作者：小棗君
來源：鮮棗課堂
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- 【導讀】 -
海底光纜，就是保證全球各大區域網絡之間能夠互聯互通的主動脈。
今天我要介紹一個很有趣的東東—海底光纜。
大家應該都知道海底光纜是什麼吧？聽名字就懂啦，就是埋在海底的光纖線纜。
如今這個時代，我們每天都在上網。通過上網，我們可以隨時和世界各地保持聯繫，進行信息交換。
而我們上的這個網，就是網際網路（Internet）。Internet之所以是inter+net（網絡與網絡相連的網絡），而不是Intranet（網絡內部的網），就是因為網絡之間的互聯互通。
而海底光纜，就是保證全球各大區域網絡之間能夠互聯互通的主動脈。
實際上，海底光纜的誕生時間並不算長。世界上第一條海底光纜，是1988年建好的，連通歐洲和美國，全長6700公裡。這條光纜含有3對光纖，每對的傳輸速率為280Mb/s。
但是海底光纜的大哥，海底電纜，誕生時間就很悠久了。1850年英國和法國之間鋪設了世界第一條海底電纜。到今天，已經168年過去了，比電話的發明還早。
這百多年以來，人類經歷了三次工業革命，進入了信息技術時代，已經完全無法離開數據和數據通信。
而目前，全世界超過90%的跨國數據傳輸，都由海底光纜承擔。
根據最新的數據統計，全球的海底光纜總長達90萬公裡，可繞地球22圈。
全球海底光纜分布
那麼，大家有沒有想過，那麼纖細嬌貴的光纖，究竟是怎麼埋到那麼深的海底去的？又是怎麼保證在海底惡劣的環境中不被破壞的？萬一弄壞了，又該如何修理呢？
小棗君今天就帶大家一起，探索這一系列問題的答案。
首先，我們先看看陸地上的光纜是什麼樣子。
喏，就是這樣滴：
怎麼樣，是不是比家裡看到的光纖結實很多？
再來看看海底光纜：
是不是很誇張？裡三層外三層，層層保護！
中間是頭髮絲大小的纖芯
放個海底的實物圖，更直觀：
海底光纜，看上去有點像輸油管道
其實，海底光纜和陸地光纜最大的區別，就是它的「鎧裝保護」。
一般來說，「鎧裝保護」包括下面這麼幾層：
典型海底光纜的結構解析
之所以要這麼多層的保護，就是因為海底光纜面對的海底環境極其複雜嚴苛。
海底的威脅，比挖掘機可怕
首先是海水的腐蝕，這是最主要的問題。海水可是鹽水，長時間浸泡，一般的材料肯定早就爛了。
海底光纜的外層聚合物層，就是為了防止海水和加固鋼纜反應產生氫氣。即使外層真的被腐蝕，內層的銅管、石蠟、碳酸樹脂也會防止氫氣危害到光纖。氫氣分子的滲入，會導致光纖傳輸衰耗增加。
除了海水腐蝕之外，海底光纜還要承受海底壓力，以及自然災害（地震、海嘯等）、人為因素（漁民打撈作業）的重重考驗。
另外，鯊魚還沒事就跑來咬咬。
所以，如果沒有加強鎧裝保護，海底光纜肯定分分鐘就嗝屁了。
話說回來，即便有這麼嚴實的保護，海底光纜仍然不能永久使用。它的使用壽命，一般來說只是25年。說長不長，說短不短。
另外，關於光纜的粗細，和大家傳統的想法不同。現實中，越是淺水海域，鎧裝保護越嚴密，通常能有胳膊那麼粗。反而是深水海域，幾乎不需要加強鎧裝，通常直徑不到20毫米。
為什麼呢？因為淺水海域船隻的威脅更大啊，深水海域人類想故意破壞都下不去。
海底光纜是如何工作的？
海底光纜，其實就是光纖，利用光在光導纖維中的傳播特性來傳輸數據。
但是，海底光纜又不是單純的一根光纖，它實際上是一個複雜的傳輸系統。
海底光纜系統由兩部分組成：水下設備和岸上設備。
水下設備，主要包括光纜、光放大器/中繼器和水下分支單元。
岸上設備，主要包括光纜終端設備、遠供電源設備、線路監測設備、網絡管理設備和海洋接地裝置等設備。
光纜終端設備負責兩端信號處理、發送和接收。檢測設備就是告警監控和故障定位等等。這些都很好理解。
那中繼器和遠供電源設備是幹嘛用的呢？
眾所周知，儘管光纖速度快、帶寬足，但是信號傳送距離有限。由於光存在衰耗，它不能無限制的傳送下去。
所以，為了實現長距離傳輸，需要在中間加中繼器（信號放大器）。而中繼器，是需要用電的。所以，就要用到「遠供電源設備」。
遠程供電示意圖
如上圖所示，海底光纜系統在兩端的陸地上配置了遠供電源設備。它通過海底光纜上的遠供導體，向海底中繼器饋電，從而解決供電的問題。
這個供電採用的是高電壓、低電流的直流供電，供電電流1安培左右，可供電電壓可高達幾千伏。
所以說，如果你看到海底光纜的話，最好離遠一點。。。
我們來看看具體實物是怎樣的吧！
首先是中繼器：
吊著的那個，就是中繼器
很顯然，中繼器直徑比海底光纜大得多。
正是因為這傢伙的尺寸限制了海底光纜的纖芯數量。因為光纜的纖芯越多，中繼器就會成比例的擴大，同時，對供電的要求也隨之加大。
