OFC2025 | 海底系统先进光纤的进展与挑战

引言

海底光纤电缆的部署构成了全球电信的骨干网，使高速数据能够跨洋传输。多芯光纤(MCF)技术的最新创新显示出变革海底系统的潜力。本文探讨海底光纤技术的最新进展，特别关注多芯光纤和空芯光纤，讨论优势、挑战和未来前景[1]。

多芯光纤商业化

多芯光纤技术正朝着商业化实施迈出重要步伐。2023年，住友电工实现了重大突破，推出了全球首个量产的超低损耗多芯光纤，名为"2C Z-PLUS Fiber™ ULL"。这一创新代表海底系统的重大进步，在保持相同物理尺寸的同时，提供了比传统单芯光纤高一倍的容量。

谷歌也宣布计划在其TPU海底电缆中采用这种双芯光纤技术，显示了业界对跨洋通信MCF的信心。2C Z-PLUS Fiber™ ULL提供卓越性能，典型传输损耗仅为0.158 dB/km，有效面积112 μm²，C波段反向传播串扰低于-43 dB。这些规格较传统单芯光纤有实质性改进，特别是在每根物理光纤的容量方面。

图1：非耦合MCF商业化进展，包括谷歌采用双芯光纤的公告和住友电工推出全球首个量产超低损耗多芯光纤的详细信息。

这些光纤的应用超出了海底网络，包括长距离高容量陆地传输、数据中心间网络，以及量子密码通信和地震火灾探测传感网络等专业应用。这些光纤的多功能性源于超低损耗特性结合空间复用能力，使适用于从区域连接到跨洋距离的各种需求。

双芯光纤系统实施

双芯光纤系统从实验室演示到实际实施的转变在多个技术领域取得了显著进展，这些进展共同促成了实际部署的可能性。

在光纤改进方面，部署在海底电缆中的双芯光纤的串扰(XT)较光纤盘上减少了显著的12-dB，增强了芯间的信号隔离。这种改进发生是因为电缆化过程引入的机械应力实际上帮助减少了芯间耦合，而不是加剧了芯间耦合。最近的传输测试表明，在1550 nm波长下，Core 1和Core 2分别展示了0.152 dB/km和0.149 dB/km的低损耗性能。这些值接近基于硅的光纤的理论极限，代表了传输媒介的最先进水平。

接头技术的进展同样令人印象深刻，成功展示了双芯光纤之间的低损耗接头，Core 1的平均接头损耗仅为0.01 dB，Core 2为0.02 dB。这些极低的值对长距离传输系统非常重要，因为在电缆路径上需要多个接头。UJ联盟进一步加速了实际实施，宣布推出新的UJ/UC多芯融合接头机(UJS-M1)，为市场带来专为多芯光纤连接设计的商业设备。这一发展解决了MCF广泛采用的关键基础设施需求。

多芯光纤系统的另一个关键组件是扇入/扇出(FIFO)设备，在多芯和单芯组件之间提供接口。两种有望的方法已经展示了实际可行性。Chiral Photonics展示的锥形束型实现了每单元≤0.3 dB的插入损耗和反向传播串扰低于-55 dB/单元。同时，自由空间光学型保持紧凑尺寸(长度58mm，直径3.5mm)，使适合在空间受限的海底中继器外壳中实际部署。这两种方法已经克服了过去在尺寸、损耗和制造复杂性方面的限制，这些限制曾阻碍MCF系统的实施。

图2：展示双芯光纤系统实施细节的图像，突出显示光纤性能、接头技术和两种类型的紧凑扇入/扇出(FIFO)设备。

多芯光纤在海底系统中的优势

多芯光纤相对传统单芯方法的优势超出了简单增加传输路径的数量。系统级比较揭示了架构和性能特性的基本差异。

检查C+L波段单芯光纤系统时，发现使用传统单芯传输光纤，结合波分复用(WDM)复用器和解复用器来分离放大器波段。这些系统利用C和L两个波段进行传输，以最大化每根光纤的容量。然而，这种方法存在更高的光纤损耗，特别是在L波段，其衰减固有地高于C波段。此外，L波段中的放大器效率通常低于C波段，需要更多的泵浦功率来获得相同的增益，从而增加系统功耗。

相比之下，仅使用C波段的双芯光纤采用多芯传输光纤，使用空分复用(SDM)复用器/解复用器(FIFO设备)用于放大器。通过仅在光纤损耗较低的C波段操作，这些系统在长距离上实现了更好的信噪比。放大器可针对单一波段进行优化，从而实现更高效的运行和更好的整体性能。去除L波段组件也简化了系统架构并减少了元件数量。

