海底光缆通信系统技术发展分析

［叶胤 王超 莫仁芸］

1 引言

从1850年英吉利海峡间第一条海缆完成建设，到1866年跨大西洋海缆成功商用，直至今天海缆系统承载着绝大部分的国际通信流量，海缆一直是全球最重要的通信基础设施之一。近年全球国际互联网流量呈现持续增长态势，带宽需求的持续增长推动了海底光缆建设的加速，全球海底光缆一直在持续投入，目前全球在用的海底光缆超过400条，总长度超过120万公里。海底光缆工程技术也在向更多纤对，更高速率，更长距离不断创新发展，持续降低单位比特通信成本，另外水下分支器技术的持续创新还将进一步提升海底光缆系统组网的灵活性和安全性。

海底光缆通信主要特点是通信距离长、传输容量大，系统运行寿命长，一直是光纤新通信技术的应用高地。过去海底光缆通信得益于半导体技术、光电器件技术和光纤技术的高速发展，单纤容量提升迅猛，目前已经接近香农极限容量。随着5G的逐步广泛部署，全球向数字化经济和智能化社会发展，要求进一步提升传输系统容量及持续优化单比特成本。相对陆上光通信系统技术的发展，海底光缆系统还面临水下设备供电受限、体积受限、极高可用率要求等特殊挑战。系统容量及单比特传输成本继续优化的需求与现有海底光缆技术难以实现的矛盾越来越突出，迫切需要新的技术突破来支撑未来的持续演进。

2 海底光纤光缆技术发展

2.1 海底光纤技术

随着通信技术和光纤制造技术的不断革新，通信光纤正向超低损耗，大有效面积方向发展，我国生产的光纤种类不断丰富，新型光纤技术不断取得突破，在国家工业强基工程的支持下，超低损耗光纤已实现重大突破。我国经过多年研究攻克了超低损耗制备的关键技术，从而打破国外技术垄断，实现了超低损耗光纤的自主国产化，并实现了超低损耗大有效面积光纤的规模化与批量化生产，超低损耗大有效面积光纤G.654E陆地光缆已开始在我国骨干光缆网络上规模应用。

对于超低损耗大有效面积海洋光纤，欧美公司高性能光纤产品可实现损耗小于0.155 dB/km，有效截面积大于150 μm2，并已规模商用。目前国内光纤厂商也成功开发出损耗为0.160 dB/km，有效面积为130 μm2的产品，具备商用的基础，但离国际先进水平尚有一定差距。由于海底光缆应用条件和要求相对陆地光缆更为苛刻，对海底光纤的性能一致性和可靠性要求极高，国内的G654光纤仍然需要更多的可靠性验证才能使用。现有国际海底光缆项目中以采用康宁、住友、OFS等美日公司的光纤产品为主。

表1 国际领先海底光纤技术性能表

技术上，随着光纤制造技术的不断提升以及研发的投入，未来可能开发更大有效面积、衰减系数更低的超高性能海洋光纤。除了不断提高单模光纤性能这个方向，从空分复用的角度，有两种方法可以将多空间路径引入光纤。第一种方法是将多个独立的纤芯合并到一根光纤中，一个包层中含有多根纤芯，即多芯光纤（Multicore Fiber，MCF），第二种方法是利用光纤中的多种不同模式来同时传输，即少模光纤（Few-Mode Fiber，FMF）。在长距离传输领域，MCF受到更大的关注，在实现低损耗化和攻克与器件相关的关键技术问题后，低损耗MCF也将成为未来海洋通信发展的重要方向之一。

2.2 海底光缆技术

欧美国家海缆产业于170年前就开始起步，上世纪80年代开始内核通信介质从铜转变为光纤，缆的外部结构并没有发生大的改变，海底光缆制造的核心技术在2000年前后已基本成熟。国内在海底光缆方面起步时间晚，但发展迅速，在部分技术和制造经验上要弱于国外厂家，但也有部分工艺优于国外，整体上能力水平与国际相当。

目前国内海底光缆制造使用的原材料没有实现全国产化，部分原材料还需依赖进口，且部分生产设备或技术也尚未实现自主可控，一些高精密高稳定的生产设备仍需要依靠进口。对于海底光缆国内原材料的自主可控，建议一方面扩展进口原材料的供应商，避免独家供料的现象；另一方面，国内原材料厂家还需潜心研究材料的性能，保证原材料满足海底光缆的使用标准。在设备的开发上，国内的设备商仍需基于已有设备进行剖析，深耕工艺提升，实现设备的精密性、稳定性，以满足海底光缆生产要求。

