OFC2025 | 高容量光传输系统的演进：海底电缆与卫星通信的融合

逍遥设计自动化

引言
数字相干传输技术在过去十年彻底改变了全球通信网络，使海底电缆系统的容量实现了显着增长。同时，卫星通信也开始采用类似技术来提升其能力。这种技术融合代表了全球连接方式的重大转变，传统的陆地、海底和空间网络之间的界限日益模糊[1]。

bcuxpjtirrp64021754919.png

* p+ w8 A: e( W% [) r
2 v: ?, |: X4 n% F1
3 L5 C; x0 a' W0 x* [跨太平洋海底电缆系统的历史发展
  q# O. @/ E% ^- E% z: R& x跨太平洋地区的海底电缆技术经历了显着的演进。2016年FASTER电缆系统的推出是一个关键时刻，该系统首次在太平洋上独家使用正色散光纤(+D光纤电缆)。这一创新与之前的色散管理光纤电缆（如Unity）有明显区别。

' o1 C8 x, M3 w2 x. h$ H! W# Z1 J数字相干接收机通过采用相移键控和偏振复用技术，在提高传输容量方面发挥了关键作用。这些进步大幅提升了频谱效率，使FASTER的初始容量比其前代产品高出约十倍。

1dxpf5aqqyd64021755019.png

: J( |. q$ p( T0 @2 V$ V1 ~, `1 U图1展示了海底电缆容量随时间的显着演变。我们可以观察到2010年左右数字相干技术的引入，这引发了每光纤对(FP)容量的指数级增长。

8 E! p9 v6 t" t, z2 |2 }0 R( i数字信号处理的进步进一步提高了频谱效率。例如，升级后的FASTER容量可比初始部署高出1.5倍。然而，这种方法需要更高的光功率来维持足够的信噪比(SNR)，由于电缆系统可用的电源供应有限(约18 kV)，这构成了一个挑战。
: ?- p$ V6 ?, u$ E8 ?- ?  n& m
3 `9 a% ], J- Q1 @6 H7 w/ h1 X为克服此限制，基于香农理论引入了海底空分复用(SDM)。关键创新是在受限功率条件下，通过增加空间通道数量——如光纤核心或模式——即使单个SNR较低，也能实现更大的总体电缆容量。
, N* k: ^0 O3 c8 l9 ~5 T' P
2
, j( C* H  ^$ F" Q1 [2 E, x3 A0 e! E高光纤数量和多核技术的进步
近期发展聚焦于通过高光纤数量(HFC)电缆增强总体电缆容量，这些电缆具有12对或更多的光纤对。一个显着例子是一条具有24个光纤对的跨大西洋电缆的推出，其容量达到惊人的480 Tbps。
7 [7 v( S7 \; ]$ E
3 J( W# c3 y* v2 d随着电缆中可行光纤数量接近饱和，业界正转向多核光纤(MCF)以增加单根电缆内的核心数量。在商业应用方面，TPU电缆系统将成为首个在区域分支段部署2核MCF的系统。实验室实验已经证明了2核光纤在超过18,000公里距离上的成功传输。

qplbbpxnztg64021755119.png

, ^. i1 B) L* J3 [+ W+ q图2全面展示了分支单元(BU)的演变。传统BU通常使用可重构光分插复用器(ROADM)进行波长级容量分配，而较新的架构越来越多地利用光纤对切换实现更高效、更具成本效益的分支。
* d, e9 q2 l( r5 t) u+ W6 W. B, u
& d  S& {8 N: R: q1 R# m3
转发器技术的进步
. `2 }' U' Z. p3 L! o每比特成本降低在海底电缆部署中仍然至为重要。一个显着趋势是转发器(TPND)带宽的扩展，这减少了所需的波分复用通道数量。当前技术已经生产出200-Gbaud TPND，比最初FASTER系统中使用的转发器宽约六倍。即使每个TPND成本增加，总体每比特成本仍然下降。
3 @, f# }$ |" D8 x
- [; w+ p) Q& V9 t; V这一趋势影响了分支单元配置。由于高波特率转发器的带宽更宽，WDM通道分配的粒度从100-120个通道减少到C波段中约20个，同时保持相同的频谱效率。因此，可以将主干中的任何光纤对连接到分支中任何光纤对的基于光纤对的切换BU变得越来越普遍，因为与ROADM替代方案相比，其成本更低。
5 B0 d6 B+ t# W! j1 u1 K- j. m  m
4
卫星通信的演进
! E+ S' [8 ]( Q8 x% _. M2 }卫星通信在海底电缆成为主导前曾经是国际连接的重要方式，现在随着像Starlink这样的巨型星座而经历复兴。这些系统正在扩展蜂窝网络覆盖范围并采用先进的光学技术。
% P( |6 Y) w9 F$ u7 Q7 E% B
$ X/ T8 i6 W& v3 [3 P$ \0 H) G4 hStarlink在其星座中实施了三个200-Gbps的光学星间链路。同样，NASA的TBIRD项目展示了从TBIRD立方体卫星实现的200 Gbps下行链路，使用两个100-Gbps数字相干收发器——与光纤通信中使用的相同的商用现成(COTS)技术。

