CN107210817A - 本地供电的光通信网络 - Google Patents

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Abstract

用于本地供电的光通信网络的光学系统(100)包括：第一干线终端(110)，所述第一干线终端(110)发射光信号(105、105c)；第二干线终端(120)，所述第二干线终端(120)接收所述光信号；通信干线(102、102c)；中间单元(151)；和电源(160)。所述通信干线沿水体底面设置并且将所述第一干线终端耦合至所述第二干线终端。所述通信干线将所述光信号从所述第一干线终端传输至所述第二干线终端。所述中间单元连接至所述第一干线终端与所述第二干线终端之间的所述通信干线。所述中间单元接收来自所述第一干线终端的发射的光信号，放大接收到的光信号，并且将放大的光信号发送至所述第二干线。所述电源为所述中间单元供电。

Description

本地供电的光通信网络
技术领域
本公开涉及一种如通过使用沿越洋光纤电缆的电源的本地供电的光通信网络。
背景技术
海底光通信电缆是铺设在连接基于陆地的站的海床上的光缆。光通信电缆跨越海洋携带信号，允许不同的大陆之间的跨越海洋的电缆通信。每条越洋海底光缆包括多对(多达8对)光纤；每对在每个方向上具有一根光纤。海底光通信电缆被分成多个部分，每个部分通过海底中继器连接至其它部分。当跨越海洋携带信号时，所述信号可能会失去其一些功率。每个海底中继器包括多个掺铒光纤放大器(EDFA)，在每根光纤的每个方向上的信号都会有一个放大器。每个EDFA具有足以补偿信号在其在光纤的先前部分中传播期间所经历的损失的增益。中继器之间的电缆(即，光纤)部分的典型长度是约60km。具有10,000km长度的典型的跨太平洋电缆具有约150至180个中继器。因此，中继器确保从另一基于陆地的站接收信号的基于陆地的站理解信号。换言之，中继器增加信号的功率以补偿信号传播期间的任何损失。增加的功率转换为更高的容量，这是因为光信号越清楚越精确，越可以将更复杂的信号从一个基于陆地的站发送至另一基于陆地的站。
参照图1，光通信系统10包括耦合至通信干线102的第一和第二干线终端110、120(也被称为站)。通信干线可以包括一个或者多个中继器150。中继器150由电力馈送设备(例如，位于海滨的电源112)所产生的恒定电流(通常是1安培)供电。由于铜的非零电阻率，即使利用电阻与1欧姆/公里一样低的大铜面积导体，电力馈送电压在电缆的每个部分处也下降了60伏，所以会因为跨太平洋电缆的铜的散热而损失约一半的电力馈送电压。在一些示例中，每个电源112可以提供高达15千伏的电力馈送电压。电力馈送电压进一步提高到高于15kV可能会在电缆操作期间导致故障，该电缆有25年的使用寿命。电力馈送设备112通过电力电缆113(诸如铜电缆)为中继器150供电。由于铜电缆的散热并且由于大量中继器(150至180个)会损失一半的电力馈送电压，所以每个中继器处的压降并不限于低于50伏。发射到海底光纤中的典型输出功率在每个方向上为17dBm(50mW)。假设二极管激光器中从电到光的高效转换为30％且由二极管激光器泵浦的EDFA的效率为10％，每个EDFA每1A的恒定电流要求约2伏的电降。因此，每个中继器50V电力馈送电压将中继器中的EDFA数限制为20至25个，即，支持补偿不超过10至12个光纤对的损失。目前的大多数水下电缆具有6个光纤对。因此，从海滨对中继器的电力馈送限制越洋海底电缆的容量进一步增长。
发明内容
本公开解决了传统越洋光纤电缆的限制，而没有电力和带宽受限的缺点。克服电流限制的一个机制是沿延伸跨越海洋的通信干线使用电源。
本公开的一个方面提供了一种用于本地供电的光通信网络的光学系统。该光学系统包括：第一干线终端，该第一干线终端发射光信号；第二干线终端，该第二干线终端接收光信号；通信干线；中间单元；以及电源。通信干线沿水体底面设置并且将第一干线终端耦合至第二干线终端。通信干线将光信号从第一干线终端传输至第二干线终端。中间单元连接至第一干线终端与第二干线终端之间的通信干线。中间单元接收来自第一干线终端的发射的光信号，放大接收到的光信号，并且将放大的光信号发送至第二干线终端。电源连接至中间单元并且为中间单元供电。电源位于水体的表面处或者附近。
本公开的实施方式可以包括以下可选特征中的一个或多个特征。在一些实施方式中，中间单元包括：激光器，该激光器由电源供电并且发射光输出；以及光组合器，该光组合器与激光器以及第一干线终端和第二干线终端通信。光组合器包括接收来自第一干线终端的光信号和来自激光器的光输出，通过将来自第一干线终端的光信号和来自激光器的光输出组合来放大光信号，并且将放大的信号输出至第二干线终端。
在一些示例中，光组合器包括光放大器、光组合器/光分路器、或者光分插复用器。该系统可以进一步包括光纤，该光纤将光组合器和激光器连接并且将光输出从激光器传输至光组合器。光组合器可以包括实现海底光纤中的拉曼放大的波长分路器或者掺铒光纤放大器。电源可以为激光器供电。
该系统可以包括电力电缆，该电力电缆将电源和中间单元耦合并且为中间单元供电。中间单元可以包括提高光通信信号的质量的光通信放大器或者光再生器。电源可以包括风力电源、海浪电源、太阳能电源、热电电源或者燃料电源。
在一些示例中，该系统包括分支单元，该分支单元沿通信干线设置并且将分支终端耦合至通信干线。分支单元包括光分插复用器，该光分插复用器包括：第一滤波器，该第一滤波器对第一通信段的通信频谱的波长的第一频带进行滤波；以及第二滤波器，该第二滤波器对第二通信段的通信频谱的波长的第二频带进行滤波。在第一频带与第二频带之间没有保护频带的情况下，在波长的重叠频带中波长的第二频带与波长的第一频带重叠，重叠频带具有可变大小。波长的第一频带可以包括第一通信段的波长的重叠频带的第一部分，并且波长的第二频带包括第二通信段的波长的重叠频带的剩余部分。
波长的第一频带可以包括第一通信段的波长的整个重叠频带，并且波长的第二频带从第二通信段排除波长的重叠频带。波长的重叠频带可以包括波长的第一频带的频谱边缘与波长的第二频带的频谱边缘之间的公共波长。第一滤波器和/或第二滤波器可以提供通信频谱的波长的固定大小的重叠频带。第一滤波器和/或第二滤波器可调整为提供通信频谱的波长的可变大小的重叠频带。滤波可以包括插入、分下和/或重复使用波长。
