知识窗▏海底光缆及其未来的发展趋势
组稿/溪流
海底通讯电缆是用绝缘材料包裹的导线，铺设在海底用来实现国家之间的电信传输。首批海底通讯电缆提供电报通讯，后来开始引入电话通讯和互联网通讯，而现代的光缆还使用了光纤技术，因此被称为海底光缆。海底光缆的重要性不言而喻，网络和电话沟通世界都需要海底光缆，另外海底光缆还关系到国家机密，美国的核潜艇曾在苏联光缆上安装窃听器，但现在我们已经有了反窃听办法，就是量子通信技术。下面就来说说全球海底光缆发展及我国的发展情况。
一、海底光缆与互联网的演进史
全球互联网的发展史可追溯到上个世纪50年代，那时候，不同计算机用户和通信网络之间进行常规通信的需求开始萌发，这也促使了分散网络、排队论和数据包交换等研究相继出现；随后，ARPAnet(阿帕网)于60年代问世，并于1973年扩展成为互联网；之后一年，ARPA的罗伯特·卡恩和斯坦福的温登·泽夫提出了TCP/IP协议，终于定义了在电脑网络之间传送报文的方法。从此，互联网大发展的序幕由此拉开。
那么今天我们所享受到的互联网“宽带”沟通又是如何实现的呢？答案就是海底光缆。其实所谓的全球互联网，就是世界各国的网络相互联接而组成的超大型局域网，其中实现洲际间的联接靠的是卫星通信和海底光缆。不过考虑到卫星通信带宽有限且价格不菲，因此全球90%以上的国际数据都是通过海底光缆进行传输的，也就是说，基本上是海底光缆构建了今天的全球“宽带”互联网！
全球海底光缆网络图
1850年，盎格鲁-法国电报公司在英法之间铺设了世界第一条海底电缆，当时只能发送莫尔斯电报密码。到了1866年，英国在美英两国之间铺设全成了跨大西洋海底电缆(The Atlantic Cable)的成功铺设，首次实现了欧美大陆之间跨大西洋的电报通讯。贝尔于1876年发明了电话，人们对于实现全球沟通的梦想越发强烈，这也加速了全球海底电缆的建设，1902年环球海底通信电缆建成。
我国的第一条海底电缆，则可追溯到清朝时期，当时的台湾首任巡抚刘铭传为实现两岸的电报通信，于1886年开始铺设通联台湾全岛以及大陆的水路电线，并于1888年建成，其中一条是福州川石岛与台湾沪尾（淡水）之间的水路电线（全场177海里），另外一条为台南安平通往澎湖的水路电线（全长53海里）。
进入20世纪50年代，随着互联网开始崭露头角，人们对于海底通信的通话质量、以及数据传输速度有了更高的要求。而就在这时，世界上第一台激光器问世了（1960年），人们开始尝试借助激光实现在光导纤维中传输数据信息。随后进入20世纪70、80年代，互联网已经开始在全球的发达国家中兴起，而海底电缆的不足（带宽有线、传输稳定性差等等）也开始逐步凸显，因此，具备传输距离长、容量大等特性的光纤（即海底光缆）被寄予了厚望。
1988年，美英法之间的首个越洋海底光缆（TAT-8）系统建成，该海底光缆全长6700公里，含有3对光纤，每对的传输速率高达280Mb/s，速度远超海底电缆，这也标志着海底光缆时代正式到来。随后一年，跨越太平洋的海底光缆（全长13200公里）也建设成功，从此，洲际间的海底通信全部由光缆取代了同轴电缆；同年，我国也开始步入海底光缆时代。
中国国际海底光缆网络图
二、我国海底光缆概况
我国于1989年开始投入到全球海底光缆的投资与建设中来，并于1993年实现了首条国际海底光缆的登陆（中日之间C-J海底光缆系统）；随后在1997年，我国参与建设的全球海底光缆系统（FLAG）建成并投入运营，这也是第一条在我国登陆的洲际海底光缆；而时间来到2000年，随着亚欧海底光缆上海登陆站的开通，我国实现了与亚欧33个国家和地区的联接，也标志着我国海底通信达到了新的高度。
那么截止到目前为止，我国的国际海底光缆已经4个入口（登陆站）和8条海底光缆（不包含香港、台湾）。首先是登陆点方面，目前我国的登陆站设立在三个城市的四个地区，分别是山东青岛登陆站（隶属中国联通）、上海崇明登陆站（隶属中国电信）、上海南汇登陆站（隶属中国联通）和广东汕头登陆站（隶属中国电信）。
⒈ 亚太区域的海底光缆
⑴亚太2号海底光缆（即APCN2）：全长1.9万公里，采用4对纤芯, 每对64*10Gbps DWDM光纤技术，设计容量达2.56Tbps/s，主要连接中国、日本、韩国、新加坡、马来西亚等地区，其中大陆地区的登陆站为上海和汕头
⑵东亚海底光缆系统和城市到城市海底光缆（即EAC/C2C）：全长3.68万公里，采用4对纤芯，每对64×10Gbps DWDM光纤技术（EAC）和8对纤芯，每对96×10Gbps DWDM光纤技术，设计容量达2.56Tbps/s（EAC）和7.68Tbps/s（C2C），主要连接了中国大陆、香港、日本、韩国、台湾、新加坡和菲律宾等地区，其中大陆地区的登陆站为青岛和上海。
