改變世界的海底光纜

張海光

改變世界的海底光纜

Submarine cable transforming the world

張海光

只要您在上網(wǎng)，您就會(huì)用到光纖。這些頭發(fā)絲般粗細(xì)的石英玻璃光導(dǎo)纖維影響著幾十億人的生活。

2006年12月26日，我國(guó)臺(tái)灣省南部海域發(fā)生7.2級(jí)海底地震，造成該海域13條國(guó)際海底光纜受損，致使我國(guó)至歐洲大部分地區(qū)和南亞部分地區(qū)的語(yǔ)音通信接通率明顯下降；至歐洲、南亞地區(qū)的數(shù)據(jù)專(zhuān)線(xiàn)大量中斷；互聯(lián)網(wǎng)大面積擁塞、癱瘓，雅虎、MSN等國(guó)際網(wǎng)站無(wú)法訪(fǎng)問(wèn)，1500萬(wàn)MSN用戶(hù)長(zhǎng)期無(wú)法登陸，1億多中國(guó)網(wǎng)民一個(gè)多月無(wú)法正常上網(wǎng)，日本、韓國(guó)、新加坡等地網(wǎng)民也受到影響。5艘海纜維修船經(jīng)過(guò)一個(gè)月的努力，才將斷裂的海纜修復(fù)?？梢哉f(shuō)，現(xiàn)代生活已經(jīng)無(wú)法離開(kāi)海底光纜。

海底光纜是目前世界上最重要的通信手段之一。1986年，美國(guó)ATT公司在西班牙加那利群島和相鄰的特內(nèi)里弗島之間，鋪設(shè)了世界第一條商用海底光纜，全長(zhǎng)120千米。1988年，美國(guó)與英國(guó)、法國(guó)之間鋪設(shè)了世界第一條跨大西洋海底光纜（TAT－8）系統(tǒng)，全長(zhǎng)6700千米，含有3對(duì)光纖，每對(duì)的傳輸速率為280 Mb/s，中繼站距離為67千米。這標(biāo)志著海底光纜時(shí)代的到來(lái)。

1989年，跨越太平洋全長(zhǎng)13 200千米的（TPC－3）海底光纜也建設(shè)成功，從此，海底光纜就在跨洋洲際海纜領(lǐng)域取代了同軸電纜。鋪設(shè)1000千米的同軸電纜大約需要500噸銅，改用光纜只需幾噸石英玻璃材料就可以了。與昂貴的銅材相比，沙石中就含有石英，幾乎取之不盡。此外一根頭發(fā)般細(xì)小的光纖，其傳輸?shù)男畔⒘肯喈?dāng)于一捆飯桌般粗細(xì)的銅線(xiàn)。一對(duì)金屬電話(huà)線(xiàn)至多只能同時(shí)傳送一千多路電話(huà)，而一對(duì)細(xì)如蛛絲的光導(dǎo)纖維理論上可以同時(shí)接通一百億路電話(huà)！

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，從1986年到2001年，全世界大大小小總共建設(shè)了170多個(gè)海底光纜系統(tǒng)，總長(zhǎng)近億千米，大約有130余個(gè)國(guó)家通過(guò)海底光纜聯(lián)網(wǎng)。目前，全世界超過(guò)80%的通信流量都由海底光纜承擔(dān)，最先進(jìn)的光纜每秒鐘可以傳輸7T（1T等于1024 G）數(shù)據(jù)，幾乎相當(dāng)于普通1M家用網(wǎng)絡(luò)帶寬的730萬(wàn)倍。通過(guò)太平洋的海底光纜已經(jīng)有5條，每天有數(shù)億網(wǎng)民使用這些線(xiàn)路。

第一條跨大西洋電話(huà)電纜（TAT-1）建設(shè)工程

橫跨太平洋電纜（TPC-1）在日本海岸線(xiàn)

