一條連接中國(guó)香港和美國(guó)洛杉磯的新建海底通信光纜將投入運(yùn)行

今年年底，一條連接中國(guó)香港和美國(guó)洛杉磯的新建海底通信光纜將投入運(yùn)行，并打破“數(shù)據(jù)速率乘以距離”這項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)的紀(jì)錄。它的6對(duì)光纜長(zhǎng)約1.3萬(wàn)千米，1秒內(nèi)即可雙向傳送大約144太比特的數(shù)據(jù)，相當(dāng)于幾百?gòu)埶{(lán)光光盤的容量。這條光纜的主要用途是連接臉譜網(wǎng)和谷歌在東亞和美國(guó)的數(shù)據(jù)中心。

這條新光纜是不斷變革的海底光纜網(wǎng)絡(luò)的一部分。海底光纜網(wǎng)絡(luò)最初用于電話與傳真。后來(lái)，這些海底線路主要用于互聯(lián)網(wǎng)用戶和海量服務(wù)供應(yīng)商之間的數(shù)據(jù)傳輸。現(xiàn)在，它更多地用于在少數(shù)技術(shù)巨頭的數(shù)據(jù)中心間進(jìn)行內(nèi)容與云計(jì)算產(chǎn)品的傳送。

加利福尼亞州PriMetrica公司市場(chǎng)研究部門TeleGeography的研究主管艾倫?莫爾?。ˋlanMauldin）說(shuō)，去年，這類流量占大西洋海底通信量的77%，占太平洋海底通信量的60%。難怪臉譜網(wǎng)、谷歌和微軟現(xiàn)在都在各大海底電纜公司購(gòu)買了大量光纜容量，并運(yùn)行光纜著陸點(diǎn)。舉例來(lái)說(shuō)，2017年3月，谷歌公司的技術(shù)設(shè)施高級(jí)副總裁烏爾斯?霍爾茲（UrsHolzle）在光纖通信展覽會(huì)及研討會(huì)（OFC）上說(shuō)，谷歌需要每年將其傳輸容量進(jìn)行翻倍，以支持其“云3.0”計(jì)算的流暢運(yùn)行。光纖電纜技術(shù)必須跟上。

到目前為止，技術(shù)方面已經(jīng)可以滿足這種爆炸性需求。30多年來(lái)，光纖數(shù)據(jù)傳輸速率的增長(zhǎng)已經(jīng)超越了摩爾定律。20世紀(jì)80年代初期引入的新型光纖將單條光纖的傳輸速率從每秒90兆比特增加到超過(guò)每秒1000兆比特。20世紀(jì)90年代，性能更好的光發(fā)射機(jī)將傳輸速率提高到每秒10千兆比特。到2000年，全光學(xué)放大器與新光學(xué)器件相結(jié)合，可將數(shù)十條10千兆比特的數(shù)據(jù)流以密集的波長(zhǎng)封裝到一根光纖中，并將信息傳輸數(shù)百或數(shù)千千米。到了2010年，更為先進(jìn)的調(diào)制技術(shù)可增加每一波長(zhǎng)的數(shù)據(jù)速率，得益于此，從前每一波長(zhǎng)上以10千兆比特/秒速率進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送的光纖，其容量提升為原來(lái)的10倍。然而，即使是這些令人印象深刻的進(jìn)步也無(wú)法滿足如今的需求，現(xiàn)在這個(gè)行業(yè)需要新一代的技術(shù)來(lái)滿足這頭渴望帶寬的猛獸。

即將開(kāi)通的洛杉磯—香港電纜被稱為太平洋光纜網(wǎng)絡(luò)，正是新一代技術(shù)的先鋒。電纜終端設(shè)備生產(chǎn)商、加利福尼亞Infinera公司的解決方案與技術(shù)總監(jiān)杰夫?貝內(nèi)特（Geoff Bennett）說(shuō)：“海底電纜代表了光傳輸專業(yè)技術(shù)的頂峰，這里不是指容量，而是指能達(dá)到容量的產(chǎn)品?！痹窖箅娎|在著陸點(diǎn)之間跨越數(shù)千千米，所以其真正關(guān)鍵的技術(shù)指標(biāo)是數(shù)據(jù)速率與距離的乘積。從這一指標(biāo)來(lái)判斷，長(zhǎng)度達(dá)到地球周長(zhǎng)1/3的太平洋光纜將創(chuàng)造一項(xiàng)紀(jì)錄。

這么遠(yuǎn)的距離對(duì)海底光纜具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)槊?0千米左右就需要一臺(tái)光學(xué)放大器來(lái)提高信號(hào)強(qiáng)度。這些放大器會(huì)增加噪聲，噪聲又隨著電纜長(zhǎng)度而累積。精密的信號(hào)處理能夠從累積的噪聲中提取信號(hào)，但提取過(guò)程并不完美，進(jìn)而導(dǎo)致可實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)速率隨電纜的長(zhǎng)度而下降。

