150 lat temu, 16 sierpnia 1858 roku, prezydent Stanów Zjednoczonych James Buchanan otrzymał telegram z gratulacjami od królowej Wiktorii i wysłał jej wiadomość w zamian. Pierwszą oficjalną wymianę wiadomości przez nowo ułożony transatlantycki kabel telegraficzny uświetniła parada i pokaz sztucznych ogni nad nowojorskim ratuszem. Uroczystości przyćmił pożar, który miał miejsce z tego powodu, a po 6 tygodniach kabel zawiódł. To prawda, nawet wcześniej nie działał zbyt dobrze - wiadomość od królowej została przekazana w ciągu 16,5 godziny.
Od pomysłu do projektu
Pierwszą propozycją telegrafu i Oceanu Atlantyckiego był program przekaźnikowy, w którym wiadomości dostarczane przez statki miały być przesyłane telegraficznie z Nowej Fundlandii do reszty Ameryki Północnej. Problemem była budowa linii telegraficznej wzdłuż trudnego terenu wyspy.
Prośba o pomoc inżyniera odpowiedzialnego za projekt przyciągnęła Amerykaninabiznesmen i finansista Cyrus Field. W trakcie swojej pracy przepłynął ocean ponad 30 razy. Pomimo niepowodzeń, jakie napotkał Field, jego entuzjazm doprowadził do sukcesu.
Biznesmen natychmiast wpadł na pomysł transatlantyckiego przelewu bankowego. W przeciwieństwie do systemów naziemnych, w których impulsy były regenerowane przez przekaźniki, linia transoceaniczna musiała przejść jednym kablem. Field otrzymało zapewnienia od Samuela Morse'a i Michaela Faradaya, że sygnał może być przesyłany na duże odległości.
William Thompson dostarczył teoretycznej podstawy do tego, publikując w 1855 r. prawo odwrotności kwadratu. Czas narastania impulsu przechodzącego przez kabel bez obciążenia indukcyjnego jest określony przez stałą czasową RC przewodu o długości L, równą rcL2, gdzie r i c są rezystancją i pojemność na jednostkę długości, odpowiednio. Thomson przyczynił się również do rozwoju technologii kabli podmorskich. Udoskonalił galwanometr lustrzany, w którym najmniejsze odchylenia lustra spowodowane prądem były wzmacniane projekcją na ekran. Później wynalazł urządzenie rejestrujące sygnały atramentem na papierze.
Technologia kabli podwodnych została udoskonalona po pojawieniu się gutaperki w 1843 roku w Anglii. Ta żywica z drzewa pochodzącego z Półwyspu Malajskiego była idealnym izolatorem, ponieważ była termoplastyczna, zmiękczała po podgrzaniu i powracała do stałej postaci po ochłodzeniu, co ułatwiało izolację przewodników. W warunkach ciśnienia i temperatury na dnie oceanu jego właściwości izolacyjneulepszony. Gutaperka pozostawała głównym materiałem izolacyjnym dla kabli podmorskich aż do odkrycia polietylenu w 1933 roku.
Projekty terenowe
Cyrus Field poprowadził 2 projekty, z których pierwszy zakończył się niepowodzeniem, a drugi zakończył się sukcesem. W obu przypadkach kable składały się z pojedynczego 7-żyłowego drutu otoczonego gutaperką i zbrojonego drutem stalowym. Smołowane konopie zapewniały ochronę przed korozją. Mila morska kabla z 1858 r. ważyła 907 kg. Kabel transatlantycki z 1866 roku był cięższy, osiągając 1622 kg/milę, ale ponieważ miał większą objętość, ważył mniej w wodzie. Wytrzymałość na rozciąganie wynosiła odpowiednio 3t i 7,5t.
Wszystkie kable miały jeden przewód powrotny wody. Chociaż woda morska ma mniejszy opór, podlega prądom błądzącym. Energia była dostarczana przez chemiczne źródła prądu. Na przykład projekt 1858 miał 70 elementów o napięciu 1,1 V każdy. Te poziomy napięcia, w połączeniu z niewłaściwym i nieostrożnym przechowywaniem, spowodowały awarię dalekomorskiego kabla transatlantyckiego. Zastosowanie galwanometru lustrzanego pozwoliło na zastosowanie niższych napięć w kolejnych liniach. Ponieważ rezystancja wynosiła około 3 omów na milę morską, na odległość 2000 mil można było przenosić prądy rzędu miliamperów, wystarczające dla galwanometru lustrzanego. W latach 60. XIX wieku wprowadzono dwubiegunowy kod telegraficzny. Kropki i kreski kodu Morse'a zostały zastąpione impulsami o przeciwnej polaryzacji. Z biegiem czasu rozwinął siębardziej złożone schematy.