海底光纜通信技術(shù)的變遷

海底線(xiàn)纜通信已有一百多年歷史，1850年盎格魯-法國(guó)電報(bào)公司開(kāi)始在英法之間鋪設(shè)了世界第一條海底電纜，只能發(fā)送莫爾斯電報(bào)密碼。1852年海底電報(bào)公司第一次用纜線(xiàn)將倫敦和巴黎聯(lián)系起來(lái)。1866年英國(guó)在美英兩國(guó)之間鋪設(shè)跨大西洋海底電纜（The Atlantic Cable）取得成功，實(shí)現(xiàn)了歐美大陸之間跨大西洋的電報(bào)通訊。1876年，貝爾發(fā)明電話(huà)后，海底電纜具備了新的功能，各國(guó)大規(guī)模鋪設(shè)海底電纜的步伐加快了。1902年環(huán)球海底通信電纜建成。

中國(guó)第一條海底電纜是清朝時(shí)期臺(tái)灣首任巡撫劉銘傳，在1886年鋪設(shè)通聯(lián)臺(tái)灣全島以及大陸的水路電線(xiàn)，主要作為發(fā)送電報(bào)用途。到1888年共完成架設(shè)兩條水線(xiàn)，一條是福州川石島與臺(tái)灣滬尾（淡水）之間的177海里水線(xiàn)，主要是提供臺(tái)灣府向清廷通報(bào)臺(tái)灣的天災(zāi)、治安、財(cái)經(jīng)，并提供商務(wù)通訊使用；另外一條為臺(tái)南安平通往澎湖的53海里水線(xiàn)。如今，福建外海川石島的大陸登陸點(diǎn)依舊存在，但是臺(tái)灣淡水的具體登陸點(diǎn)已經(jīng)不可考。

同陸地電纜相比，海底電纜有很多優(yōu)越性：一是鋪設(shè)不需要挖坑道或用支架支撐，因而投資少，建設(shè)速度快；二是除了登陸地段以外，電纜大多在一定深度的海底，不受風(fēng)浪等自然環(huán)境的破壞和人類(lèi)生產(chǎn)活動(dòng)的干擾，所以，電纜安全穩(wěn)定，抗干擾能力強(qiáng)，保密性能好。

光纖

光纖通信改變世界

光導(dǎo)纖維的出現(xiàn)使海纜通信取得跨越式發(fā)展。光，也許是最平常卻最不平常的東西。它時(shí)刻在人身旁，卻又一直無(wú)法捕捉稱(chēng)量。1870年的一天，英國(guó)物理學(xué)家丁達(dá)爾（John Tyndall）在皇家學(xué)會(huì)演講廳講述光的全反射原理時(shí)，做了一個(gè)簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)：他在裝滿(mǎn)水的桶壁上鉆個(gè)孔，然后用燈從桶上邊把水照亮，結(jié)果人們看到光線(xiàn)順著流出的水柱而彎曲。1955年，英國(guó)倫敦帝國(guó)學(xué)院的卡帕（Narinder Kapany）博士根據(jù)光的折射原理，發(fā)明了用玻璃制成了極細(xì)的光導(dǎo)纖維。其后不斷有科學(xué)家嘗試?yán)貌ＡЮw維來(lái)傳遞信息，但由于光線(xiàn)在長(zhǎng)距離傳輸過(guò)程中衰減損耗率過(guò)高而難以實(shí)現(xiàn)。

英國(guó)物理學(xué)家丁達(dá)爾和光反射試驗(yàn)示意圖

直到上世紀(jì)60年代，英國(guó)華裔科學(xué)家高錕博士和研究小組，在詳細(xì)研究了玻璃介質(zhì)的傳輸損耗后，于1966年7月，在PIEE雜志上發(fā)表了題為《用于光頻的介質(zhì)纖維表面波導(dǎo)》的論文，提出制造光纖的玻璃純度是降低光能損耗的關(guān)鍵，而熔煉石英正是可以制造高純度玻璃的材質(zhì)。他預(yù)言通過(guò)加強(qiáng)原材料提純，加入適當(dāng)?shù)膿诫s劑，只要把光纖的衰耗系

數(shù)降低到每千米20分貝以下就可用于通信。而當(dāng)時(shí)世界上用于工業(yè)和醫(yī)學(xué)方面的光纖材料，衰耗系數(shù)高達(dá)每千米1000分貝！高錕的設(shè)想被認(rèn)為是可望不可及的。為此，他不得不擔(dān)當(dāng)起一個(gè)“布道者”的角色，四處拜訪(fǎng)玻璃工廠，宣揚(yáng)他的理論。

