1.2.2 第四代海底光缆通信系统技术介绍

在光放大器带宽有限的情况下，为了扩大传输容量，科学家们从两个方向提高频谱利用率，即每单位频谱（Hz）每秒（s）传输的比特数（bit/s/Hz）。第一个方向是在发送端使用频谱整形技术，尽可能减小光信号的光谱宽度使之接近符号率（见第2.9.2节），这样信道间距也就可以减小到接近符号率。第二个方向是采用每符号携带比QPSK调制更多比特的多阶正交幅度调制（MQAM，M-ary Quadrature Amplitude Modulation），如8QAM、16QAM、32QAM甚至64QAM（见第2.2.6节）。8QAM每个符号可以携带3比特信息；16QAM每个符号可以携带4比特信息；64QAM每个符号携带6比特信息。一般来说，2m-QAM可以携带 log2 2m个比特信息。如果使用偏振复用（PM），则每个符号携带的比特数将加倍。

为了减小光纤衰减系数、扩大传输距离、减小非线性影响、提高光信噪比，我们可通过增大光纤有效芯径面积来实现（见第2.4.1节）。有人使用大有效芯径面积（150 µm2）光纤和偏振复用（PM）归零码QPSK调制，通过实验研究了相干光40 Gbit/s跨洋距离传输，当传输距离10 000 km时，频谱效率可以达到3.2 bit/s/Hz，实验中没有对光纤的色散进行补偿，最后只用DSP进行色散补偿[46]。

数字信号处理（DSP）技术可显著提高受光纤色度色散（CD）、偏振模色散（PDM）和非线性效应影响的单信道DWDM的系统性能（见第2.8节）。

超强前向纠错技术（SFEC）可纠正光纤通信系统传输产生的突发性长串误码和随机单个误码，提高接收机灵敏度，延长无中继传输距离，增加传输容量，降低对系统光路器件的要求。它是提高光纤通信系统可靠性的重要手段（见第2.3.1节）。

C+L波段EDFA中继器可使增益带宽达到66 nm（见第2.1.2节）。通常，C波段EDFA增益带宽只有20～30 nm。混合使用分布式拉曼放大和EDFA，可进一步扩大增益带宽（见第2.1.5节）。

例如，采用传输光纤受激拉曼散射（SRS）放大，在1 430～1 502 nm波长范围内，采用4种泵浦源对C+L波段EDFA泵浦，在1 536.4～1 610.4 nm波长范围内，信号增益带宽可以达到74 nm，这种系统比C+L波段的EDFA放大中继系统的结构更简单。在这么宽的范围内，系统已实现了DWDM信号7 400 km无电中继传输。该系统使用240个波长，波长间距37.5 GHz，每个波长携带12 Gbit/s的信号。

又比如，2017年5月报道，NEC使用C+L波段EDFA、32QAM调制，在11 000 km海底光缆单根光纤上实现了50.9 Tbit/s的传输容量、6.14 bit/s/Hz频谱效率。

为了扩大系统容量，未来可能采用空分复用（SDM，Space Division Multiplexing），如图1-6所示，即采用光子晶体光纤、多模光纤（MMF，Multimode Fibers）或多芯光纤（MCF，Multicore Fibers）。多模光纤可以将互不相同的信息复用到不同的模式上。2011年已有人将两个现行单模光纤系统信号在两个模式光纤中传输，进行了成功演示。7个芯的多芯光纤仍然保持125 µm的光纤直径，该光纤已在越洋距离上进行了演示（ECOC 2014，MO3.3.1），但电功率效率是个严重的问题。7个芯的EDFA也已进行了演示。2017年，有人采用7芯光纤实现了大于100 Tbit/s的容量。最新的记录是采用12芯光纤传输了8 830 km，达到520 Tbit/s的容量（OFC 2017，Th4D.3）。

图1-7（a）表示不同的复用/调制技术频谱效率（SE，Spectral Efficiency）逐年提高的情况[8]，近来，除采用偏振复用外，还在偏振复用的基础上进一步采用偏振间插技术，进一步提高频谱利用率。图1-7（b）所示为目前常用的先进调制技术的星座图。单偏振调制方式有通断键控（OOK）、二进制相移键控（BPSK）和正交相移键控（QPSK）；双偏振（x和y偏振）复用的调制方式有QPSK、16QAM和64QAM。此外，利用没有干扰的频谱重叠相干光正交频分复用（CO-OFDM，Coherent Optical OFDM）技术也可以提高频谱效率。

