［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(shè)，到1866年跨大西洋海纜成功商用，直至今天海纜系統(tǒng)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(chǔ)設(shè)施之一。近年全球國際互聯(lián)網(wǎng)流量呈現(xiàn)持續(xù)增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，帶寬需求的持續(xù)增長(zhǎng)推動(dòng)了海底光纜建設(shè)的加速，全球海底光纜一直在持續(xù)投入，目前全球在用的海底光纜超過400條，總長(zhǎng)度超過120萬公里。海底光纜工程技術(shù)也在向更多纖對(duì)，更高速率，更長(zhǎng)距離不斷創(chuàng)新發(fā)展，持續(xù)降低單位比特通信成本，另外水下分支器技術(shù)的持續(xù)創(chuàng)新還將進(jìn)一步提升海底光纜系統(tǒng)組網(wǎng)的靈活性和安全性。

海底光纜通信主要特點(diǎn)是通信距離長(zhǎng)、傳輸容量大，系統(tǒng)運(yùn)行壽命長(zhǎng)，一直是光纖新通信技術(shù)的應(yīng)用高地。過去海底光纜通信得益于半導(dǎo)體技術(shù)、光電器件技術(shù)和光纖技術(shù)的高速發(fā)展，單纖容量提升迅猛，目前已經(jīng)接近香農(nóng)極限容量。隨著5G的逐步廣泛部署，全球向數(shù)字化經(jīng)濟(jì)和智能化社會(huì)發(fā)展，要求進(jìn)一步提升傳輸系統(tǒng)容量及持續(xù)優(yōu)化單比特成本。相對(duì)陸上光通信系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展，海底光纜系統(tǒng)還面臨水下設(shè)備供電受限、體積受限、極高可用率要求等特殊挑戰(zhàn)。系統(tǒng)容量及單比特傳輸成本繼續(xù)優(yōu)化的需求與現(xiàn)有海底光纜技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)的矛盾越來越突出，迫切需要新的技術(shù)突破來支撐未來的持續(xù)演進(jìn)。

2 海底光纖光纜技術(shù)發(fā)展

2.1 海底光纖技術(shù)

隨著通信技術(shù)和光纖制造技術(shù)的不斷革新，通信光纖正向超低損耗，大有效面積方向發(fā)展，我國生產(chǎn)的光纖種類不斷豐富，新型光纖技術(shù)不斷取得突破，在國家工業(yè)強(qiáng)基工程的支持下，超低損耗光纖已實(shí)現(xiàn)重大突破。我國經(jīng)過多年研究攻克了超低損耗制備的關(guān)鍵技術(shù)，從而打破國外技術(shù)壟斷，實(shí)現(xiàn)了超低損耗光纖的自主國產(chǎn)化，并實(shí)現(xiàn)了超低損耗大有效面積光纖的規(guī)?；c批量化生產(chǎn)，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(wǎng)絡(luò)上規(guī)模應(yīng)用。

對(duì)于超低損耗大有效面積海洋光纖，歐美公司高性能光纖產(chǎn)品可實(shí)現(xiàn)損耗小于0.155 dB/km，有效截面積大于150 μm2，并已規(guī)模商用。目前國內(nèi)光纖廠商也成功開發(fā)出損耗為0.160 dB/km，有效面積為130 μm2的產(chǎn)品，具備商用的基礎(chǔ)，但離國際先進(jìn)水平尚有一定差距。由于海底光纜應(yīng)用條件和要求相對(duì)陸地光纜更為苛刻，對(duì)海底光纖的性能一致性和可靠性要求極高，國內(nèi)的G654光纖仍然需要更多的可靠性驗(yàn)證才能使用?，F(xiàn)有國際海底光纜項(xiàng)目中以采用康寧、住友、OFS等美日公司的光纖產(chǎn)品為主。

