海底光缆

海底光缆在过去10多年中已经发展得比较成熟,特别在机械强度方面。光纤放大器和波分复用技术的问世,对海缆中的光纤特性有了新的要求。如何控制长距离海缆中光纤的色散(包括色度色散和偏振模色散)成了研究的重点。另外,氢对海底光缆性能与寿命的影响仍然需要进行研究。在本节中将讨论这几个方面的问题。

海底光缆的结构

海底光缆按其使用场合可分为浅海(深度在2000m以内)和深海(深度在2000～5000m)两类。它们之间的差别在于铠装层。浅海光缆需要能抵抗拖网渔船之类的外来损害,因而要求单层或双层的钢丝铠装。现代海底光缆结构的要点如下。
1)光纤单元
光纤单元是以采用激光焊接的不锈钢管为基础的。这管子提供松管结构,同时保护管中光纤,在光缆被敷设在海床上后,光纤不受海水静压的作用。光缆设计得可以被放在8000m深的海中。不锈钢管还能阻止氢接触光纤的可能。
2)复合导体
复合导体采用高强度钢丝组成的拱形结 构,从而增加光缆的抗压能力。钢丝层外面包 了一根焊接的铜管,它被拉缩于钢丝层的四 周而得到一根非常紧凑的复合导体。这根复 合导体除了作远距离供电以外,还保证光缆 敷设于深海时,光纤不致发生宏弯与微弯,并 提供了不锈钢管外面的第二层氢屏障。
3)聚乙烯护套
海底光缆采用高密度聚乙烯护套来取得 非常好的抗磨性能。与低密度聚乙烯相比,护 套厚度可以减小一些(约为3mm),从而使光 缆的密度有所增加。如果因远距离供电需要 提高供电电压的话,高密度聚乙烯护套的厚 度还可增加(约为4.5mm)。 对于深海(LW)光缆,到此就是成品。对 于浅海光缆还要按不同的使用环境加上相应 的铠装层。
4)屏蔽(LWP)光缆
在LWP光缆中,用一层高密度聚乙烯 外护套提供对LW光缆的保护,以免受磨损 和鱼咬。
5)单钢丝铠装(SA)光缆
在SA光缆中,用一层预成形的镀锌钢 丝提供保护。钢丝的预成形防止了一般在装 铠过程中会诱发的残余力矩,从而保证在 2000m以内深度的海中施放和回收光缆。铠 装层的优选设计提供了良好的柔软性与可操 作性。
6)双钢丝铠装(DA)光缆
在DA光缆中,用两层预成形的镀锌钢 丝提供保护。DA光缆是用于500m以内的浅 海中海底光缆的色散 过去,海底光缆分无中继的短距离系统 和带中继器的长距离系统。所用的中继器都 是重定时、重成形的再生器(3R再生器),每 隔一段距离(一般为100km)进行一次再生。

海底光缆的色散

在这些系统中,传输距离受光纤衰减的限制 而不受光纤色散的限制。所以不必对光纤的 色散进行严格的控制。对于560Mb/s或 622Mb/s的系统能够采用标准的(非色散位 移的)单模光纤,而对于2.5Gb/s的系统可 使用色散位移光纤。在这两种情况下,都不必 按光纤的色散来选择或配置光纤。
然而,对于 工作于高比特率(5Gb/s及以上)或有光放大 器的长距离系统,光纤的色散会在两个再生 器之间(再生器的间隔一般为1000km)积累 而影响传输。因而必须对光纤的色散作严格 的控制。除此以外,由于光放大器的功率较 大,使光纤中的光学非线性效应突出起来,如 在本文的第2章中已经阐述的。
所以控制光 纤的色散不能简单地把零色散波长选择得与 工作波长相重合,而是应当把零色散波长选 择得略大于工作波长,使得在工作波长上有 一些负的色散来抑制非线性效应。下面是控 制光纤这类色散的两个例子。
1)例1[52] 把光纤的零色散波长选在比工作波长高 约3 nm的波长上。每隔一些距离当负色散 积累到150ps/nm时接入一小段非色散位移 光纤,其长度一般小于10km。这样就能把整 个路由上的色散控制在0～ 150ps/nm的范 围内,图6示出沿系统长度上色散的分布。 图6　一个2000km海底光缆系统的1552nm,光放大器间隔为100km,再生器间 隔为1000km,光放大器的输出功率为+ 6dBm。在光纤中光功率在0dBm～ + 6dBm 的一段距离上选用零色散波长在1570nm的 光纤,使得在光功率较大的一段上不致产生 严重的非线性效应。在工作波长上光纤的衰 减约为0.20dB/km,故这一段的长度应为 30km。
在这段后面的光纤的零色散波长选在 略低于工作波长,使沿整个路由上的色散控 制在容许范围内。 在长距离海底光缆系统中,偏振模色散 (PMD)是必须注意的另外一种色散,根据文 献52的报道,对于传输速率为5～ 10Gb/s, 再生间隔为1000km的海底光缆系统,要求 偏振模色散在全长上的平均值为0.16ps/ km,而在现场实测到的平均值为0.07ps/ km。
这种要求比较严格,又因为偏振模色 散的随机特性,不能像上述色散那样进行补 偿,必须从光纤生产到光缆敷设的各个环节 中严加控制。 最近几年发展起来的波分复用(WDM) 技术在海底光缆系统中也得到了广泛的应 用。 WDM技术的应用可以把系统传输速率 限制到2.5Gb/s,而得到同样的容量。在这种 情况下,色散控制就可得到一定程度的简化。 预计将于1999年底建成投产的全长 26000km的中美海底光缆就是采用目前世 界上最先进的光放大和波分复用技术,每对 光纤的容量相当于20Gb/s,可以传送24万 条数字电路。