本公开的另一方面提供了一种用于本地供电的光通信网络的方法。该方法包括：将光信号从第一干线终端发射到沿水体底面设置的通信干线中。通信干线将第一干线终端耦合至第二干线终端并且将光信号从第一干线终端传输至第二干线终端。该方法进一步包括：在第一干线终端与第二干线终端之间的中间单元处接收光信号。中间单元连接至第一干线终端与第二干线终端之间的通信干线。中间单元由位于水体的表面处或者附近的电源供电。该方法进一步包括：在中间单元处放大接收到的光信号；以及将放大的光信号从中间单元发送至第二干线终端。
在一些实施方式中，放大接收到的光信号包括：将来自中间单元的激光器的光输出与接收到的光信号组合。该方法可以进一步包括在中间单元处的提高光信号的质量的光再生。例如，光再生器可以将接收到的光信号转换为电信号，处理电信号，并且将电信号转换为放大的光信号。中间单元可以进一步包括：激光器，该激光器由电源供电并且发射光输出；以及光组合器，该光组合器与激光器以及第一干线终端和第二干线终端通信。光组合器可以包括接收来自第一干线终端的光信号和来自激光器的光输出，通过将来自第一干线终端的光信号和来自激光器的光输出组合来放大光信号，并且将放大的信号输出至第二干线终端。电源可以包括海浪电源、太阳能电源、热电电源或者燃料电源。
在一些示例中，该方法包括：在与中间单元通信的分支单元处对第一通信段的通信频谱的波长的第一频带进行滤波；以及在分支单元处对第二通信段的通信频谱的波长的第二频带进行滤波。在第一频带与第二频带之间没有保护频带的情况下，在波长的重叠频带中波长的第二频带与波长的第一频带重叠。重叠频带具有可变大小。波长的第一频带可以包括第一通信段的波长的重叠频带的第一部分，并且波长的第二频带包括第二通信段的波长的重叠频带的剩余部分。波长的重叠频带可以包括波长的第一频带的频谱边缘与波长的第二频带的频谱边缘之间的公共波长。
本公开的又一方面提供了用于本地供电的光通信网络的第二种方法。该方法包括：在连接至沿水体底面设置的通信干线的中间单元处接收光信号，中间单元将第一干线终端耦合至第二干线终端。该方法进一步包括：通过将光注入通信干线中来在中间单元处放大接收到的光信号。中间单元包括：光组合器，该光组合器连接至通信干线；以及激光器，该激光器与光组合器光通信并且将光输出发送至光组合器。该方法进一步包括：使用电源为激光器供电，该电源与中间单元通信并且位于水体的表面处或者附近。
在一些示例中，放大接收到的光信号包括：将来自中间单元的激光器的光输出与接收到的光信号组合。该方法进一步包括：在中间单元处，耦合频率与信号频率不同的激光泵浦光，以便激光泵浦可以通过受激拉曼散射过程来放大信号。激光器可以具有比信号频率高的频率，从而实现有效的拉曼放大。激光器可以位于电源处或者附近或者位于光组合器处或者附近。电源可以包括海浪电源、太阳能电源、热电电源或者燃料电源。
在一些实施方式中，该方法包括：在与中间单元通信的分支单元处对第一通信段的通信频谱的波长的第一频带进行滤波；以及在分支单元处对第二通信段的通信频谱的波长的第二频带进行滤波。在第一频带与第二频带之间没有保护频带的情况下，在波长的重叠频带中波长的第二频带与波长的第一频带重叠，重叠频带具有可变大小。波长的第一频带包括第一通信段的波长的重叠频带的第一部分，并且波长的第二频带包括第二通信段的波长的重叠频带的剩余部分。波长的重叠频带包括波长的第一频带的频谱边缘与波长的第二频带的频谱边缘之间的公共波长。光组合器可以包括拉曼放大器或者高功率掺铒光纤放大器。
附图或以下描述中阐述了本公开的一种或者多种实施方式的细节。其它方面、特征和优点将通过说明书和附图并且通过权利要求书变得显而易见。
附图说明
图1是具有在岸上的电源的光通信系统的现有技术示意图。
图2和图3是具有沿通信干线位于海洋表面处或者附近的电源的示例性光通信系统的示意图。
图4是具有沿通信干线位于海洋表面处或者附近的电源并且具有一个或者多个分支单元的示例性光通信系统的示意图。
图5是具有沿通信干线位于海洋表面处或者附近的电源的示例性光通信系统的示意图，在该通信干线中，中继器与电气部分分开。
图6是具有沿通信干线位于海洋表面处或者附近的电源的示例性光通信系统的示意图，在该通信干线中，合路器/分路器与电气部分分开。
图7是具有沿通信干线位于海洋表面处或者附近的电源并且具有连接至一个或者多个高空通信装置的一个或者多个分支单元的示例性光通信系统的示意图。
图8A是包括光通信系统的全球范围的通信系统的示例性通信气球的透视图。
图8B是包括光通信系统的全球范围的通信系统的示例性卫星的透视图。
图9是包括互连的一个或者多个通信系统的网络的示意图。
图10是光通信方法的操作的示例性布置的示意图。
图11是光通信方法的操作的示例性布置的示意图。
在各个附图中的相同的附图标记指示相同的元素。
具体实施方式
参照图2，光通信系统100包括耦合至通信干线102的第一和第二干线终端110、120(也被称为站)。耦合可以是任何连接、链接等，通过该耦合，将由一个系统元件携带的信号传送至“耦合的”元件。耦合的元件可能不一定彼此直接连接并且可以被中间组件或者装置分开，该中间组件或者装置可以操纵或者修改信号。通信干线102可以包括将光信号105携带在相关联的光信道/波长λ上的多个光缆段102、102a至102n(例如，海底光缆)。
每个光缆段102可以包括：包括光纤对的光纤电缆的一个或者多个部分、以及提供用于第一和第二干线终端110、120之间的光信号105的双向通信的传输路径的一个或者多个中继器150。系统100可以配置为长距离系统，例如，该长距离系统在终端110、120中的至少两个之间具有大于约600km的长度，并且可以跨越例如海洋的并且具有6,000至12,000km的长度的水体。
