光纖工程師們?cè)诤５坠饫|上進(jìn)行的一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)創(chuàng)造了數(shù)據(jù)傳輸效率的新紀(jì)錄。位于弗吉尼亞州的維吉尼亞海灘和西班牙的比爾博亞之間的MAREA光纜長(zhǎng)達(dá)6605公里，其八對(duì)光纖中的每一對(duì)每秒可傳輸20Tb數(shù)據(jù)。在3月3日至7日在圣地亞哥舉行的光纖通信會(huì)議（Optical Fiber Communications Conference）上，來自Infinera和Facebook的工程師們報(bào)告說，新的收發(fā)設(shè)備可以每秒將26.2Tb數(shù)據(jù)塞進(jìn)MAREA上的相同帶寬。

插圖來源：Splash/維基百科

在16QAM（16-正交幅度調(diào)制）信號(hào)中，信號(hào)的四個(gè)獨(dú)立方面對(duì)于每個(gè)信號(hào)間隔可以有不同的二進(jìn)制值。這給出了信號(hào)16個(gè)可能的值（從0000和0001到1110和1111）。這使得它在每個(gè)調(diào)制間隔可每秒傳輸多個(gè)比特。實(shí)際傳輸速率受噪聲限制。

這并不是一個(gè)很大的增長(zhǎng)，但它很重要，因?yàn)樗鼊?chuàng)下了在有限的光纖帶寬中每秒塞進(jìn)去的比特?cái)?shù)最多的記錄。Infinera解決方案和技術(shù)總監(jiān)Geoff Bennett表示，這是通過一種此前從未在跨大西洋光纜上展示過的調(diào)制方案實(shí)現(xiàn)的。這種調(diào)制方案稱為16QAM，作為正交幅度調(diào)制，它對(duì)4位代碼進(jìn)行數(shù)字調(diào)制，因此每個(gè)間隔可以有16個(gè)值中的一個(gè)，如圖所示。這使得工程師們能夠以每赫茲帶寬每秒6.21比特的速度傳輸數(shù)據(jù)。這種使用Infinera商用設(shè)備的高數(shù)據(jù)速率傳輸將光纜推到了接近香農(nóng)噪聲極限的程度。

該會(huì)議上的演講者們指出，目前，跨洋光纜傳輸?shù)膩碜詳?shù)據(jù)中心的流量超過了來自其他用戶的流量。該會(huì)議展示了一個(gè)主要的焦點(diǎn)，即為了處理數(shù)據(jù)中心這個(gè)流量源，需要為數(shù)據(jù)中心光纜增加帶寬。但是大多數(shù)海底光纜并不是通過提高帶寬效率，而是通過增加更多的傳輸波段來產(chǎn)生更多的傳輸容量。香港至洛杉磯之間長(zhǎng)達(dá)12800公里的太平洋光纜就是這樣做的，明年其每對(duì)光纖的最大容量將超過MAREA。太平洋光纜的設(shè)計(jì)者Subcom說，通過增加一個(gè)傳輸波段，將光纜的帶寬增加一倍，使其六對(duì)光纖中每對(duì)每秒可傳輸24Tb數(shù)據(jù)。

但I(xiàn)nfinera的方法，即提高帶寬效率，可能是提高海底光纜傳輸容量的未來之路，因?yàn)楹５坠饫|跨越的距離將更長(zhǎng)，構(gòu)建成本更高，而且由于需要將電線穿過光纜連接到電力中繼器，光纖數(shù)量是受限的。

插圖來源：Infinera

奈奎斯特將傳統(tǒng)載波的邊帶進(jìn)行整形，并將它們攜帶的信息壓縮到更窄的子載波頻帶中。

為了通過MAREA傳輸16QAM，由Facebook的Stephen Grubb和Infinera的Pierre Mertz領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)團(tuán)隊(duì)將6個(gè)激光發(fā)射器的信號(hào)匯集在一起傳入一個(gè)212.5 GHz波段的超級(jí)信道（每秒可傳輸618.75Gb，包括糾錯(cuò)編碼）。每個(gè)激光波長(zhǎng)包括四個(gè)子載波。他們?cè)谏形赐度胧褂玫墓饫w上進(jìn)行了測(cè)試，在沒有攜帶數(shù)據(jù)的波長(zhǎng)上散布放大器自發(fā)輻射噪聲，以模擬這些波長(zhǎng)上的信號(hào)效果。然后他們逐步跟蹤波長(zhǎng)通道來驗(yàn)證無差錯(cuò)操作。這產(chǎn)生了每赫茲每秒6.21比特的效率記錄。

Mertz認(rèn)為最大的挑戰(zhàn)是接近香農(nóng)極限。隨著接近香農(nóng)極限，他說：“我們?nèi)〉玫拿恳粋€(gè)進(jìn)步都變得越來越難?！睘榱诉M(jìn)一步測(cè)試硬件，他們把8QAM信號(hào)傳輸?shù)酱笪餮髮?duì)岸，然后再傳回來。在13210公里的往返行程中以較長(zhǎng)的波長(zhǎng)發(fā)送信號(hào)，將每根光纖的容量降低到每秒18.6Gb，并將效率降低到每赫茲每秒4.46比特。

Infinera的Bennett將該團(tuán)隊(duì)的成功歸功于兩個(gè)因素。一個(gè)是Infinera使用集成光子電路，所有六個(gè)激光器都在同一個(gè)基板上，而不是在單獨(dú)的芯片上。這使得更容易將激光波長(zhǎng)鎖在一起以提高性能。在每個(gè)獨(dú)立芯片的溫度獨(dú)立漂移的設(shè)置中，這樣做可能很困難。另一個(gè)因素是奈奎斯特對(duì)子載波頻帶進(jìn)行整形，以減少為信號(hào)定時(shí)提取時(shí)鐘所需的帶寬。

這是一個(gè)重要的研究領(lǐng)域，因?yàn)榇髷?shù)據(jù)公司仍然對(duì)帶寬如饑似渴。Facebook預(yù)計(jì)，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、虛擬現(xiàn)實(shí)和人工智能將呈強(qiáng)勁增長(zhǎng)勢(shì)頭。Facebook的Herve Fevrier（他和五位同事在會(huì)議上發(fā)表了一篇論文）說，將需要新技術(shù)來維持這種增長(zhǎng)。這意味著更大的光纜容量、更大的光纜柔韌性和更低的每比特成本。為了規(guī)避香農(nóng)極限，F(xiàn)acebook希望增加光纜中的光纖數(shù)量。這將需要重新設(shè)計(jì)光纜，以便能夠?yàn)檠仄渎肪€的中繼器提供更多電力，以及使光纜可以容納下16到25對(duì)光纖。此外，他們預(yù)計(jì)需要更多的纖心來進(jìn)一步擴(kuò)大傳輸容量。