Почему подводный интернет-кабель не работает без электричества

Информация передаётся по подводному кабелю световыми импульсами, однако одной оптики для связи между континентами недостаточно. Даже в прозрачном стеклянном волокне сигнал постепенно ослабевает, поэтому на маршруте длиной в тысячи километров его приходится регулярно усиливать.

Для этого на морском дне вдоль кабеля размещают герметичные повторители. Электростанций или аккумуляторов рядом с ними нет, а регулярно поднимать оборудование для замены батарей невозможно. Все повторители получают постоянное питание с береговых станций — по металлическому проводнику, встроенному в тот же кабель, что и оптические волокна.

Почему свету нужны повторители

Часть света внутри волокна поглощается материалом, часть рассеивается на микроскопических неоднородностях стекла. На одном километре потери невелики, но через сотни километров они становятся критическими. Отправить сигнал через весь океан, просто увеличив мощность берегового лазера, нельзя: слишком интенсивный свет создаёт дополнительные искажения и помехи между оптическими каналами.

Поэтому на длинных линиях примерно через каждые 60-100 километров устанавливают повторители. На трансокеанском маршруте их может быть больше сотни.

Современный подводный повторитель обычно не расшифровывает передаваемую информацию. Он усиливает сам свет с помощью волокна, содержащего примесь эрбия. Лазеры накачки передают энергию легированному волокну, после чего проходящий оптический сигнал усиливается и продолжает путь до следующего повторителя.

Такой усилитель одновременно работает с множеством длин волн. Он не различает видеозаписи, телефонные разговоры и файлы — для него весь поток представляет собой набор световых каналов.

Как кабель передаёт данные и электричество

Оптические волокна располагаются в центре кабеля и окружены водостойким гелем. Снаружи их защищают металлическая трубка, изоляция, водонепроницаемые слои и полиэтиленовая оболочка.

Металлическая часть кабеля служит не только механической защитой, но и проводником постоянного тока. Получается, что внутри одной линии действуют две независимые системы:

• данные движутся в виде света по стеклянным волокнам;
• питание проходит по медному или алюминиевому проводнику.

Возле берега кабель дополнительно покрывают стальной бронёй, поскольку там его могут повредить якоря, рыболовные тралы и строительная техника. На большой глубине такая защита обычно не требуется, поэтому океанская часть линии получается заметно тоньше.

Морская вода не соприкасается с высоковольтным проводником исправного кабеля. Его окружают изоляционные слои, а наружная поверхность кабеля имеет практически тот же электрический потенциал, что и окружающая морская вода.

Как питание подают с берега

На кабельных станциях устанавливают оборудование PFE — Power Feeding Equipment. Оно подаёт высокое напряжение постоянного тока и поддерживает заданную силу тока во всей подводной линии.

Высокое напряжение необходимо из-за большой длины проводника. Если подавать питание при низком напряжении, для передачи той же мощности потребуется значительно больший ток. Это увеличит потери и заставит использовать более толстую металлическую жилу, из-за чего кабель станет тяжелее и дороже.

В длинных системах напряжение может достигать нескольких или даже десятков киловольт, тогда как сила тока обычно составляет около одного ампера. Этого достаточно, поскольку повторители потребляют сравнительно небольшую мощность.

Все подводные повторители электрически соединены последовательно. Через них проходит одинаковый ток, а каждый повторитель получает энергию за счёт небольшого падения напряжения на своём блоке питания. Береговая установка автоматически регулирует общее напряжение, компенсируя сопротивление кабеля и падение напряжения на повторителях.

Обычно питание подаётся с двух концов линии. Одна береговая станция создаёт положительный потенциал относительно земли, а другая — отрицательный. Между ними возникает напряжение, необходимое всей цепочке повторителей.

Возвратный путь тока проходит через специальные береговые электроды и морскую среду. Благодаря этому внутри кабеля достаточно одного металлического проводника. Если источник питания на одном берегу выйдет из строя, противоположная станция при подходящей конфигурации может временно взять на себя питание всей линии.

Как устроен подводный повторитель

Повторитель заключён в длинный металлический корпус, встроенный непосредственно в кабель. Вытянутая форма необходима для прохождения через механизмы кабелеукладочного судна и уменьшения нагрузки при опускании на дно.

Внутри находятся преобразователь питания, лазеры накачки и оптические усилители. Для разных пар волокон используются отдельные каналы усиления, поскольку данные передаются по ним в противоположных направлениях.

Герметичный корпус защищает электронику от морской воды и давления на глубине в несколько километров. Тепло от компонентов передаётся через металл окружающей воде. Вентиляторы не нужны, а движущихся частей, требующих обслуживания, внутри нет.

Расчётный срок службы подводной кабельной системы обычно составляет около 25 лет. Повторители должны проработать весь этот период без вскрытия и замены деталей. Для ремонта одного устройства пришлось бы отправлять специальное судно, поднимать кабель с большой глубины и временно разрывать линию.

Корпус дополнительно защищают от коррозии и проникновения воды вдоль повреждённого кабеля, а электрические компоненты изолируют от высокого напряжения. Надёжность каждого повторителя важна для всей системы: отказ одного устройства способен нарушить передачу данных на всём участке между береговыми станциями.

Что происходит при повреждении кабеля

Последствия зависят от того, какие элементы кабеля пострадали.

При полном разрыве повреждаются оптические волокна и металлический проводник. Передача данных прекращается, постоянный ток пропадает, а береговое оборудование отключает или ограничивает высокое напряжение. Если у оператора есть другие маршруты, трафик переводится на соседние подводные линии.

Иногда повреждается только изоляция металлического проводника, а оптические волокна остаются целыми. Тогда ток получает дополнительный путь через морскую воду. Береговые станции фиксируют изменение напряжения, необходимого для поддержания заданной силы тока.

Такая неисправность называется шунтирующей. Связь при ней может сохраниться: система питания перестраивается, и каждая станция снабжает энергией повторители на своей стороне повреждения. Однако участок всё равно требуется отремонтировать, поскольку дальнейшее разрушение кабеля способно привести к полному обрыву.

Параметры питания одновременно выполняют диагностическую функцию. По изменению напряжения и сопротивления специалисты могут определить характер электрического повреждения и приблизительное расстояние до него.

Как находят и ремонтируют обрыв

Место повреждения оптического волокна определяют с помощью рефлектометрии. Береговое оборудование отправляет в кабель тестовый световой импульс и регистрирует отражённый сигнал. Время его возвращения показывает, на каком расстоянии находится обрыв или участок с повышенными потерями.

Металлический проводник проверяют по сопротивлению, ёмкости и реакции на тестовый ток. Совмещение оптических и электрических измерений позволяет определить район ремонта ещё до выхода судна в море.

Ремонтное судно приходит к рассчитанной точке и поднимает повреждённый участок. На большой глубине кабель могут предварительно разрезать на дне, а затем поднять оба конца по отдельности. Неисправную часть удаляют и заменяют запасным отрезком.

После соединения проверяют оптические потери, электрическую проводимость и герметичность стыков. Затем кабель снова опускают на дно. Поскольку для соединения поднятых концов требуется дополнительная длина, после ремонта на морском грунте остаётся плавная петля нового кабеля.

Сама морская операция обычно занимает от нескольких дней до нескольких недель. На продолжительность влияют глубина, погода, доступность ремонтного судна и необходимость получения разрешений на проведение работ.