据OFC 2017年报道，单载波400G/500G信号、信道间距50 GHz，DAC以43.125 Gbaud对I/Q调制器驱动，使用G.654光纤拉曼放大，采用PM-64QAM或128QAM调制，传输1 000 km后，频谱效率分别达到8 bit/s/Hz或10 bit/s/Hz[125]。

又据OFC 2017年报道，C波段235个WDM系统，使用PM-64QAM调制，以18 Gbaud信号对I/Q调制器驱动，使用注入锁定零差相干检测技术，传输距离160 km，频谱效率9 bit/s/Hz，容量达到42.3 Tbit/s[129]。

表1-3给出了第四代海底光缆通信系统采用的各种技术。

据报道，在已铺设的横跨大西洋海底光缆6 550 km线路上，有人进行了64×40 Gbit/s WDM系统的现场实验，频谱效率为0.8 bit/s/Hz，对所有测量的信道，FEC余量还有3.3 dB[41]。

海底光缆通信技术的不断发展，使每对光纤传输的话路数也在不断扩大。1956年敷设的穿越大西洋的模拟通信电缆系统（TAT-1），通话路数只有48路，第一代海底光缆通信系统（280 Mbit/s）是20 000路；第二代系统（560 Mbit/s）是40 000路；第三代系统，当速率达10 Gbit/s时，通话路数猛增到640 000路。

2009—2010年，100 Gbit/s信道传输系统同时在陆地网络和海底光缆系统开始演示。2013年，信道速率100 Gbit/s传输系统第一次部署商用[97]。100 Gbit/s传输系统采用数字相干技术，发送端偏振复用多电平编码信号，接收端进行相干检测。把光/电转换后的信号进行模/数（A/D）转换，然后多比特信号进入数字信号处理器（DSP），对波形畸变、符号间干扰（ISI）、信号和本振间的偏振失配进行数字补偿。因为采用多电平编码调制、偏振复用和超强前向纠错，符号率可下降到25 GSa/s或12.5 GSa/s，又因为DSP提供电子均衡技术，使系统对色度色散（CD）和偏振模色散（PMD）的容限也提高了。

2013年，有人采用偏振复用QPSK+8QAM调制，信道速率495 Gbit/s的8波长WDM系统，进行了12 000 km的传输演示[85]。

最困难的事情是如何实现ADC和DSP的电子集成化，最有可能的技术是CMOS。43 Gbit/s的ADC+DSP器件2006年已能批量提供，同样水平的111 Gbit/s的ADC+DSP器件2010年已经商用，这与对100GE市场批量需求的预测路线图一致。目前，100G系统已成熟商用并已规模部署，一些电信运营商已在进行400G系统实验室测试。

2015年，OIF开展了400G系统的标准化工作，试图规范400G系统制式和光电集成模块标准，为供应商提供设备研制和生产指南。

使用不同的调制和检测技术，当WDM系统每个信道载运100 Gbit/s信号时，可实现不同的传输容量和频谱效率，如表1-4所示。表中使用的技术将在以后有关章节中介绍。

随着光纤传输技术的进步，海底光缆通信技术发展很快。如前所述，近二十年来其商用系统历经三代。第四代海底光缆通信技术也正在发展中，目前，实用系统每根光纤已能支持15 Tbit/s（150×100 Gbit/s）的容量，实验结果已接近香农限制，如图2-38所示。

2016年年底报道，采用信道速率100 Gbit/s的偏振复用/相干检测DWDM系统——亚太直达海底光缆通信系统（APG，Asia Pacific Gateway）已交付使用，该系统连接中国、日本、韩国、越南、泰国、马来西亚、新加坡，全长约10 900 km，传输容量达到54.8 Tbit/s。

2016年12月30日，中国联通宣布，其参与投资建设的亚欧5号海底光缆通信系统（SMW-5）经验收已具备业务开通条件。该系统连接中国、新加坡、马来西亚、印度尼西亚、孟加拉国、斯里兰卡、缅甸、巴基斯坦、吉布提、沙特阿拉伯、阿联酋、埃及、土耳其、意大利、法国等19个国家，骨干段信道传输速率100 Gbit/s、设计容量24 Tbit/s。

预计未来的海底光缆线路有可能采用超低损耗光纤，它比石英光纤最低损耗约低两个数量级。正在研究的超低损耗光纤的种类比较多，目前普遍看好氟化物光纤，但这种光纤工作波长为2～3 µm，从理论上讲，氟化物光纤无中继距离可达数千千米。但与此配套的光源、光放大器和光探测等器件还有待研究开发，目前，前景还不明朗。光子晶体光纤有望实现低损耗光纤。