⑶中日海底光缆（即C-J）：全长1300公里，采用PDH System光纤技术，光纤容量为560Mbps，主要用于中国和日本间的国际长途电话业务和数字电路业务，其中大陆地区的登陆站为上海。
⑷东南亚及日本海底光缆(即SJC)：主要联接东南亚及日本的8个国家和地区，全长1.07万公里，采用6对纤芯，64×40Gbps DWDM光纤技术，光纤容量高达15Tbps，其中大陆地区的登陆站为汕头。
⒉ 东南亚→中东→欧洲等地区的海底光缆
⑴环球海底光缆（即FLAG）：这是世界上第一条同时连接亚洲、中东和欧洲的大型国际海底光缆系统，全长27000公里，采用2对纤芯，每对5Gbps DWDM光纤技术，光纤容量高达10Gbps，其中大陆地区的登陆站为上海。
⑵亚欧海底光缆（即SEA-ME-WE 3）：是目前世界上耗资最大、长度最长（3.9万公里）、途经国家和地区最多的海底光缆，采用2对纤芯，每对48×10 Gbps DWDM光纤技术，光纤容量为960Gbps，其中大陆地区的登陆站为上海和汕头。
中国联通开通的两条亚欧海底光缆
⒊ 联接北美的海底光缆
⑴中美海底光缆（即 CUCN）：主要连接亚洲和北美洲，全长30.8万公里，采用4对纤芯，每对8×2.488Gbps SDH over DWDM光纤技术，光纤容量为80Gbps，其中大陆地区的登陆站为上海和汕头。
⑵中美直达海底光缆 (即TPE)：是世界首条海底高速（跨太平洋）直达光纤电缆，全长2.6万公里，采用8对纤芯，64×10Gbps DWDM光纤技术，光纤容量为5.12Tbps，其中大陆地区的登陆站为上海和青岛。
通过上述介绍不难看出，无论是登陆站数量，还是海底光缆数量，我国（大陆地区）相比欧美发达国家均相对较少，但其带来的好处是显而易见的——加强网络安全防护。要知道，海底光缆同样会带来网络安全威胁，而我国只有四个登陆站允许入境，这就为安全防护提供了极大地便利，即只需加强这四个“入口”的安全防护能力，即可抵御外来的网络安全威胁。
三、海底光缆是如何铺设的？
简单来说，海底光缆铺设就是把光缆放在海底光缆敷设船上，然后船慢慢开动的同时把光缆平铺沉入海底。海底光缆的铺设过程可以分为两个部分，即浅海区域铺设和深海区域铺设，其中在深海区域还要经历勘查清理、海缆敷设和冲埋保护三个阶段。光缆敷设通常是由挖掘海底的缆线埋设机来完成的，主要依靠的是光缆敷设船及水下机器人，它有点像耕田时使用的犁，由海底光缆敷设船拖曳前进，并通过工作光缆作出各种指令。其底部有几排喷水孔，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，形成光缆沟。而设备上部有一导缆孔，用来引导光缆(光缆)到光缆沟底部。
海底光缆的铺设，其中光缆敷设船要特别注意航行速度、光缆释放速度，以控制光缆的入水角度以及敷设张力，避免由于弯曲半径过小或张力过大而损伤光缆中脆弱的光纤。一次海底光缆的铺设过程，其中在浅海区域，敷设船停留在距离海岸数公里的位置，通过岸上牵引机的牵引，将放置在浮包上的光缆向岸边牵引，然后拆除浮包，使光缆沉至海底；而在深海区域，敷设船主要负责释放出光缆，然后由水下检测器搭配水下遥控车进行水下监视和调整，以避开海底不平整、有岩石的地方。
过去，常常借海流让砂自然覆盖在沟上面，以省去埋缆线的时间。而现在通常会用配备高压水泵的水下机器人冲一个沟然后放进去再埋上泥土。水下机器人作业有三个步骤：第一步，利用高压冲水在海底产生一条深约2米的沟槽；第二步将光缆放入沟槽之中；第三步，借助旁边的沙土将其覆盖好。特别需要说明的是，一条洲际海底光缆是难以一次完成铺设的，因为目前最先进的光缆敷设船也就只能搭载2000公里长的光缆（且目前的铺设速度仅能达到200公里/天），因此铺设要分段进行，而每一段的“光缆对接”，都需要在敷设船上完成，并需要极高的技术。
四、海底光缆是如何修复的？
其实自诞生之日起，海底通信就面临着各种威胁和挑战，而一旦海缆（包括电缆和光缆）被破坏，通信就将被中断，造成的影响不言而喻。而说起海缆的中断，其中在上世纪七八十年代，它们极易遭到捕鱼船（拖网）、船锚的破坏，甚至还会被鲨鱼咬断。不过还有一种破坏海缆的情况难以避免，那就是地震。如在2006年台湾地区发生的强震，就造成了多条国际海底光缆受损、甚至中断，导致国内互联网用户无法正常访问国外网站；同样的，2011年日本地区发生的强震，也导致国内用户无法登录到美国网站。所以说，海底光缆的受损不可避免，因此修复海底光缆，就成为了必不可少的工作。
