海底光纜通信系統技術發展分析

［葉胤 王超 莫仁蕓］

1 引言

從1850年英吉利海峽間第一條海纜完成建設，到1866年跨大西洋海纜成功商用，直至今天海纜系統承載著絕大部分的國際通信流量，海纜一直是全球最重要的通信基礎設施之一。近年全球國際互聯網流量呈現持續增長態勢，帶寬需求的持續增長推動了海底光纜建設的加速，全球海底光纜一直在持續投入，目前全球在用的海底光纜超過400條，總長度超過120萬公里。海底光纜工程技術也在向更多纖對，更高速率，更長距離不斷創新發展，持續降低單位比特通信成本，另外水下分支器技術的持續創新還將進一步提升海底光纜系統組網的靈活性和安全性。

海底光纜通信主要特點是通信距離長、傳輸容量大，系統運行壽命長，一直是光纖新通信技術的應用高地。過去海底光纜通信得益于半導體技術、光電器件技術和光纖技術的高速發展，單纖容量提升迅猛，目前已經接近香農極限容量。隨著5G的逐步廣泛部署，全球向數字化經濟和智能化社會發展，要求進一步提升傳輸系統容量及持續優化單比特成本。相對陸上光通信系統技術的發展，海底光纜系統還面臨水下設備供電受限、體積受限、極高可用率要求等特殊挑戰。系統容量及單比特傳輸成本繼續優化的需求與現有海底光纜技術難以實現的矛盾越來越突出，迫切需要新的技術突破來支撐未來的持續演進。

2 海底光纖光纜技術發展

2.1 海底光纖技術

隨著通信技術和光纖制造技術的不斷革新，通信光纖正向超低損耗，大有效面積方向發展，我國生產的光纖種類不斷豐富，新型光纖技術不斷取得突破，在國家工業強基工程的支持下，超低損耗光纖已實現重大突破。我國經過多年研究攻克了超低損耗制備的關鍵技術，從而打破國外技術壟斷，實現了超低損耗光纖的自主國產化，并實現了超低損耗大有效面積光纖的規模化與批量化生產，超低損耗大有效面積光纖G.654E陸地光纜已開始在我國骨干光纜網絡上規模應用。

對于超低損耗大有效面積海洋光纖，歐美公司高性能光纖產品可實現損耗小于0.155 dB/km，有效截面積大于150 μm2，并已規模商用。目前國內光纖廠商也成功開發出損耗為0.160 dB/km，有效面積為130 μm2的產品，具備商用的基礎，但離國際先進水平尚有一定差距。由于海底光纜應用條件和要求相對陸地光纜更為苛刻，對海底光纖的性能一致性和可靠性要求極高，國內的G654光纖仍然需要更多的可靠性驗證才能使用。現有國際海底光纜項目中以采用康寧、住友、OFS等美日公司的光纖產品為主。

表1 國際領先海底光纖技術性能表

技術上，隨著光纖制造技術的不斷提升以及研發的投入，未來可能開發更大有效面積、衰減系數更低的超高性能海洋光纖。除了不斷提高單模光纖性能這個方向，從空分復用的角度，有兩種方法可以將多空間路徑引入光纖。第一種方法是將多個獨立的纖芯合并到一根光纖中，一個包層中含有多根纖芯，即多芯光纖（Multicore Fiber，MCF），第二種方法是利用光纖中的多種不同模式來同時傳輸，即少模光纖（Few-Mode Fiber，FMF）。在長距離傳輸領域，MCF受到更大的關注，在實現低損耗化和攻克與器件相關的關鍵技術問題后，低損耗MCF也將成為未來海洋通信發展的重要方向之一。

2.2 海底光纜技術

歐美國家海纜產業于170年前就開始起步，上世紀80年代開始內核通信介質從銅轉變為光纖，纜的外部結構并沒有發生大的改變，海底光纜制造的核心技術在2000年前后已基本成熟。國內在海底光纜方面起步時間晚，但發展迅速，在部分技術和制造經驗上要弱于國外廠家，但也有部分工藝優于國外，整體上能力水平與國際相當。

目前國內海底光纜制造使用的原材料沒有實現全國產化，部分原材料還需依賴進口，且部分生產設備或技術也尚未實現自主可控，一些高精密高穩定的生產設備仍需要依靠進口。對于海底光纜國內原材料的自主可控，建議一方面擴展進口原材料的供應商，避免獨家供料的現象；另一方面，國內原材料廠家還需潛心研究材料的性能，保證原材料滿足海底光纜的使用標準。在設備的開發上，國內的設備商仍需基于已有設備進行剖析，深耕工藝提升，實現設備的精密性、穩定性，以滿足海底光纜生產要求。

