海底光缆大揭秘要点.pdf

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1、海底光缆大揭秘 图 1 揭秘海底光缆变迁史 海底光缆是目前世界上最重要的通信手段之一。1986 年，美国 ATT 公司在西班牙加那利群岛和相邻 的特内里弗岛之间，铺设了世界第一条商用海底光缆，全长120 公里。 1988 年，美国与英国、法国之间铺 设了世界第一条跨大西洋海底光缆（TAT-8 ）系统，全长6700 公里，含有 3 对光纤，每对的传输速率为2 80Mb/s ，中继站距离为67 公里。这标志着海底光缆时代的到来。 1989 年，跨越太平洋全长13200 公里的 (TPC 3)海底光缆也建设成功，从此，海底光缆就在跨洋洲 际海缆领域取代了同轴电缆。铺设1000 公里的同轴电缆大约需要

2、500 吨铜，改用光缆只需几吨石英玻璃 材料就可以了。与昂贵的铜材相比，沙石中就含有石英，几乎取之不尽。此外一根头发般细小的光纤，其 传输的信息量相当于一捆饭桌般粗细的铜线。一对金属电话线至多只能同时传送一千多路电话，而一对细 如蛛丝的光导纤维理论上可以同时接通一百亿路电话！ 据不完全统计， 从 1987 年到 2001 年，全世界大大小小总共建设了170 多个海底光缆系统，总长近亿 公里，大约有130 余个国家通过海底光缆联网。目前，全世界超过80% 的通信流量都由海底光缆承担，最 先进的光缆每秒钟可以传输7T （1T 等于 1024G ）数据，几乎相当于普通1M 家用网络带宽的730 万倍

3、。 通过太平洋的海底光缆已经有五条，每天有数亿网民使用这些线路。 海缆通信技术的变迁 海底线缆通信已有一百多年历史，1850 年盎格鲁 -法国电报公司开始在英法之间铺设了世界第一条海 底电缆，只能发送莫尔斯电报密码。1852 年海底电报公司第一次用缆线将伦敦和巴黎联系起来。1866 年 英国在美英两国之间铺设跨大西洋海底电缆(The Atlantic Cable) 取得成功， 实现了欧美大陆之间跨大西洋 的电报通讯。 1876 年，贝尔发明电话后，海底电缆具备了新的功能，各国大规模铺设海底电缆的步伐加快 了。 1902 年环球海底通信电缆建成。 中国第一条海底电缆是清朝时期台湾首任巡抚刘铭传，

4、在1886 年铺设通联台湾全岛以及大陆的水路 电线，主要作为发送电报用途。到1888 年共完成架设两条水线，一条是福州川石岛与台湾沪尾（淡水） 之间的 177 海里水线，主要是提供台湾府向清廷通报台湾的天灾、治安、财经，并提供商务通讯使用；另 外一条为台南安平通往澎湖的53 海里水线。 福建外海川石岛的大陆登陆点依旧存在，但是台湾淡水的具体 登陆点已经不可考。 同陆地电缆相比，海底电缆有很多优越性：一是铺设不需要挖坑道或用支架支撑，因而投资少，建设 速度快；二是除了登陆地段以外，电缆大多在一定深度的海底，不受风浪等自然环境的破坏和人类生产活 动的干扰，所以，电缆安全稳定，抗干扰能力强，保密性能

5、好。 图 2 英国物理学家丁达尔和光反射试验示意图 光纤通信改变世界 光导纤维的出现使海缆通信取得跨越式发展。光，也许是最平常却最不平常的东西。它时刻在人身旁， 却又一直无法捕捉称量。1870 年的一天，英国物理学家丁达尔（John Tyndall) 在皇家学会演讲厅讲述光 的全反射原理时，做了一个简单的实验：他在装满水的桶壁上钻个孔，然后用灯从桶上边把水照亮，结果 人们看到光线顺着流出的水柱而弯曲。1955 年，英国伦敦帝国学院的卡帕（Narinder Kapany ）博士根据 光的折射原理，发明了用玻璃制成了极细的光导纤维。其后不断有科学家尝试利用玻璃纤维来传递信息， 但由于光线在长距离传