順便提一下，海底光纜內含多對光纖。比如，Google在2016年6月份鋪設那條號稱史上最快的海底光纜（東接美國俄勒岡州，西接日本千葉縣和三重縣，全長9000公裡），其纖芯就由6對組成，其容量為60Tb/s（100Gb/s x 100波長 x 6對纖芯）。
再看看岸上設備部分。
首先是遠端電源設備，供電幾千伏的電壓的電源機房到底長什麼樣？
上圖左邊藍色的機櫃就是遠端供電設備
這個藍色機櫃裡面實際上是由直流變換器組成，每一個變換器提供幾千伏直流電，且是N+1備份的。
當然，和所有的電源機房一樣，一定有電池備份，斷電時切換到電池電源。
成排的電池
還有碩大無比的柴油發電機。。。
再去看看線路終端設備機房。
海底光纜上岸後，是從這裡冒出地面，接入陸地終端設備的（如下圖）。
這些黃色光纜接入到各種配線架。這些配線架實現對海底光纜線路的連接、分配和調度，並通過配線架連接到運營商的傳輸終端設備。
配線架機房
通過傳輸設備，再連接到各大數據中心。
也就是說，這裡就是網際網路的出/入海口。
目前，我們國家大陸地區海底光纜一共有3個登陸點，分別是青島（2條光纜）、上海（6條光纜），還有汕頭（3條光纜）。
那麼，海底光纜是怎麼埋的呢？難道是直接往海裡一扔，就可以了嗎？
顯然不是的。
海底光纜的鋪設工程，被世界各國公認為最複雜且困難的大型工程之一。
整個鋪設過程可以分為兩個部分，即淺海區域鋪設和深海區域鋪設。
我們先來看個動圖：
上面這個圖，就是海底光纜的鋪設過程（包括淺海和深海）。
其中在淺海區域，光纜敷設船停留在距離海岸數公裡的位置，通過岸上牽引機的牽引，將放置在浮包上的光纜向岸邊牽引，然後拆除浮包，使光纜沉至海底。
淺海區域光纜鋪設
光纜敷設船
來個視頻介紹，看得更清楚：
這艘船由ABB公司建造，可以敷設和修復交直流電纜和光纜。
船上需要運載大量的待鋪設光纜。目前最先進的光纜敷設船，可以載重兩千公裡的光纜，並以兩百公裡/天的速度鋪設。
船上盤繞的光纜
而在深海區域，敷設船先使用水下檢測器搭配水下遙控車，進行水下監視和調整，以避開海底不平整、有巖石的地方。
水下遙控車
完成路線勘察之後，就要進行光纜鋪設。
這個時候，挖掘機上場了。
這就是挖掘機，有點像耕地的犁。實際上，它就是個犁。
挖掘機由敷設船拖曳前進。除了作為光纜沉入海底的配重物之外，它的工作分為三步：
第一步，利用高壓衝水在海底產生一條深約2米的溝槽；
第二步，通過光纜孔，將光纜放入溝槽之中；
第三步，藉助旁邊的泥沙將光纜覆蓋好。
所以，總的來說，埋放光纜的過程就是勘查清理、海纜敷設和衝埋保護。
這個過程中，光纜敷設船要特別注意航行速度、光纜釋放速度，以控制光纜的入水角度以及敷設張力，避免由於彎曲半徑過小或張力過大而損傷光纜中脆弱的光纖。
再來個視頻：
海底光纜的鋪設過程
最後一個問題，也是最麻煩的一個問題，光纜壞了該咋辦？
前面我說過，海底光纜的生存環境極其惡劣，時刻面對各種風險的威脅。一旦被破壞，相當於全球通信主動脈出問題，造成的影響不言而喻。
上世紀七八十年代，海纜很容易遭到捕魚船（拖網）、船錨、鯊魚的破壞。還好，隨著相關法規（禁止在海纜上方區域停船拋錨）和海纜防護能力的提升，這些破壞海纜的情況開始顯著減少。
但是，想要做到萬無一失顯然是不太可能的。像地震這種事情，你就是再怎麼防，也防不住。
例如在2006年臺灣地區發生的強震，就造成了多條國際海底光纜受損、甚至中斷，導致國內網際網路用戶無法正常訪問國外網站。同樣的，2011年日本地區發生的強震，也導致國內用戶無法登錄到美國網站。
臺灣地震導致光纜損壞
所以說，海底光纜的受損不可避免。修復海底光纜，也是維護單位的必備技能。
海底光纜的修復過程，大致可分為以下五步：
第一步，首先使用光時域反射儀（OTDR）來定位大致的故障位置，然後藉助水下機器人，通過掃描檢測，找到破損海底光纜的精確位置。
光時域反射儀（OTDR）
OTDR使用時域反射原理，先收發一整套信號，斷裂位置會對信號有反射，將該回收的反射信號與應用數學算法計算得出的信號形狀以及時間作比較，從而定位出光纖破損的具體位置。
水下機器人（也叫遙控潛水器，ROV）
第二步，機器人將埋在海底的光纜挖出，然後將其切斷，分別將剪斷的兩端系上船上放下的繩子，拉出海面。
海底光纜修復過程
第三步，在船上完成修復熔接。這個熔接過程相當複雜，因為必須對光纜裡的頭髮絲粗細的光纖一根一根熔接。
光纜的光纖熔接
第四步，新的海底光纜連接完成後，還需經過反覆測試，以確保通訊及數據傳輸正常。
第五步，將修復好的海底光纜重新拋入海中，然後使用機器人進行泥沙掩埋覆蓋。
這樣，就算是徹底修復完成了。