空芯光纤在海底光缆系统中的最新研究

在海底光缆系统的技术演进中，空芯光纤（Hollow Core Fiber，HCF）因其独特的物理特性成为近年来的研究热点。

相比传统高性能海底光纤G.654.D，HCF通过低延迟、低非线性效应和低损耗等优势，为长距离大容量传输提供了新的可能性。下面我们来看看HMN 公司的最新研究。

图1：海底电缆系统架构示意图

HCF的核心优势源于其空心结构。光信号在空气介质中传播，不仅将传输延迟降低至传统实芯光纤的三分之一，还显著减少了非线性效应和衰减。2024年微软的研究显示，HCF的损耗已降至0.1 dB/km，首次超越实芯光纤。

图2：HCF与G.654.D在不同跨段长度下的容量对比曲线

其中容量计算基于公式：  

备注：SNR_TOT由光纤噪声、终端放大器噪声、调制惩罚及OTU引入的干扰共同决定。

同时，由于HCF的非线性系数比G.654.D低两个数量级，允许更高的发射功率，但受限于海底系统的供电能力，实际应用中仅将总输出功率（TOP）提升3dB。此外，HCF的模态间干扰（IMI）已通过制造工艺控制在-55 dB/km，进一步减少信号劣化。具体关键参数对比如下表所示。

表1：HCF与G.654.D关键参数对比

实验结果显示，当跨段长度为125 km时，HCF在10000公里距离下的容量提升高达54.4%，而G.654.D因非线性效应随功率增加呈现先升后降的趋势。

• 83.33 km跨段：容量提升从1000 km的5.7%增至10000 km的34%。

• 100 km跨段：容量提升从7.5%增至40.4%。

• 125 km跨段：容量提升从11%增至54.4%。

值得注意的是，跨段长度变化对HCF容量影响较小，但对G.654.D的影响显著。例如，在6000公里传输中，G.654.D的容量随跨段长度增加而下降，而HCF仍保持稳定增长。

图3：跨段长度对容量提升的影响趋势

这一差异源于HCF的低非线性特性。在同等条件下，HCF的发射功率可提高至G.654.D的1.5倍，同时减少信号失真。例如，当系统带宽为4.8 THz时，HCF的有效面积（200 μm²）相比G.654.D（130 μm²）进一步降低功率密度，抑制非线性效应。此外，HCF的色散系数（3 ps/nm/km）仅为G.654.D的1/7，减少了对复杂色散补偿技术的依赖。

然而，HCF的规模化应用仍面临挑战。当前研究假设忽略系统余量、焊接问题及拉曼能量转移，实际部署需综合考虑制造一致性、中继器可靠性及成本因素。例如，HCF的模态干扰虽已大幅降低，但在超长距离传输中仍需优化光纤几何结构以减少模式耦合。

总体而言，HCF为海底电缆系统提供了显著的容量增益。在1万公里级传输场景下，其容量可达G.654.D的1.5倍，且对跨段长度的适应性更强。随着制造工艺的进步和系统集成技术的成熟，HCF有望成为下一代跨洋通信的核心载体。

参考来源：Capacity Analysis of Submarine Cable System with Hollow  Core Fiber.