目前的跨太平洋紀(jì)錄由日本電氣公司建設(shè)的Faster Cable保持，F(xiàn)aster Cable由一家財(cái)團(tuán)擁有，財(cái)團(tuán)成員包括谷歌，以及中國(guó)移動(dòng)國(guó)際有限公司、中國(guó)電信國(guó)際有限公司、全球運(yùn)送通信（GlobalTransit Communications）、日本KDDI電信和新加坡電信5家亞洲通信運(yùn)營(yíng)商。這條電纜綿延9000千米，連接美國(guó)俄勒岡地區(qū)和日本，并擴(kuò)建延伸到中國(guó)***地區(qū)。它的6對(duì)光纖各自在100個(gè)不同波長(zhǎng)上承載著100千兆比特的信號(hào)，雙向總承載能力達(dá)到每秒60太比特。

作為業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)，F(xiàn)aster在2016年投入運(yùn)營(yíng)時(shí)，其12條光纖中只有一部分承載實(shí)時(shí)通信流量。但貝內(nèi)特說(shuō)，需求量如此之高，因此“Faster很快就飽和了”。也難怪香港太平洋光纜數(shù)據(jù)通信公司的策劃者們決定為太平洋光纜提供更多帶寬。他們面臨的問(wèn)題是如何做到這一點(diǎn)。

一種方式是增加攜帶光學(xué)信號(hào)的路徑數(shù)量?？蓪?shí)現(xiàn)此方式的尖端技術(shù)使用含有許多光導(dǎo)芯的光纖，使多個(gè)光學(xué)信號(hào)直接在光纜中并行傳遞，但該技術(shù)尚處于實(shí)驗(yàn)室階段。提高帶寬的另一種方式是使光纖芯足夠大，進(jìn)而使光學(xué)信號(hào)能夠在同一光纜中沿著不同的路徑傳遞。如果芯線尺寸與結(jié)構(gòu)合適，攜帶不同信號(hào)的光會(huì)相互交叉而不干擾。但這種方式要求光發(fā)射機(jī)與接收機(jī)能夠讓光以恰到好處的角度進(jìn)出光纖芯，以使不同信號(hào)之間保持分離。和多芯方式一樣，這種技術(shù)也還處于開(kāi)發(fā)之中。

理論上，你可以將兩種方法結(jié)合起來(lái)。包含多根獨(dú)立芯線且每根芯線都能利用幾種模式進(jìn)行傳輸?shù)墓饫|已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室得到了測(cè)試，但這個(gè)過(guò)程需要復(fù)雜的設(shè)備，并且這種方式即便最終能進(jìn)行實(shí)地部署，預(yù)計(jì)成本也會(huì)很高昂。

更為簡(jiǎn)單的選擇是使用多根獨(dú)立光纖，可以把它們捆束在一根單獨(dú)的電纜中，也可以把它們分開(kāi)放在若干電纜中。但長(zhǎng)長(zhǎng)的跨洋電纜需要許多高能耗的放大器，即便是久經(jīng)考驗(yàn)的設(shè)計(jì)也只能處理有限數(shù)量的光纖對(duì)。

而太平洋光纜網(wǎng)絡(luò)則采用了另外一種策略來(lái)提高傳輸能力：大膽涉足一個(gè)新的光波段。這是因?yàn)镕asterCable為了傳輸信號(hào)，對(duì)傳統(tǒng)波段，也就是波長(zhǎng)范圍從1530到1565納米的C波段，已經(jīng)用盡了一切手段。太平洋光纜數(shù)據(jù)通信公司的電纜供應(yīng)商TE SubCom（位于新澤西州伊頓敦）的工程師們則開(kāi)辟了一個(gè)新的傳輸波段，波長(zhǎng)范圍在1570到1610納米之間，稱為L(zhǎng)波段。L取義于“長(zhǎng)”（long）的英文首字母。由于同時(shí)利用了C波段和L波段，再加上其他方面的提高，電纜的總?cè)萘刻嵘?倍。

TE SubCom的副總裁兼首席技術(shù)官尼爾?貝爾加諾（Neal Bergano）稱，以前在大多數(shù)情況下，對(duì)C波段進(jìn)行技術(shù)優(yōu)化和同時(shí)利用C+L波段，前者更加容易。但當(dāng)系統(tǒng)容量達(dá)到理論容量限制的2倍以內(nèi)時(shí)，他和他的同事認(rèn)為，是時(shí)候開(kāi)辟一個(gè)新的波段了。貝爾加諾說(shuō)：“C波段中可用的帶寬大約是5太赫茲，增加L波段可以使帶寬翻倍，獲得大約10太赫茲的總帶寬?！?/p>

