揭秘！关于海底光缆的最强科普！
中科院物理所2019-08-16 15:40
文章来源：鲜枣课堂（ID:xzclasscom)
今天小编要介绍一个很有趣的东东——海底光缆。
大家应该都知道海底光缆是什么吧？听名字就懂啦，就是埋在海底的光纤线缆。
如今这个时代，我们每天都在上网。通过上网，我们可以随时和世界各地保持联系，进行信息交换。
而我们上的这个网，就是互联网（Internet）。Internet之所以是inter+net（网络与网络相连的网络），而不是Intranet（网络内部的网），就是因为网络之间的互联互通。
而海底光缆，就是保证全球各大区域网络之间能够互联互通的主动脉。
实际上，海底光缆的诞生时间并不算长。世界上第一条海底光缆，是1988年建好的，连通欧洲和美国，全长6700公里。这条光缆含有3对光纤，每对的传输速率为280Mb/s。
但是海底光缆的大哥，海底电缆，诞生时间就很悠久了。1850年英国和法国之间铺设了世界第一条海底电缆。到今天，已经168年过去了，比电话的发明还早。
这百多年以来，人类经历了三次工业革命，进入了信息技术时代，已经完全无法离开数据和数据通信。
而目前，全世界超过90%的跨国数据传输，都由海底光缆承担。
根据最新的数据统计，全球的海底光缆总长达90万公里，可绕地球22圈。
那么，大家有没有想过，那么纤细娇贵的光纤，究竟是怎么埋到那么深的海底去的？又是怎么保证在海底恶劣的环境中不被破坏的？万一弄坏了，又该如何修理呢？
小编今天就带大家一起，探索这一系列问题的答案。
海底光缆到底是什么样的？
首先，我们先看看陆地上的光缆是什么样子。
喏，就是这样滴：
怎么样，是不是比家里看到的光纤结实很多？
再来看看海底光缆：
是不是很夸张？里三层外三层，层层保护！
中间是头发丝大小的纤芯
放个海底的实物图，更直观：
海底光缆，看上去有点像输油管道
其实，海底光缆和陆地光缆最大的区别，就是它的“铠装保护”。
一般来说，“铠装保护”包括下面这么几层：
典型海底光缆的结构解析
之所以要这么多层的保护，就是因为海底光缆面对的海底环境极其复杂严苛。
海底的威胁，比挖掘机可怕
首先是海水的腐蚀，这是最主要的问题。海水可是盐水，长时间浸泡，一般的材料肯定早就烂了。
海底光缆的外层聚合物层，就是为了防止海水和加固钢缆反应产生氢气。即使外层真的被腐蚀，内层的铜管、石蜡、碳酸树脂也会防止氢气危害到光纤。氢气分子的渗入，会导致光纤传输衰耗增加。
除了海水腐蚀之外，海底光缆还要承受海底压力，以及自然灾害（地震、海啸等）、人为因素（渔民打捞作业）的重重考验。
另外，鲨鱼还没事就跑来咬咬。
所以，如果没有加强铠装保护，海底光缆肯定分分钟就嗝屁了。
话说回来，即便有这么严实的保护，海底光缆仍然不能永久使用。它的使用寿命，一般来说只是25年。说长不长，说短不短。
另外，关于光缆的粗细，和大家传统的想法不同。现实中，越是浅水海域，铠装保护越严密，通常能有胳膊那么粗。反而是深水海域，几乎不需要加强铠装，通常直径不到20毫米。
为什么呢？因为浅水海域船只的威胁更大啊，深水海域人类想故意破坏都下不去。
海底光缆是如何工作的？
海底光缆，其实就是光纤，利用光在光导纤维中的传播特性来传输数据。
但是，海底光缆又不是单纯的一根光纤，它实际上是一个复杂的传输系统。
海底光缆系统由两部分组成：水下设备和岸上设备。
水下设备，主要包括光缆、光放大器/中继器和水下分支单元。
岸上设备，主要包括光缆终端设备、远供电源设备、线路监测设备、网络管理设备和海洋接地装置等设备。
光缆终端设备负责两端信号处理、发送和接收。检测设备就是告警监控和故障定位等等。这些都很好理解。
那中继器和远供电源设备是干嘛用的呢？
众所周知，尽管光纤速度快、带宽足，但是信号传送距离有限。由于光存在衰耗，它不能无限制的传送下去。
所以，为了实现长距离传输，需要在中间加中继器（信号放大器）。而中继器，是需要用电的。所以，就要用到“远供电源设备”。
远程供电示意图
如上图所示，海底光缆系统在两端的陆地上配置了远供电源设备。它通过海底光缆上的远供导体，向海底中继器馈电，从而解决供电的问题。
这个供电采用的是高电压、低电流的直流供电，供电电流1安培左右，可供电电压可高达几千伏。
所以说，如果你看到海底光缆的话，最好离远一点。。。
我们来看看具体实物是怎样的吧！
首先是中继器：
吊着的那个，就是中继器
很显然，中继器直径比海底光缆大得多。
正是因为这家伙的尺寸限制了海底光缆的纤芯数量。因为光缆的纤芯越多，中继器就会成比例的扩大，同时，对供电的要求也随之加大。