表1 國際領(lǐng)先海底光纖技術(shù)性能表

技術(shù)上，隨著光纖制造技術(shù)的不斷提升以及研發(fā)的投入，未來可能開發(fā)更大有效面積、衰減系數(shù)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(gè)方向，從空分復(fù)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(gè)獨(dú)立的纖芯合并到一根光纖中，一個(gè)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(shí)傳輸，即少模光纖（Few-Mode Fiber，F(xiàn)MF）。在長(zhǎng)距離傳輸領(lǐng)域，MCF受到更大的關(guān)注，在實(shí)現(xiàn)低損耗化和攻克與器件相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)問題后，低損耗MCF也將成為未來海洋通信發(fā)展的重要方向之一。

2.2 海底光纜技術(shù)

歐美國家海纜產(chǎn)業(yè)于170年前就開始起步，上世紀(jì)80年代開始內(nèi)核通信介質(zhì)從銅轉(zhuǎn)變?yōu)楣饫w，纜的外部結(jié)構(gòu)并沒有發(fā)生大的改變，海底光纜制造的核心技術(shù)在2000年前后已基本成熟。國內(nèi)在海底光纜方面起步時(shí)間晚，但發(fā)展迅速，在部分技術(shù)和制造經(jīng)驗(yàn)上要弱于國外廠家，但也有部分工藝優(yōu)于國外，整體上能力水平與國際相當(dāng)。

目前國內(nèi)海底光纜制造使用的原材料沒有實(shí)現(xiàn)全國產(chǎn)化，部分原材料還需依賴進(jìn)口，且部分生產(chǎn)設(shè)備或技術(shù)也尚未實(shí)現(xiàn)自主可控，一些高精密高穩(wěn)定的生產(chǎn)設(shè)備仍需要依靠進(jìn)口。對(duì)于海底光纜國內(nèi)原材料的自主可控，建議一方面擴(kuò)展進(jìn)口原材料的供應(yīng)商，避免獨(dú)家供料的現(xiàn)象；另一方面，國內(nèi)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(biāo)準(zhǔn)。在設(shè)備的開發(fā)上，國內(nèi)的設(shè)備商仍需基于已有設(shè)備進(jìn)行剖析，深耕工藝提升，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的精密性、穩(wěn)定性，以滿足海底光纜生產(chǎn)要求。

海底光纜增加容量最簡(jiǎn)單的方式是采用更多的光纜芯數(shù)，有中繼海底光纜系統(tǒng)將由16芯增加到24、32芯，未來還將研發(fā)48、64芯，無中繼系統(tǒng)從24、48、96芯，將增加到500、1 000芯甚至更多。其中國際先進(jìn)水平可實(shí)現(xiàn)千芯光纜100公里段長(zhǎng)的生產(chǎn)，而國內(nèi)目前基本在10公里段長(zhǎng)量級(jí)，我國在工藝絞合的控制上還需要重點(diǎn)提升。

為了實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)的跨洋系統(tǒng)通信距離，以及滿足未來系統(tǒng)纖對(duì)數(shù)的增加需求，希望系統(tǒng)的電能損耗能進(jìn)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(zhǎng)距海底光纜直流電阻方面的研發(fā)趨勢(shì)是降低到0.8 Ω/km以下，甚至0.6 Ω/km，國際部分領(lǐng)先企業(yè)已有0.7 Ω/km左右的產(chǎn)品。

3 水下中繼器技術(shù)發(fā)展

水下中繼器（Repeater）通常應(yīng)用于長(zhǎng)距離的海纜傳輸系統(tǒng)中，用來補(bǔ)償光信號(hào)長(zhǎng)距離傳輸后的衰減，實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的功率放大，由于其需要滿足8 000 m水深壓力和25年穩(wěn)定運(yùn)行壽命的要求，產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)門檻很高。

