本文最初是作为IEEE之星程序。
引用
海底通信电缆在将世界经济、政治和文化联系在一起方面发挥了关键作用，这种联系既有益又有害（或者可以说是稳定和不稳定）。技术的发展使电缆经历了三个不同的时代：从19世纪50年代开始的单导体铜线电报；从20世纪50年代开始，通过带有中继器的同轴电缆进行电话；以及从20世纪80年代开始通过光纤进行数据传输。
介绍
从海底通信电缆的历史来看，社会对实时远程通信的重视尤其引人注目。它们以三种不同的形式出现：19世纪50年代出现的古塔-佩尔查绝缘铜线电报电缆，一个世纪后出现的同轴电话电缆（带中继器），以及20世纪80年代首次用于海上旅行线路的光纤数据传输电缆。公共戏剧通常发生在制造和铺设电缆的机械过程中；但对于电工（后来称为电气工程师）来说，类似的握手事件发生在正式或临时搭建的实验室，在那里，电气（以及后来的光电）问题得到了考虑和解决。本文将考虑与这些电缆开发相关的技术成就，并简要考虑其对社会的影响。
海底电缆历史上的三大进步的一个共同特点是，它们是由需求驱动的。事实上，人们强烈地感觉到通信的必要性，以至于在基础技术出现之前就开始了新的投资。事实上，1845年，约翰和雅各布·布雷特（John and Jacob Brett）提议在英吉利海峡铺设绝缘电缆时，第一条陆地线路刚刚铺设完毕。与此同时，他们建议在大西洋上拉长一条相当长的线。
第一阶段：电报电缆
实现这一梦想有四个关键的技术障碍，除了其中一个障碍在19世纪40年代得到解决外，其他所有障碍都被解决了。第一种是一种合适的绝缘材料，柔韧度足以有效挤压导线周围，但坚固度足以承受铺设在海底的严酷考验。正是这样一种材料——古塔珀卡（gutta perca），即马来半岛及其周边地区的一棵树的树液，于1843年被引入英国，迈克尔·法拉第（Michael Faraday）（沃纳·西门子（Werner Siemens）在德国也发现了这种绝缘体。它在大约50摄氏度的温度下变成塑料，可以模塑成任何想要的形状；当它冷却到室温时，它会保持这种形状，在室温下变得坚硬，但仍有足够的灵活性，可以弯曲成螺旋状的电缆。
其次是制造铁丝绳的技术，铁丝绳被认为是保护绝缘电缆并增强其强度所必需的。英国人安德鲁·史密斯（Andrew Smith）于19世纪30年代开发了一种使用传统绳索行走方法制造钢丝绳的程序。在接下来的十年早期，同样是英国人的罗伯特·纽霍尔设计了一种机器，可以在工厂里做同样的事情。
第三是轮船的可用性，轮船可以沿着预定的路线铺设电缆。蒸汽船作为一项发明，通常被认为是本世纪早些时候罗伯特·富尔顿发明的，到了19世纪40年代，有几个蒸汽船值得在露天使用。但需要的是足够大的船只，以承载横跨大西洋的电缆。事实上，在五十年代开始的十年里，还没有建造过任何一座，只有少数几座能够承载一半的长度。英国和美国政府允许电报发起者使用两艘海军轮船：英国阿伽门农（1852）和美国人尼亚加拉（1857年，他的第一次航行是为有线电视公司）。
最后，需要一种能够通过近2000英里的电线接收未经放大信号的仪器，同时还需要了解，由于周围水的电容效应，信号会严重失真。在19世纪40年代，没有这样的东西；这两家公司都将由威廉·汤姆森（William Thomson）提供，作为第一家大西洋有线电视公司的顾问。
1850年，布雷特夫妇铺设了一条横跨英吉利海峡的电缆，在电缆断裂前，电缆传输了几句话；第二年他们成功了。随后，包括在地中海、北海和波罗的海的深水区进行了几次尝试（基本成功）。大部分铺设和制造工作都是由英国完成的，因为该国对支持海上航线（如上所述）感兴趣，并且垄断了杜仲胶的供应。
1855年，美国商人赛勒斯·菲尔德（Cyrus Field）在纸张批发业务中发了一笔小财，他负责将一条陆路线延伸至纽芬兰的圣约翰，其主要经济价值是从往返于美国和英国之间的船只接收信息（或将信息发送给），因此，交货时间缩短了约两天。从一开始，菲尔德就意识到继续向东铺设水下管线的价值。由于没有自己的技术知识，顾问也几乎没有补充，他一头扎进了前面。他真正拥有的是说服他人相信自己事业的优点的能力，以及似乎是取之不尽用之不竭的能量来源。他从纽约熟人那里筹集了足够的资金来完成纽芬兰航线，然后转向英国人，尤其是曼彻斯特的银行家和商人，利物浦和伦敦。