顺便提一下，海底光缆内含多对光纤。比如，Google在2016年6月份铺设那条号称史上最快的海底光缆（东接美国俄勒冈州，西接日本千叶县和三重县，全长9000公里），其纤芯就由6对组成，其容量为60Tb/s（100Gb/s x 100波长 x 6对纤芯）。
再看看岸上设备部分。
首先是远端电源设备，供电几千伏的电压的电源机房到底长什么样？
上图左边蓝色的机柜就是远端供电设备
这个蓝色机柜里面实际上是由直流变换器组成，每一个变换器提供几千伏直流电，且是N+1备份的。
当然，和所有的电源机房一样，一定有电池备份，断电时切换到电池电源。
成排的电池
还有硕大无比的柴油发电机。。。
再去看看线路终端设备机房。
海底光缆上岸后，是从这里冒出地面，接入陆地终端设备的（如下图）。
这些黄色光缆接入到各种配线架。这些配线架实现对海底光缆线路的连接、分配和调度，并通过配线架连接到运营商的传输终端设备。
配线架机房
通过传输设备，再连接到各大数据中心。
也就是说，这里就是互联网的出/入海口。
目前，我们国家大陆地区海底光缆一共有4个登陆点，分别是青岛（2条光缆）、上海崇明（3条光缆）、上海南汇（3条光缆），还有汕头（3条光缆）。
海底光缆到底是怎么铺设的？
那么，海底光缆是怎么埋的呢？难道是直接往海里一扔，就可以了吗？
显然不是的。
海底光缆的铺设工程，被世界各国公认为最复杂且困难的大型工程之一。
整个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。
我们先来看个动图：
上面这个图，就是海底光缆的铺设过程（包括浅海和深海）。
其中在浅海区域，光缆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。
浅海区域光缆铺设
光缆敷设船
来个视频介绍，看得更清楚：
00:38
这艘船由ABB公司建造，可以敷设和修复交直流电缆和光缆。
船上需要运载大量的待铺设光缆。目前最先进的光缆敷设船，可以载重两千公里的光缆，并以两百公里/天的速度铺设。
船上盘绕的光缆
而在深海区域，敷设船先使用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。
水下遥控车
完成路线勘察之后，就要进行光缆铺设。
这个时候，挖掘机上场了。
这就是挖掘机，有点像耕地的犁。实际上，它就是个犁。
挖掘机由敷设船拖曳前进。除了作为光缆沉入海底的配重物之外，它的工作分为三步：
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，通过光缆孔，将光缆放入沟槽之中；
第三步，借助旁边的泥沙将光缆覆盖好。
所以，总的来说，埋放光缆的过程就是勘查清理、海缆敷设和冲埋保护。
这个过程中，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。
再来个视频：
海底光缆的铺设过程
海底光缆如何进行修理？
最后一个问题，也是最麻烦的一个问题，光缆坏了该咋办？
前面我说过，海底光缆的生存环境极其恶劣，时刻面对各种风险的威胁。一旦被破坏，相当于全球通信主动脉出问题，造成的影响不言而喻。
上世纪七八十年代，海缆很容易遭到捕鱼船（拖网）、船锚、鲨鱼的破坏。还好，随着相关法规（禁止在海缆上方区域停船抛锚）和海缆防护能力的提升，这些破坏海缆的情况开始显著减少。
但是，想要做到万无一失显然是不太可能的。像地震这种事情，你就是再怎么防，也防不住。
所以说，海底光缆的受损不可避免。修复海底光缆，也是维护单位的必备技能。
海底光缆的修复过程，大致可分为以下五步：
第一步，首先使用光时域反射仪（OTDR）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。
光时域反射仪（OTDR）
OTDR使用时域反射原理，先收发一整套信号，断裂位置会对信号有反射，将该回收的反射信号与应用数学算法计算得出的信号形状以及时间作比较，从而定位出光纤破损的具体位置。
水下机器人（也叫遥控潜水器，ROV）
第二步，机器人将埋在海底的光缆挖出，然后将其切断，分别将剪断的两端系上船上放下的绳子，拉出海面。
海底光缆修复过程
第三步，在船上完成修复熔接。这个熔接过程相当复杂，因为必须对光缆里的头发丝粗细的光纤一根一根熔接。
光缆的光纤熔接
第四步，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。
第五步，将修复好的海底光缆重新抛入海中，然后使用机器人进行泥沙掩埋覆盖。
这样，就算是彻底修复完成了。
好啦！今天关于海底光缆的介绍，就到这里啦！
来源：鲜枣课堂
编辑：重光
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