海底光缆大揭秘.docx

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海底光缆大揭秘

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280Mb/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。

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（TheAtlanticCable）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，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（JohnTyndall）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（NarinderKapany）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，宣扬他的理论。

　　四年后的1970年，美国康宁玻璃（CorningGlass）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Ⅲ-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（SDH）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/sSDH产品试验取得重大突破。

此外，在光弧子通信、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“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“八横八纵“的光缆骨干网实体结构，大多数干线直接采用2.5Gbit/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4SEA-ME-WE3（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