一条连接中国香港和美国洛杉矶的新建海底通信光缆将投入运行

今年年底，一条连接中国香港和美国洛杉矶的新建海底通信光缆将投入运行，并打破“数据速率乘以距离”这项关键指标的纪录。它的6对光缆长约1.3万千米，1秒内即可双向传送大约144太比特的数据，相当于几百张蓝光光盘的容量。这条光缆的主要用途是连接脸谱网和谷歌在东亚和美国的数据中心。  

这条新光缆是不断变革的海底光缆网络的一部分。海底光缆网络最初用于电话与传真。后来，这些海底线路主要用于互联网用户和海量服务供应商之间的数据传输。现在，它更多地用于在少数技术巨头的数据中心间进行内容与云计算产品的传送。

加利福尼亚州PriMetrica公司市场研究部门TeleGeography的研究主管艾伦•莫尔丁（AlanMauldin）说，去年，这类流量占大西洋海底通信量的77%，占太平洋海底通信量的60%。难怪脸谱网、谷歌和微软现在都在各大海底电缆公司购买了大量光缆容量，并运行光缆着陆点。举例来说，2017年3月，谷歌公司的技术设施高级副总裁乌尔斯•霍尔兹（UrsHolzle）在光纤通信展览会及研讨会（OFC）上说，谷歌需要每年将其传输容量进行翻倍，以支持其“云3.0”计算的流畅运行。光纤电缆技术必须跟上。

到目前为止，技术方面已经可以满足这种爆炸性需求。30多年来，光纤数据传输速率的增长已经超越了摩尔定律。20世纪80年代初期引入的新型光纤将单条光纤的传输速率从每秒90兆比特增加到超过每秒1000兆比特。20世纪90年代，性能更好的光发射机将传输速率提高到每秒10千兆比特。到2000年，全光学放大器与新光学器件相结合，可将数十条10千兆比特的数据流以密集的波长封装到一根光纤中，并将信息传输数百或数千千米。到了2010年，更为先进的调制技术可增加每一波长的数据速率，得益于此，从前每一波长上以10千兆比特/秒速率进行数据传送的光纤，其容量提升为原来的10倍。然而，即使是这些令人印象深刻的进步也无法满足如今的需求，现在这个行业需要新一代的技术来满足这头渴望带宽的猛兽。

即将开通的洛杉矶—香港电缆被称为太平洋光缆网络，正是新一代技术的先锋。电缆终端设备生产商、加利福尼亚Infinera公司的解决方案与技术总监杰夫•贝内特（Geoff Bennett）说：“海底电缆代表了光传输专业技术的顶峰，这里不是指容量，而是指能达到容量的产品。”越洋电缆在着陆点之间跨越数千千米，所以其真正关键的技术指标是数据速率与距离的乘积。从这一指标来判断，长度达到地球周长1/3的太平洋光缆将创造一项纪录。 

这么远的距离对海底光缆具有挑战性，因为每50千米左右就需要一台光学放大器来提高信号强度。这些放大器会增加噪声，噪声又随着电缆长度而累积。精密的信号处理能够从累积的噪声中提取信号，但提取过程并不完美，进而导致可实现的数据速率随电缆的长度而下降。

目前的跨太平洋纪录由日本电气公司建设的Faster Cable保持，Faster Cable由一家财团拥有，财团成员包括谷歌，以及中国移动国际有限公司、中国电信国际有限公司、全球运送通信（GlobalTransit Communications）、日本KDDI电信和新加坡电信5家亚洲通信运营商。这条电缆绵延9000千米，连接美国俄勒冈地区和日本，并扩建延伸到中国***地区。它的6对光纤各自在100个不同波长上承载着100千兆比特的信号，双向总承载能力达到每秒60太比特。

作为业界标准，Faster在2016年投入运营时，其12条光纤中只有一部分承载实时通信流量。但贝内特说，需求量如此之高，因此“Faster很快就饱和了”。也难怪香港太平洋光缆数据通信公司的策划者们决定为太平洋光缆提供更多带宽。他们面临的问题是如何做到这一点。

一种方式是增加携带光学信号的路径数量。可实现此方式的尖端技术使用含有许多光导芯的光纤，使多个光学信号直接在光缆中并行传递，但该技术尚处于实验室阶段。提高带宽的另一种方式是使光纤芯足够大，进而使光学信号能够在同一光缆中沿着不同的路径传递。如果芯线尺寸与结构合适，携带不同信号的光会相互交叉而不干扰。但这种方式要求光发射机与接收机能够让光以恰到好处的角度进出光纤芯，以使不同信号之间保持分离。和多芯方式一样，这种技术也还处于开发之中。

理论上，你可以将两种方法结合起来。包含多根独立芯线且每根芯线都能利用几种模式进行传输的光缆已经在实验室得到了测试，但这个过程需要复杂的设备，并且这种方式即便最终能进行实地部署，预计成本也会很高昂。

