繼電保護中光纖通信技術應用

【摘 要】光纖作為通信的介質有很多的優點，而通過變更光纖結構、摻雜增益原子、使用光感性來感應光柵結構、以及使用鎖模機制來達到短脈沖輸出等技術可以讓光纖的功能更為增強。隨著光纖通信技術的不斷進步，繼電保護也會隨之而不斷地進步，實現可持續性發展，具有較好的經濟價值和社會意義。本文對繼電保護中光纖通信技術應用相關問題進行了探討。

【關鍵詞】繼電保護；光纖通信；技術；應用

1 光纖通信技術的應用發展

近幾十年來光纖科技的進步已經在許多研究領域造成很大的進展，幾個最重要的光纖技術包括特殊光纖制作技術、光纖光柵技術、及光纖雷射技術等，都已經受到很大的重視。早期光纖科技的發展著重在解決光傳輸損耗的問題，后來則擴大到各種特殊光纖（色散位移光纖、增益光纖、偏振保持光纖、非線性光纖、光子晶體光纖等）的制作，以及各種光纖元件（光耦合器、光纖光柵元件等）的開發，還有各種光纖模塊（如光纖放大器、光纖雷射等）的建構。光纖相關技術的最大優勢之一是其與光纖通訊系統的相容性，借助簡單的光纖熔接即可達到積體化的連結，沒有一般光學元件或系統所需特別注意的光學對光問題，其他的可能優點包括成本便宜、光學特性優異、及性能多樣性等等也都是發展上的主要著眼點。光纖科技研究的內容事實上非常多樣，有一些技術也已經在某些應用上造成革命性的發展，沒有其他的技術可以與的競爭。有一些技術則仍在發展當中，應用的層面雖然還未進行全面性的革新，但是再繼電保護中的應用范圍與重要性卻與日俱增。

2 光纖通信技術在繼電保護中的應用優勢

2.1 抗干擾能力強

光信號的特點之一，就是可以在系統有故障時避免電磁方面出現的干擾，有很好的防止雷電效果，所以，光纖通道通常使用在繼電保護通道當中。

2.2 誤碼率低

由于傳輸質量很高，所以誤碼率低，通常在10%以下。通道一般所要求的“透明度”是繼電保護常要求的，而這種特點讓光纖通道十分好的滿足。就是由發端保護裝置來發送信息，然后經過通道傳輸之后送到收端，使發端的原始發送信息與收端的保護裝置所見的信息完全相同，任何東西都不增不減。

2.3 傳輸的信息量大

光的頻率高，所以頻帶寬，傳輸的信息量大。此特點讓線路兩端保護裝置交換的信息量增大，因此讓繼電保護動作的可靠和正確性性大大提高。電力常用光纜一般是ADSS和OPGW。ADSS雖然施工方便，但是存在電腐蝕的問題，掛點選擇困難，防火性能差，OPGW光纜雖然造價較高，可以兼作繼電保護通道。

3 光纖通信雷射技術的應用

光纖通信雷射技術的發展歷史是與增益光纖和光纖放大器的發展同步開始。經過這十幾年來的發展，技術及特性的改良都已經相當成熟。過去幾年光纖雷射技術的發展主要包括：各種單模連續波光纖雷射及其應用；各種鎖模光纖雷射及其應用；各種高功率光纖雷射及其應用。

就單模連續波光纖雷射而言，最穩定的雷射架構是DFB光纖雷射。通過合摻Yb的光感性摻鉺光纖的使用，短短幾公分的光纖雷射在光學激發下很容易就能產生幾個mW或更高的輸出功率，輸出波長完全由光纖光柵來決定，而且線寬可較半導體雷射要來的小，雷射輸出雜訊也能與DFB半導體雷射來相比較，在一些應用中具有取代DFB半導體雷射的潛力。就鎖模雷射而言，不管是可輸出超短脈沖的被動鎖模光纖雷射或是可有很高脈沖重復率主動鎖模光纖雷射都已廣泛應用，這顯示鎖模光纖雷射的技術可算是相當成熟，實際的應用也與日俱增。混合（主動加被動）鎖模光纖雷射，可產生脈沖重復率高達幾個GHz且脈沖寬度約為700fs的脈沖序列。當需要增加光纖放大器或光纖雷射的輸出功率到瓦特以上的等級時，cladding pumping就成為必須要用到的技術。通過特殊的光纖設計，激發光被局限在第二層的cladding之內，可以有效地利用多模光纖來將高功率激發光導入增益光纖之中，從而使總激發光功率可以很高，最后的輸出功率當然也跟著提升。通過MOPA（Master Oscillator Power Amplifier）架構的使用，也可以達到很窄的雷射線寬。

4 光纖通信光柵技術應用

光纖光柵的發現或發明可追溯到1978年，加拿大科學家Hill等人發現可用氬離子雷射光在光纖中干涉而感應出折射系數光柵結構，這是光纖中光感性的第一次被發現。科學家很快地就發現要在光纖中感應出光纖光柵，使用的波長最好是244nm或193nm附近的深紫外光，利用旁照式的雙光束干涉或相位光罩方法來曝光，使用的光纖最好含有較高的Ge成份（或其他可以產生光感性的原子摻雜），而且可利用光纖載氫的方法來增加光感性。最近幾年來光纖光柵技術的發展則主要包括：各種光纖光柵的逆向設計；各種復雜光纖光柵元件的制作；各種光纖光柵元件在光通訊、光感測等方面的應用。逆向設計是指根據應用制定出所需的光濾波特性（須包括相位）后，借助特別的演算法就可以直接算出要達到所需光濾波特性的光纖光柵結構。一般所用的光纖光柵逆向設計演算法是所謂的剝皮法（layer-peeling method，簡寫為LP法），其優點是直接且快速，不過缺點是一定需要相位頻譜的信息，而且較不容易加入額外的限制性條件（例如光柵長度、光柵最大強度等）。我們最近所發展出的則是利用演化演算法（Evolutionary Programming，簡寫為EP法）來作最佳化的方法。在相同光柵長度下，使用剝皮法所得的結果較好。

要制作如無色散光纖光柵這種復雜的相位移光纖光柵并不容易，因為其長度較長，光柵的折射率分布dc平均值是一常數，光柵的折射率分布ac波包形狀是震蕩狀，而且中間許多位置須有180度的相位移。為了能制作出這類的光纖光柵，可以建構了一個逐段式光纖光柵曝制平臺，確保能曝照任意形狀的光纖光柵。同時還需發展出特殊的曝光方法與位置監控技術，能夠在曝制的過程中維持光柵的折射率分布dc平均值是常數，而且可以準確控制相鄰曝制的光柵段的相對相位。通過這樣的技術，才可以實際制作出無色散布拉格光纖光柵。光纖光柵在光通訊上的主要應用都仍須面對其他技術的競爭，光纖光柵不見得能有絕對的優勢。在光纖感測的應用上情形較好些，光纖光柵的優勢還不錯，雖然仍然還是有些競爭者。不過整體而言，光纖光柵的應用越來越廣，也越來越重要，特別是我們可以針對不同的應用需求來設計及制作最佳化的光纖光柵，這是其他技術所較難以達到的。

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[責任編輯：湯靜]