用于這些傳輸?shù)墓鈱W(xué)放大器帶寬有限，因此必須增加一個(gè)在L波段并行運(yùn)行的次級(jí)放大器。幸運(yùn)的是，所需的L波段放大器本質(zhì)上是C波段放大器的變體，它們使用相同的材料（鉺元素）來(lái)放大不同的波長(zhǎng)。因此，性能不錯(cuò)的激光器和光學(xué)放大器可用于L波段的信號(hào)發(fā)射機(jī)。不過(guò)，要想讓這項(xiàng)C+L方案成功運(yùn)行，仍然需要嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓こ淘O(shè)計(jì)，這項(xiàng)工作至關(guān)重要。

2016年4月，TE SubCom公司在于迪拜舉辦的海底光纜大會(huì)上表示，在實(shí)驗(yàn)室條件下，使用C和L兩個(gè)波段傳輸?shù)膯胃饫w能夠以49.3太比特/秒的傳輸速率在9100千米的電纜中傳輸。這種方法需要針對(duì)兩個(gè)波段設(shè)置各自獨(dú)立的光學(xué)放大器，但可以使用與C波段系統(tǒng)基本相同的光纖和電纜設(shè)計(jì)。開(kāi)發(fā)商表示，他們可以在實(shí)際系統(tǒng)的每個(gè)頻段中增加20個(gè)額外的波長(zhǎng)頻道，該系統(tǒng)中每根光纖能夠以24太比特/秒的傳輸速度在12500千米的電纜中傳輸——這是一項(xiàng)令人印象深刻的成就。6個(gè)月后，TESubCom公司宣布它已經(jīng)接到建造太平洋光纜的合同。

除了開(kāi)創(chuàng)C+L方法外，TE SubCom還對(duì)數(shù)據(jù)編碼方式進(jìn)行了改進(jìn)，進(jìn)一步提高了吞吐量。在2017年3月的國(guó)際光纖通信會(huì)議上，該公司報(bào)告稱每根光纖可在C和L兩個(gè)波段上，以70.4太比特/秒的速率在7600千米的電纜中傳輸數(shù)據(jù)。僅僅6個(gè)月后，在歐洲光學(xué)通信大會(huì)上，該公司就報(bào)告稱，其通過(guò)使用不同的編碼，能夠以51.5太比特/秒的速率在17107千米的光纜中傳輸數(shù)據(jù)，創(chuàng)下了新的比特率與距離乘積的實(shí)驗(yàn)室紀(jì)錄。

增加L波段顯然是一個(gè)巨大的勝利，因此人們自然也想知道是否可能在海底電纜上增加其他光學(xué)波段。可惜，開(kāi)發(fā)商在短期內(nèi)對(duì)此不抱希望?！癈波段出現(xiàn)時(shí)，墨菲沒(méi)有看到?！必悹柤又Z開(kāi)玩笑說(shuō)，因?yàn)楫?dāng)時(shí)一切都運(yùn)行得非常好。基于鉺的光學(xué)放大器功能強(qiáng)大，幾乎完美匹配1550納米（該波長(zhǎng)附近的光纖損耗最?。└浇牟ㄩL(zhǎng)。L波段幾乎也一樣好，但因?yàn)榭捎眉す馄?、放大器和光纖材料本身的限制，其他光纖傳輸波段很難適用于跨洋電纜。

那為什么不把電纜做得更粗，以填入更多的光纖呢？癥結(jié)在于電力?！艾F(xiàn)代海底電纜受到電纜兩端的電力供應(yīng)的限制?！敝Z基亞貝爾實(shí)驗(yàn)室的彼得?文策爾（PeterWinzer）說(shuō)。地面電纜可以承載數(shù)百根光纖束，因?yàn)樗鼈儼墓鈱W(xué)放大器能在沿途接入散布的本地電源，但跨洋海底電纜只能從起始兩端獲取電力。并且，一根1萬(wàn)千米長(zhǎng)的跨洋電纜，沿途中每根光纖的每個(gè)波段都需要多達(dá)200個(gè)光學(xué)放大器，每個(gè)光學(xué)放大器都需要電力來(lái)運(yùn)行。上述原因以及可跨洲遠(yuǎn)距離傳送的電量，通常將海底電纜裝載的光纖對(duì)限制為最多8對(duì)。

那么，未來(lái)海底電纜將如何在不需要并行鋪設(shè)更多電纜的情況下滿足日益增長(zhǎng)的帶寬需求呢？一種策略是將長(zhǎng)電纜分為更短的跳島段，因?yàn)榭稍谶B接點(diǎn)注入電力，就可以提供更多帶寬。然而這對(duì)互聯(lián)網(wǎng)巨頭們并不具有吸引力，因?yàn)樗麄兿Ｍ谄鋽?shù)據(jù)中心之間建立直接的低延時(shí)路徑。另一項(xiàng)技術(shù)是增加放大器之間的距離，在每根光纖中稍微犧牲些帶寬以減少電力損耗，從而在電纜中容納更多光纖。這樣的尖端方案和其他新方法應(yīng)該有助于滿足臉譜網(wǎng)、谷歌和其他科技巨頭貪婪的數(shù)據(jù)胃口——至少在短時(shí)間內(nèi)如此。