更为简单的选择是使用多根独立光纤，可以把它们捆束在一根单独的电缆中，也可以把它们分开放在若干电缆中。但长长的跨洋电缆需要许多高能耗的放大器，即便是久经考验的设计也只能处理有限数量的光纤对。

而太平洋光缆网络则采用了另外一种策略来提高传输能力：大胆涉足一个新的光波段。这是因为FasterCable为了传输信号，对传统波段，也就是波长范围从1530到1565纳米的C波段，已经用尽了一切手段。太平洋光缆数据通信公司的电缆供应商TE SubCom（位于新泽西州伊顿敦）的工程师们则开辟了一个新的传输波段，波长范围在1570到1610纳米之间，称为L波段。L取义于“长”（long）的英文首字母。由于同时利用了C波段和L波段，再加上其他方面的提高，电缆的总容量提升了1倍。

TE SubCom的副总裁兼首席技术官尼尔•贝尔加诺（Neal Bergano）称，以前在大多数情况下，对C波段进行技术优化和同时利用C+L波段，前者更加容易。但当系统容量达到理论容量限制的2倍以内时，他和他的同事认为，是时候开辟一个新的波段了。贝尔加诺说：“C波段中可用的带宽大约是5太赫兹，增加L波段可以使带宽翻倍，获得大约10太赫兹的总带宽。”

用于这些传输的光学放大器带宽有限，因此必须增加一个在L波段并行运行的次级放大器。幸运的是，所需的L波段放大器本质上是C波段放大器的变体，它们使用相同的材料（铒元素）来放大不同的波长。因此，性能不错的激光器和光学放大器可用于L波段的信号发射机。不过，要想让这项C+L方案成功运行，仍然需要严谨的工程设计，这项工作至关重要。 

2016年4月，TE SubCom公司在于迪拜举办的海底光缆大会上表示，在实验室条件下，使用C和L两个波段传输的单根光纤能够以49.3太比特/秒的传输速率在9100千米的电缆中传输。这种方法需要针对两个波段设置各自独立的光学放大器，但可以使用与C波段系统基本相同的光纤和电缆设计。开发商表示，他们可以在实际系统的每个频段中增加20个额外的波长频道，该系统中每根光纤能够以24太比特/秒的传输速度在12500千米的电缆中传输——这是一项令人印象深刻的成就。6个月后，TESubCom公司宣布它已经接到建造太平洋光缆的合同。

除了开创C+L方法外，TE SubCom还对数据编码方式进行了改进，进一步提高了吞吐量。在2017年3月的国际光纤通信会议上，该公司报告称每根光纤可在C和L两个波段上，以70.4太比特/秒的速率在7600千米的电缆中传输数据。仅仅6个月后，在欧洲光学通信大会上，该公司就报告称，其通过使用不同的编码，能够以51.5太比特/秒的速率在17107千米的光缆中传输数据，创下了新的比特率与距离乘积的实验室纪录。

增加L波段显然是一个巨大的胜利，因此人们自然也想知道是否可能在海底电缆上增加其他光学波段。可惜，开发商在短期内对此不抱希望。“C波段出现时，墨菲没有看到。”贝尔加诺开玩笑说，因为当时一切都运行得非常好。基于铒的光学放大器功能强大，几乎完美匹配1550纳米（该波长附近的光纤损耗最小）附近的波长。L波段几乎也一样好，但因为可用激光器、放大器和光纤材料本身的限制，其他光纤传输波段很难适用于跨洋电缆。

那为什么不把电缆做得更粗，以填入更多的光纤呢？症结在于电力。“现代海底电缆受到电缆两端的电力供应的限制。”诺基亚贝尔实验室的彼得•文策尔（PeterWinzer）说。地面电缆可以承载数百根光纤束，因为它们包含的光学放大器能在沿途接入散布的本地电源，但跨洋海底电缆只能从起始两端获取电力。并且，一根1万千米长的跨洋电缆，沿途中每根光纤的每个波段都需要多达200个光学放大器，每个光学放大器都需要电力来运行。上述原因以及可跨洲远距离传送的电量，通常将海底电缆装载的光纤对限制为最多8对。

那么，未来海底电缆将如何在不需要并行铺设更多电缆的情况下满足日益增长的带宽需求呢？一种策略是将长电缆分为更短的跳岛段，因为可在连接点注入电力，就可以提供更多带宽。然而这对互联网巨头们并不具有吸引力，因为他们希望在其数据中心之间建立直接的低延时路径。另一项技术是增加放大器之间的距离，在每根光纤中稍微牺牲些带宽以减少电力损耗，从而在电缆中容纳更多光纤。这样的尖端方案和其他新方法应该有助于满足脸谱网、谷歌和其他科技巨头贪婪的数据胃口——至少在短时间内如此。