海底光纜增加容量最簡單的方式是采用更多的光纜芯數，有中繼海底光纜系統將由16芯增加到24、32芯，未來還將研發48、64芯，無中繼系統從24、48、96芯，將增加到500、1 000芯甚至更多。其中國際先進水平可實現千芯光纜100公里段長的生產，而國內目前基本在10公里段長量級，我國在工藝絞合的控制上還需要重點提升。

為了實現更長的跨洋系統通信距離，以及滿足未來系統纖對數的增加需求，希望系統的電能損耗能進一步降低，海底光纜能具有更低的直流電阻。目前有中繼海底光纜的直流電阻一般在1.0 Ω/km以上，今后超長距海底光纜直流電阻方面的研發趨勢是降低到0.8 Ω/km以下，甚至0.6 Ω/km，國際部分領先企業已有0.7 Ω/km左右的產品。

3 水下中繼器技術發展

水下中繼器（Repeater）通常應用于長距離的海纜傳輸系統中，用來補償光信號長距離傳輸后的衰減，實現光信號的功率放大，由于其需要滿足8 000 m水深壓力和25年穩定運行壽命的要求，產品實現門檻很高。

近20年密集波分復用技術極大促進了海纜系統容量的提升，但在增益效率較高的C波段，波分復用技術已經接近能力極限，如果將光譜帶寬從C波段擴展到C+/C+L波段，可繼續擴大系統的傳輸帶寬。目前39 nm的C+波段技術在海纜系統應用已相對成熟，對于C+L波段技術的應用，由于目前技術下L波段的泵浦轉化效率較低，需要更高的泵浦功率實現同等效果的放大。提升海纜單纖容量面臨的問題是單位能耗的傳輸容量，而兩個C波段放大器的能效優于一個C+L波段放大器。此外，C+L波段器件產業鏈成熟度不足，暫無類似C/C+波段成本及穩定供應的優勢，未來如果L波段鉺纖轉化效率能提升，遠端供電能力能增強，光纖非線性效應能降低等多方面技術的突破，可促進C+L技術的應用。

空分復用SDM（Space Division multiplexing）被認為是可以帶來容量倍增的技術，海纜SDM包括多纖對技術（High Fiber Count，HFC）和多芯光纖（MCF）技術。雖然MCF技術在近十多年中，多芯光纖、扇入扇出復用、多芯串擾、多芯放大等關鍵技術發展迅速，但在產品化方面，近3～5年內MCF技術無論是器件成熟度還是產業完備性，還難以真正在海纜系統中規模使用。

多纖對技術是在現有成熟的海纜通信技術基礎上，通過擴展光纖對數，來實現系統容量的倍增，其器件成熟、產業完備、維護和升級容易。因此，多纖對技術在可預見的3～5年內將是最可靠、性價比最高、產業最成熟的技術，成為海底光纜行業公認的發展方向。多纖對海纜通信系統中最關鍵的是多纖對水下中繼器，涉及多項關鍵技術：大數光纖的饋通技術、高效泵浦驅動技術、15 000伏以上的超高工作電壓、超大浪涌防護技術、多纖對泵浦共享技術等。目前我國企業在水下中繼器領域與全球其他領先企業同在技術前沿，實現在業界最小的中繼器腔體（Housing）內完成光電集成，16纖對水下中繼器已經可以商用，32纖對水下中繼器正在研發。

多纖對技術的應用同樣帶來許多挑戰，其中最重要的挑戰包括系統高壓供電。系統設計電壓增加，需要所有配套產品都具備耐高壓的能力，假設海纜采用未來0.6 Ω/km的低阻抗技術產品，對于12 000 km跨太平洋系統，壓降將達到20 kV（16纖對）。供電方面，提高Repeater電路效率及降低海纜阻抗是主要研究方向，對于電路效率的提升，可通過從泵浦共享，泵浦驅動、防護及整流電路等方面進行設計優化，其中泵浦共享可以有4x4、4x8等結構設計。

4 水下分支器和ROADM技術發展

水下分支器（Branching Unit，BU）通常應用于非點對點連接的海纜系統中，BU包括光信號路徑切換（光纖分支或光分插復用）、光信號放大（可選），以及供電路徑切換（可選）等功能。BU按供電需求則可分為無源分支器和有源分支器，其中電源可倒換分支器（Power Switch BU，PSBU）通過有源開關器件可實現電源各級之間以及與地極之間的相互倒換。目前PSBU電源切換技術已經由早期的控制端站PFE上電順序發展為通過端站發送命令來控制BU切換的智能控制方式。在切換電壓限制上，通過加強BU內部單元的絕緣設計及高可靠性繼電器的選取，由原來幾百伏低壓發展到15 kV高壓熱切換或更高20 kV/25 kV高壓熱切換，減少了PSBU電源切換過程中PFE上下電操作及極性調整時間，提升業務恢復速度，減少業務中斷時間。