Mateo等人2024年发表在《光通信与网络期刊》上的研究表明，带FIFO的C波段双芯光纤系统在容量方面与C+L波段单芯系统相当。更重要的是，即使使用当前的FIFO技术，每比特成本也较低。这种经济优势源于几个因素：放大器复杂性降低、总体功耗降低以及波段分离组件的消除。考虑到海底系统典型25年寿命期内的总拥有成本，这些效率改进转化为大量运营节省。

图3：比较使用C+L波段的SCF与使用C波段的2CF的系统架构的图像，突出显示复用方法和效率的差异。

多芯光纤技术比较

评估不同多芯光纤技术在海底应用中的表现时，三种主要方法各具特点，影响适用于不同部署场景的适宜性。

非耦合双芯光纤技术提供了平衡的方法，具有中等制造复杂性。其反向传播中小于-43 dB/100 km的串扰规格确保了在典型中继器跨度上芯间的最小干扰。一个显著优势是无极性连接，简化了安装并减少了安装错误的可能性。该技术与当前的数字信号处理(DSP)算法兼容，无需特殊适应。约112 μm²的大有效面积有助于最小化在高功率、长距离系统中可能降低信号质量的非线性效应。当前光纤展示约0.158 dB/km的衰减，持续研究表明通过制造改进有可能达到低于0.150 dB/km。

非耦合四芯光纤增加了空间密度但带来显著挑战。串扰增加到大约-40 dB/80 km的反向传播，接近可靠非耦合传输的极限。制造复杂性大幅提高，因为在保持低串扰的同时维持四个芯的一致几何变得更加困难。这些光纤在连接过程中需要仔细考虑极性，增加了安装和维护程序的复杂性。由于标准125 μm包层内的空间限制，每芯的有效面积减小到80-85 μm²，可能增加非线性效应。当前衰减值范围为0.166-0.168 dB/km，优化后可能达到约0.156 dB/km。

耦合四芯光纤采用根本不同的方法，允许并管理芯间耦合，而不是试图消除芯间耦合。这些光纤具有完全混合的芯和低空间模式色散(SMD)，确保传输带宽内一致的耦合行为。制造复杂性仍然很高，尽管略低于非耦合四芯光纤，因为精确的芯定位不如维持低串扰那么关键。连接因无极性而简化，但这种方法需要复杂的8×8多输入多输出(MIMO)数字信号处理来解开耦合信号。有效面积保持较大，约112 μm²，这些光纤可以实现低于0.150 dB/km的衰减，因为最优芯设计不受串扰最小化的限制。

作为参考，当前海底光纤性能显示，标准Z Fiber™ LL的典型衰减为0.156 dB/km，有效面积为85 μm²，而新型Z-PLUS Fiber™ ULL实现0.148 dB/km，有效面积增加到112 μm²。这些规格提供了多芯光纤技术必须竞争的基准。

图4：详细比较双芯和四芯光纤技术的表格，包括物理特性、性能指标和非耦合2CF、非耦合4CF和耦合4CF的制造考虑因素。

耦合多芯光纤的可扩展性

虽然非耦合MCF目前引领商业部署，但耦合MCF在芯数方面提供了更大的可扩展性，为在标准光纤尺寸内实现显著容量增加提供了途径。

检查耦合MCF设计的可扩展性时，标准125-μm包层直径可容纳具有不同性能特性的各种芯配置。四芯耦合MCF保持每芯约112 μm²的大有效面积，允许衰减低于约0.150 dB/km。同样，七芯耦合MCF设计保持112 μm²的有效面积和低于0.150 dB/km的低衰减，同时与四芯设计相比总容量增加75%。

随着芯数进一步增加，一些折衷变得必要。十二芯耦合MCF将有效面积减小到每芯80-90 μm²，由于束缚损耗增加和微弯效应的可能性，导致衰减略微增加到约0.156 dB/km。尽管有这些妥协，每根光纤的总容量仍然大幅增加。最激进的设计在标准包层内包含19个芯，进一步减少有效面积到60-70 μm²，增加衰减到约0.18 dB/km。然而，即使有这些更高的损耗，与四芯设计相比，空间通道近5倍的增加为衰减不太关键的较短链路提供了引人注目的容量优势。

