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，您就會用到光纖。這些頭發絲般粗細的石英玻璃光導纖維影響著幾十億人的生活。

2006年12月26日，我國臺灣省南部海域發生7.2級海底地震，造成該海域13條國際海底光纜受損，致使我國至歐洲大部分地區和南亞部分地區的語音通信接通率明顯下降；至歐洲、南亞地區的數據專線大量中斷；互聯網大面積擁塞、癱瘓，雅虎、MSN等國際網站無法訪問，1500萬MSN用戶長期無法登陸，1億多中國網民一個多月無法正常上網，日本、韓國、新加坡等地網民也受到影響。5艘海纜維修船經過一個月的努力，才將斷裂的海纜修復?？梢哉f，現代生活已經無法離開海底光纜。

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

1989年，跨越太平洋全長13 200千米的（TPC－3）海底光纜也建設成功，從此，海底光纜就在跨洋洲際海纜領域取代了同軸電纜。鋪設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。此外一根頭發般細小的光纖，其傳輸的信息量相當于一捆飯桌般粗細的銅線。一對金屬電話線至多只能同時傳送一千多路電話，而一對細如蛛絲的光導纖維理論上可以同時接通一百億路電話！

據不完全統計，從1986年到2001年，全世界大大小小總共建設了170多個海底光纜系統，總長近億千米，大約有130余個國家通過海底光纜聯網。目前，全世界超過80%的通信流量都由海底光纜承擔，最先進的光纜每秒鐘可以傳輸7T（1T等于1024 G）數據，幾乎相當于普通1M家用網絡帶寬的730萬倍。通過太平洋的海底光纜已經有5條，每天有數億網民使用這些線路。

第一條跨大西洋電話電纜（TAT-1）建設工程

橫跨太平洋電纜（TPC-1）在日本海岸線

海底光纜通信技術的變遷

海底線纜通信已有一百多年歷史，1850年盎格魯-法國電報公司開始在英法之間鋪設了世界第一條海底電纜，只能發送莫爾斯電報密碼。1852年海底電報公司第一次用纜線將倫敦和巴黎聯系起來。1866年英國在美英兩國之間鋪設跨大西洋海底電纜（The Atlantic Cable）取得成功，實現了歐美大陸之間跨大西洋的電報通訊。1876年，貝爾發明電話后，海底電纜具備了新的功能，各國大規模鋪設海底電纜的步伐加快了。1902年環球海底通信電纜建成。

中國第一條海底電纜是清朝時期臺灣首任巡撫劉銘傳，在1886年鋪設通聯臺灣全島以及大陸的水路電線，主要作為發送電報用途。到1888年共完成架設兩條水線，一條是福州川石島與臺灣滬尾（淡水）之間的177海里水線，主要是提供臺灣府向清廷通報臺灣的天災、治安、財經，并提供商務通訊使用；另外一條為臺南安平通往澎湖的53海里水線。如今，福建外海川石島的大陸登陸點依舊存在，但是臺灣淡水的具體登陸點已經不可考。

同陸地電纜相比，海底電纜有很多優越性：一是鋪設不需要挖坑道或用支架支撐，因而投資少，建設速度快；二是除了登陸地段以外，電纜大多在一定深度的海底，不受風浪等自然環境的破壞和人類生產活動的干擾，所以，電纜安全穩定，抗干擾能力強，保密性能好。

光纖

光纖通信改變世界

光導纖維的出現使海纜通信取得跨越式發展。光，也許是最平常卻最不平常的東西。它時刻在人身旁，卻又一直無法捕捉稱量。1870年的一天，英國物理學家丁達爾（John Tyndall）在皇家學會演講廳講述光的全反射原理時，做了一個簡單的實驗：他在裝滿水的桶壁上鉆個孔，然后用燈從桶上邊把水照亮，結果人們看到光線順著流出的水柱而彎曲。1955年，英國倫敦帝國學院的卡帕（Narinder Kapany）博士根據光的折射原理，發明了用玻璃制成了極細的光導纖維。其后不斷有科學家嘗試利用玻璃纖維來傳遞信息，但由于光線在長距離傳輸過程中衰減損耗率過高而難以實現。

英國物理學家丁達爾和光反射試驗示意圖

直到上世紀60年代，英國華裔科學家高錕博士和研究小組，在詳細研究了玻璃介質的傳輸損耗后，于1966年7月，在PIEE雜志上發表了題為《用于光頻的介質纖維表面波導》的論文，提出制造光纖的玻璃純度是降低光能損耗的關鍵，而熔煉石英正是可以制造高純度玻璃的材質。他預言通過加強原材料提純，加入適當的摻雜劑，只要把光纖的衰耗系

數降低到每千米20分貝以下就可用于通信。而當時世界上用于工業和醫學方面的光纖材料，衰耗系數高達每千米1000分貝！高錕的設想被認為是可望不可及的。為此，他不得不擔當起一個“布道者”的角色，四處拜訪玻璃工廠，宣揚他的理論。