在看似难以置信的短时间内（几乎没有机会考虑可能的技术困难），成立了一家公司，生产了2500英里的电缆。铺设了300多英里后，一次中断迫使当年的努力停止。
1858年，随着电缆数量的增加，进行了新的尝试。这一次，两艘船只在大洋中部相遇，经历了北大西洋有记录以来最严重的风暴之一。在三次电缆断裂后（铺设200英里后的最后一次），只剩下很少的电缆，最后一次铺设进行得完美无缺，8月5日，一条完整的电缆就位。
图2。1858年，纽芬兰三一湾电缆房内（图片由史密森学会提供） 然而，成功是短暂的。官方电工E.O.W.Whitehouse使用超过2000伏的脉冲来激活标准莫尔斯接收器。结果是电缆绝缘层出现故障，一个月内，线路被宣布断开。幸运的是，汤姆森建造了另一种探测器，即“镜面检流计”。一块背面粘有磁铁的小镜子悬挂在一圈电线的中心。只有几伏的输入电压通过线圈时，会使后视镜轻微扭曲。通过查看反射光束的图像，很容易检测到这种运动。1858年电缆停止运行前，对该仪器进行了几次测试，证明了其价值。
一个议会委员会调查了这次失败的原因，以及次年在红海和印度对岸铺设的一条类似电缆的原因。这份于1861年发布的报告得出的结论是，尽管犯了几个错误，但基本技术和程序是健全的。1864年，印度发起人铺设了一条从波斯湾首部到卡拉奇的完美无瑕（但有些雄心勃勃）的新电缆。不屈不挠的Field重返伦敦，率先创建了大西洋电报公司，凭借英国的资本和技术，该公司将在1865年铺设一条横跨大西洋三分之二的电缆，直到电缆断裂（并且无法用手头的抓钩设备取回）。随后成立了英美电报公司，铺设一条新电缆，并于1866年完成1865年的电缆铺设。在这两项努力中，发起人的优势在于能够在大东号上满载全部货物。大东号于1858年作为一艘构思欠佳的客轮下水，用于前往澳大利亚的航线，但作为一艘缆船，它找到了一种新的、有利可图的生活。
这些第一批电缆很快产生了更多的电缆。到1873年，他们到达了新加坡、香港和悉尼。加勒比海的岛屿连接在一起，并与大陆相连；东地中海和东印度群岛也是如此。1901年英国人横渡太平洋，1903年美国人第二次横渡太平洋。相比之下，大西洋在世纪之交有十几条活动电缆，20世纪20年代末有二十一条。
使用汤姆森反射镜检流计的操作员最初能够每分钟接收三个单词；经过练习，他们把这个数字提高到了17。但没有产生永久记录。汤姆森的反应是在磁铁两极之间悬挂一个线圈。线圈上的线连接在一根细长的玻璃管上，玻璃管的一端是墨水，另一端面对一条移动的纸带。为了减少摩擦，墨水被通电并喷射到纸上。线圈是电报电路的一部分，根据信号来回扭动，磁带上出现了一条波浪线。这种“虹吸记录器”最初每分钟能接收十几个单词，到本世纪末，这个数字增加了三倍或更多。1867年引入，半个世纪以来，它一直是长海底线路上的主要接收设备。20世纪50年代，反射镜检流计被用作敏感测试仪器。
尽管电报电缆行业被证明是相当保守的，但在其百年的服务中，一些创新被采用了。双工技术（同时向相反方向发送两条消息的能力）由J.B.Stearns根据陆上线路实践改编，并于1873年首次应用于大西洋电缆。虹吸记录仪的改进是在20世纪的第二个十年引入的：缠绕线圈不是连接在虹吸上，而是通过螺纹连接到各种形式的电气继电器上。
半个世纪以来，电缆的设计没有发生任何重大变化，只是在古塔珀卡（gutta perca）周围套上了一层铜带，以保护它免受托雷多（toredo）的侵害，托雷多是温暖水域常见的一种枯燥昆虫。20世纪20年代，电容的影响被三条新电缆（1924年、1926年和1928年）用刚发现的磁性材料坡莫合金或金属“加载”而部分抵消。为了利用增加的容量，引入了时分复用系统。旋转圆盘上短导电段的同心带通过电刷与不同的信息传输接触。这些分段之间的间隔使得在任何时候只有一个频带接触。光盘移动得足够快，以便从每条信息中提取足够的“样本”，以保存其正负脉冲的基本形状。电缆另一端的一个类似的同步旋转盘将各个信息分开。最多可以使用八个单独的频道（每个双工），每个频道的速度可达每分钟60个字。最后，随着一个时代不知不觉地接近尾声，1951-52年，西联公司将电子放大器拼接到大陆架边缘的非负载电缆中（这些设备体积庞大，实际上无法在深水中使用）。