BU按光功能設計演進主要有分纖型分支器（Full Fiber Drop Branching Unit，FFD BU）、固定分插復用分支器（Fixed Optical Add/Drop Multiplexer Branching Unit，FOADM BU）、可選擇光分插復用分支器（Selectable Optical Add/Drop Multiplexer Branching Unit，SOADM BU）以及可重構分插復用分支器（Reconfigurable Optical Add/Drop Multiplexer Branching Unit，ROADM BU）。

表2 各類水下分支器功能對比表

隨著海纜承載業務量的增加，對業務的穩定性要求也越來越高。對出現故障的海纜段，長時間業務中斷只允許發生在故障側，無故障側要求實現快速業務恢復，支路故障時BU的光切換時間應能小于500 ms，系統級故障從故障發生到業務恢復總時間不超過60秒。支路自動切換業界有基于光功率檢測及電流檢測兩種方式，其中光功率檢測將具有更高的技術優勢，可覆蓋的故障場景范圍更廣。

靈活性一直是光網絡追求的一個發展方向，為了使不同站點之間的業務調度更加靈活，水下分支器已經由分纖型和有限靈活性的基于“光開關+固定濾波器”分支器發展到更加靈活的基于WSS（Wavelength Selective Switch）技術的可進行波長級任意帶寬分插復用分支器。其中FS-ROADM BU可采用Fiber Switch BU和ROADM單元獨立Housing設計，二者配合使用，完成復雜度更高的業務調度及故障容災。

在ROADM單元的集成度上，目前主流是單體2纖對，支持多個級聯，業界領先技術可做到單體4纖對，未來需要進一步選用更高集成度的WSS模塊來提升空間利用率，做到更高纖對數的單體結構，減少級聯帶來的施工成本及后期維修回收難度。海纜系統設備主要受限于水下Housing大小，由于ROADM單元功能設計的復雜度較高，在極小的空間里要實現光譜平坦度調整，EDFA光功率補償，1+1WSS，三方向控制與反饋電路等，未來可在EDFA及WSS的集成度上進一步壓縮空間或采用更大Housing來容納更多光纖對。

5 Open Cable架構

近年來，有中繼海纜系統終端傳輸設備TTE（Terminal Transmission Equipment）與水下設備解耦已成為行業的發展趨勢。解耦后以水下為主的海纜系統作為一個透明的光層傳輸管道，通過提供開放的光接口，投資方可以自由選擇TTE廠家，不受水下設備供應商的限制，提高自行選擇傳輸設備商的自由度。通過系統解耦分離，建設方無需在海纜建設合同簽訂初期就確定TTE設備，因為海纜建設周期一般長達3～4年以上，而終端傳輸設備技術更新較快，過2～3年再選擇技術更新且性價比更高的設備，可進一步降低每比特成本。對于終端傳輸設備商和水下設備商而言，也可以結合自身的優勢，集中力量提高各自領域產品競爭力。

Open Cable架構模式旨在將海纜系統終端傳輸設備和水下設備解耦和分離,這要求海纜終端傳輸設備與海纜底層平臺的接口進行標準化，并能實現各自獨立的系統測試和驗收。2016年ITU-T SG15同意將Open Cable作為G.977.1研究的新標準，2019年SubOptic大會發布了Open Cable白皮書，經多次ITU-T會議審議，標準將在2021年正式完成。Open Cable海纜系統基本框架如下圖所示，其中MPI-SM點和MPI-RM點分別為主光通道發送點和接收點；IPI-SM和IPI-RM分別為互操作接口發送點和接收點；光耦合匯聚單元（OCJ）作為不同TTE的接入點，系統在 OCJ處實現橫向兼容的互操作，同時也提供海纜監測和控制的耦合接口，OCJ可包含放大器也可不含放大器。

圖1 Open Cable傳輸系統示意圖

Open Cable系統設備除提供開放的業務接入接口，一般還需提供高精度波道檢測功能、自動預加重功能、光路自動容災切換等功能，以及水下設備監控及故障定位等。Open Cable相對傳統模式也帶來了一些新挑戰，比如由于水上和水下設備徹底解耦，當水下鏈路出現故障后，TTE設備的信號丟失/信號劣化等相關告警無法傳遞給Open Cable系統，無法及時提醒上層網管做出相關動作，相關挑戰需要進一步研究和改進。

6 結束語

我國海底光纜產業整體能力與世界領先技術水平仍為主，且其中高性能光纖、部分設備和原材料還主要采用歐美日等國的產品。我國海底光纜產業能力與“網絡強國”地位并不相稱，如今全球經濟數字化轉型持續推進，信息基礎設施是數字經濟發展的基石，而海底光纜系統作為國際通信基礎設施的骨干將承擔和發揮更關鍵性的作用，我國企業需加快提升自身技術實力并抓住機遇，加強合作并形成合力，更多地參與到全球海底光纜通信網絡的建設和運營中。本文通過研究海底光纜通信系統關鍵技術的最新進展，分析存在的技術差距和挑戰，希望能為我國海底光纜產業技術能力提升提供有益參考。