步監(jiān)測計算識別；同時，在接收處設(shè)計光路選擇裝置，配合功率監(jiān)測識別的結(jié)果進行倒換（無損）。

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

由圖4可知，通過設(shè)計運放，可以有效地將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，實現(xiàn)ADC轉(zhuǎn)換處理的目標。在具體電路設(shè)計方面，電阻、電容的對稱設(shè)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(shè)計時須重點設(shè)置相應(yīng)的阻容值，從而形成匹配網(wǎng)絡(luò)。匹配π網(wǎng)絡(luò)的調(diào)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(yōu)化、調(diào)整，使其達到最佳狀態(tài)。具體解決方案需要使用串聯(lián)/并聯(lián)電阻的形式，該項目主要采用Smith圓圖的形式對參數(shù)進行選擇、設(shè)計，定義一個反射系數(shù)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(wǎng)絡(luò)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(fù)指數(shù)。

阻抗與Γ平面上的點存在一一對應(yīng)的關(guān)系。假設(shè)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(zhuǎn)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(jù)上述點位的參數(shù)情況設(shè)計匹配網(wǎng)絡(luò)，在實際使用過程中大多都是按照π網(wǎng)絡(luò)進行設(shè)計、調(diào)整的，π網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖5所示。

圖5 π網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)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(wǎng)絡(luò)，R經(jīng)L與C變換為中間電阻R，R經(jīng)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(wù)結(jié)束。

4 光信號選路單元

光路選擇裝置主要通過設(shè)計光開關(guān)來實現(xiàn)，光開關(guān)是一種具有1個或多個可選的傳輸端口的光學(xué)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(xué)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(xiàn)（原理如圖6所示）。

圖6 移動反射鏡光路選擇開關(guān)示意圖

主要通過光開關(guān)技術(shù)與微機電技術(shù)（MEMS）來實現(xiàn)具體設(shè)計，從而解決無損傷光路切換的問題。其中，微機電系統(tǒng)（MEMS， Micro-Electro-Mechanic System）是一種先進的制造技術(shù)平臺，它是以半導(dǎo)體制造技術(shù)為基礎(chǔ)發(fā)展起來的。MEMS技術(shù)采用了半導(dǎo)體技術(shù)中的光刻、腐蝕以及薄膜等一系列的現(xiàn)有技術(shù)和材料。該器件的設(shè)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(guān)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(jié)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(jiān)控保護，尤其對復(fù)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(xiàn)單斷而引起的系統(tǒng)阻斷問題，在傳統(tǒng)的基礎(chǔ)上提升現(xiàn)有主、備用光纜纖芯的利用率，減少了系統(tǒng)光纜因單芯衰耗大或阻斷而導(dǎo)致系統(tǒng)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(xiàn)有纖芯資源的利用率。在該基礎(chǔ)上可以推廣到全國使用，應(yīng)用前景廣泛，實用效益明顯。