Wyprawy 1857-58 i 65-66
350 000 funtów zostało zebrane poprzez emisję akcji, aby położyć pierwszy kabel transatlantycki. Rządy amerykański i brytyjski zagwarantowały zwrot z inwestycji. Pierwsza próba została podjęta w 1857 roku. Do transportu kabla potrzebne były 2 statki parowe, Agamemnon i Niagara. Elektrycy zatwierdzili metodę, w której jeden statek układał linię ze stacji brzegowej, a następnie podłączał drugi koniec do kabla na innym statku. Zaletą było to, że utrzymywał stałe połączenie elektryczne z brzegiem. Pierwsza próba zakończyła się niepowodzeniem, gdy sprzęt do układania kabli zawiódł 200 mil na morzu. Zaginął na głębokości 3,7 km.
W 1857 roku główny inżynier Niagary, William Everett, opracował nowy sprzęt do układania kabli. Godną uwagi ulepszeniem był automatyczny hamulec, który aktywował się, gdy napięcie osiągnęło pewien próg.
Po gwałtownej burzy, która prawie zatopiła Agamemnon, statki spotkały się na środku oceanu i 25 czerwca 1858 roku ponownie zaczęły układać kabel transatlantycki. Niagara posuwała się na zachód, a Agamemnon na wschód. Wykonano 2 próby, przerwane uszkodzeniem kabla. Statki wróciły do Irlandii, aby go zastąpić.
17 lipca flota ponownie wyruszyła na spotkanie. Po drobnych czkawkach operacja zakończyła się sukcesem. Idąc ze stałą prędkością 5–6 węzłów, 4 sierpnia wkroczyła Niagaraw Trinity Bay Nowa Fundlandia. Tego samego dnia Agamemnon przybył do zatoki Valentia w Irlandii. Królowa Wiktoria wysłała pierwsze powitanie opisane powyżej.
Wyprawa z 1865 r. nie powiodła się 600 mil od Nowej Fundlandii i tylko próba z 1866 r. zakończyła się sukcesem. Pierwsza wiadomość na nowej linii została wysłana z Vancouver do Londynu 31 lipca 1866 r. Ponadto odnaleziono koniec kabla zagubionego w 1865 r., a także pomyślnie ukończono linię. Szybkość przesyłania wynosiła 6-8 słów na minutę przy koszcie 10 USD za słowo.
Komunikacja telefoniczna
W 1919 roku amerykańska firma AT&T rozpoczęła badania nad możliwością ułożenia transatlantyckiego kabla telefonicznego. W 1921 r. między Key West a Havaną ułożono głębokowodną linię telefoniczną.
W 1928 roku zaproponowano ułożenie kabla bez przemienników z jednym kanałem głosowym przez Ocean Atlantycki. Wysoki koszt projektu (15 mln USD) w szczytowym momencie Wielkiego Kryzysu, a także ulepszenia w technologii radiowej, przerwały projekt.
Na początku lat 30. XX wieku rozwój elektroniki umożliwił stworzenie podmorskiego systemu kablowego z repeaterami. Wymagania dotyczące konstrukcji wzmacniaczy z ogniwami pośrednimi były bezprecedensowe, ponieważ urządzenia musiały nieprzerwanie pracować na dnie oceanu przez 20 lat. Surowe wymagania zostały nałożone na niezawodność komponentów, w szczególności lamp próżniowych. W 1932 r. istniały już lampy elektryczne, które z powodzeniem przetestowano wod 18 lat. Zastosowane elementy radiowe były znacznie gorsze od najlepszych próbek, ale były bardzo niezawodne. W rezultacie TAT-1 działał przez 22 lata i ani jedna lampa nie uległa awarii.
Kolejnym problemem było układanie wzmacniaczy na otwartym morzu na głębokości do 4 km. Gdy statek zostanie zatrzymany w celu zresetowania przekaźnika, na kablu ze spiralnym pancerzem mogą pojawić się załamania. W efekcie zastosowano elastyczny wzmacniacz, w którym można było zmieścić sprzęt przeznaczony do kabla telegraficznego. Jednak fizyczne ograniczenia elastycznego wzmacniaka ograniczały jego przepustowość do systemu 4-przewodowego.
UK Post opracował alternatywne podejście z twardymi wzmacniakami o znacznie większej średnicy i pojemności.