6、输过程中衰减损耗耗率过高而难以实现。 直到上世纪 60 年代，英国华裔科学家高锟博士和研究小组，在详细研究了玻璃介质的传输损耗后，于 1966 年 7 月，在 PIEE 杂志上发表了题为用于光频的介质纤维表面波导的论文，提出制造光纤的玻璃 纯度是降低光能损耗的关键，而熔炼石英正是可以制造高纯度玻璃的材质。他预言通过加强原材料提纯， 加入适当的掺杂剂， 只要把光纤的衰耗系数降低到每公里20 分贝以下就可用于通信。而当时世界上用于工 业和医学方面的光纤材料，衰耗系数高达每公里1000 分贝！高锟的设想被认为是可望不可及的。为此， 他不得不担当起一个“ 布道者 ” 的角色，四处拜访玻璃工厂，宣扬他的

7、理论。 四年后的 1970 年，美国康宁玻璃（Corning Glass ）根据高锟的设想，花费3000 万美元用改进型化 学气相沉积法（ MCVD 法）制造出当时世界上第一根超低耗光纤，得到30 米光纤样品，首次迈过了“20分 贝/公里 ” 门槛。 这一突破， 引起世界通信界的震动，发达国家开始投入巨大力量研究光纤通信。之后技术不 断进步， 1972 年光纤衰耗降到4 分贝 /公里， 1974 年降到 1.1 分贝 /公里， 1979 年日本电报电话公司研制 出 0.2 分贝 /公里的极低损耗石英光纤（1.5 微米）， 1990 年康宁研制的光纤衰耗降到0.14 分贝 /公里，这 已经接近石

8、英光纤的理论衰耗极限值0.1 分贝 /公里。 光纤按材质分为无机光纤和高分子光纤，无机光纤材料又分为单组分和多组分两类。单组分即石英， 主要原料为四氯化硅、三氯氧磷和三溴化硼等。其纯度要求铜、铁、钴、镍、锰、铬、钒等过渡金属离子 杂质含量低于10ppb ，除此之外 ,OH-离子要求低于10ppb 。多组分的原料较多，主要有二氧化硅、三氧化 二硼、硝酸钠、氧化铊等，这种材料尚未普及。高分子光纤是以透明聚合物制得的光导纤维，芯材为高纯 度高透光性的聚甲基丙烯酸甲酯或聚苯乙烯抽丝制得的纤维，外层为含氟聚合物或有机硅聚合物等。 另外从光源器件看：1970 年，美国贝尔实验室研制出世界上第一只在室温下连

9、续波工作的砷化镓铝半 导体激光器，为光纤通信找到了合适的光源器件。后来逐渐发展到性能更好、寿命达几万小时的异质结条 形激光器和现在的分布反馈式单纵模激光器（DFB ）以及多量子阱激光器（MQW ）。光接收器件也从简单 的硅 PIN 光二极管发展到量子效率达90% 的 -V 族雪崩光二极管APD 。 正是光纤制造技术和光电器件制造技术的飞速发展，以及大规模、超大规模集成电路技术和微处理机 技术的发展，带动了光纤通信系统从小容量到大容量、从短距离到长距离、从低水平到高水平、从旧体制 （PDH）到新体制（ SDH ）的迅猛发展。1976 年，美国贝尔实验室在亚特兰大到华盛顿间建立了世界第 一条实用化

10、的光纤通信线路，速率为45Mb/s ，采用的是多模光纤，光源用的是发光管LED ，波长是 0.85 微米，中继距离为10 公里。 1980 年，多模光纤通信系统商用化（140Mb/s ），并着手单模光纤通信系统 的现场试验工作。1990 年单模光纤通信系统进入商用化阶段（565Mb/s ），并陆续制定数字同步体系（S DH）的技术标准。 1995 年 2.5Gb/s 的 SDH 产品进入商用化阶段。1996 年 10Gb/s 的 SDH 产品进入商用 化阶段。 1997 年采用零色散移位光纤和波分复用技术（WDM ）的 20Gb/s 和 40Gb/s SDH 产品试验取得 重大突破。此外，在光