中继器150可以包括任何光放大器配置，该任何光放大器配置补偿传输路径上的信号衰减。例如，一个或者多个中继器150可以配置为光放大器，诸如，掺铒光纤放大器(EDFA)、拉曼放大器、或者混合拉曼/EDFA放大器。光放大器是在不首先将信号转换为电信号的情况下直接放大光信号的装置。可以将光放大器视为无光腔的激光器。掺杂光纤放大器(DFA)是使用掺杂光纤(即，包含掺杂剂的光纤，该掺杂剂是插入到物质(浓度非常低)中以更改物质的光学性质的痕量杂质元素)作为放大光信号的增益介质的光放大器。将待放大的信号和泵浦激光器复用到掺杂光纤中，并且通过与掺杂离子的相互作用来放大信号。EDFA是DFA的最常见示例，其中，石英光纤的纤芯用三价铒离子掺杂并且可以用波长为980nm或者1,480nm的激光来有效地泵浦，并且在1,550nm的范围内仍然显示出增益。在拉曼放大器中，当低频信号光子在非线性区中在光学介质中诱发更高频泵浦光子的非弹性散射时，信号通过拉曼放大被增强，该拉曼放大是基于受激拉曼散射(SRS)现象。这导致另一信号光子产生，其中，泵浦与信号频率之间的多余能量被传递至介质的振动状态，从而实现光放大。因此，拉曼放大在光纤内在信号与泵浦激光器之间产生非线性相互作用(与EDFA不同)。拉曼放大的主要优点是能够在每个光纤段102内提供分布式放大，这增加了下一个放大器150之前的光纤段102的长度。系统带宽可以与系统100内的光放大器的可用带宽一致。通过本地电源160(代替图1所示的在岸上的电源112)为每个中继器150本地供电，这消除了针对图1所示出和描述的物理限制。通过添加为每个中继器150供电的本地电源160，光通信系统100增加了每个电缆干线所包括的光纤对的数量，例如，先前每个电缆干线包括5-6个光纤对，该数量可以通过添加本地电源160而增加至10倍至100倍。在一些示例中，中继器150被间隔开以便实现冗余，从而使得，如果一个中继器150出现故障，系统100却不会出现故障。另外，为相邻中继器150至故障中继器150供电的电源160可以通过增加供应至正在工作的相邻中继器150的电力来补偿故障中继器150。在另一示例中，一个或者多个中继器150可以配置为光通信中继器(也被称为光-电-光(OEO))，该光通信中继器用于通过将光信号转换为电信号、处理电信号、然后将电信号重新转换为光信号并且输出(传输)转换得到的光信号来再生成光信号。光通信中继器用于通过克服因为光纤的衰减和光信号的失真而产生的损失来扩大光通信链路的范围。
本地电源160通过将电源160和中继器150连接的电力电缆104为中继器150提供电力。本地电源160可以是太阳能电池，或者基于海浪能，或者基于化石燃料，或者两者的组合。电源的其它示例也是可能的。
参照图3，在一些实施方式中，电源160位于海底上或者附近。这种电源160可以基于海浪运动、温度梯度、或者其它合适的发电方法来发电。海浪供电是通过海洋表面海浪传输能量，并且捕获该能量来进行发电以提供电、蒸馏水、抽水、或者任何其它用途。在一些示例中，电源160定位在海床与海洋表面之间，以便船可以到达电源160以维护电源160。
参照图4，在一些实施方式中，通过对应的分支单元140将一个或者多个分支终端130耦合至第一和第二干线终端110、120之间的通信干线102。分支单元140可以是OADM(光分插复用器)分支单元。光通信网络中使用的OADM能够从多个波长信号去除波长信道并且将信道插入至这些信号。而且，一个或者多个中继器150和链接光缆102可以将分支终端130耦合至其对应的分支单元140。因此，系统100可以配置为在终端110、120、130之间提供光信号105的双向或者单向通信。
分支单元140实现直通波长λE的直通路径(例如，从站A到站B)与插入/分下路径(例如，从站A到站C和/或从站B到站C)之间的容量重定向功能。这可以例如通过在每个OADM140处对波长λA频带同时进行插入/分下来完成。术语“插入/分下(add/drop)”、“插入/分下(adding/dropping)”和“插入/分下(added/dropped)”指插入一个或者多个波长λ、分下一个或者多个波长λ、或者插入波长λ并且分下其它波长的操作。这些术语并不旨在需要插入和分下操作两者，但是也并不旨在排除插入和分下操作。术语仅仅用作表示插入或者分下操作中的任何一种或者插入和分下操作两者的一种方便的方式。
一般而言，分支单元140可以将信道λ插入至通信干线102/从通信干线102分下信道λ。在一些实施方式中，波分复用(WDM)信号105源自终端110、120、130中的一个或者多个，并且分支单元140可以配置为使一些信道λ穿过分支单元140以通过通信干线102从起始干线终端110、120不间断地行进至接收干线终端110、120或者其它分支单元140。分支单元140可以将一个或者多个其它信道λ插入至分支终端130/从分支终端130分下一个或者多个其它信道λ。例如，源于第一干线终端110的WDM信号105可以包括占据一个或者多个信道λ的信息。同样，源于分支终端130的WDM信号105可以占据一个或者多个信道λ。可以将两个WDM信号105都传输至分支单元140，该分支单元140在不干扰第二干线终端120的情况下使某些信道λ沿通信干线102从起始第一干线终端110穿过分支单元140。分支单元140可以配置为分下源自第一干线终端110的一个或者多个信道λ(即，从源自第一干线终端110的一个或者多个信道λ提取信息)并且使分下的信道λ传递到分支终端130。分支单元140也可以配置为将源自分支终端130的某些信道λ插入至源自第一干线终端110的WDM信号105(即，插入(insert)关于源自分支终端130的某些信道λ的信息)，并且将产生的WDM信号105(其包括插入的信息)传递到第二干线终端120上。在一些示例中，源自第一干线终端110的WDM信号105完全终止于分支单元140，在这种情况下，将来自分支终端130的插入的信息传递到第二干线终端120上。其它分支单元140同样可以穿过、插入和/或分下某些信道λ。
任何分支单元140都可以设置在海下环境中并且可以坐落于海底。另外或者可替代地，分支单元140可以处于陆地环境中并且可以共同定位在与分支终端130相同的中心局端。因此，通信干线102可以跨在海滩着陆点之间，或者可以在两个终端站之间提供陆地连接。OADM 140可以包括一个或者多个可调谐的/可调整的滤波器142，该滤波器142在信号105中提供直通波长λE和插入/分下波长λA的流量混合。
多个终端/站110、120、130通过使用OADM 140中的光滤波器将整个频谱分成频带B来共享相同光纤对的光带宽。频带B包括在频谱上彼此相邻驻留的两个或者多个波长λ(也被称为信道)。通过在每个OADM 140处插入/分下信号波长λ的一个或者多个频带B，具有与该频带的频谱边缘相邻的波长λ的信号105受到非对称处罚和高损失的影响。术语“频谱边缘”指包含在波长λ的一定频带内的波长λ，该波长λ紧靠着在波长λ的该特定频带B内未包括的波长λ。具有在插入/分下频带内的波长λ的信号105都不会经历这种频谱失真。