4年后的1970年，美國康寧玻璃（Corning Glass）根據高錕的設想，花費3000萬美元用改進型化學氣相沉積法（MCVD法）制造出當時世界上第一根超低耗光纖，得到30米光纖樣品，首次邁過了“20分貝/

千米”門檻。這一突破，引起世界通信界的震動，發達國家開始投入巨大力量研究光纖通信。之后技術不斷進步，1972年光纖衰耗降到4分貝/千米，1974年降到1.1分貝/千米，1979年日本電報電話公司研制出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。

正是光纖制造技術和光電器件制造技術的飛速發展，以及大規模、超大規模集成電路技術和微處理機技術的發展，帶動了光纖通信系統從小容量到大容量、從短距離到長距離、從低水平到高水平、從舊體制（PDH）到新體制（SDH）的迅猛發展。

從1970年到現在雖然只有短短四十年的時間，但光纖通信技術卻取得了極其驚人的進展。百年前人們夢寐以求的幻想在今天已成為活生生的現實。然而就目前的光纖通信而言，其實際應用僅是其潛在能力的2%左右，尚有巨大的潛力等待人們去開發利用。因此，光纖通信技術并未停滯不前，而是向更高水平、更高階段方向發展。

進入90年代，海底光纜已經和衛星通信成為當代洲際通信的主要手段。目前，世界各國的網絡可以看成是一個大型局域網，海底和陸上光纜將世界各國的網絡連接成為國際互聯網，光纜是互聯網的“中樞神經”，而美國幾乎是互聯網的“大腦”。美國作為Internet的發源地，存放著很多的Web和IM（如MSN）等服務器，全球解析域名的13臺根服務器就有9臺在美國，各國用戶登錄“.com”、“.net”網站或發電子郵件，數據幾乎都要到美國的根服務器上繞一圈才能到達目的地。連接“中樞神經”和“大腦”的是海底光纜系統，它分為岸上設備和水下設備兩大部分。岸上設備將語音、圖像、數據等通信業務打包傳輸。水下設備分為海底光纜、中繼器和“分支單元”三部分，負責通信信號的處理、發送和接收。海底光纜是其中最重要的也是最脆弱的部分。

互聯網能在全球興起，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。

中國光纖通信發展史

我國光通信起步較早，1969年，郵電部想靠大氣傳送光信號來實行軍用通信，郵電部武漢郵電科學研究院（當時是武漢郵電學院）接受任務，便開始光纖通信研究。當時光纖通信技術在歐美發達國家也才剛剛起步。我國處于封閉狀態，一切都要靠自己摸索。由于武漢郵電科學研究院采用了石英光纖、半導體激光器和編碼制式通信機的正確技術路線，使我國在發展光纖通信技術上少走了不少彎路。

就研制光纖來說，原料提純、熔煉車床、拉絲機，還包括光纖的測試儀表和接續工具也全都要自己開發。1976年上半年，武漢郵電學院講師趙梓森和同事們拉制出了我國第一根200米光纖樣品。1979年，他和同事們拉制出了我國第一條實用光纖，每千米衰耗為4分貝。1979年9月，一條3.3千米的120路光纜通信系統在北京建成。1982年1月1日，郵電部“八二工程”在武漢開通了我國第一條8 Mb/s實用化市話光纖工程。從此中國的光纖通信進入實用階段。到80年代中期，我國光纖通信的速率已達到144 Mb/s，可傳送1980路電話，超過同軸電纜載波。于是光纖通信在傳輸干線上全面取代同軸電纜。

2000年，我國光纜干線總長度達到120萬千米，其中中國電信約占70%份額，其余約30%份額由中國聯通、網通等公司擁有，共建成一級干線23條，在全國形成“八橫八縱”的光纜骨干網實體結構，大多數干線直接采用2.5 Gbit/s系統，覆蓋全國省會以上的城市和70%的地市，全國通信網的傳輸光纖化比例已高達80%以上，沿海地區很多省光纖已到鄉，大城市光纖已經通達入戶。

自1989年開始到1998年底，我

國先后參與了18條國際海底光纜的建設與投資。其中第一個在中國登陸的國際海底光纜系統是1993年12月建成的中國——日本（C-J）海底光纜系統，從上海南匯至日本九州宮崎，全長1252千米，通信總容量達7560條通話電路，相當于建于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通，分別在中國青島和韓國泰安登陸、全長549千米；1997年11月，中國參與建設的第一條在我國登陸的洲際光纜系統投入運營，分別在英國、埃及、印度、泰國、日本等12個國家和地區登陸，全長27 000多千米，其中中國段為622千米。

現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（CH-US）是連接亞洲和北美洲的中美海底光纜系統，也是目前世界重要的國際光纜之一，由世界23個電信機構共同出資建造，全長約30 000千米，共有9個登陸站，中國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、美國和中國臺灣。該工程于1997年12月開工建設，其中北線于l999年12月初全部建成，并于2000年1月19日正式投入使用，是亞洲各國連通美國的主要電信線路。

