跨海通信有挑战，多芯光纤来助力

       封面解析：传统单模光纤受限于光纤非线性的影响，同时海缆的机械特性和铺设难度导致其可容纳光纤数量有限，限制了通信容量的进一步提高。因此，多芯光纤复用技术有望在海缆通信领域展现优势。苏州大学光网络技术研究中心团队，联合中山大学、香港理工大学，开展多芯光纤跨海通信理论研究、探究海缆多边际参数的优化策略及能效影响。

    《光学学报》2022年第15期封面文章 | 孙林; 刘宁; 蔡轶; 张俊威; 李朝晖; 吕超; 沈纲祥; 多芯光纤通信海缆的能效理论及系统参数优化[J].光学学报, 2022, 42 (15):1506005.

      导读：通信能效对于跨海通信海缆系统至关重要，苏州大学光网络技术研究中心团队，联合中山大学、香港理工大学，开展多芯光纤跨海通信理论研究、探究海缆多边际参数的优化策略及能效影响。

1、研究背景

自1851年，英国铺设在多佛尔海霞的第一条海底电缆开始，人类开启了海缆通信的蓬勃发展。目前，全球90%以上的国际数据正通过海底光缆进行传输，海缆通信已经成为全球信息通信的关键，其容量亟需大规模提升以满足日益增长的数据通讯需求。

多根单模光纤（SMF）成缆是现阶段通信海缆的主要解决方案。传统SMF受限于光纤非线性的影响，同时海缆的机械特性和铺设难度导致其可容纳光纤数量有限，限制了通信容量的进一步提高。因此，多芯光纤复用技术有望在海缆通信领域展现优势。

与此同时，由于海缆两岸供电的限制，如何在有限供电条件下、通过优化海缆参数实现容量和能效的最大化是海缆设计的关键问题。

2、多芯光纤海缆

基于高斯噪声模型对多芯光纤海缆容量进行理论建模，探究包括单跨长度、调制格式、信噪比和纤芯数目等参数的优化策略。基于目前主流的4芯和7芯光纤以及耦合器参数，对比多芯光纤海缆和SMF海缆的能效性能，并分析多芯耦合器插损、放大器噪声指数等边际参数对海缆能效的影响。

通过对多芯海缆的参数优化理论，结果发现海缆的最优单跨长度与且只与光纤衰耗有关。对跨大西洋和跨太平洋场景进行分析，对应长度分别为6000 km和11000 km，考虑海缆最大容纳光纤数目为32，4芯光纤在跨大西洋、跨太平洋场景，相比SMF海缆可以提升能效至2.5倍和1.13倍；7芯光纤在跨大西洋、跨太平洋场景，相比SMF海缆可以提升能效至3.2倍和1.13倍，可以看出多芯海缆相比SMF海缆具有更好的能效优势。

多芯扇入扇出（FIFO）引入的插损将额外增加链路的功率损耗，降低链路信噪比。图1中展示不同FIFO插损条件下的4芯和7芯海缆与SMF海缆的相对能效情况。在6000 km海缆场景，多芯海缆对FIFO插损的容忍度较高。在11000 km传输场景中，当FIFO插损大于0.5 dB时，多芯海缆相比SMF海缆无能效增益。

图1不同FIFO插损条件下的多芯海缆对SMF海缆的相对能效。（a）4芯海缆；（b）7芯海缆

图2. 不同放大器电光效率条件下的多芯海缆对SMF海缆的相对能效。（a）4芯海缆；（b）7芯海缆

图2为不同放大效率条件下的多芯海缆与单模海缆的相对能效值。采用4芯海缆，6000 km距离下由于海缆可容纳光纤数目的限制，存在最优电光转换效率。然而在11000 km距离，由于中继器数目增多，采用较高电光效率的光放能获得更高能效。若光放电光效率达到10 %，采用7芯海缆可以获得较SMF海缆（电光效率固定为1.5 %）近7倍能效提升。

图3 不同串扰条件下的多芯海缆对SMF海缆的相对能效。（a）4芯海缆；（b）7芯海缆

3、未来展望

本工作以能效为目标对多芯光纤海缆的主要参数进行了理论推导及边际参数优化。基于优化设置的多芯海缆展现出相比多根SMF海缆的容量及能效优势。目前多芯光纤及匹配器件的工艺仍处于不断完善阶段，未来采用更高电光效率的多芯光放大器作为中继，有望进一步释放多芯海缆的能效优势。

科学编辑：孙林；刘曹洋；张俊威