在一些实施方式中，中继器150具有连接至中继器150的本地电源160。与中继器150的一种类型的连接可以取决于中继器150的类型。参照图2至图4，中继器150是需要电力的有源中继器150a，连接的电源160通过电力电缆104为中继器150a供电。然而，参照图5至图7，如果中继器150是无源中继器150p(不需要任何电子器件来为中继器150p供电的中继器150p)，则连接的电源160通过电力电缆104将电力输送至激光器170，该激光器170又通过光纤102将光输送至无源中继器150p。图5至图7的系统100将电子层(即，电源160和激光器170)与光层(即，无源中继器150p)分开。因此，在电源160或者激光器170需要维护的情况下，将它们定位在可以容易达到它们的位置。激光器170是基于电磁辐射的受激发射通过光放大过程来生成光的装置。激光器170相干地发射光，这允许将激光器170聚焦到缩小点。例如，空间相干性允许激光束(光)在很长一段距离内保持狭窄。
参照图5，光通信系统100包括耦合至通信干线102c的第一和第二干线终端110、120(也被称为站)。该耦合可以是任何连接、链接等，通过该耦合，将由一个系统元件携带的信号105、105c传送至“耦合的”元件。耦合的元件可能不一定彼此直接连接并且可以通过中间组件或者装置分开，该中间组件或者装置可以操纵或者修改信号105、105c。通信干线102可以包括将光信号105、105c携带在相关联的光信道/波长λo上的多个光缆段102、102a至102n(例如，海底光缆)。
每个光缆段102可以包括：包括光纤对的光纤电缆的一个或者多个部分、以及提供用于第一和第二干线终端110、120之间的光信号105、105c的双向通信的传输路径的一个或者多个无源中继器150p。系统100可以配置为长距离系统，例如，该长距离系统在终端110、120中的至少两个之间具有大于约600km的长度，并且可以跨越例如海洋的并且具有6,000至12,000km的长度的水体。
无源中继器150p可以包括任何光放大器配置，该任何光放大器配置补偿传输路径上的信号衰减。例如，一个或者多个中继器150可以配置为光放大器，诸如，掺铒光纤放大器(EDFA)、拉曼放大器、或者混合拉曼/EDFA放大器。无源中继器150p将通信干线102c和泵浦光纤102p组合。泵浦光纤102p递送激光束105p(具有光能)以激发无源中继器150p的掺杂光纤(例如，激发铒离子)。EDFA无源中继器150p使用波长选择性耦合器将来自泵浦光纤102p的相对高功率的光束105p与来自通信干线102c的输入信号105c组合。通信干线102c的输入通信信号105c的波长与泵浦光纤102p的高功率光束105p的波长明显不同。泵浦光纤102p输出光105p，该光105p具有在无源中继器150p的铒(Er3+掺杂光纤)的吸收带宽内的波长。用包括在光纤的纤芯中的铒离子将组合光(即，来自泵浦光纤102p的光105p和来自通信干线102c的信号105c)引导至无源中继器150p内的光纤部分中。这样会使来自泵浦光纤102p的高功率光束激发铒离子达到其高能量状态。当波长与泵浦光纤102p的高功率光束不同的通信干线102c的通信信号105c的光子遇见受激铒原子时，铒原子将其一些能量交给通信干线102c的通信信号105c并且返回到低能量状态。铒以附加光子的形式交出其能量，该附加光子的相位和方向与被放大的信号相同，该信号是来自通信干线102c的通信信号105c。因此，信号105c在其行进方向上被放大为放大信号105a。泵浦光纤102p的泵浦波长λp的选择是基于铒Er3+吸收频谱和用于将泵浦信号105p传递至无源中继器150p的光纤的低功率损失。在一些示例中，泵浦波长λp的波长范围在1400nm与不到1500nm之间。通过从位于岸上的电源112(图1)消除电力电缆113，系统100可以增加通信干线102中的光纤的数量，以包括100至1,000根光纤，并且，在一些情况下，包括更多根光纤。因此，每个本地电源160通过向激光器170供应1kW(千瓦)至10kW的功率来为100至1,000根光纤供电。
图6与图5相似，不同之处在于用波长分路器152代替了无源放大器150p。如图所示，分路器152通过将具有波长λp的拉曼泵浦光与具有波长λ0的信号光组合来实现传输光纤102c中的拉曼放大。分路器152位于海床并且与通信干线102c和泵浦光纤102p通信。激光器170可以是拉曼激光器170r，该拉曼激光器170r是一种特定类型的激光器，在这种激光器中，基本光放大机制是受激拉曼散射(这与依赖于对光进行放大的受激电子跃迁的传统激光器不同)。从光学上对拉曼激光器170r进行泵浦；然而，该泵浦不会像传统激光器一样产生粒子数反转。相反，通过受激拉曼散射，泵浦光子被吸收并且作为低频激光光子被立即重新发射。这两种光子能量之间的差异是固定的并且与增益介质的振动频率对应。因此，可以通过相应地选择泵浦激光波长来产生任意的激光输出波长。(在传统激光器中，通过增益材料的发射线路来确定可能的激光输出波长。)
每隔60千米至100千米将具有拉曼泵浦波长λR的拉曼泵浦光105r注入通信干线102c中。通过玻璃中的分子振动能量将拉曼泵浦波长λR从传输波长λo转移。在这种情况下，实现光层(即，分路器152)和电层(即，电源160和拉曼激光器170r)的完全分离。分路器152(其也是无源光层)具有长使用寿命，这是因为没有附加元件安装在光缆102上。因此，图6所示的设置将光缆102的使用寿命延长了25年多，这是因为分路器152包括无源波长分路器。而且，在一些示例中，拉曼放大器152在由分别具有不同频率的多个拉曼激光器170r泵浦时将之间的放大器带宽扩展为4THz的C频带的两倍至三倍。
返回参照图2至图6，系统100使设备的操作和维护更简单，这是因为所有有源电子器件(诸如，本地电源160和激光器170)都位于海洋的表面附近。另外，如果系统100需要通过插入更多个光纤对而升级，则在不干扰现有通信干线102、102c的情况下插入附加通信干线102、102c，并且在不干扰现有泵浦光纤(光缆)102p的情况下也插入附加泵浦光缆102p。因此，现有光缆102保持在升级以扩展系统100带宽期间不受影响。而且，在这种情况下，插入附加激光器170(未示出)以支撑附加光纤102。