亞歐海底光纜

亞歐海底光纜指SEA-MEWE3（東南亞－中東－西歐，簡稱SMW3）系統，西起德國Norden，經英吉利海峽登陸英國和法國，經地中海連接西班牙、意大利等國，通過紅海進入印度洋到達新加坡后分為兩路，南線連接澳大利亞，北線連接中國，最后通達日本、韓國。全長約4萬千米，連接33個國家和地區，共計39個登陸站，于1999年12月開通，總投資15億美元，其中中國電信投資3900萬美元。它是目前世界上耗資最大、長度最長，途經的國家和地區最多的海纜系統。全球共有90多家國際知名電信運營商使用該系統。在我國內地只有汕頭和上海兩個登陸點。2002年9月，隨著全球經濟的復蘇和數據業務爆炸式增長，沿著主干線對兩個波長進行升級擴容，從原來的2.5 G/s升級為10 G/s。它提供了我國至歐洲、中東、東南亞和澳洲的直達電路。

亞太2號海底光纜

亞太2號（APCN2）國際海底光纜，全長1.9萬千米，連接中國、日本、韓國、新加坡、馬來西亞等國家和地區。系統分別在中國的上海崇明、廣東汕頭、臺灣、香港以及日本、韓國、新加坡、馬來西亞和菲律賓登陸。

跨太平洋直達光纜系統

2006年12月，由中國網通、中國電信、中國聯通、臺灣中華電信、韓國電信和美國Verizon等中美韓六大網絡運營商在北京簽署協議，共同出資5億美元修建世界首條海底高速直達光纖電纜——跨太平洋直達光纜系統（Trans-Pacific Express簡稱TPE）。這條長度超過2.6萬千米的中美之間第二條海底光纜，帶寬容量將達5.12 T（5242 G），可同時處理相當于6200萬個通話的數據量，是現有中美海底光纜的60多倍。

該海纜不再繞道日本，從中國山東青島、上海崇明、臺灣淡水，韓國巨濟和美國俄勒岡州Nedonna登陸。中國電信建設的南段由上海崇明直達

美國俄勒岡，中國網通建設的北段由青島至美國俄勒岡，2007年10月22日開工建設。該光纜可以容納1920萬人同時通話，或者相當于同時傳遞16萬路高清電視信號。

福萊號海底光纜布設船

海底光纜挖掘機

最大深海遙控機器人

海底衍生物覆蓋了光纜

海底光纜施工方法

海底光纜的鋪設和維修都異常困難，被世界各國公認為復雜困難的大型工程。在淺海，如水深小于200米的海域纜線采用埋設，而在深海則采用敷設。水力噴射式埋設是主要的埋設方法。埋設設備的底部有幾排噴水孔，平行分布于兩側，作業時，每個孔同時向海底噴射出高壓水柱，將海底泥沙沖開，形成海纜溝；設備上部有一導纜孔，用來引導電纜（光纜）到海纜溝底部，由潮流將沖溝自動填平。埋設設備由施工船拖曳前進，并通過工作電纜作出各種指令。敷纜機一般沒有水下埋設設備，靠海纜自重敷設在海底表面。

怎樣修復海底光纜

海底光纜修復異常復雜，一旦光纜出現問題，單是茫茫大海中，準確找到海底光纜，再從3000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間和海浪、天氣等因素影響，修復步驟都需要經歷查找斷點、打撈光纜、修補光纖、重新包裹、重新放置這幾步。

第一步查找斷點，常用方法是在從海底光纜岸端的終站或始站將光纜取下，用機器向光纖中輸入光脈沖，光脈沖遇到光纖斷裂面會產生特殊反射光，再根據時間、折射率等計算，就可確定斷點的具體位置；然后進行第二步打撈，如果光纜在水下不足2000米的深處，可以派出遙控機器人潛下水，通過掃描檢測，找到破損海底光纜的精確位置。機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，由機器人系在海底光纜一頭，然后將其拉出海面。同時，機器人在切斷處安置無線發射應答器。

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個小時以上。海底光纜本來是平鋪的，三四千米深的光纜從海底拉起來，牽扯范圍能達到方圓幾千米，所以一定要慢、要穩。海纜還可能互相交錯，打撈時要注意不破壞其他光纜系統，所以任務很艱巨。

第三步用相同辦法將另一段光纜也拉出海面。和檢修電話線路一樣，船上的儀器分別接上光纜兩端，通過兩個方向的海底光纜登陸站，檢測出光纜受阻斷的部位究竟在哪一端。之后，收回較長一部分有阻斷部位的海底光纜，剪下。另一段裝上浮標，暫時任其漂在海上。

第四步是最復雜的修復光纜，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而外形微細的玻璃纖維，由石英制成，每根直徑僅125微米，大約只有一根頭發絲粗細，要將兩頭完全平整對接，而且要一根一根地用光纖熔接機熔接。

第五步海底光纜修復好后，經反復測試，通訊正常，就拋入海水。這時，水下機器人又要上陣了：對修復的海底光纜進行“沖埋”，即用高壓水槍將海底的淤泥沖出一條溝，將修復的海底光纜“安放”進去。