11、弧子通信、超长波长通信和相干光通信方面也正在取得巨大进展。 从 1970 年到现在虽然只有短短不到四十年的时间，但光纤通信技术却取得了极其惊人的进展。百年 前人们梦寐以求的幻想在今天已成为活生生的现实。然而就目前的光纤通信而言，其实际应用仅是其潜在 能力的 2% 左右，尚有巨大的潜力等待人们去开发利用。因此，光纤通信技术并未停滞不前，而是向更高 水平、更高阶段方向发展。 进入 90 年代， 海底光缆已经和卫星通信成为当代洲际通信的主要手段。目前，世界各国的网络可以看 成是一个大型局域网，海底和陆上光缆将世界各国的网络连接成为国际互联网，光缆是互联网的“ 中枢神 经” ，而美国几乎是互联网的“

12、大脑 ” 。美国作为Internet 的发源地，存放着很多的Web 和 IM(如 MSN) 等服 务器，全球解析域名的13 台根服务器就有9 台在美国，各国用户登录.com 、.net 网站或发电子邮件，数 据几乎都要到美国的根服务器上绕一圈才能到达目的地。连接“ 中枢神经 ” 和“ 大脑 ” 的是海底光缆系统，它分 为岸上设备和水下设备两大部分。岸上设备将语音、图象、数据等通信业务打包传输。水下设备分为海底 光缆、中继器和 “ 分支单元 ” 三部分，负责通信信号的处理、发送和接收。海底光缆是其中最重要的也是最 脆弱的部分。 图 3 上世纪 70 年代，赵梓森 (左二 )与同事在自制的光纤熔炼

13、车床前。 中国光纤通信发展史 我国光通信起步较早，1969 年，邮电部想靠大气传送光信号来实行军用通信，邮电部武汉邮电科学研 究院（当时是武汉邮电学院）接受任务，便开始光纤通信研究。当时光纤通信技术在欧美发达国家也才刚 刚起步。我国处于封闭状态，一切都要靠自己摸索。由于武汉邮电科学研究院采用了石英光纤、半导体激 光器和编码制式通信机的正确技术路线，使我国在发展光纤通信技术上少走了不少弯路。 就研制光纤来说，原料提纯、熔炼车床、拉丝机，还包括光纤的测试仪表和接续工具也全都要自己开 发。 1976 年上半年，武汉邮电学院讲师赵梓森和同事们拉制出了我国第一根200 米光纤样品。 1979 年， 他和

14、同事们拉制出了我国第一条实用光纤，每公里衰耗为4 分贝。 1979 年 9 月，一条 3.3 公里的 120 路 光缆通信系统在北京建成。1982 年 1 月 1 日，邮电部 “ 八二工程 ” 在武汉开通了我国第一条8M/s 实用化市 话光纤工程。从此中国的光纤通信进入实用阶段。到80 年代中期，我国光纤通信的速率已达到144Mb/s ， 可传送 1980 路电话，超过同轴电缆载波。于是光纤通信在传输干线上全面取代同轴电缆。 2000 年，我国光缆干线总长度达到120 万公里，其中中国电信约占70% 份额，其余约30% 份额由中 国联通、网通等公司拥有，共建成一级干线23 条，在全国形成 “

15、八横八纵 “ 的光缆骨干网实体结构，大多数 干线直接采用2.5 Gbit/s 系统，覆盖全国省会以上的城市和70% 的地市，全国通信网的传输光纤化比例已 高达 80%以上，沿海地区很多省光纤已到乡，大城市光纤已经通达入户。 自 1989 年开始到 1998 年底，我国先后参与了18 条国际海底光缆的建设与投资。其中第一个在中国 登陆的国际海底光缆系统是1993 年 12 月建成的中国 日本 (C-J) 海底光缆系统， 从上海南汇至日本九州 宫崎，全长 1252 公里，通信总容量达7560 条通话电路，相当于建于1976 年的中日海底同轴电缆的15 倍以上。 1996 年 2 月中韩海底光缆建成

