之前我們已進行通信光纜施工科普，請查看往期文章鏈接：一篇搞定通信光纜線路施工（從單盤檢驗到竣工驗收）！
文中提到的海底光纜，今天在此做進一步講解，關於海底光纜的鋪設、修復，以及所謂的C-OTDR。文中內容整理於：鮮棗課堂、電子測試測量之傢、知乎、騰訊視頻等。感謝，如有信息更新，歡迎留言探討。
海底光纜，Submarine Optical Fibre (Fiber) Cable，又稱海底通訊電纜，是用絕緣材料包裹的導線，鋪設在海底，用以設立國傢之間的電信傳輸。 海底光纜系統主要用於連接光纜和Internet，它分為岸上設備和水下設備兩大部分，海底光纜即水下設備中最重要的也是最脆弱的部分。
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系，進行信息交換。
而我們上的這個網，就是互聯網（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。
海底光纜與人造衛星的比較：海底光纜和衛星通信是兩種最為重要的洲際通信手段，與人造衛星相比，海底光纜有著諸多優勢，如可防止電磁波的幹擾，所以海纜的信噪比較低；海底光纜使用壽命為25年，而通信衛星的使用壽命隻有10～15年，所以衛星傳輸隻能作為補充手段。因此，掌握海底光纜技術，尤其是深海光纜技術對我國至關重要。
海底光纜的深、淺海光纜比較：與淺海光纜（深度小於500米）相比，深海光纜（深度大於1000米）的技術難點在於後者要更抗壓、抗拉、抗海水入侵以及同樣易於填埋。國際深海光纜市場需求十分大，自1985年世界上第一條海底光纜問世以來，每年擁有超過10萬公裡深海光纜的市場需求。
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，誕生時間就很悠久瞭。1850年英國和法國之間鋪設瞭世界第一條海底電纜。到今天，已經168年過去瞭，比電話的發明還早。
這百多年以來，人類經歷瞭三次工業革命，進入瞭信息技術時代，已經完全無法離開數據和數據通信。
而目前，全世界超過95%的跨國數據傳輸，都由海底光纜承擔。
截至2018年初，全球已投入使用的海底光纜總長度達120萬公裡。
那麼，大傢有沒有想過，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？萬一弄壞瞭，又該如何修理呢？
海底光纜到底是什麼樣的？
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，是不是比傢裡看到的光纖結實很多？
再來看看海底光纜：
Light Weight (LW)： 適用於1000-8000m水深，良好穩定的沙質海底。輕度保護，中心為松套管結構，外裹金屬加強鋼絲，最外層中密度聚乙烯保護套結構Light Weight Protection (LWP)：1000-8000m水深，粗糙表面海床，中度磨損或可能被海洋動物撕咬的環境，比LW增加金屬帶和第二層聚乙烯保護層，提高抗磨損和防腐蝕能力Light Weight Armor (LWA)：20-1500m水深，巖石地形，中度拖船危害區域，不埋設時可適用於2000m水深。比LW增加輕型鎧裝鋼絲。Single Armor (SA)：20-1500m水深，復雜巖石地形，高危險拖船危害區域。比LW增加一層重型鎧裝鋼絲。Double Armor (DA)：500m以下水深，復雜巖石地形，高危險拖船危害和高磨損區域。比LW增加2層重型鎧裝鋼絲。
是不是很誇張？裡三層外三層，層層保護！
放個海底的實物圖，更直觀：
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：
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復雜嚴苛。
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瞭。
海底光纜的外層聚合物層，就是為瞭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。
除瞭海水腐蝕之外，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瞭。
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，一般來說隻是25年。說長不長，說短不短。
另外，關於光纜的粗細，和大傢傳統的想法不同。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，它實際上是一個復雜的傳輸系統。
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，盡管光纖速度快、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，為瞭實現長距離傳輸，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”。
如上圖所示，海底光纜系統在兩端的陸地上配置瞭遠供電源設備。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。
這個供電采用的是高電壓、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：
很顯然，中繼器直徑比海底光纜大得多。
正是因為這傢夥的尺寸限制瞭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？
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。
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。
通過傳輸設備，再連接到各大數據中心。
也就是說，這裡就是互聯網的出/入海口。
目前，我們國傢大陸地區海底光纜一共有4個登陸點，分別是青島（2條光纜）、上海崇明（3條光纜）、上海南匯（3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，就可以瞭嗎？
顯然不是的。
海底光纜的鋪設工程，被世界各國公認為最復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。
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。
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。
完成路線勘察之後，就要進行光纜鋪設。
這個時候，挖掘機上場瞭。