参照图7至图8B，在一些实施方式中，与先前描述的系统相似的通信系统100a另外包括高空通信装置(HACD)200和网关300(诸如，源地面站、目的地地面站或者链接地面站)。HACD 200是发射到地球大气层中的装置。HACD 200可以指低地球轨道(LEO)或者中等地球轨道(MEO)或者高地球轨道(GEO)(包括同步地球轨道(GEO))中的通信气球200a或者卫星200b。HACD 200包括天线207，该天线207接收来自源地面站300的通信20并且将该通信信号重新路由至目的地地面站300。HACD 200还包括数据处理装置210，该数据处理装置210处理接收到的通信20并且确定通信20到达目的地地面站300的路径。系统100可以包括通信气球200a、卫星200b、或者两者的组合。
如图所示，一个或者多个本地电源160可以包括网关300，该网关300提供与HACD装置200和其它网关的通信，从而通过HACD 200和通信干线102提供冗余连接。本地电源160和网关300充当海中的POP(存在点)以提供与HACD 200网络的高带宽连接。
在一些实施方式中，一个或者多个网关300是通过对应的分支单元140(其也充当中继器)与第一和第二干线终端110、120之间的通信干线102c通信的干线终端130。如先前参照图4所描述的，分支单元140可以是OADM(光分插复用器)分支单元。光通信网络中使用的OADM能够从多个波长信号去除波长信道并且将信道插入至这些信号。而且，一个或者多个中继器150和链接光缆102可以将分支终端130耦合至其对应的分支单元140。因此，系统100可以配置为在终端110、120、130之间提供光信号105的双向或者单向通信。
参照图8A，通信气球200a包括气球204(例如，大小设计为约49英尺宽和39英尺高)、设备箱206a和太阳能板208。设备箱206a包括数据处理装置210，该数据处理装置210执行确定高空气球200a需要去的地方的算法，然后每个高空气球200a移动到在将其带到应该去的地方的方向上吹动的风层中。设备箱206a还包括存储电力的电池、以及与其它通信气球200a、地面或者网关300上的互联网天线通信的收发器(例如，天线207)。通信气球200a还包括为设备箱206a供电的太阳能板208。在一些示例中，太阳能板208在充足日照条件下产生约100瓦，其足以在为电池充电的同时保持通信气球200a运行并且在没有阳光时在晚间使用。当所有高空气球200a一起工作时，它们形成气球星座。在一些实施方式中，地面上的用户具有专门的天线，该专门的天线将通信信号发送至通信气球200a以消除对具有源或者目的地地面站300的需要。接收到通信20的通信气球200a将通信20发送至另一通信气球200a，直到通信气球200a中的一个在目的地地面站的范围内，该目的地地面站连接至本地互联网提供商并且经由通信气球200a的网络将服务提供至用户。
卫星200b是放置在地球周围的轨道中的物体并且可以用于不同目的，诸如，军用或者民用观测卫星、通信卫星、导航卫星、气象卫星和科研卫星。卫星200b的轨道部分地取决于卫星200b的使用目的而改变。可以基于卫星轨道离地球表面的高度将卫星轨道分类为低地球轨道(LEO)、中等地球轨道(MEO)和高地球轨道(HEO)。LEO是高度范围从0英里到1,240英里的地球中心轨道(即，环绕地球周围运行)。MEO也是高度范围从1,200英里到22,236英里的地球中心轨道。HEO也是地球中心轨道并且具有大于22,236英里的高度。同步地球轨道(GEO)是HEO的特殊情况。静止地球轨道(GSO，尽管有时候也被称为GEO)是同步地球轨道的特殊情况。
协作工作的多个卫星200b形成卫星星座。可以协调卫星星座内的卫星200b一起操作并且地面覆盖范围重叠。两种常见类型的星座是极轨星座和Walker星座，两者均被设计为在使用最少数量的卫星200b的同时提供最大地球覆盖。
参照图8B，卫星200b包括卫星本体206b，该卫星本体206b具有数据处理装置210，该数据处理装置210与通信气球200a的数据处理装置210相似。数据处理装置210执行确定卫星200b航向的算法。卫星200b还包括用于接收和传输通信20的天线207。卫星200b包括安装在卫星本体206b上的太阳能板208。太阳能板208为卫星200b供电。在一些示例中，卫星200b包括在阳光未到达时使用并且为太阳能板208充电的可充电电池。
当通过多个HACD 200构造系统100时，有时候需要通过将HACD200彼此链接借由系统100在长距离内路由流量。例如，两个卫星200b可以经由卫星间链路进行通信，并且两个通信气球200a可以经由气球间链路进行通信。这种装置(卫星200b或者气球200a)间链接IDL可用于将通信服务提供至远离源地面站和目的地地面站300的地区，并且还可以减少延迟和增强安全性(可以拦截光纤光缆并且可以检索经过光缆的数据)。这种类型的装置间通信与“弯管(bent-pipe)”模型不同，在“弯管”模型中，所有信号流量从基于地面的网关300流到卫星200b，并且直接向下到达地球上的用户，反之亦然。“弯管”模型不包括任何装置间通信；相反，卫星200b充当中继器。在“弯管”模型的一些示例中，在重新传输卫星200b所接收到的信号之前，将该信号放大；然而，不发生信号处理。在“弯管”模型的其它示例中，可以对信号的部分或者全部进行处理和解码以实现以下一种或者多种：路由至不同的光束、误差校正、或者服务质量控制；然而，不发生装置间通信。
在一些实施方式中，在平面或者组(未示出)的数量和每个平面的HACD 200的数量方面来描述长比例(long-scale)HACD星座(例如，气球星座或者卫星星座)。相同平面内的HACD 200相对于它们的平面内HACD 200相邻者维持相同位置。然而，HACD 200相对于相邻平面中的相邻者的位置随着时间而改变。
装置间链路(IDL)将HACD 200的数量削减或减少至网关跳数，这降低了延迟并且增加了总体网络容量。装置间链路允许从覆盖待无缝切换的特定区域的一个HACD 200到覆盖相同区域的另一HACD 200的通信流量，其中，第一HACD 200正离开第一地区并且第二HACD 200正进入该地区。