4年后的1970年，美國(guó)康寧玻璃（Corning Glass）根據(jù)高錕的設(shè)想，花費(fèi)3000萬(wàn)美元用改進(jìn)型化學(xué)氣相沉積法（MCVD法）制造出當(dāng)時(shí)世界上第一根超低耗光纖，得到30米光纖樣品，首次邁過(guò)了“20分貝/

千米”門(mén)檻。這一突破，引起世界通信界的震動(dòng)，發(fā)達(dá)國(guó)家開(kāi)始投入巨大力量研究光纖通信。之后技術(shù)不斷進(jìn)步，1972年光纖衰耗降到4分貝/千米，1974年降到1.1分貝/千米，1979年日本電報(bào)電話(huà)公司研制出0.2分貝/千米的極低損耗石英光纖（1.5微米），1990年康寧研制的光纖衰耗降到0.14分貝/千米，這已經(jīng)接近石英光纖的理論衰耗極限值0.1分貝/千米。

正是光纖制造技術(shù)和光電器件制造技術(shù)的飛速發(fā)展，以及大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路技術(shù)和微處理機(jī)技術(shù)的發(fā)展，帶動(dòng)了光纖通信系統(tǒng)從小容量到大容量、從短距離到長(zhǎng)距離、從低水平到高水平、從舊體制（PDH）到新體制（SDH）的迅猛發(fā)展。

從1970年到現(xiàn)在雖然只有短短四十年的時(shí)間，但光纖通信技術(shù)卻取得了極其驚人的進(jìn)展。百年前人們夢(mèng)寐以求的幻想在今天已成為活生生的現(xiàn)實(shí)。然而就目前的光纖通信而言，其實(shí)際應(yīng)用僅是其潛在能力的2%左右，尚有巨大的潛力等待人們?nèi)ラ_(kāi)發(fā)利用。因此，光纖通信技術(shù)并未停滯不前，而是向更高水平、更高階段方向發(fā)展。

進(jìn)入90年代，海底光纜已經(jīng)和衛(wèi)星通信成為當(dāng)代洲際通信的主要手段。目前，世界各國(guó)的網(wǎng)絡(luò)可以看成是一個(gè)大型局域網(wǎng)，海底和陸上光纜將世界各國(guó)的網(wǎng)絡(luò)連接成為國(guó)際互聯(lián)網(wǎng)，光纜是互聯(lián)網(wǎng)的“中樞神經(jīng)”，而美國(guó)幾乎是互聯(lián)網(wǎng)的“大腦”。美國(guó)作為Internet的發(fā)源地，存放著很多的Web和IM（如MSN）等服務(wù)器，全球解析域名的13臺(tái)根服務(wù)器就有9臺(tái)在美國(guó)，各國(guó)用戶(hù)登錄“.com”、“.net”網(wǎng)站或發(fā)電子郵件，數(shù)據(jù)幾乎都要到美國(guó)的根服務(wù)器上繞一圈才能到達(dá)目的地。連接“中樞神經(jīng)”和“大腦”的是海底光纜系統(tǒng)，它分為岸上設(shè)備和水下設(shè)備兩大部分。岸上設(shè)備將語(yǔ)音、圖像、數(shù)據(jù)等通信業(yè)務(wù)打包傳輸。水下設(shè)備分為海底光纜、中繼器和“分支單元”三部分，負(fù)責(zé)通信信號(hào)的處理、發(fā)送和接收。海底光纜是其中最重要的也是最脆弱的部分。