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。除瞭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，利用高壓沖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，借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、海纜敷設和沖埋保護。
這個過程中，光纜敷設船要特別註意航行速度、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。
海底光纜如何進行修理？
最後一個問題，也是最麻煩的一個問題，光纜壞瞭該咋辦？
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，就造成瞭多條國際海底光纜受損、甚至中斷，導致國內互聯網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。
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，首先使用相幹光時域反射計（Coherent Optical Time Domain Reflectometer，簡稱為C-OTDR）來定位大致的故障位置，然後借助水下機器人，通過掃描檢測，找到破損海底光纜的精確位置。
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。
第三步，在船上完成修復熔接。這個熔接過程相當復雜，因為必須對光纜裡的頭發絲粗細的光纖一根一根熔接。
第四步，新的海底光纜連接完成後，還需經過反復測試，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瞭。
C-OTDR概述
關於前面提到的C-OTDR做簡單介紹。
相幹光時域反射計（Coherent Optical Time Domain Reflectometer，簡稱為C-OTDR）是精確測量和表征海底光纜網絡的唯一方法，可實現在10米以內的精確故障定位。
C-OTDR和標準的OTDR差不多一樣是利用光纖固有的雜質引起的瑞利後向散射來把光信號發射回光源。海纜網絡或網絡的“海底部分“不僅包括光纖，也包括EDFA（摻鉺光纖放大器），因此標準的OTDR技術不是一個可行的選擇。EDFA僅能前向放大，並采用單向的組件，因此後向散射光不能通過原來的路徑返回。多數已經安裝和計劃安裝的系統包含瞭EDFA的外殼裡的光反饋路徑，這個反饋路徑允許後向散射光通過第二根光纖回到C-OTDR。
海底光網絡由多個關鍵組件構成：線路終端設備(LTE) ：許多不同的供應商可以提供，通常是千兆接口EDFA部分：位於深度可達3公裡以上的海床上，包含多種不同的組件EDFA (摻鉺光纖放大器)：用於提升光傳輸信號的光放大器光反饋路徑：在網絡測試時使用的EDFA部分光纖：海底電纜通常由幾對光纖，電源饋電和增強材料組成
每個海底中繼器都具有一條允許後向散射信號通過此鏈路向後傳的路徑，這條路徑允許使用OTDR方法來監測光纖的海底部分。兩個中繼器之間被大約40至90公裡長的光纜連接。海纜系統使用多個DWDM信道來增加兩地之間的總數據通信量。C-OTDR的探測脈沖被分配在一個DWDM信道。C-OTDR的探測脈沖和虛擬脈沖通常放置在盡量遠離實際通信數據的地方以盡量減少任何可能幹擾。虛擬脈沖占據通常與探針脈沖相鄰的第二信道。
由於EDFA的自動增益控制系統，因此需要虛擬脈沖。在一個實際的系統中，EDFA的輸入在多個信道上是一個恒定的功率水平，而C-OTDR測試往往是在一個無流量的系統上完成。在一個無流量的系統上完成測試時，由於脈沖功率的關系，EDFA增益控制是無法保持在一個穩定的輸出脈沖。為瞭避免這個問題，C-OTD可以在兩個通道上輸出來確保EDFA的恒定輸入電平。測試脈沖在一個短周期內產生，負載脈沖在剩下的時間發送，兩者之間的比例由在COTDR上選擇測試PW時決定。
C-OTDR的工作原理與OTDR一樣，是通過發射光進入光纖，然後看從待測光纖反射（或散射）回來的光信號。它還具有附加的可調窄波長傳輸能力，允許其在實際使用的DWDM網絡中與用戶數據流一起使用。在OTDR的接收端有超越標準OTDR的一些增強功能。第一個主要區別是C-OTDR的輸入進行瞭刪選來移除激活的DWDM信道以及額外的噪聲。而第二個也是重要的是相幹檢測。相幹探測是將調制信號的載波和接收到的已調信號相乘，然後通過低通濾波得到調制信號。這種方法消除瞭所有其他噪聲，允實現大信噪比的改善，包括重建低於正常底噪的數據。一個海底光纜網絡由許多光放大器組成，以提高DWDM波長的功率，但這也增加瞭放大自發噪聲（ASE）的功率。因為每個放大器ASE電平都增加，相幹檢測方法使C-OTDR能看到通常被認為是隱藏在或低於噪聲的信號。
斷點測試一個海纜網絡由成對的光纖，從A到B方向和從B到A方向的通路通過在每個中繼器上的光反饋路徑相連。反饋路徑使C-OTDR可以接收到從電纜傳輸方向相反傳來的背向散射。當在測試已經完全斷開的電纜（在一個位置上隻有一個切口）時，任務是相對簡單明瞭，但是在下面的任何一種情況下都會變得更加復雜：
單向光纜斷開（例如A到B方向斷開，B到A沒有斷開）取決於您從哪一端網絡做測試，距離長度將出現不同。真正的故障位置隻有在與傳輸鏈路光纖相同的方向測試時才會顯示。從接收端測試，故障位置將顯示為斷開處前方最近的中繼器的位置，這樣的位置是不準確的（最大可達90km）。
光纜在2個位置都斷開海底光纜斷裂的一個主要原因是海床的運動。這種運動可以覆蓋很大的地理范圍，影響大段光纜。光纜同時在兩個地點斷開會影響響應和需要對應的修理動作，從而充分瞭解這種情況是非常重要的。
圖5顯示瞭從網絡不同側進行測試（不是同時完成）：從A方向，出錯位置能夠正確地被確定，從B方向測試則會得到錯誤的結果。
通過理解OTDR技術和光反饋路徑是如何一起工作的，可以快速確定真實的故障位置。在彼此接近的兩個切斷位置的情況下，仔細的評估降低瞭部署昂貴資源的風險。
C-OTDR分辨率C-OTDR的重要性來自於對於任何長度的海底網絡都能夠進行準確的故障定位。許多傳統的OTDR的數據點的分辨率通常是由公裡范圍的OTDR設置確定。
例如：一個隻具備50000個數據采樣點的OTDR將會受到范圍設置的影響。海纜網絡的規模比地面網絡大幾個數量級，這對於海底網絡來說就是一個更為關鍵的問題。
因此新的C-OTDR具備瞭120萬個數據點以及根據距離范圍設置來自動減少采樣點數量。使用一款支持較少數據點的C-OTDR對於需要測量更長的鏈路的用戶來說會成為一個大問題。
一個例子是如果一款C-OTDR最大支持10000個數據點，測試范圍設置在8000公裡，則每個數據點的誤差就是8000公裡/10000=800米。這個誤差會光纖故障定位時間延長，進而延遲網絡恢復。