海底光缆的修复其难度甚至高于铺设的过程。浅海域还可借助人工来完成探索及简单修复，而想要从深达几百米甚至几千米的海床上找到直径不到10厘米的问题光缆，就如同大海捞针。当然，随着定位技术与水下机器人技术的发展，这一修复过程开始变得高效起来。海底光缆的修复过程大致可分为以下五个过程。
①首先使用扩频时域反射仪来定位大致的故障位置，然后借助水下机器人，通过扫描检测，找到破损海底光缆的精确位置；②机器人将埋在海底的光缆挖出，然后用电缆剪刀将其切断，并将其拉出水面；与此同时，机器人还会在切断处安置无线信号收发器，以为后续修复连接做好准备；③通过刚才无线信号收发器提供的定位，将另一端的光缆也拉出水面；随后借助船上的仪器分别接上光缆两端，并与最近的登陆站进行通信，以检测出光缆受阻断的部位究竟在哪一端，再将受损部分剪下；④用新的光缆连接之前的两个断点，而整个对接过程对技术要求极高；⑤新的海底光缆连接完成后，还需经过反复测试，以确保通讯及数据传输正常；随后，让海底光缆放入水中，再重新完成一次海底光缆的铺设过程。
光缆修复水下机器人
五、海底光缆的未来发展
随着互联网，特别是移动互联网的兴起，在过去10年间，全球互联网数据消费量呈爆炸性增长趋势。其中2013年互联网流量达到人均5GB，而预计到2018年，这一数字将增至14GB。这种增长无疑会带来容量问题，因此新建或升级海底光缆将是大势所趋。
2016年10月，Google和Facebook对外颁布发表，他们将与一家香港公司合作，共同投资建设一条超高速跨太平洋海底光缆。新海底光缆名为“太平洋海底光缆网”（即PLCN），两端分别连接美国洛杉矶和中国香港，全长达12800千米。位于香港的太平洋光缆数据通讯公司将参与合作。PLCN的设计速度将达到每秒120T，比当今最快的跨太平洋海底光缆“FASTER”快一倍，最早预计在2018年正式投入使用。
PLCN光缆线路走向图
谷歌之前已投资建设了多条海底光缆，包括连接美国和西班牙的“新跨大西洋海底光缆”、“Unity”跨太平洋海底光缆和“FASTER”跨太平洋海底光缆。其中“FASTER”于今年6月30日正式投入使用，是目前跨太平洋海底光缆中速度最快的，是此前SJC海底光缆带宽的4倍，设计带宽就将高达60Tbps，“FASTER” 跨太平洋海底光缆从美国主要西海岸城市（旧金山、洛杉矶、西雅图和波特兰）连接至日本的两个海岸城市千仓和志摩，还会延伸至亚洲其它国家。
在2016年4月，中国大陆、中国台湾、韩国、日本和美国的运营商则共同启动了新跨太平洋国际海底光缆（简称NCP）工程建设。据了解，该海底光缆全长超过1.3万公里，通过采用最先进的100G波分复用传输技术，设计容量超过80Tbps（比谷歌FASTER还快20Tbps）。预计将于2017年第四季度投入运营，届时，其将成为亚洲至北美之间传输容量最大、技术最先进的海底光缆，并可为用户提供更加优质可靠的通信服务。
新跨太平洋国际海底光缆线路
目前来看，全球绝大多数的海底电缆和光缆是相互独立铺设的，但在不远的将来，随着海上风力发电、海上石油平台等海上作业系统的全面发展，一根海缆要同时实现电力传输和远程控制已成为必然趋势，因此海底电缆和光缆也必将走向融合，即打造成为海底光电复合缆。当然，未来海缆肩负的重任还不只是通信与数据传输，因为在物联网时代，其还可以搭载传感器潜入深海海底，当海底发生地震（将引发海啸）时，通过海缆上众多传感器收集的海底数据信息进行大数据分析，这样既可对海啸压力进行检测，又可提前评估潜在的威胁并发出警告，帮助沿海地区或相关政府防患于未然。
海底光缆虽然已经成为构建全球“宽带”互联网的支柱，但对于政府及军事机构而言，海底光缆的安全性还不足，例如在美苏冷战时期著名的“常春藤之铃”行动，就是利用海底光缆实现了“监听”，而时至今日，窃听海底光缆甚至已成情报机构的一种“标准作业”。因此，在未来的全球互联网中占据主导地位，仅靠建设海底光缆是远远不够的，只有实现通信的多维度发展，例如尝试空中网络建设以及加快卫星通信的发展等等，才能真正赢得未来。
法国电信的光缆敷设船
最后，就让我们用“了不起我的国”的视频，来展示我国企业铺设海底光缆的成就，并结束本文的阅读。
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■本文依据中关村在线、科技世界网、观察者网、搜狐网、腾讯科技等相关资料综合
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