互聯(lián)網(wǎng)能在全球興起，原因在于海底光纜。這些光纜由一邊的海岸下水，在另一邊的海岸登陸，是地球村最重要的信息傳輸渠道。

中國(guó)光纖通信發(fā)展史

我國(guó)光通信起步較早，1969年，郵電部想靠大氣傳送光信號(hào)來(lái)實(shí)行軍用通信，郵電部武漢郵電科學(xué)研究院（當(dāng)時(shí)是武漢郵電學(xué)院）接受任務(wù)，便開(kāi)始光纖通信研究。當(dāng)時(shí)光纖通信技術(shù)在歐美發(fā)達(dá)國(guó)家也才剛剛起步。我國(guó)處于封閉狀態(tài)，一切都要靠自己摸索。由于武漢郵電科學(xué)研究院采用了石英光纖、半導(dǎo)體激光器和編碼制式通信機(jī)的正確技術(shù)路線(xiàn)，使我國(guó)在發(fā)展光纖通信技術(shù)上少走了不少?gòu)澛贰?/p>

就研制光纖來(lái)說(shuō)，原料提純、熔煉車(chē)床、拉絲機(jī)，還包括光纖的測(cè)試儀表和接續(xù)工具也全都要自己開(kāi)發(fā)。1976年上半年，武漢郵電學(xué)院講師趙梓森和同事們拉制出了我國(guó)第一根200米光纖樣品。1979年，他和同事們拉制出了我國(guó)第一條實(shí)用光纖，每千米衰耗為4分貝。1979年9月，一條3.3千米的120路光纜通信系統(tǒng)在北京建成。1982年1月1日，郵電部“八二工程”在武漢開(kāi)通了我國(guó)第一條8 Mb/s實(shí)用化市話(huà)光纖工程。從此中國(guó)的光纖通信進(jìn)入實(shí)用階段。到80年代中期，我國(guó)光纖通信的速率已達(dá)到144 Mb/s，可傳送1980路電話(huà)，超過(guò)同軸電纜載波。于是光纖通信在傳輸干線(xiàn)上全面取代同軸電纜。

2000年，我國(guó)光纜干線(xiàn)總長(zhǎng)度達(dá)到120萬(wàn)千米，其中中國(guó)電信約占70%份額，其余約30%份額由中國(guó)聯(lián)通、網(wǎng)通等公司擁有，共建成一級(jí)干線(xiàn)23條，在全國(guó)形成“八橫八縱”的光纜骨干網(wǎng)實(shí)體結(jié)構(gòu)，大多數(shù)干線(xiàn)直接采用2.5 Gbit/s系統(tǒng)，覆蓋全國(guó)省會(huì)以上的城市和70%的地市，全國(guó)通信網(wǎng)的傳輸光纖化比例已高達(dá)80%以上，沿海地區(qū)很多省光纖已到鄉(xiāng)，大城市光纖已經(jīng)通達(dá)入戶(hù)。

自1989年開(kāi)始到1998年底，我

國(guó)先后參與了18條國(guó)際海底光纜的建設(shè)與投資。其中第一個(gè)在中國(guó)登陸的國(guó)際海底光纜系統(tǒng)是1993年12月建成的中國(guó)——日本（C-J）海底光纜系統(tǒng)，從上海南匯至日本九州宮崎，全長(zhǎng)1252千米，通信總?cè)萘窟_(dá)7560條通話(huà)電路，相當(dāng)于建于1976年的中日海底同軸電纜的15倍以上。

1996年2月中韓海底光纜建成開(kāi)通，分別在中國(guó)青島和韓國(guó)泰安登陸、全長(zhǎng)549千米；1997年11月，中國(guó)參與建設(shè)的第一條在我國(guó)登陸的洲際光纜系統(tǒng)投入運(yùn)營(yíng)，分別在英國(guó)、埃及、印度、泰國(guó)、日本等12個(gè)國(guó)家和地區(qū)登陸，全長(zhǎng)27 000多千米，其中中國(guó)段為622千米。

現(xiàn)有太平洋海底光纜示意圖

中美海底光纜

中美海底光纜系統(tǒng)（CH-US）是連接亞洲和北美洲的中美海底光纜系統(tǒng)，也是目前世界重要的國(guó)際光纜之一，由世界23個(gè)電信機(jī)構(gòu)共同出資建造，全長(zhǎng)約30 000千米，共有9個(gè)登陸站，中國(guó)的登陸站分別為上海崇明和廣東汕頭。其他登陸方還有日本、韓國(guó)、美國(guó)和中國(guó)臺(tái)灣。該工程于1997年12月開(kāi)工建設(shè)，其中北線(xiàn)于l999年12月初全部建成，并于2000年1月19日正式投入使用，是亞洲各國(guó)連通美國(guó)的主要電信線(xiàn)路。

