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 “
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