虽然电报电缆几乎触及了生活的方方面面，但这篇文章的目的并不是详细描述电报电缆的社会影响。在1858年的电报被认为是成功的那一刻，人们提出了各种乐观的预言，尤其是通过促进相互理解，它将有助于给世界带来和平。也许更好的说法是，电缆可以用于和平事业，同时承认它们也可以用作战争工具。我们现在所知道的是，这些电报电缆将被新闻机构、金融机构（通过连接国内网络，它们使期货交易成为可能）、政府外交部门、航运公司和各种商业企业广泛使用。电缆的操作和维护需要国际协议，这导致了1865年国际电信联盟的成立。个人使用受到费用限制，但可以说，个人在心理上开始感到与全球其他人和事件的联系更加紧密。
必须注意的是，杜仲胶是从一棵成熟的树（25-35岁）上收获的，与橡胶不同，它不容易流动，这意味着这棵树必须被砍倒。每棵树需要1.5磅精制杜仲胶，这意味着每英里电缆需要200棵树。据合理估计，最终需要大约1亿棵树来满足电缆行业的需求。一个缓解因素是，在十九世纪末，荷兰和英国都建立了种植园，以满足至少部分需求。
在20世纪20年代中期，短波无线技术已经发展到可以持续低价销售电缆的地步，特别是随着强大的真空管发射机的出现。这可能预示着电缆的消亡，但有两个因素：一是隐私（任何人都可以接收无线信号）；另一个是可靠性（无线传输可能会被电离层的不利条件中断）。政府利用这个借口向相关公司施加压力（其中大多数是私营公司），不允许电缆死亡。1929年，在英国，马可尼无线电报公司与东方和联合电报公司合并，形成了后来的有线和无线有限公司。虽然美国曾进行过合并谈判，但最终没有任何合并谈判，这两种技术共存，直到战争给双方带来新的挑战。
第二阶段：电话线
美国电话电报公司于1927年推出的跨大西洋无线电话服务在商业上取得了成功，这鼓励该公司考虑有线电路的可能性。到1929年，已决定继续进行。这条新线路将支持单一语音通道，实际上是对最新加载的电报电缆的适度改进。然而，大萧条和战争介入了这一问题，当这个问题在20世纪40年代末被重新审视时，技术进步带来了一种全新的可能性。
主要进步是真空管。微型版本是在20世纪30年代末开发出来的，在战时服役广泛。它们足够小（直径不到一英寸或2.5厘米），可以用于可以穿过电缆铺设机械的放大器，而且足够坚固，可以在水下生存至少20年而不需要维修。第二个进步是聚乙烯，这是三十年代的又一个发展，是杜仲胶的理想替代品（和改良品）。与电报电缆的另一个区别是使用了同轴设计，消除了海洋作为接地和回线导体的使用。相对纤细的放大器只能单向工作，因此需要两根电缆。与英国邮政总局达成协议，后者开发了更大的浅水双向中继器。其结果是在1955-1956年，在苏格兰的奥班和纽芬兰的克拉伦维尔之间建立了一条双线跨大西洋电话电缆（TAT-1）（每条线路有51个窄而灵活的中继器，大约每30英里一个）。新斯科舍省从克拉伦维尔到悉尼矿业公司的浅水延伸线是一条有14个英国中继器的单线。大部分电缆是在英国制造的。它能够承载36个4-kHz通道，或48个3-kHz（后来扩展到51个）。美国和英国部分均由GPO船铺设君主（4） 它于1945年发射，设计时考虑到了中继器的预期需求。
TAT-1很快获得了成功，1959年，紧随其后的是一款设计类似的TAT-2。1961年，苏格兰和纽芬兰之间的CANTAT-1首次采用改进设计，中心采用高强度钢绞线代替外部铠装线，并采用双向中继器。它提供了80个频道。1963年，Monarch和Mercury铺设了一条横跨太平洋的电缆，从加拿大到澳大利亚和新西兰。同年，AT&T推出了CS Long Lines缆船。1963年，它在新泽西州塔克顿和康沃尔州威德茅斯湾之间铺设了一条单线TAT-3，每20英里有一个中继器，承载128个频道。1964年，长航公司还铺设了一条横跨太平洋的电缆，从瓦胡岛的马卡哈穿过中途岛、威克岛和关岛，到达日本的尼诺米亚。它现在被称为泛太平洋电缆1（TPC-1）。