参照图9，在一些实施方式中，多个终端/站110、120、130经由一个或者多个通信干线102连接。通信干线102可以包括多个光缆段102、102a-n(例如，海底光缆)，该光缆段将光信号105携带在相关联的光信道/波长λ上。在一些示例中，多个终端/站110、120、130经由HACD 200和网关300连接(如关于图7和图8所描述的)。在一些示例中，一个或者多个交换机放置在网络内以在网络的一部分需要维护时重定向通信。因此，通信经过不同的路径，直到维护完成。为了便于操作，光交换机可以安装在本地电源160处或者附近。
图10是光通信方法1000的操作的示例性布置的示意图，该方法1000包括：在框1002中，将光信号105、105c从第一干线终端110发射到沿水体底面设置的通信干线102、102c中。通信干线102、102c将第一干线终端110耦合至第二干线终端120并且将光信号105、105c(具有波长λ)从第一干线终端110传输到第二干线终端120。在框1004中，方法1000进一步包括：在第一干线终端110与第二干线终端120之间的中间单元151处接收光信号105、105c。中间单元151连接至第一和第二干线终端110、120之间的通信干线102。中间单元151由电源160供电，该电源160位于水体的表面处或者附近以在电源170需要维护时易于接触到电源。在框1006中，方法1000进一步包括：在中间单元151处放大接收自通信干线102c的接收到的光信号105、105c，并且，在框1008中，将放大的光信号105、105c从中间单元151发送至第二干线终端120。
在一些实施方式中，放大接收自通信干线102c的接收到的光信号105、105c包括：经由中间单元151的泵浦光纤102p将来自激光器170、170r的光输出105、105与接收到的光信号105、105c组合。方法1000可以进一步包括：在中间单元151处(例如，使用光通信中继器)，将接收到的光信号105、105c转换为电信号，处理电信号，并且将电信号转换为放大的光信号105、105a。在一些示例中，中间单元151可以包括：激光器170，该激光器170由电源160供电并且通过电力光纤102、102p发射光输出105、105p、105r；以及光组合器150，该光组合器150与激光器170以及第一和第二干线终端110、120通信。光组合器150可以包括：接收来自第一干线终端110的光信号105、105c和来自激光器170、170r的光输出105，通过将来自第一干线终端110的光信号105、105c与来自激光器170、170r的光输出105、105p、105r组合来放大光信号105、105c，并且将放大的信号105、105a输出至第二干线终端120。电源160可以包括海浪电源、太阳能电源、热电电源、或者燃料电源中的一个。
在一些示例中，方法1000包括：在与中间单元151通信的分支单元140处对第一通信段的通信频谱的波长λE的第一频带进行滤波；以及在分支单元140处对第二通信段的通信频谱的波长λA的第二频带进行滤波。在第一频带λE与第二频带λA之间没有保护频带的情况下，在波长的重叠频带中波长的第二频带与波长λE的第一频带重叠。重叠频带具有可变大小。波长λE的第一频带可以包括第一通信段的波长的重叠频带的第一部分，并且波长λA的第二频带包括第二通信段的波长的重叠频带的剩余部分。波长的重叠频带可以包括波长的第一频带的频谱边缘与波长的第二频带的频谱边缘之间的公共波长。
图11是光通信方法1100的操作的示例性布置的示意图，该方法1100包括：在框1102中，在连接至沿水体底面设置的通信干线102、102c的中间单元151处接收光信号105、105c，该中间单元151将第一干线终端110耦合至第二干线终端120。在框1104中，方法1100进一步包括：通过将光(例如，来自激光器170、170r的光信号105、105p、105r)注入通信干线102c中来在中间单元151处放大接收到的光信号105、105c。中间单元151包括：光组合器150、152，该光组合器150、152连接至通信干线102c；以及激光器170、170r，该激光器170、170r与光组合器150、152光通信，该激光器170、170r将光输出105、105p、105r发送至光组合器150。在框1106中，方法1100进一步包括：使用电源160为激光器170、170r供电，该电源160与中间单元151通信并且位于水体的表面处或者附近。
在一些示例中，放大来自通信干线102、102c的接收到的光信号105、105c包括：将来自中间单元151的激光器170的光输出105、105p、105r与来自通信干线102c的接收到的光信号105、105c组合。激光器170可以位于电源160处或者附近或者位于光组合器处或者附近。电源160可以包括海浪电源、太阳能电源、热电电源或者燃料电源。
在一些实施方式中，方法1100包括：在与中间单元151通信的分支单元140处对第一通信段的通信频谱的波长λE的第一频带进行滤波；以及在分支单元140处对第二通信段的通信频谱的波长λA的第二频带进行滤波。在第一频带λE与第二频带λA之间没有保护频带的情况下，在波长的重叠频带中波长λA的第二频带与波长λE的第一频带重叠，重叠频带具有可变大小。波长λE的第一频带包括第一通信段的波长的重叠频带的第一部分，并且波长的第二频带包括第二通信段的波长的重叠频带的剩余部分。波长的重叠频带包括波长的第一频带的频谱边缘与波长的第二频带的频谱边缘之间的公共波长。光组合器可以包括拉曼放大器或者高功率掺铒光纤放大器。
此处所描述的系统和技术的各种实施方式可以实现在数字电子和/或光学电路系统、集成电路系统、专门设计的ASIC(专用集成电路)、计算机硬件、固件、软件和/或其组合中。这些各种实施方式可以包括在一个或者多个计算机程序中的实施方式，该一个或者多个计算机程序在可编程系统上是可执行和/或可解释的，该可编程系统包括至少一个可编程处理器，该至少一个可编程处理器可以是专用的或者通用的，该至少一个可编程处理器耦合以接收来自存储系统、至少一个输入装置和至少一个输出装置的数据和指令，并且将指令和数据发送至存储系统、至少一个输入装置和至少一个输出装置。