海底光缆增加容量最简单的方式是采用更多的光缆芯数，有中继海底光缆系统将由16芯增加到24、32芯，未来还将研发48、64芯，无中继系统从24、48、96芯，将增加到500、1 000芯甚至更多。其中国际先进水平可实现千芯光缆100公里段长的生产，而国内目前基本在10公里段长量级，我国在工艺绞合的控制上还需要重点提升。

为了实现更长的跨洋系统通信距离，以及满足未来系统纤对数的增加需求，希望系统的电能损耗能进一步降低，海底光缆能具有更低的直流电阻。目前有中继海底光缆的直流电阻一般在1.0 Ω/km以上，今后超长距海底光缆直流电阻方面的研发趋势是降低到0.8 Ω/km以下，甚至0.6 Ω/km，国际部分领先企业已有0.7 Ω/km左右的产品。

3 水下中继器技术发展

水下中继器（Repeater）通常应用于长距离的海缆传输系统中，用来补偿光信号长距离传输后的衰减，实现光信号的功率放大，由于其需要满足8 000 m水深压力和25年稳定运行寿命的要求，产品实现门槛很高。

近20年密集波分复用技术极大促进了海缆系统容量的提升，但在增益效率较高的C波段，波分复用技术已经接近能力极限，如果将光谱带宽从C波段扩展到C+/C+L波段，可继续扩大系统的传输带宽。目前39 nm的C+波段技术在海缆系统应用已相对成熟，对于C+L波段技术的应用，由于目前技术下L波段的泵浦转化效率较低，需要更高的泵浦功率实现同等效果的放大。提升海缆单纤容量面临的问题是单位能耗的传输容量，而两个C波段放大器的能效优于一个C+L波段放大器。此外，C+L波段器件产业链成熟度不足，暂无类似C/C+波段成本及稳定供应的优势，未来如果L波段铒纤转化效率能提升，远端供电能力能增强，光纤非线性效应能降低等多方面技术的突破，可促进C+L技术的应用。

空分复用SDM（Space Division multiplexing）被认为是可以带来容量倍增的技术，海缆SDM包括多纤对技术（High Fiber Count，HFC）和多芯光纤（MCF）技术。虽然MCF技术在近十多年中，多芯光纤、扇入扇出复用、多芯串扰、多芯放大等关键技术发展迅速，但在产品化方面，近3～5年内MCF技术无论是器件成熟度还是产业完备性，还难以真正在海缆系统中规模使用。

多纤对技术是在现有成熟的海缆通信技术基础上，通过扩展光纤对数，来实现系统容量的倍增，其器件成熟、产业完备、维护和升级容易。因此，多纤对技术在可预见的3～5年内将是最可靠、性价比最高、产业最成熟的技术，成为海底光缆行业公认的发展方向。多纤对海缆通信系统中最关键的是多纤对水下中继器，涉及多项关键技术：大数光纤的馈通技术、高效泵浦驱动技术、15 000伏以上的超高工作电压、超大浪涌防护技术、多纤对泵浦共享技术等。目前我国企业在水下中继器领域与全球其他领先企业同在技术前沿，实现在业界最小的中继器腔体（Housing）内完成光电集成，16纤对水下中继器已经可以商用，32纤对水下中继器正在研发。

多纤对技术的应用同样带来许多挑战，其中最重要的挑战包括系统高压供电。系统设计电压增加，需要所有配套产品都具备耐高压的能力，假设海缆采用未来0.6 Ω/km的低阻抗技术产品，对于12 000 km跨太平洋系统，压降将达到20 kV（16纤对）。供电方面，提高Repeater电路效率及降低海缆阻抗是主要研究方向，对于电路效率的提升，可通过从泵浦共享，泵浦驱动、防护及整流电路等方面进行设计优化，其中泵浦共享可以有4x4、4x8等结构设计。

4 水下分支器和ROADM技术发展

水下分支器（Branching Unit，BU）通常应用于非点对点连接的海缆系统中，BU包括光信号路径切换（光纤分支或光分插复用）、光信号放大（可选），以及供电路径切换（可选）等功能。BU按供电需求则可分为无源分支器和有源分支器，其中电源可倒换分支器（Power Switch BU，PSBU）通过有源开关器件可实现电源各级之间以及与地极之间的相互倒换。目前PSBU电源切换技术已经由早期的控制端站PFE上电顺序发展为通过端站发送命令来控制BU切换的智能控制方式。在切换电压限制上，通过加强BU内部单元的绝缘设计及高可靠性继电器的选取，由原来几百伏低压发展到15 kV高压热切换或更高20 kV/25 kV高压热切换，减少了PSBU电源切换过程中PFE上下电操作及极性调整时间，提升业务恢复速度，减少业务中断时间。