16、开通，分别在中国青岛和韩国泰安登陆、全长549 公里； 1997 年 11 月，中国参与建设的球海底光缆系统(FLAG) 建成并投入运营，这是第一条在我国登陆的洲际光缆系统，分 别在英国、埃及、印度、泰国、日本等12 个国家和地区登陆，全长27000 多公里，其中中国段为622 公 里。 中美海底光缆 中美海底光缆系统（CH-US ）是连接亚洲和北美洲的中美海底光缆系统，也是目前世界重要的国际光 缆之一，由世界23 个电信机构共同出资建造，全长约30000 公里，共有9 个登陆站，中国的登陆站分别 为上海崇明和广东汕头。其他登陆方还有日本、韩国、美国和中国台湾。 该工程于 1997 年 12

17、月开工建设， 其中北线于 l999 年 12 月初全部建成， 并于 2000 年 1 月 19 日正式投入使用，是亚洲各国连通美国的主要 电信线路。 中美海底光缆共有4 对光纤组成，形成具有自逾功能的环型网络结构，并以分支方式连接亚洲其他地 区，系统容量为8x2.5Gb/s ，最长再生距离11000 公里。线路终端设备采用RS(255,239) 前向纠错技术 （线 路速率 10.7Gb/s, 系统 Q 值改善 5dB ），自动预均衡技术、极化扰膜技术、色散管理技术、线路增益均衡 技术。 图 4 SEA-ME-WE 3（亚欧）海底光缆 亚欧海底光缆 亚欧海底光缆指SEA-ME-WE3 （东南亚中

18、东西欧，简称SMW3 ）系统，西起德国Norden ，经英 吉利海峡登陆英国和法国，经地中海连接西班牙、意大利等国，通过红海进入印度洋到达新加坡后分为两 路，南线连接澳大利亚，北线连接中国，最后通达日本、韩国。全长约4 万公里，连接33 个国家和地区， 共计 39 个登陆站，于1999 年 12 月开通，总投资15 亿美元，其中中国电信投资3900 万美元。它是目前 世界上耗资最大、 长度最长， 途经的国家和地区最多的海缆系统。全球共有 90 多家国际知名电信运营商使 用该系统。在我国内地只有汕头和上海两个登陆点。 亚欧国际海缆系统采用光分插复用（OADM ）、掺铒光纤放大器（EDFA ）、色

19、散补偿、增益均衡等 一系列关键技术，实现8 2.5Gb/s （开通时）的DWDM 系统传输。全程主干线分成10 个数据段（ S1S 10），连接 11 个干线登陆点，其它登陆点通过海底分支器BU（OADM 器件）连接到主干线上。DWDM 波长为 1553.3-1560.3nm，信道间隔为1nm ，海底放大器间距约80 公里。 2002 年 9 月，随着全球经济的 复苏和数据业务爆炸式增长，沿着主干线对两个波长进行升级扩容，从原来的2.5G/s 升级为 10G/s 。它提 供了我国至欧洲、中东、东南亚和澳洲的直达电路。 图 5 AJC/APCN2/CHINA-US CN/JAPAN-US CN

20、亚太 2 号海底光缆 亚太 2 号（ APCN2 ）国际海底光缆，全长1.9 万公里，连接中国、日本、韩国、新加坡、马来西亚等 国家和地区。初期投资为14 亿美元，由中国电信、日本KDDI 、NTT 、日本电信、韩国电信、香港电讯、 中华电信、新加坡电信、马来西亚电信、澳大利亚电信、中国联通等26 家亚洲、欧洲和美洲的国际通信公 司发起投资建设。采用环形结构方案，4 对光纤，每对光纤的传输速率为每秒80G，这一系统还采用64 波密集波分复用技术，初期开通容量为每秒80G ，终期可扩容至每秒2560G 。 1999 年 6 月 16 日，中国电信与亚太地区的主要电信公司一起，在中国昆明签署了建设