亞歐海底光纜

亞歐海底光纜指SEA-MEWE3（東南亞－中東－西歐，簡(jiǎn)稱(chēng)SMW3）系統(tǒng)，西起德國(guó)Norden，經(jīng)英吉利海峽登陸英國(guó)和法國(guó)，經(jīng)地中海連接西班牙、意大利等國(guó)，通過(guò)紅海進(jìn)入印度洋到達(dá)新加坡后分為兩路，南線(xiàn)連接澳大利亞，北線(xiàn)連接中國(guó)，最后通達(dá)日本、韓國(guó)。全長(zhǎng)約4萬(wàn)千米，連接33個(gè)國(guó)家和地區(qū)，共計(jì)39個(gè)登陸站，于1999年12月開(kāi)通，總投資15億美元，其中中國(guó)電信投資3900萬(wàn)美元。它是目前世界上耗資最大、長(zhǎng)度最長(zhǎng)，途經(jīng)的國(guó)家和地區(qū)最多的海纜系統(tǒng)。全球共有90多家國(guó)際知名電信運(yùn)營(yíng)商使用該系統(tǒng)。在我國(guó)內(nèi)地只有汕頭和上海兩個(gè)登陸點(diǎn)。2002年9月，隨著全球經(jīng)濟(jì)的復(fù)蘇和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)爆炸式增長(zhǎng)，沿著主干線(xiàn)對(duì)兩個(gè)波長(zhǎng)進(jìn)行升級(jí)擴(kuò)容，從原來(lái)的2.5 G/s升級(jí)為10 G/s。它提供了我國(guó)至歐洲、中東、東南亞和澳洲的直達(dá)電路。

亞太2號(hào)海底光纜

亞太2號(hào)（APCN2）國(guó)際海底光纜，全長(zhǎng)1.9萬(wàn)千米，連接中國(guó)、日本、韓國(guó)、新加坡、馬來(lái)西亞等國(guó)家和地區(qū)。系統(tǒng)分別在中國(guó)的上海崇明、廣東汕頭、臺(tái)灣、香港以及日本、韓國(guó)、新加坡、馬來(lái)西亞和菲律賓登陸。

跨太平洋直達(dá)光纜系統(tǒng)

2006年12月，由中國(guó)網(wǎng)通、中國(guó)電信、中國(guó)聯(lián)通、臺(tái)灣中華電信、韓國(guó)電信和美國(guó)Verizon等中美韓六大網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商在北京簽署協(xié)議，共同出資5億美元修建世界首條海底高速直達(dá)光纖電纜——跨太平洋直達(dá)光纜系統(tǒng)（Trans-Pacific Express簡(jiǎn)稱(chēng)TPE）。這條長(zhǎng)度超過(guò)2.6萬(wàn)千米的中美之間第二條海底光纜，帶寬容量將達(dá)5.12 T（5242 G），可同時(shí)處理相當(dāng)于6200萬(wàn)個(gè)通話(huà)的數(shù)據(jù)量，是現(xiàn)有中美海底光纜的60多倍。

該海纜不再繞道日本，從中國(guó)山東青島、上海崇明、臺(tái)灣淡水，韓國(guó)巨濟(jì)和美國(guó)俄勒岡州Nedonna登陸。中國(guó)電信建設(shè)的南段由上海崇明直達(dá)

美國(guó)俄勒岡，中國(guó)網(wǎng)通建設(shè)的北段由青島至美國(guó)俄勒岡，2007年10月22日開(kāi)工建設(shè)。該光纜可以容納1920萬(wàn)人同時(shí)通話(huà)，或者相當(dāng)于同時(shí)傳遞16萬(wàn)路高清電視信號(hào)。

福萊號(hào)海底光纜布設(shè)船

海底光纜挖掘機(jī)