近20年密集波分復(fù)用技術(shù)極大促進(jìn)了海纜系統(tǒng)容量的提升，但在增益效率較高的C波段，波分復(fù)用技術(shù)已經(jīng)接近能力極限，如果將光譜帶寬從C波段擴(kuò)展到C+/C+L波段，可繼續(xù)擴(kuò)大系統(tǒng)的傳輸帶寬。目前39 nm的C+波段技術(shù)在海纜系統(tǒng)應(yīng)用已相對(duì)成熟，對(duì)于C+L波段技術(shù)的應(yīng)用，由于目前技術(shù)下L波段的泵浦轉(zhuǎn)化效率較低，需要更高的泵浦功率實(shí)現(xiàn)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(gè)C波段放大器的能效優(yōu)于一個(gè)C+L波段放大器。此外，C+L波段器件產(chǎn)業(yè)鏈成熟度不足，暫無類似C/C+波段成本及穩(wěn)定供應(yīng)的優(yōu)勢(shì)，未來如果L波段鉺纖轉(zhuǎn)化效率能提升，遠(yuǎn)端供電能力能增強(qiáng)，光纖非線性效應(yīng)能降低等多方面技術(shù)的突破，可促進(jìn)C+L技術(shù)的應(yīng)用。

空分復(fù)用SDM（Space Division multiplexing）被認(rèn)為是可以帶來容量倍增的技術(shù)，海纜SDM包括多纖對(duì)技術(shù)（High Fiber Count，HFC）和多芯光纖（MCF）技術(shù)。雖然MCF技術(shù)在近十多年中，多芯光纖、扇入扇出復(fù)用、多芯串?dāng)_、多芯放大等關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展迅速，但在產(chǎn)品化方面，近3～5年內(nèi)MCF技術(shù)無論是器件成熟度還是產(chǎn)業(yè)完備性，還難以真正在海纜系統(tǒng)中規(guī)模使用。

多纖對(duì)技術(shù)是在現(xiàn)有成熟的海纜通信技術(shù)基礎(chǔ)上，通過擴(kuò)展光纖對(duì)數(shù)，來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)容量的倍增，其器件成熟、產(chǎn)業(yè)完備、維護(hù)和升級(jí)容易。因此，多纖對(duì)技術(shù)在可預(yù)見的3～5年內(nèi)將是最可靠、性價(jià)比最高、產(chǎn)業(yè)最成熟的技術(shù)，成為海底光纜行業(yè)公認(rèn)的發(fā)展方向。多纖對(duì)海纜通信系統(tǒng)中最關(guān)鍵的是多纖對(duì)水下中繼器，涉及多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)：大數(shù)光纖的饋通技術(shù)、高效泵浦驅(qū)動(dòng)技術(shù)、15 000伏以上的超高工作電壓、超大浪涌防護(hù)技術(shù)、多纖對(duì)泵浦共享技術(shù)等。目前我國企業(yè)在水下中繼器領(lǐng)域與全球其他領(lǐng)先企業(yè)同在技術(shù)前沿，實(shí)現(xiàn)在業(yè)界最小的中繼器腔體（Housing）內(nèi)完成光電集成，16纖對(duì)水下中繼器已經(jīng)可以商用，32纖對(duì)水下中繼器正在研發(fā)。

多纖對(duì)技術(shù)的應(yīng)用同樣帶來許多挑戰(zhàn)，其中最重要的挑戰(zhàn)包括系統(tǒng)高壓供電。系統(tǒng)設(shè)計(jì)電壓增加，需要所有配套產(chǎn)品都具備耐高壓的能力，假設(shè)海纜采用未來0.6 Ω/km的低阻抗技術(shù)產(chǎn)品，對(duì)于12 000 km跨太平洋系統(tǒng)，壓降將達(dá)到20 kV（16纖對(duì)）。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(duì)于電路效率的提升，可通過從泵浦共享，泵浦驅(qū)動(dòng)、防護(hù)及整流電路等方面進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，其中泵浦共享可以有4x4、4x8等結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