晶体管已经证明其足够稳定，可以在海上埋藏多年，无人值守，这是一项重大进步。1970年，它们被用于新泽西州和西班牙之间的TAT-5，每10英里转发器携带845个频道。TAT-6（罗德岛到法国）和TAT-7（新泽西到英国）实现了这一上升螺旋的终极目标，每五英里有一个中继器，每个中继器有4000多个频道。其他进步包括使用犁来掩埋浅水区，这种做法后来也扩展到了深水区。值得注意的是，这种犁是在20世纪30年代末开发出来用于电报电缆的。
尽管轨道通信卫星和新电缆可以被视为对战后国际主义繁荣的回应，但它们也提供了意料之外的可能性，很快被社会所利用。卫星凭借其电视功能，对传播文化节目和新闻特别重要。可以说，这些电报导致了远程外交和军事行动管理的根本转变。现在，即使是微小的细节也可以由远离行动现场的中央指挥部控制。以类似的方式，企业也是如此。个人只能对国际电话的轻松和低成本感到惊讶。
同轴中继电缆几乎立即受到同步卫星的挑战，1965年，国际通信卫星组织一号（“早鸟”）使其在商业上可行。但成本并没有太大的不同，尤其是对于电话通话而言，由于信号到达卫星和降落的时间在每个方向上都是四分之一秒，因此在说话和听到回应之间引入了令人讨厌的半秒延迟。此外，与前一个时代一样，电缆更加安全。出现了一个粗略的划分，其中大多数电话流量使用有线电视，电视使用卫星，数据在他们之间进行分割。
第三阶段：光纤
同轴电缆和卫星都受到一种叫做光纤的新技术的威胁。20世纪60年代，美国电话电报公司（AT&T）在陆地上即将部署一个微波传输管道网络，以取代现有的塔式直通空气系统，当时人们清楚地意识到光纤将更便宜、更灵活。最重要的是，由于各种形式的电磁辐射，光线比微波具有更大的频率（每秒脉冲数），因此信息容量也大得多。科宁玻璃厂（Corning Glass Works）完成了关键工作，1967年成立了一个团队，其目标是创造一种能够通过一公里光纤保留至少1%光线的玻璃。这是在1970年实现的。随后，在康宁和其他参与研究的实验室取得了进一步的进展。到本世纪末，实用的光纤通信线路已经在整个地区部署完毕。
然而，在水下同轴电缆不得不放弃其卓越性之前，仍有重大挑战需要克服。问题在国际舞台上得到了解决，关键贡献来自众多来源，尤其是AT&T、MIT、日本电报和电话（NTT）、GPO、标准电话和电缆。光纤不能以相同的透明度传输所有波长；任何给定的化学成分都有特定的最佳频率范围；用作光源的激光器有其特殊的范围。对于相对较短的陆地线路来说，两者之间的匹配并不重要，但对于通过数千英里的电缆发送信号而不需要不切实际数量的放大器来说，这一点至关重要。巧合的是，20世纪70年代中期，麻省理工学院林肯实验室的J.Jim Xieh开发了一种激光器，NTT的Masaru Horiguchi生产了一种正好匹配的光纤。因此，1978年AT&T、GPO和标准电信实验室承诺，计划在十年后推出的TAT-8将是光纤而非同轴的。他们还决定使用一个狭窄的频带（单模），由非常细的光纤限制。
1984年，在朴茨茅斯和怀特岛之间的英吉利海峡铺设了第一条海底光缆（长达五英里，没有中继器）。两年后，又有一条电缆穿过英吉利海峡到达比利时（全长70英里，配有三个中继器），该电缆可以在光纤对上承载11500个电话电路。TAT-8于1988年投入使用，是一条三光纤电缆（两条运行，一条备用），通过大西洋的一个分支点从美国到英国和法国。它成功地进行了相当于40000次电话对话。
当时没有直接放大光的方法。相反，光信号被转换为电信号，电信号被放大并转换回光。1987年，南安普顿大学的大卫·佩恩发明了一种光放大器，这是一种使用掺铒玻璃的激光器，贝尔实验室的艾曼纽尔·德苏维雷分别开发了这种复杂的布局。在其他几个实验室的共同努力下，我们开发出了实用的光学放大器，该放大器具有革命性的附加功能，可以同时处理多个频率。它们于1996年应用于TAT-12（这是一家美国-英国-法国企业），使其能够在两条光纤中的每一条上每秒传输5千兆位的信息。当与TAT-13结合时，它形成了一个环路结构，流量在两条电缆上以相反的方向移动，从而可以重新安排流量，并将其中一条光纤损坏时的中断降到最低。