最大深海遙控機(jī)器人

海底衍生物覆蓋了光纜

海底光纜施工方法

海底光纜的鋪設(shè)和維修都異常困難，被世界各國(guó)公認(rèn)為復(fù)雜困難的大型工程。在淺海，如水深小于200米的海域纜線(xiàn)采用埋設(shè)，而在深海則采用敷設(shè)。水力噴射式埋設(shè)是主要的埋設(shè)方法。埋設(shè)設(shè)備的底部有幾排噴水孔，平行分布于兩側(cè)，作業(yè)時(shí)，每個(gè)孔同時(shí)向海底噴射出高壓水柱，將海底泥沙沖開(kāi)，形成海纜溝；設(shè)備上部有一導(dǎo)纜孔，用來(lái)引導(dǎo)電纜（光纜）到海纜溝底部，由潮流將沖溝自動(dòng)填平。埋設(shè)設(shè)備由施工船拖曳前進(jìn)，并通過(guò)工作電纜作出各種指令。敷纜機(jī)一般沒(méi)有水下埋設(shè)設(shè)備，靠海纜自重敷設(shè)在海底表面。

怎樣修復(fù)海底光纜

海底光纜修復(fù)異常復(fù)雜，一旦光纜出現(xiàn)問(wèn)題，單是茫茫大海中，準(zhǔn)確找到海底光纜，再?gòu)?000米至4000米深的海床上打撈起直徑不到10厘米的海底光纜，不亞于大海撈針。排除維修船行駛的時(shí)間和海浪、天氣等因素影響，修復(fù)步驟都需要經(jīng)歷查找斷點(diǎn)、打撈光纜、修補(bǔ)光纖、重新包裹、重新放置這幾步。

第一步查找斷點(diǎn)，常用方法是在從海底光纜岸端的終站或始站將光纜取下，用機(jī)器向光纖中輸入光脈沖，光脈沖遇到光纖斷裂面會(huì)產(chǎn)生特殊反射光，再根據(jù)時(shí)間、折射率等計(jì)算，就可確定斷點(diǎn)的具體位置；然后進(jìn)行第二步打撈，如果光纜在水下不足2000米的深處，可以派出遙控機(jī)器人潛下水，通過(guò)掃描檢測(cè)，找到破損海底光纜的精確位置。機(jī)器人將淺埋在泥中的海底光纜挖出，用電纜剪刀將其切斷。船上放下繩子，由機(jī)器人系在海底光纜一頭，然后將其拉出海面。同時(shí)，機(jī)器人在切斷處安置無(wú)線(xiàn)發(fā)射應(yīng)答器。

如果光纜位于水深約3000米至6000米海域，只能使用一種抓鉤，抓鉤收放一次就需要12個(gè)小時(shí)以上。海底光纜本來(lái)是平鋪的，三四千米深的光纜從海底拉起來(lái)，牽扯范圍能達(dá)到方圓幾千米，所以一定要慢、要穩(wěn)。海纜還可能互相交錯(cuò)，打撈時(shí)要注意不破壞其他光纜系統(tǒng)，所以任務(wù)很艱巨。

第三步用相同辦法將另一段光纜也拉出海面。和檢修電話(huà)線(xiàn)路一樣，船上的儀器分別接上光纜兩端，通過(guò)兩個(gè)方向的海底光纜登陸站，檢測(cè)出光纜受阻斷的部位究竟在哪一端。之后，收回較長(zhǎng)一部分有阻斷部位的海底光纜，剪下。另一段裝上浮標(biāo)，暫時(shí)任其漂在海上。

第四步是最復(fù)雜的修復(fù)光纜，毀損的光纜撈到船上后需要替換掉。光纖是一種可以傳送光線(xiàn)而外形微細(xì)的玻璃纖維，由石英制成，每根直徑僅125微米，大約只有一根頭發(fā)絲粗細(xì)，要將兩頭完全平整對(duì)接，而且要一根一根地用光纖熔接機(jī)熔接。

第五步海底光纜修復(fù)好后，經(jīng)反復(fù)測(cè)試，通訊正常，就拋入海水。這時(shí)，水下機(jī)器人又要上陣了：對(duì)修復(fù)的海底光纜進(jìn)行“沖埋”，即用高壓水槍將海底的淤泥沖出一條溝，將修復(fù)的海底光纜“安放”進(jìn)去。