4 水下分支器和ROADM技術(shù)發(fā)展

水下分支器（Branching Unit，BU）通常應(yīng)用于非點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接的海纜系統(tǒng)中，BU包括光信號(hào)路徑切換（光纖分支或光分插復(fù)用）、光信號(hào)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(guān)器件可實(shí)現(xiàn)電源各級(jí)之間以及與地極之間的相互倒換。目前PSBU電源切換技術(shù)已經(jīng)由早期的控制端站PFE上電順序發(fā)展為通過端站發(fā)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(qiáng)BU內(nèi)部單元的絕緣設(shè)計(jì)及高可靠性繼電器的選取，由原來幾百伏低壓發(fā)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(diào)整時(shí)間，提升業(yè)務(wù)恢復(fù)速度，減少業(yè)務(wù)中斷時(shí)間。

BU按光功能設(shè)計(jì)演進(jìn)主要有分纖型分支器（Full Fiber Drop Branching Unit，F(xiàn)FD BU）、固定分插復(fù)用分支器（Fixed Optical Add/Drop Multiplexer Branching Unit，F(xiàn)OADM BU）、可選擇光分插復(fù)用分支器（Selectable Optical Add/Drop Multiplexer Branching Unit，SOADM BU）以及可重構(gòu)分插復(fù)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(duì)比表

隨著海纜承載業(yè)務(wù)量的增加，對(duì)業(yè)務(wù)的穩(wěn)定性要求也越來越高。對(duì)出現(xiàn)故障的海纜段，長(zhǎng)時(shí)間業(yè)務(wù)中斷只允許發(fā)生在故障側(cè)，無故障側(cè)要求實(shí)現(xiàn)快速業(yè)務(wù)恢復(fù)，支路故障時(shí)BU的光切換時(shí)間應(yīng)能小于500 ms，系統(tǒng)級(jí)故障從故障發(fā)生到業(yè)務(wù)恢復(fù)總時(shí)間不超過60秒。支路自動(dòng)切換業(yè)界有基于光功率檢測(cè)及電流檢測(cè)兩種方式，其中光功率檢測(cè)將具有更高的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，可覆蓋的故障場(chǎng)景范圍更廣。

靈活性一直是光網(wǎng)絡(luò)追求的一個(gè)發(fā)展方向，為了使不同站點(diǎn)之間的業(yè)務(wù)調(diào)度更加靈活，水下分支器已經(jīng)由分纖型和有限靈活性的基于“光開關(guān)+固定濾波器”分支器發(fā)展到更加靈活的基于WSS（Wavelength Selective Switch）技術(shù)的可進(jìn)行波長(zhǎng)級(jí)任意帶寬分插復(fù)用分支器。其中FS-ROADM BU可采用Fiber Switch BU和ROADM單元獨(dú)立Housing設(shè)計(jì)，二者配合使用，完成復(fù)雜度更高的業(yè)務(wù)調(diào)度及故障容災(zāi)。

在ROADM單元的集成度上，目前主流是單體2纖對(duì)，支持多個(gè)級(jí)聯(lián)，業(yè)界領(lǐng)先技術(shù)可做到單體4纖對(duì)，未來需要進(jìn)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(duì)數(shù)的單體結(jié)構(gòu)，減少級(jí)聯(lián)帶來的施工成本及后期維修回收難度。海纜系統(tǒng)設(shè)備主要受限于水下Housing大小，由于ROADM單元功能設(shè)計(jì)的復(fù)雜度較高，在極小的空間里要實(shí)現(xiàn)光譜平坦度調(diào)整，EDFA光功率補(bǔ)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(jìn)一步壓縮空間或采用更大Housing來容納更多光纖對(duì)。