BU按光功能设计演进主要有分纤型分支器（Full Fiber Drop Branching Unit，FFD BU）、固定分插复用分支器（Fixed Optical Add/Drop Multiplexer Branching Unit，FOADM BU）、可选择光分插复用分支器（Selectable Optical Add/Drop Multiplexer Branching Unit，SOADM BU）以及可重构分插复用分支器（Reconfigurable Optical Add/Drop Multiplexer Branching Unit，ROADM BU）。

表2 各类水下分支器功能对比表

随着海缆承载业务量的增加，对业务的稳定性要求也越来越高。对出现故障的海缆段，长时间业务中断只允许发生在故障侧，无故障侧要求实现快速业务恢复，支路故障时BU的光切换时间应能小于500 ms，系统级故障从故障发生到业务恢复总时间不超过60秒。支路自动切换业界有基于光功率检测及电流检测两种方式，其中光功率检测将具有更高的技术优势，可覆盖的故障场景范围更广。

灵活性一直是光网络追求的一个发展方向，为了使不同站点之间的业务调度更加灵活，水下分支器已经由分纤型和有限灵活性的基于“光开关+固定滤波器”分支器发展到更加灵活的基于WSS（Wavelength Selective Switch）技术的可进行波长级任意带宽分插复用分支器。其中FS-ROADM BU可采用Fiber Switch BU和ROADM单元独立Housing设计，二者配合使用，完成复杂度更高的业务调度及故障容灾。

在ROADM单元的集成度上，目前主流是单体2纤对，支持多个级联，业界领先技术可做到单体4纤对，未来需要进一步选用更高集成度的WSS模块来提升空间利用率，做到更高纤对数的单体结构，减少级联带来的施工成本及后期维修回收难度。海缆系统设备主要受限于水下Housing大小，由于ROADM单元功能设计的复杂度较高，在极小的空间里要实现光谱平坦度调整，EDFA光功率补偿，1+1WSS，三方向控制与反馈电路等，未来可在EDFA及WSS的集成度上进一步压缩空间或采用更大Housing来容纳更多光纤对。

5 Open Cable架构

近年来，有中继海缆系统终端传输设备TTE（Terminal Transmission Equipment）与水下设备解耦已成为行业的发展趋势。解耦后以水下为主的海缆系统作为一个透明的光层传输管道，通过提供开放的光接口，投资方可以自由选择TTE厂家，不受水下设备供应商的限制，提高自行选择传输设备商的自由度。通过系统解耦分离，建设方无需在海缆建设合同签订初期就确定TTE设备，因为海缆建设周期一般长达3～4年以上，而终端传输设备技术更新较快，过2～3年再选择技术更新且性价比更高的设备，可进一步降低每比特成本。对于终端传输设备商和水下设备商而言，也可以结合自身的优势，集中力量提高各自领域产品竞争力。

Open Cable架构模式旨在将海缆系统终端传输设备和水下设备解耦和分离,这要求海缆终端传输设备与海缆底层平台的接口进行标准化，并能实现各自独立的系统测试和验收。2016年ITU-T SG15同意将Open Cable作为G.977.1研究的新标准，2019年SubOptic大会发布了Open Cable白皮书，经多次ITU-T会议审议，标准将在2021年正式完成。Open Cable海缆系统基本框架如下图所示，其中MPI-SM点和MPI-RM点分别为主光通道发送点和接收点；IPI-SM和IPI-RM分别为互操作接口发送点和接收点；光耦合汇聚单元（OCJ）作为不同TTE的接入点，系统在 OCJ处实现横向兼容的互操作，同时也提供海缆监测和控制的耦合接口，OCJ可包含放大器也可不含放大器。

图1 Open Cable传输系统示意图

Open Cable系统设备除提供开放的业务接入接口，一般还需提供高精度波道检测功能、自动预加重功能、光路自动容灾切换等功能，以及水下设备监控及故障定位等。Open Cable相对传统模式也带来了一些新挑战，比如由于水上和水下设备彻底解耦，当水下链路出现故障后，TTE设备的信号丢失/信号劣化等相关告警无法传递给Open Cable系统，无法及时提醒上层网管做出相关动作，相关挑战需要进一步研究和改进。

6 结束语

我国海底光缆产业整体能力与世界领先技术水平仍为主，且其中高性能光纤、部分设备和原材料还主要采用欧美日等国的产品。我国海底光缆产业能力与“网络强国”地位并不相称，如今全球经济数字化转型持续推进，信息基础设施是数字经济发展的基石，而海底光缆系统作为国际通信基础设施的骨干将承担和发挥更关键性的作用，我国企业需加快提升自身技术实力并抓住机遇，加强合作并形成合力，更多地参与到全球海底光缆通信网络的建设和运营中。本文通过研究海底光缆通信系统关键技术的最新进展，分析存在的技术差距和挑战，希望能为我国海底光缆产业技术能力提升提供有益参考。