这些计算机程序(也称为程序、软件、软件应用或者代码)包括针对可编程处理器的机器指令，并且可以用高阶程序式和/或面向对象编程语言并且/或者用汇编/机器语言来实施。如本文所使用的，术语“机器可读介质”和“计算机可读介质”指用于将机器指令和/或数据提供至可编程处理器的任何计算机程序产品、非暂时性计算机可读介质、设备和/或装置(例如，磁盘、光盘、存储器、可编程逻辑器件(PLD))，包括接收机器指令作为机器可读信号的机器可读介质。术语“机器可读信号”指用于将机器指令和/或数据提供至可编程处理器的任何信号。
已经描述了许多实施方式。然而，将理解，在不脱离本公开的精神和范围的情况下，可做出各种修改。例如，虽然针对具有OADM的分支单元不容易访问和替换的海底网络说明了本文所公开的概念，但是本公开也可应用于非海下(即，陆地)网络。而且，通过使用重叠频带BO来灵活地进行插入/分下的概念可扩展到除了频谱共享之外的维度。具有固有正交性的任何其它维度可以用于通过使用重叠频带BO来灵活地进行插入/分下，诸如时分复用、使用多芯光纤或者许多模式的光纤的空分复用、偏分复用。因此，其它实施方式在以下权利要求书的范围内。

Claims (30)

1.一种光学系统(100)，包括：
第一干线终端(110)，所述第一干线终端(110)发射光信号(105、105c)；
第二干线终端(120)，所述第二干线终端(120)接收所述光信号(105、105c)；
通信干线(102、102c)，所述通信干线(102、102c)沿水体底面设置并且将所述第一干线终端(110)耦合至所述第二干线终端(120)，所述通信干线(102、102c)将所述光信号(105、105c)从所述第一干线终端(110)传输至所述第二干线终端(120)；
中间单元(151)，所述中间单元(151)连接至所述第一干线终端(110)与所述第二干线终端(120)之间的所述通信干线(102、102c)，所述中间单元(151)接收来自所述第一干线终端(110)的发射的光信号(105)，放大接收到的光信号(105、105c)，并且将放大的光信号(105、105c)发送至所述第二干线终端(120)；以及
电源(160)，所述电源(160)连接至所述中间单元(151)并且为所述中间单元(151)供电，所述电源(160)位于所述水体的表面处或者附近。
2.根据权利要求1所述的光学系统(100)，其中，所述中间单元(151)包括：
激光器(170、170r)，所述激光器(170、170r)由所述电源(160)供电并且发射光输出(105、105p、105r)；以及
光组合器(150、150p、152)，所述光组合器(150、150p、152)与所述激光器(170、170r)以及所述第一干线终端(110)和所述第二干线终端(120)通信，所述光组合器(150)：
接收来自所述第一干线终端(110)的所述光信号(105、105c)和来自所述激光器(170、170r)的所述光输出(105、105p、105r)；
通过将来自所述第一干线终端(110)的所述光信号(105、105c)和来自所述激光器(170、170r)的所述光输出(105、105p、105r)组合来放大所述光信号(105、105c)；以及
将放大的信号(105、105c)输出至所述第二干线终端(120)。
3.根据权利要求2所述的光学系统(100)，其中，所述光组合器(150、152)包括掺铒光纤放大器、实现海底光纤中的拉曼放大的光组合器/光分路器、或者光分插复用器。
4.根据权利要求2所述的光学系统(100)，进一步包括光纤(102、102p)，所述光纤(102、102p)将所述光组合器(150、152)和所述激光器(170、170r)连接并且将来自所述激光器(170、170r)的所述光输出(105、105p、105r)传输至所述光组合器(150、152)。
5.根据权利要求2所述的光学系统(100)，其中，所述光组合器(150、152)包括拉曼放大器或者掺铒光纤放大器。
6.根据权利要求2所述的光学系统(100)，其中，所述电源(160)为所述激光器(170、170r)供电。
7.根据权利要求1所述的光学系统(100)，进一步包括：电力电缆(104)，所述电力电缆(104)将所述电源(160)和所述中间单元(151)耦合并且为所述中间单元(151)供电。
8.根据权利要求1所述的光学系统(100)，其中，所述中间单元(151)包括光通信中继器(150、150a)，所述光通信中继器(150、150a)配置为：
将接收到的光信号(105、105c)转换为电信号；
处理所述电信号；以及
将经过处理的电信号转换为放大的光信号(105、105a)。
9.根据权利要求1所述的光学系统(100)，其中，所述电源(160)包括风力电源、海浪电源、太阳能电源、热电电源或者燃料电源。
10.根据权利要求1所述的光学系统(100)，进一步包括：分支单元(140)，所述分支单元(140)沿所述通信干线(102、102c)设置并且将分支终端(130)耦合至所述通信干线(102、102c)，所述分支单元(140)包括光分插复用器，所述光分插复用器包括：
第一滤波器(142)，所述第一滤波器(142)对第一通信段的通信频谱的波长(λE)的第一频带进行滤波；以及
第二滤波器(142)，所述第二滤波器(142)对第二通信段的通信频谱的波长(λA)的第二频带进行滤波，在所述第一频带与所述第二频带之间没有保护频带的情况下，在波长的重叠频带中波长(λA)的所述第二频带与波长(λE)的所述第一频带重叠，所述重叠频带具有可变大小；
其中，波长(λE)的所述第一频带包括所述第一通信段的波长的所述重叠频带的第一部分，并且波长(λA)的所述第二频带包括所述第二通信段的波长的所述重叠频带的剩余部分。
11.根据权利要求10所述的光学系统(100)，其中，波长(λE)的所述第一频带包括所述第一通信段的波长的整个重叠频带，并且波长(λA)的所述第二频带排除来自所述第二通信段的波长的所述重叠频带。
12.根据权利要求10所述的光学系统(100)，其中，波长的所述重叠频带包括波长的所述第一频带的频谱边缘与波长的所述第二频带的频谱边缘之间的公共波长。
13.根据权利要求10所述的光学系统(100)，其中，所述第一滤波器和/或所述第二滤波器(142)提供所述通信频谱的波长的固定大小的重叠频带。
14.根据权利要求10所述的光学系统(100)，其中，所述第一滤波器和/或所述第二滤波器(142)是可调整的，以提供所述通信频谱的波长的可变大小的重叠频带。
15.根据权利要求10所述的光学系统(100)，其中，滤波包括：插入、分下和/或重复使用波长。