21、亚太2 号光 缆网络谅解备忘录，并于2000 年 4 月 18 日至 19 日在新加坡分别签署了工程建设和维护协议和总 承包合同， 2000 年 8 月开始海上施工。2001 年底陆续开通电路，并继续进行扩容。系统分别在中国的上 海崇明、广东汕头、台湾、香港以及日本、韩国、新加坡、马来西亚和菲律宾登陆。 图 6 中美跨太平洋直达光缆系统（TPE ）登陆青岛奠基仪式 跨太平洋直达光缆系统 2006 年 12 月，由中国网通、中国电信、中国联通、台湾中华电信、韩国电信和美国Verizon 等中美 韩六大网络运营商在北京签署协议，共同出资5 亿美元修建世界首条海底高速直达光纤电缆 跨太平洋 直达光缆

22、系统 （Trans-Pacific Express 简称 TPE ）。这条长度超过2.6 万公里的中美之间第二条海底光缆， 带宽容量将达5.12T(5242G ），将可同时处理相当于6200 万个通话的数据量，是现有中美海底光缆的60 多倍。 该海缆不再绕道日本，将从中国山东青岛、上海崇明、台湾淡水，韩国巨济和美国俄勒冈州Nedonna 登陆，网络总线路长度约26000 公里 (两期合计 )。中国电信建设的南段由上海崇明直达美国俄勒冈，中国 网通建设的北段由青岛至美国俄勒冈，2007 年 10 月 22 日开工建设。 该光缆可以容纳1920 万人同时通话， 或者相当于同时传递16 万路高清电视

23、信号。 网络采用多环结构，四芯对光缆， 64 波 10Gb/s 波分复用技术， 设计总容量为5.12Tb/s( 折合带保护容 量 2.56Tb/s) ，工程分二期进行，初期计划开通跨太平洋容量800Gb/s ，亚洲本地容量400Gb/s 。 TPE 是 首个直通中美的新一代海底光缆系统，也是 7 年多来首个登陆美国西海岸的主要海底系统。2008 年 7 月建 成的 TPE 海缆显著提高跨太平洋传输带宽，为2008 年奥运会提供高清电视信号传送等广泛的带宽服务。 图 7 海底光缆 海底光缆结构 海底光缆系统由置于海底的光中继器和光缆构成。光纤要耐相当于几百至一千大气压的水压，耐磨耐 腐蚀，耐受数

24、千至1 万伏的高电压，铺设时还要承受数吨的张力，有铠装层防止渔轮拖网、船锚及鲨鱼的 伤害，光缆断裂时，尽可能减少海水渗入光缆内的长度，能防止从外部渗透到光缆内的氢气与防止内部产 生的氢气，使用寿命要求在25 年以上。海底中继器为光放大中继链路，由放大光信号的掺铒光纤(EDF) 及 相应的泵浦激光源构成，链路结构极其简单。除此之外，在陆地站点还设置了高压供电的电源装置和接受 光信号的末端装置等。 图 8 典型海底光缆的结构包括：1 绝缘聚乙烯层、 2 聚酯树酯或沥青层、 3 钢绞线层、 4 铝制防水层、 5 聚碳酸酯层、 6 铜管或铝管、 7 石蜡，烷烃层、8 光纤束。 图 9 福莱号海底光缆布