到了新千年，通信光纤网络席卷全球，竞争对手继续铺设相对便宜的电缆，以应对不断扩大的市场。它们是如此成功，以至于在几年内供过于求，消费者的成本急剧下降。另一个后果是，一些公司过度扩张，被迫合并或破产。随着2008年开始感受到全球经济衰退的后果，这种情况没有得到任何帮助，在发布此帖子时（2010年），很难预测供需之间的相互作用将如何发挥。然而，可以肯定地说，在合理的年份内，光纤将作为信息传输设备占据主导地位。
光纤网络的发展与万维网的兴起相吻合，使得服务的巨大扩张成为可能，这使得互联网在全球社会、政治和经济事务中具有如此巨大的重要性。这是一段仍在书写中的历史。
致谢
作者感谢STARS编辑委员会成员对本文的审查和建设性批评，特别感谢David Hochfelder提出的有益意见和建议。
时间表
- 1847年，John和Jacob Brett建议跨大西洋电缆
- 1850年，第一条横跨英吉利海峡的电缆，工作短暂
- 1858年，第一条横跨大西洋的电缆在一个月内发生故障
- 1861年，英国议会委员会关于海底电报电缆的报告
- 1864年，根据委员会的建议，成功通过波斯湾至卡拉奇的电缆
- 1866年，第一条成功的大西洋电缆由大东铺设
- 1867年，引入虹吸记录器
- 1873年，大西洋电缆引入双工
- 1901年，加拿大至澳大利亚和新西兰的太平洋电缆
- 1924年，第一条磁性大西洋电缆
- 1956年，第一条跨大西洋电话电缆，与中继器同轴
- 1965年，第一条晶体管大西洋电话电缆
- 1970年，康宁公司开发通信级光纤
- 1980年，TAT-8单模光纤传输承诺
- 1984年，光纤电缆连接至怀特岛，首次实现常规交通
- 1987年，掺铒光纤放大器报告
- 1988年，第一条跨大西洋光缆
- 1996年，光纤放大器引入大西洋电缆（TAT-12）
- 1998年，第一条采用波长分复用的长距离电缆
参考文献
历史意义参考
英国议会联合委员会。1861.枢密院贸易委员会和大西洋电报公司上议院任命的联合委员会调查海底电报电缆建设的报告：连同女王陛下司令部提交议会两院的证据记录和附录。伦敦：乔治·爱德华·艾尔和威廉·斯波蒂斯伍德为女王陛下文具办公室印刷
威廉·汤姆森。1856.关于电报快速发送信号的实用方法。伦敦皇家学会8（1856），299-307
贝尔电话实验室。1857.TAT-1 SB电缆设计专刊。系统技术期刊36（1957年1月），1-326
F.P.Kapron、D.B.Keck和R.D Maurer，。1970年，玻璃光波导中的辐射损耗。导波干线通信会议（伦敦：IEEE，1970），148-53
R.J.Mears等人，1987年。低噪声掺铒光纤放大器，在1.54μm下工作。《电子快报》，第23卷（197），1026
进一步阅读参考资料
查尔斯·布赖特。1898.海底电报：历史、结构和工作。克罗斯比·洛克伍德父子，1898年
塞缪尔·卡特。1968.赛勒斯·菲尔德：两个世界的人。纽约：普特南
伯恩·迪布纳。1959年，大西洋电缆。诺沃克：伯蒂图书馆；第2版，纽约：布莱斯德尔酒吧。公司，1964年
伯纳德·芬恩和大庆·杨（编辑）。2009年，《海底通信：不断发展的有线网络及其影响》。马萨诸塞州剑桥：麻省理工学院出版社
杰夫·赫赫特。2000.《光之城：光纤的故事》。纽约：牛津大学出版社；第二版，修订和扩充，2004年
关于作者
伯纳德·芬恩（Bernard Finn）是史密森学会（Smithsonian Institution）名誉馆长，在该学会担任历史电子藏品馆长40多年。他对海底电报产生了特殊的兴趣，这反映在收集活动（物品和文件）、出版物、展览和咨询角色中。