5 Open Cable架構(gòu)

近年來，有中繼海纜系統(tǒng)終端傳輸設(shè)備TTE（Terminal Transmission Equipment）與水下設(shè)備解耦已成為行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。解耦后以水下為主的海纜系統(tǒng)作為一個(gè)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(shè)備供應(yīng)商的限制，提高自行選擇傳輸設(shè)備商的自由度。通過系統(tǒng)解耦分離，建設(shè)方無需在海纜建設(shè)合同簽訂初期就確定TTE設(shè)備，因?yàn)楹＠|建設(shè)周期一般長(zhǎng)達(dá)3～4年以上，而終端傳輸設(shè)備技術(shù)更新較快，過2～3年再選擇技術(shù)更新且性價(jià)比更高的設(shè)備，可進(jìn)一步降低每比特成本。對(duì)于終端傳輸設(shè)備商和水下設(shè)備商而言，也可以結(jié)合自身的優(yōu)勢(shì)，集中力量提高各自領(lǐng)域產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力。

Open Cable架構(gòu)模式旨在將海纜系統(tǒng)終端傳輸設(shè)備和水下設(shè)備解耦和分離,這要求海纜終端傳輸設(shè)備與海纜底層平臺(tái)的接口進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，并能實(shí)現(xiàn)各自獨(dú)立的系統(tǒng)測(cè)試和驗(yàn)收。2016年ITU-T SG15同意將Open Cable作為G.977.1研究的新標(biāo)準(zhǔn)，2019年SubOptic大會(huì)發(fā)布了Open Cable白皮書，經(jīng)多次ITU-T會(huì)議審議，標(biāo)準(zhǔn)將在2021年正式完成。Open Cable海纜系統(tǒng)基本框架如下圖所示，其中MPI-SM點(diǎn)和MPI-RM點(diǎn)分別為主光通道發(fā)送點(diǎn)和接收點(diǎn)；IPI-SM和IPI-RM分別為互操作接口發(fā)送點(diǎn)和接收點(diǎn)；光耦合匯聚單元（OCJ）作為不同TTE的接入點(diǎn)，系統(tǒng)在 OCJ處實(shí)現(xiàn)橫向兼容的互操作，同時(shí)也提供海纜監(jiān)測(cè)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(tǒng)示意圖

Open Cable系統(tǒng)設(shè)備除提供開放的業(yè)務(wù)接入接口，一般還需提供高精度波道檢測(cè)功能、自動(dòng)預(yù)加重功能、光路自動(dòng)容災(zāi)切換等功能，以及水下設(shè)備監(jiān)控及故障定位等。Open Cable相對(duì)傳統(tǒng)模式也帶來了一些新挑戰(zhàn)，比如由于水上和水下設(shè)備徹底解耦，當(dāng)水下鏈路出現(xiàn)故障后，TTE設(shè)備的信號(hào)丟失/信號(hào)劣化等相關(guān)告警無法傳遞給Open Cable系統(tǒng)，無法及時(shí)提醒上層網(wǎng)管做出相關(guān)動(dòng)作，相關(guān)挑戰(zhàn)需要進(jìn)一步研究和改進(jìn)。

6 結(jié)束語

我國海底光纜產(chǎn)業(yè)整體能力與世界領(lǐng)先技術(shù)水平仍為主，且其中高性能光纖、部分設(shè)備和原材料還主要采用歐美日等國的產(chǎn)品。我國海底光纜產(chǎn)業(yè)能力與“網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)國”地位并不相稱，如今全球經(jīng)濟(jì)數(shù)字化轉(zhuǎn)型持續(xù)推進(jìn)，信息基礎(chǔ)設(shè)施是數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基石，而海底光纜系統(tǒng)作為國際通信基礎(chǔ)設(shè)施的骨干將承擔(dān)和發(fā)揮更關(guān)鍵性的作用，我國企業(yè)需加快提升自身技術(shù)實(shí)力并抓住機(jī)遇，加強(qiáng)合作并形成合力，更多地參與到全球海底光纜通信網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)和運(yùn)營(yíng)中。本文通過研究海底光纜通信系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的最新進(jìn)展，分析存在的技術(shù)差距和挑戰(zhàn)，希望能為我國海底光纜產(chǎn)業(yè)技術(shù)能力提升提供有益參考。