Wdrożenie TAT-1
Projekt został wznowiony po II wojnie światowej. W 1950 roku technologia elastycznego wzmacniacza została przetestowana przez system łączący Key West i Havanę. Latem 1955 i 1956 ułożono pierwszy transatlantycki kabel telefoniczny między Oban w Szkocji a Clarenville na wyspie. Nowa Fundlandia, dobrze na północ od istniejących linii telegraficznych. Każdy kabel miał długość około 1950 mil morskich i miał 51 przemienników. Ich liczba została określona przez maksymalne napięcie na zaciskach, które można wykorzystać do zasilania bez wpływu na niezawodność elementów wysokonapięciowych. Napięcie wynosiło +2000 V na jednym końcu i -2000 V na drugim. Przepustowość systemu, w jegokolejka została określona przez liczbę przemienników.
Oprócz wzmacniaków zainstalowano 8 korektorów podwodnych na linii wschód-zachód i 6 na linii zachód-wschód. Skorygowali skumulowane przesunięcia w paśmie częstotliwości. Chociaż całkowita strata w paśmie 144 kHz wyniosła 2100 dB, zastosowanie korektorów i wtórników zmniejszyło ją do mniej niż 1 dB.
Rozpoczęcie pracy z TAT-1
W ciągu pierwszych 24 godzin po uruchomieniu 25 września 1956 wykonano 588 połączeń z Londynu i Stanów Zjednoczonych oraz 119 połączeń z Londynu do Kanady. TAT-1 natychmiast potroił pojemność sieci transatlantyckiej. Przepustowość kabla wynosiła 20-164 kHz, co pozwalało na uzyskanie 36 kanałów głosowych (4 kHz każdy), z których 6 podzielono między Londyn i Montreal, a 29 między Londyn i Nowy Jork. Jeden kanał przeznaczony był dla telegrafu i obsługi.
System obejmował również połączenie lądowe przez Nową Fundlandię i połączenie podmorskie z Nową Szkocją. Dwie linie składały się z pojedynczego kabla o długości 271 mil morskich z 14 sztywnymi wzmacniakami zaprojektowanymi przez pocztę brytyjską. Całkowita pojemność wynosiła 60 kanałów głosowych, z których 24 łączyło Nową Fundlandię i Nową Szkocję.
Dalsze ulepszenia TAT-1
Linia TAT-1 kosztowała 42 miliony dolarów. Cena 1 miliona dolarów za kanał stymulowała rozwój urządzeń końcowych, które efektywniej wykorzystywałyby pasmo. Liczba kanałów głosowych w standardowym zakresie częstotliwości 48 kHz została zwiększona z 12 do 16 poprzez zmniejszenieich szerokość od 4 do 3 kHz. Kolejną innowacją była czasowa interpolacja mowy (TASI) opracowana w Bell Labs. TASI podwoiła liczbę obwodów głosowych dzięki pauzom mowy.
Systemy optyczne
Pierwszy transoceaniczny kabel optyczny TAT-8 został oddany do użytku w 1988 roku. Repeatery regenerowały impulsy poprzez zamianę sygnałów optycznych na elektryczne i odwrotnie. Dwie działające pary włókien pracowały z prędkością 280 Mb/s. W 1989 roku, dzięki transatlantyckiemu kablowi internetowemu, IBM zgodził się sfinansować połączenie na poziomie T1 między Cornwall University a CERN, co znacznie poprawiło połączenie między amerykańską i europejską częścią wczesnego Internetu.
Do 1993 r. na całym świecie eksploatowano ponad 125 000 km TAT-8. Liczba ta prawie odpowiadała całkowitej długości analogowych kabli podmorskich. W 1992 roku do służby wszedł TAT-9. Prędkość na światłowód została zwiększona do 580 Mb/s.
Przełom technologiczny
Pod koniec lat 90. rozwój wzmacniaczy optycznych domieszkowanych erbem doprowadził do skoku milowego w zakresie jakości podmorskich systemów kablowych. Sygnały świetlne o długości fali około 1,55 mikronów mogą być bezpośrednio wzmacniane, a przepustowość nie jest już ograniczana przez prędkość elektroniki. Pierwszym ulepszonym optycznie systemem do przelotu przez Ocean Atlantycki był TAT 12/13 w 1996 roku. Szybkość transmisji na każdej z dwóch par włókien wynosiła 5 Gbps.
Nowoczesne systemy optyczne umożliwiają transmisję tak dużych ilościdane, których nadmiarowość ma kluczowe znaczenie. Zazwyczaj nowoczesne kable światłowodowe, takie jak TAT-14, składają się z 2 oddzielnych kabli transatlantyckich, które są częścią topologii pierścienia. Pozostałe dwie linie łączą stacje brzegowe po obu stronach Oceanu Atlantyckiego. Dane są przesyłane wokół pierścienia w obu kierunkach. W przypadku przerwy pierścień naprawi się samoczynnie. Ruch jest kierowany do zapasowych par światłowodów w kablach serwisowych.
