1.2 海底光缆通信系统发展历程
1.2.1 海底光缆通信系统发展过程
在陆地干线光缆通信系统应用不久，海底光缆敷设就开始了。从1980年英国在国内沿海建立第一条光纤长10 km、传输速率140 Mbit/s、只有一个电中继器的通信系统算起，海底光缆通信系统已37年了。自此以后，海底光缆通信技术得到了飞速发展，海底光缆通信系统历经四代。到目前为止，铺设海底光缆线路已达百万千米。与模拟同轴电缆系统、卫星通信系统相比，在传输容量、可靠性和质量方面，海底光缆通信系统已使全球通信发生了彻底的变革。
1988年，第一条横跨大西洋，连接美国、法国和英国的海底光缆TAT-8系统运行，以及横跨太平洋，连接日本、美国的HAW-4/TCP-3海底光缆系统开通，至此以后远洋洲际通信系统就不再铺设海底电缆了。这些海底光缆系统采用电再生中继器和PDH终端设备，工作在第二个光纤低损耗（1.3 µm）窗口，传输速率为295 Mbit/s，提供40 000个电话电路[67]，使用常规G.652光纤，中继间距约为70 km，被称为第一代海底光缆通信系统。
由于1.55 µm单频半导体激光器的出现，以及1.55 µm窗口光纤损耗的降低，1991年出现了1.55 µm光纤窗口的系统。这种系统也采用电再生中继器和PDH终端设备，传输速率为560 Mbit/s，使用G.654损耗最小光纤，中继间距几乎是第一代系统的两倍，这种工作在1.55 µm光纤窗口的系统被称为第二代海底光缆系统。
表1-1所示为单波长低速光中继海底光缆通信系统参数[11]。
表1-1 单波长低速光中继海底光缆通信系统参数
20世纪90年代，掺铒光纤放大器（EDFA）产品的出现，使全光中继放大成为现实，这就为海底光缆系统全光中继取代传统电再生中继创造了条件。1994年高速大容量SDH光传输设备引入海底光缆系统，1997年随着波分复用（WDM）技术的成熟，光纤损耗的进一步降低（0.18 dB/km）及色散移位光纤的商品化，使无中继传输距离不断增加，622 Mbit/s的系统可达到501 km，2.5 Gbit/s的系统也可以达到529 km。海底光缆通信系统每话路千米成本逐年降低，1996年运行的2×5 Gbit/s TAT-12/13系统已降低到20美元。2000年到2003年，从开关键控（OOK）调制变化到差分相移键控（DPSK），使用C+L波段EDFA，6 000 km信道速率10 Gbit/s系统单根光纤最大传输容量从1.8 Tbit/s提升到3.7 Tbit/s，如图1-3所示。在2004年，40 Gbit/s系统使用DPSK调制也达到6 Tbit/s。此后的5年里，传输容量没有扩大，直到2009年，使用偏振复用/相干检测和先进的光调制技术，如PM-QPSK，100 Gbit/s信道速率信号传输6 000 km单根光纤容量才突破6 Tbit/s，几乎达到10 Tbit/s。所以作者认为，从20世纪90年代开始到2009年，偏振复用相干检测系统是第三代海底光缆通信系统。
2010年以后，随着光纤通信技术，如偏振复用（PM）/相干检测技术、先进光调制技术、大芯径低损耗光纤技术、传输光纤分布式拉曼放大技术、数字信号处理（DSP）色散补偿技术、超强前向纠错技术（SFEC）、传输信号频谱整形技术，以及平面集成波导等技术的不断进步，海底光缆通信系统的信道速率也在不断提高，从10 Gbit/s、40 Gbit/s速率已提高到100 Gbit/s及以上，系统容量和频谱效率也大幅度提高，如图1-3至图1-5所示。2014年，传输6 000 km的100 Gbit/s系统容量已超过50 Tbit/s。2015年，同样传输6 000 km每个波长400 Gbit/s系统容量也达到2 Tbit/s[97]。这种基于WDM+EDFA/Raman+偏振复用（PM）/相干检测技术的海底光缆系统，被称为第四代海底光缆系统。有学者认为，2010年是相干技术时代[97]。各代海底光缆通信系统的特点如表1-2所示。
表1-2 各代海底光缆通信系统的特点
图1-3和图1-4表示随着技术进步，单根光纤传输容量逐年扩大的情况。图1-5描述了单根光纤不同信道速率传输实验情况。共掺磷和铒光放大器（P-EDFA）可使WDM系统的带宽扩展到长波段（L波段）。据报道，采用波分复用技术，在C波段复用176个信道，在L波段复用256个信道，使用偏振复用（PM）和16QAM调制技术，每个信道传输160 Gbit/s信号，在240 km纯硅芯单根光纤上实现了69 Tbit/s的创纪录的容量，频谱效率也达到了6.4 bit/s/Hz。表1-4列出了近几年使用不同的调制和检测技术，得到的不同的传输容量和频谱效率的更多参数。
图1-3 海底光缆通信系统单根光纤传输容量在不断扩大[49][67]
图1-4 随着技术进步单根光纤传输容量在逐年扩大[67]
图1-5 单根光纤不同信道速率传输实验
由于海底光缆通信质量优于微波和卫星，施工难度又小于陆上光缆，所以大量的海底光缆系统被敷设。到目前为止，有文献报道，全世界大约百万千米光缆已被铺设[67]。随着光纤技术的进步，通话费用迅速降低，海底光缆传输的话务量急剧增长。