s5hsjhcjzv364021755219.png

, q8 T* V7 c8 [2 U6 b图3展示了海底电缆和卫星系统之间的潜在集成方法，提出了基于再生和全光学备份方法，以确保连接弹性。

自由空间光通信(FSO)是超高吞吐量卫星(VHTS)的一种有前景的技术，目标吞吐量范围从数百Gbps到Tbps。尺寸、重量和功率(SWaP)优化对卫星实施仍然至为重要，数字相干检测技术在利用光子晶体表面发射激光器时提供了约80 dB功率预算等优势。
* ^2 F' u. z3 Y# h+ u# q
5
# i8 b  ^0 Y0 g( k1 c海底和卫星网络的融合
+ Q' X( ~/ b: |! Z4 M虽然海底电缆和卫星网络服务于不同的主要角色——分别是核心网络和接入网络——但它们的集成提供了重要益处，特别是对于远程或脆弱的连接。

' s5 r! @: p7 [3 W) y" ^对于仅由单一海底电缆连接的小岛屿，卫星网络提供了必要的备份。即使在高容量海底系统中，高优先级波长通道在电缆故障情况下也需要冗余路由。
5 D" J& J+ M, S! H! P9 x
图3所示的融合概念展示了如何使用海底电缆和卫星系统备份客户端信号。在一种方法中，客户端信号切换到光地面站，通过基于卫星再生的网络传输。另一种方法中，通过海底和卫星系统之间兼容的TPND，波长可选择开关可以直接将信号路由到卫星网络，可能实现全光传输路径。

随着海底和卫星通信系统的持续发展，它们的融合对网络弹性和容量优化将变得越来越重要——这一发展值得在不久的将来进行更多可行性研究。
2 \9 Z- Z/ O8 `2 Q' H. c1 Y8 S% t
& L+ z8 Z2 p/ c# F2 R参考文献
& i2 n. Y  L; {# t[1] H. Takahashi, "High-Capacity Optical Transmission for Transoceanic and Space Communication Convergence," in OFC 2025, 2025, pp. M1B.3.
END
软件试用申请欢迎光电子芯片研发人员申请试用PIC Studio,其中包含：代码绘版软件PhotoCAD，DRC软件pVerify，片上链路仿真软件pSim，光纤系统仿真软件pSim+等。更多新功能和新软件将于近期发布，敬请期待！
' Z, c: ~6 a  a* Y1 z( ^+ U点击左下角"阅读原文"马上申请
! C+ B, D. q/ p8 c# e
欢迎转载

6 O$ p# s9 s1 _1 j+ u$ \4 \. |转载请注明出处，请勿修改内容和删除作者信息！
, v* u  r% S( x/ g1 B' L$ p8 v4 ^
- g$ j4 Q: R. o) A

tax0dgy3pvu64021755319.gif

/ b4 O& x$ I2 S5 ~( g8 J+ C: ~
关注我们

- V7 f% Q# d# V  M

d: g( R$ S- s4 g/ F+ X waw2ypqoipz64021755419.png 4 }& c( e# c+ |# z% c

a113kgkkrbv64021755519.png   u7 w( a# V& V7 \* Q0 I

; \0 R8 C4 _: X( F# ~7 S iv0boxrkfx464021755619.png % W" s3 T3 d# L7 w4 J

                     

" s/ N! b: `; h% `. l( u
  y; w% }) a& N) h+ F
关于我们：
深圳逍遥科技有限公司（Latitude Design Automation Inc.）是一家专注于半导体芯片设计自动化（EDA）的高科技软件公司。我们自主开发特色工艺芯片设计和仿真软件，提供成熟的设计解决方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio，分别针对光电芯片、微机电系统、超透镜的设计与仿真。我们提供特色工艺的半导体芯片集成电路版图、IP和PDK工程服务，广泛服务于光通讯、光计算、光量子通信和微纳光子器件领域的头部客户。逍遥科技与国内外晶圆代工厂及硅光/MEMS中试线合作，推动特色工艺半导体产业链发展，致力于为客户提供前沿技术与服务。

http://www.latitudeda.com/
（点击上方名片关注我们，发现更多精彩内容）