所有这些耦合MCF设计维持空间模式色散(SMD)低于10 ps/√km，确保与MIMO-DSP算法的兼容性，而不会增加过度的计算复杂性。OFC 2025(论文M1H.1)最近发表的进展展示了具有低模依赖损耗的十二芯长距离传输，每跨度仅0.2 dB/√span，显示了高芯数耦合MCF用于长距离应用的可行性。这种低模依赖损耗对于MIMO处理有效运行而不增强噪声非常重要。

非耦合MCF在长距离应用中的根本限制源于串扰约束。随着标准包层内芯数超过4个，在不损害其他光纤参数的情况下，维持足够的芯间距离以防止串扰在物理上变得不可能。耦合MCF通过接受并管理耦合绕过了这一限制，在结合适当的信号处理时允许更高的空间密度。

图5：展示不同芯数的耦合多芯光纤的横截面设计和规格，从4芯到19芯，展示每种配置的横截面设计和关键性能指标。

多芯传输的光放大器

放大器技术代表了MCF实际部署的最关键挑战之一，几种竞争方法在简单性、效率和成本之间提供不同的折衷。

带有FIFO的单芯掺铒光纤放大器(EDFA)方法通过将空间通道解复用到多个单芯光纤中，独立放大每一个，然后重新组合，利用成熟的掺铒光纤放大器技术。这种方法受益于单芯EDFA技术的成熟，但通过需要多个扇入/扇出设备和多个单独放大器增加了复杂性。目前的实现报告了约40%的功率转换效率(PCE)，代表有效转换为信号放大的泵浦功率比例。理论分析表明，通过优化FIFO设备，在0.15-0.4 dB的插入损耗范围内，这可能达到52-53% PCE。该架构涉及多个泵浦激光器、泵浦合波器、隔离器和复杂的组件排列，增加了成本和潜在的故障点。

芯泵浦多芯EDFA代表一个中间地带，使用单个多芯掺铒光纤，但为每个芯使用单独的泵浦源。与多个单芯EDFA相比，这种方法显著简化了架构，同时保持对每个芯的增益的独立控制。当前实现实现约32%的PCE，低于优化的单芯阵列，但有改进潜力。研究表明，通过抑制泵浦插入损耗并优化芯间距(相邻芯之间的距离)，MC-EDFA可能达到超过53%的PCE。精简的设计使用更少的组件，特别是一个多芯EDF、一个泵浦合波器和一个隔离器，导致更紧凑且可能更可靠的放大器模块。

包层泵浦多芯EDFA通过使用单个泵浦激光器通过共享包层同时放大所有芯，进一步简化了设计。这种设计通过最小的组件数量最大化简单性，但目前效率低下，报告的PCE仅约15%。如果能克服PCE限制，该设计在改善供电功率效率和实现大幅成本降低方面具有最大潜力。极简架构仅由一个泵浦激光器、一个泵浦合波器、一个多芯EDF和一个隔离器组成，代表MCF放大的终极集成。

当前研究表明，"SC-EDFAs + FIFO"和"芯泵浦MC-EDFA"代表近期最实际的功率高效放大器解决方案，前者更立即可用但后者提供更好的长期前景。同时，对多芯EDFA的持续研究旨在通过优化掺杂剖面、改进泵浦配置和将泵浦光更好地限制在活性区域的新型光纤设计来提高效率。

图6：比较多芯光纤传输的三种光放大器方法，展示设计、简单性水平和功率转换效率。

海底应用的空芯光纤

空芯光纤(HCF)代表另一种潜在的海底系统技术，虽然与实心芯多芯光纤相比具有根本不同的优势和局限性。

从容量角度看，空芯光纤在超越实心芯替代品方面面临显著挑战。即使研究人员描述的"最乐观的NANF"(嵌套抗共振无节点光纤)系统，具有极低的0.02 dB/km衰减和仅0.00013 W⁻¹km⁻¹的非线性系数，在跨太平洋距离上最多也只能实现标准单模光纤的两倍每芯容量。这种适度的改进源于基本限制：HCF容量最终受限于收发器信噪比(实际上以当前技术限制在约30 dB)和可用的有效放大器带宽。此外，在HCF中实现超低损耗性能需要更大的模场直径和更厚的总体光纤尺寸，以抑制在空心结构中否则占主导地位的微弯损耗。当前研究表明，需要240 μm的裸光纤直径和480 μm的涂覆直径，这明显大于传统光纤的标准125 μm包层和250 μm涂覆。