16.一种方法(1000)，包括：
将光信号(105、105c)从第一干线终端(110)发射到沿水体底面设置的通信干线(102、102c)中，所述通信干线(102、102c)将所述第一干线终端(110)耦合至第二干线终端(120)并且将所述光信号(105、105c)从所述第一干线终端(110)传输至所述第二干线终端(120)；
在所述第一干线终端(110)与所述第二干线终端(120)之间的中间单元(151)处接收所述光信号(105、105c)，所述中间单元(151)连接至所述第一干线终端(110)与所述第二干线终端(120)之间的所述通信干线(102、102c)，所述中间单元(151)由位于所述水体的表面处或者附近的电源(160)供电；
在所述中间单元(151)处放大接收到的光信号(105、105c)；以及
将放大的光信号(105、105c)从所述中间单元(151)发送至所述第二干线终端(120)。
17.根据权利要求16所述的方法(1000)，其中，放大接收到的光信号(105、105c)包括：将来自所述中间单元(151)的激光器(170、170r)的光输出(105、105p、105r)与接收到的光信号(105、105c)组合。
18.根据权利要求16所述的方法，进一步包括：在所述中间单元(151)处：
将接收到的光信号(105、105c)转换为电信号；
处理所述电信号；以及
将经过处理的电信号转换为放大的光信号(105、105a)。
19.根据权利要求16所述的方法(1000)，其中，所述中间单元(151)包括：
激光器(170、170r)，所述激光器(170、170r)由所述电源(160)供电并且发射光输出(105、105p、105r)；以及
光组合器(150、152)，所述光组合器(150、152)与所述激光器(170、170r)以及所述第一干线终端(110)和所述第二干线终端(120)通信，所述光组合器(150、152)：
接收来自所述第一干线终端(110)的所述光信号(105、105c)和来自所述激光器(170、170r)的所述光输出(105、105p、105r)；
通过将来自所述第一干线终端(110)的所述光信号(105、105c)和来自所述激光器(170、170r)的所述光输出(105、105p、105r)组合来放大所述光信号(105、105c)；以及
将放大的信号(105、105a)输出至所述第二干线终端(120)。
20.根据权利要求16所述的方法(1000)，其中，所述电源(160)包括海浪电源、太阳能电源、热电电源或者燃料电源中的一个。
21.根据权利要求16所述的方法(1000)，进一步包括：
在与所述中间单元(151)通信的分支单元(140)处对第一通信段的通信频谱的波长(λE)的第一频带进行滤波；
在所述分支单元(140)处对第二通信段的通信频谱的波长(λA)的第二频带进行滤波，在所述第一频带与所述第二频带之间没有保护频带的情况下，在波长的重叠频带中波长(λA)的所述第二频带与波长(λE)的所述第一频带重叠，所述重叠频带具有可变大小；
其中，波长(λE)的所述第一频带包括所述第一通信段的波长的所述重叠频带的第一部分，并且波长(λA)的所述第二频带包括所述第二通信段的波长的所述重叠频带的剩余部分。
22.根据权利要求21所述的方法(1000)，其中，波长的所述重叠频带包括波长的所述第一频带的频谱边缘与波长的所述第二频带的频谱边缘之间的公共波长。
23.一种方法(1100)，包括：
在连接至沿水体底面设置的通信干线(102、102c)的中间单元(151)处接收光信号(105、105c)，所述中间单元(151)将第一干线终端(110)耦合至第二干线终端(120)；
通过将光注入所述通信干线(102、102c)中来在所述中间单元(151)处放大接收到的光信号(105)，所述中间单元(151)包括：
光组合器(150、152)，所述光组合器(150、152)连接至所述通信干线(102、102c)；以及
激光器(170、170r)，所述激光器(170、170r)与所述光组合器(150、152)进行光通信并且将光输出发送至所述光组合器(150、152)；以及
使用电源(160)为所述激光器(170、170r)供电，所述电源(160)与所述中间单元(151)通信并且位于所述水体的表面处或者附近。
24.根据权利要求23所述的方法(1100)，其中，放大接收到的光信号(105、105c)包括：将来自所述中间单元(151)的所述激光器(170、170r)的光输出(105、105p、105r)与接收到的光信号(105、105c)组合。
25.根据权利要求23所述的方法(1100)，进一步包括：在所述中间单元(151)处：
将接收到的光信号(105、105c)转换为电信号；
处理所述电信号；以及
将经过处理的电信号转换为放大的光信号(105、105a)。
26.根据权利要求23所述的方法(1100)，其中，所述激光器(170、170r)位于所述电源(160)处或者附近、或者位于所述光组合器(150、152)处或者附近。
27.根据权利要求23所述的方法(1100)，其中，所述电源(160)包括海浪电源、太阳能电源、热电电源或者燃料电源。
28.根据权利要求23所述的方法(1100)，进一步包括：
在与所述中间单元(151)通信的分支单元(140)处对第一通信段的通信频谱的波长(λE)的第一频带进行滤波；
在所述分支单元(140)处对第二通信段的所述通信频谱的波长(λA)的第二频带进行滤波，在所述第一频带与所述第二频带之间没有保护频带的情况下，在波长的重叠频带中波长(λA)的所述第二频带与波长的所述第一频带重叠，所述重叠频带具有可变大小；
其中，波长(λE)的所述第一频带包括所述第一通信段的波长的所述重叠频带的第一部分，并且波长(λA)的所述第二频带包括所述第二通信段的波长的所述重叠频带的剩余部分。
29.根据权利要求28所述的方法(1100)，其中，波长的所述重叠频带包括波长的所述第一频带的频谱边缘与波长的所述第二频带的频谱边缘之间的公共波长。
30.根据权利要求23所述的方法(1100)，其中，所述光组合器(150、152)包括拉曼放大器或者掺铒光纤放大器。
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