25、设船，1982 年在美国建造， 1987 年完工，排水量5662 吨，长 103.1 米的大 东西，它和中国的关系也很密切，1995 年铺设中国到韩国海底光缆，同年也参与越南到香港海底光缆铺设 任务， 1998 年中国购买后长驻上海，为海底光缆提供维护工作。 海底光缆施工方法 海底光缆的铺设和维修都异常困难，被世界各国公认为复杂困难的大型工程。在浅海，如水深小于20 0 米的海域缆线采用埋设，而在深海则采用敷设。水力喷射式埋设是主要的埋设方法。埋设设备的底部有 几排喷水孔，平行分布于两侧，作业时，每个孔同时向海底喷射出高压水柱，将海底泥沙冲开，形成海缆 沟；设备上部有一导缆孔，用来引导电缆（光

26、缆）到海缆沟底部，由潮流将冲沟自动填平。埋设设备由施 工船拖曳前进，并通过工作电缆作出各种指令。敷缆机一般没有水下埋设设备，靠海缆自重敷设在海底表 面。 图 10 遥控潜水器进行海底电缆铺设 怎样修复海底光缆 海底光缆修复异常复杂，一旦光缆出现问题，单是茫茫大海中，准确找到海底光缆，再从3000 米至 4 000 米深的海床上打捞起直径不到10 厘米的海底光缆，不亚于大海捞针。排除维修船行驶的时间和海浪、 天气等因素影响，修复步骤都需要经历查找断点、打捞光缆、修补光纤、重新包裹、重新放置这几步。 第一步查找断点，常用方法是在从海底光缆岸端的终站或始站将光缆取下，用机器向光纤中输入光脉 冲，光脉

27、冲遇到光纤断裂面会产生特殊反射光，再根据时间、折射率等计算，就可确定断点的具体位置； 然后进行第二步打捞，如果光缆在水下不足2000 米的深处，可以派出遥控机器人潜下水，通过扫描检测， 找到破损海底光缆的精确位置。机器人将浅埋在泥中的海底光缆挖出，用电缆剪刀将其切断。船上放下绳 子，由机器人系在海底光缆一头，然后将其拉出海面。同时，机器人在切断处安置无线发射应答器。 如果光缆位于水深约3000 米至 6000 米海域，只能使用一种抓钩，抓钩收放一次就需要12 个小时以 上。海底光缆本来是平铺的，三四千米深的光缆从海底拉起来，牵扯范围能达到方圆几千米，所以一定要 慢、要稳。海缆还可能互相交错，打

28、捞时要注意不破坏其他光缆系统，所以任务很艰巨。 第三步用相同办法将另一段光缆也拉出海面。和检修电话线路一样，船上的仪器分别接上光缆两端， 通过两个方向的海底光缆登陆站，检测出光缆受阻断的部位究竟在哪一端。之后，收回较长一部分有阻断 部位的海底光缆，剪下。另一段装上浮标，暂时任其漂在海上。 第四步是最复杂的修复光缆，毁损的光缆捞到船上后需要替换掉。光纤是一种可以传送光线而外形微 细的玻璃纤维，由石英制成，每根直径仅125 微米，大约只有一根头发丝粗细，要将两头完全平整对接， 而且要一根一根地用光纤熔接机熔接。 第五步海底光缆修复好后，经反复测试，通讯正常，就抛入海水。这时，水下机器人又要上阵了：

29、对 修复的海底光缆进行“冲埋“，即用高压水枪将海底的淤泥冲出一条沟，将修复的海底光缆“安放 “进去。 图 11 2007 年全球海底光缆分布图 图 12 中国国际海底光缆网络图解 图 13 光缆铺设船进行海上施工 图 14 为防止人为破坏，海底光缆的具体位置需要保密 图 15 海底光缆沟挖掘机 图 16 深海遥控机器人 图 17 2008 年 3 月，全球最大的深海遥控机器人SMD Ultra Trencher 1 (UT1) 投入使用，它重50 吨， 三围 25.5 x 25.5 x 18.3 英尺，功率2 兆瓦特，可以在1500 米深的坚硬海床上打出1 米宽 2.5 米深的壕 沟，并铺设电缆。 图 18 集成到海底光缆上的地震检波器 图 19 海底通信电缆对接 图 20 海底遥控作业机器人 图 21 海底线缆经常会结上厚厚的海底衍生物