HCF增加的物理尺寸在海底电缆中造成了显著的空间惩罚，与250-μm涂覆单模光纤系统相比，在保持相同电缆外径的情况下，一根电缆中容纳的光纤数量约减少3.7倍。这种空间低效率意味着尽管每根光纤的容量可能有所提高，但与同等尺寸的单模光纤电缆相比，总电缆容量实际上可能减少约1.8倍。这种容量减少使HCF对于最大化总吞吐量是主要目标的应用不具吸引力。

空芯光纤真正擅长的是延迟减少，提供实心芯光纤由于物理限制根本无法匹配的优势。光在空气中的传播速度比在玻璃中快大约31%，转化为显著的延迟改进。传统实心芯光纤表现出每公里约5微秒的延迟，在6,000公里路径上导致约30毫秒的往返延迟，或在10,000公里跨洋链路上约50毫秒。相反，空芯光纤将此减少到每公里约3.3微秒，在6,000公里路径上产生约20毫秒或在10,000公里路径上约33毫秒的往返延迟。这种信号传播时间减少约三分之一对特定应用如高频交易、某些科学实验和时间敏感通信可能具有变革性，在这些应用中每毫秒都很重要。

尽管具有这些延迟优势，空芯光纤在海底部署成为现实之前面临重大技术障碍。光纤大规模生产是一个主要挑战，当前预制棒尺寸限制在不到20公里，远远不足以满足海底电缆制造所需的数百到数千公里长度。更长HCF跨度的生产在技术上具有挑战性，因为需要在拉丝过程中维持精确的微观结构同时避免毛细管接触。其他问题包括为这些复杂结构开发可靠的接头技术，确保中继器连接处空心芯的气密密封，建立恶劣海底条件下的长期可靠性，以及减轻意外电缆切断后的水渗透风险。这些技术挑战表明，在空芯光纤成为商业海底部署的可行选择之前，可能需要持续数年的大量研究和开发工作。

图7：海底系统中空芯光纤的容量考虑，分析与实心芯光纤相比的理论限制和实际约束。

图8：突显空芯光纤的延迟优势并概述在海底系统部署前必须克服的技术挑战。

总结与未来展望

多芯光纤正迅速成为商业海底部署的可行选择，尽管持续的研究和开发仍对在不同时间框架内最大化全部潜力非常重要。

在当前技术格局中，双芯光纤技术已足够成熟可进行商业部署，谷歌等主要行业参与者已承诺在新的海底电缆系统中实施该技术。最重要的发现之一是，即使使用中继器中的当前扇入/扇出设备，每比特成本也可以降低，这使得MCF采用的经济案例具有说服力，而无需进一步的技术突破。量产光纤的性能展示，衰减接近硅基理论极限，串扰管理适合跨洋距离，为即时实施提供了坚实基础。

展望未来几年的近期，高效放大器技术的研究是进一步提高MCF系统成本效益的关键优先事项。集成多芯EDFA的开发，具有改进的功率转换效率，可以显著降低系统复杂性、功耗和成本。接头技术和连接接口的进步将进一步简化安装和维护程序。这些渐进但重要的改进将有助于将MCF采用从初始部署扩展到成为新海底电缆安装的标准。

海底光纤技术的长期未来提供了真正变革性的潜力。通过结合芯数增加(通过耦合MCF设计达到最多19个芯)、涂覆直径减少(从当前250 μm标准减少到更紧凑的200 μm)和波长带扩展(从仅C波段扩展到C和L波段)，通道密度理论上可增加74倍，相较于当前的C波段250-μm单模光纤系统。实现这种显著的密度改进将需要在两个关键领域的重大进步：沿电缆提供足够电力为所有放大器供电的电源技术，以及能够高效处理大幅增加的通道数的全新光放大技术。这些挑战可能需要根本性创新而非对现有方法的渐进改进。

同时，空芯光纤代表一种专业替代方案，虽然对最大化容量不利，但对延迟敏感的应用显示出相当大的潜力，其中传输速度是最重要的。与实心芯光纤相比，传播时间减少约31%可能为跨洋的时间敏感应用开启新的类别。然而，仍需要大量研究和开发投资来成熟这项技术用于海底部署，解决制造可扩展性、连接可靠性和恶劣海底条件下长期性能稳定性的挑战。

随着这些互补光纤技术的持续发展，将使下一代海底电缆系统能够更好地满足多样化需求，从用于一般数据传输的超高容量到用于时间关键应用的专业低延迟路径。这种技术多样化，结合效率和成本效益的持续改进，将确保海底光纤基础设施能够继续满足不断增长的洲际连接全球需求。