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一條連接中國香港和美國洛杉磯的新建海底通信光纜將投入運(yùn)行

IEEE電氣電子工程師 ? 來源:未知 ? 作者:李倩 ? 2018-03-21 08:46 ? 次閱讀

今年年底,一條連接中國香港和美國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對光纜長約1.3萬千米,1秒內(nèi)即可雙向傳送大約144太比特的數(shù)據(jù),相當(dāng)于幾百張藍(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,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公司市場研究部門TeleGeography的研究主管艾倫?莫爾丁(AlanMauldin)說,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買了大量光纜容量,并運(yùn)行光纜著陸點(diǎn)。舉例來說,2017年3月,谷歌公司的技術(shù)設(shè)施高級副總裁烏爾斯?霍爾茲(UrsHolzle)在光纖通信展覽會及研討會(OFC)上說,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,光纖數(shù)據(jù)傳輸速率的增長已經(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)可增加每一波長的數(shù)據(jù)速率,得益于此,從前每一波長上以10千兆比特/秒速率進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送的光纖,其容量提升為原來的10倍。然而,即使是這些令人印象深刻的進(jìn)步也無法滿足如今的需求,現(xiàn)在這個行業(yè)需要新一代的技術(shù)來滿足這頭渴望帶寬的猛獸。

即將開通的洛杉磯—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:“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。”越洋電纜在著陸點(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)來判斷,長度達(dá)到地球周長1/3的太平洋光纜將創(chuàng)造一項(xiàng)紀(jì)錄。

這么遠(yuǎn)的距離對海底光纜具有挑戰(zhàn)性,因?yàn)槊?0千米左右就需要一臺光學(xué)放大器來提高信號強(qiáng)度。這些放大器會增加噪聲,噪聲又隨著電纜長度而累積。精密的信號處理能夠從累積的噪聲中提取信號,但提取過程并不完美,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,以及中國移動國際有限公司、中國電信國際有限公司、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)營商。這條電纜綿延9000千米,連接美國俄勒岡地區(qū)和日本,并擴(kuò)建延伸到中國***地區(qū)。它的6對光纖各自在100個不同波長上承載著100千兆比特的信號,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)營時,其12條光纖中只有一部分承載實(shí)時通信流量。但貝內(nèi)特說,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。他們面臨的問題是如何做到這一點(diǎn)。

一種方式是增加攜帶光學(xué)信號的路徑數(shù)量。可實(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,使多個光學(xué)信號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,攜帶不同信號的光會相互交叉而不干擾。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,以使不同信號之間保持分離。和多芯方式一樣,這種技術(shù)也還處于開發(fā)之中。

理論上,你可以將兩種方法結(jié)合起來。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)室得到了測試,但這個過程需要復(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)成本也會很高昂。

更為簡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,也可以把它們分開放在若干電纜中。但長長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。

而太平洋光纜網(wǎng)絡(luò)則采用了另外一種策略來提高傳輸能力:大膽涉足一個新的光波段。這是因?yàn)镕asterCable為了傳輸信號,對傳統(tǒng)波段,也就是波長范圍從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)的工程師們則開辟了一個新的傳輸波段,波長范圍在1570到1610納米之間,稱為L波段。L取義于“長”(long)的英文首字母。由于同時利用了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C波段進(jìn)行技術(shù)優(yōu)化和同時利用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,他和他的同事認(rèn)為,是時候開辟一個新的波段了。貝爾加諾說:“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。”

用于這些傳輸?shù)墓鈱W(xué)放大器帶寬有限,因此必須增加一個在L波段并行運(yùn)行的次級放大器。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)來放大不同的波長。因此,性能不錯的激光器和光學(xué)放大器可用于L波段的信號發(fā)射機(jī)。不過,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上表示,在實(shí)驗(yàn)室條件下,使用C和L兩個波段傳輸?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。這種方法需要針對兩個波段設(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)。開發(fā)商表示,他們可以在實(shí)際系統(tǒng)的每個頻段中增加20個額外的波長頻道,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。

除了開創(chuàng)C+L方法外,TE SubCom還對數(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月的國際光纖通信會議上,該公司報(bào)告稱每根光纖可在C和L兩個波段上,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個月后,在歐洲光學(xué)通信大會上,該公司就報(bào)告稱,其通過使用不同的編碼,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,開發(fā)商在短期內(nèi)對此不抱希望。“C波段出現(xiàn)時,墨菲沒有看到。”貝爾加諾開玩笑說,因?yàn)楫?dāng)時一切都運(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(該波長附近的光纖損耗最小)附近的波長。L波段幾乎也一樣好,但因?yàn)榭捎眉す馄鳌⒎糯笃骱凸饫w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。“現(xiàn)代海底電纜受到電纜兩端的電力供應(yīng)的限制。”諾基亞貝爾實(shí)驗(yàn)室的彼得?文策爾(PeterWinzer)說。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1萬千米長的跨洋電纜,沿途中每根光纖的每個波段都需要多達(dá)200個光學(xué)放大器,每個光學(xué)放大器都需要電力來運(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限制為最多8對。

那么,未來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的帶寬需求呢?一種策略是將長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——至少在短時間內(nèi)如此。

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原文標(biāo)題:水下數(shù)據(jù)猛獸:一條連接中國香港和洛杉磯的光纖電纜將創(chuàng)造新的紀(jì)錄

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