干坏事也是需要技术的！美国是如何通过海底电缆监听全球通信的？

如今各大主流媒体都在争相报道美国的国际监听丑闻，有可靠消息指出，美国正在与丹麦情报部门合作，监听欧洲政要，其中首当其冲的便是德国领导人默克尔。至于监听的方式，主要是利用截获、窃取海底电缆的通信数据来进行的。

（美国通过监听海底电缆的方式来监听欧洲政要）

海底电缆是铺设在海底的用绝缘材料包裹的导线，基本上是用来通信的（但也存在电力传输的海底电缆）。21世纪的人类如果要实现全球数据互通，虽然方法多元，比如说人造卫星或者基站的方式，但使用光纤技术的海底电缆承担着绝大多数的数据传输，通讯品质和速度也非其他方式可比。

如果是知道美国通过盗取海底电缆数据的方式来监听，就不难理解为何美国非要拉上丹麦了，虽然欧洲各沿海国都铺设有海底电缆，但丹麦三面环海，拥有与瑞典、英国、德国、荷兰、挪威等国连接的海底电缆陆地接口，数据通讯量在欧洲居于前列。可以说只要丹麦愿意配合，美国至少能够监听欧洲四分之一左右的国际通讯。

（丹麦拥有多条海底电缆，联通附近各国）

当然，这还不排除美国和其他欧洲国家也有监听方面的合作，比如英国、法国等国，甚至是德国；更不排除美国利用盟友互相牵制的可能，比如和德国合作监听法国，和法国合作监听英国等等，想想都觉得毛骨悚然。

话说回来，美国是如何利用海底电缆监听欧洲政要的呢？

每1TB的数据传输中，海底电缆承担的数据通信量高达99%，这些海底电缆事实上已经在海底纵横交错，总长度逼近100万千米，几乎每个沿海国家都铺设有海底电缆，和其他国家相连接。

（海底电缆的结构图，从1到8分别是：聚乙烯外皮、聚酯树脂层、钢绞线层、铝制防水层、聚碳酸酯层、铜管层、石蜡层和核心光纤束，也只有最核心的光纤才具有通信价值）

最早曝出使用海底电缆进行监听的其实还是美国，事情发生在冷战最激烈的时候，当时苏联在欧洲乃至亚洲都拥有海军基地，如果通过无线电传输信息，容易被美国窃听。为了解决这一问题，苏联基本使用的是海底电缆来传输加密信息。

但这些海底电缆其实是拥有传感器的，如果陆地接口段出现任何异常，都会引起苏联警觉。为了避免事态升级，乃至第三次世界大战因此爆发，美国改装了特制的小型潜艇，直接在海底电缆的海底段外加监听设备，并且每个月都需要从设备上将通信记录取回，隐蔽至极。

（铺设在海底的电缆）

美国对苏联海底电缆的监听一直神不知鬼不觉，直到美国国家安全局前分析师罗纳德·比尔顿透露给苏联之后，全世界才第一次认识到美国的监听方式有多么可怕。

看起来将海底电缆光纤中的数据窃取出来，有很大的技术难度，但是只要搞清楚传输数据的原理你就能够找到弱点。理论上光在光纤中的传输是无损的，但是玻璃纤维并不是完全光滑的，光的传输也面临着信号减弱的问题，一般在80千米左右就需要重新加强信号。所以每80千米左右设立的一个信号增强设备，就可以被有心人所利用。在增强设备这里，每一根纤维都进行信号扩增，这就十分容易被窃取。

（海底电缆铺设船及其铺设示意图）

当然数据窃取是一件十分累的事情，一根主海底电缆每秒传输640GB的数据，每秒都有可能有上百万的电话信号穿过光缆横截面，在漫天冗杂的数据中进行快速评估过滤筛选，将其缓存到窃取器中，绝对是一项“技术活”。

美国的情报人员很可能拥有十分先进的软件来进行数据分析，寻找他们最感兴趣的情报，比如重点人物的电子邮件、电话等，像普通平民的通信数据，说白了对他们而言没有任何价值，反而只会误导和干扰窃取数据任务的进行。

美国在监听海底电缆上拥有得天独厚的优势，早在19世纪50年代就开始进行早期海底电缆的建设，时至今日美国的科学家、工程师在全球海底电缆的建设、维护和升级中发挥着重要作用，自然能够有着对海底电缆监听的技术便利。

（美国冷战时期就曾经窃听苏联，有过技术储备）

斯诺登于2013年曝出“棱镜项目”之后，在全球范围内引发了轩然大波，一些国家被震惊，而更多的国家则是愤怒，并开始思考是否应该要拒绝美国参与到本国的海底电缆建设计划之中。比如巴西兴建的前往欧洲的海底电缆，就已经明确表示将绕开美国，甚至将美国公司排除在建设参与者范围之外。

光芯片，用光突破计算瓶颈

芯片，又叫作集成电路，在指甲盖大小的空间中，能够包含数十亿的电子元件，形成了极其复杂的电路结构 。芯片被用于数据的处理、存储、控制、通信和感知等各个方面，计算机、手机、汽车等设备都依赖芯片来处理数据，执行算法和运行软件程序。面对各种各样的需求，人们制造出了数十万种芯片。

近期，由中国科学院上海微系统与信息技术研究所（上海微系统所）、瑞士洛桑联邦理工学院组成的合作团队在国际上另辟蹊径，在高性能光子芯片制备领域取得了突破性进展，研发了可批量制造的新型光子芯片 ，相关成果及论文发表在了著名国际期刊《自然》上。

微芯片示意。版权图库图片，转载使用可能引发版权纠纷

众多芯片中，光芯片大不一样

芯片依赖电子 在集成电路中的运行来实现各种复杂的功能，芯片内部存在非常多的导线供电子穿梭。光芯片则是利用光在集成光路中的传输来实现各种复杂的功能 ，光芯片主要由发光器件（产生光），光波导（引导光传播的装置）组成。

光芯片结构示意，条纹结构为光波导组成的光芯片单元。图片来源：VLC Photonics

光波导是光在从一种介质传播到另一种介质时偶尔会发生的全反射现象。比如，当光从水传播到空气时，只要光与介质分界面所成角度到达特定范围，就会发生全反射现象，利用该现象能够制成引导光波前进的结构就叫作光波导。

光线在玻璃当中不断全反射。图片来源：wikipedia

现有芯片的种类和功能已经很完善了，为什么还要用光子芯片来替代传统芯片呢？这是因为芯片的性能已经无法满足人们在高速通信和人工智能方面的需求。

光子芯片的特点

与传统芯片对比，光子芯片如同光纤通信线路对比传统的通信电缆。 光纤能够传输更多的数据量，一根光纤所传输的数据量相当于数十根传统信号电缆 。

光纤传输中的光信号能够在长距离传输时保持较高的质量，相比之下信号电缆需要消耗更多的能量，且信号质量也会下降。光子芯片在传输速度，能耗方面相比于传统的芯片也有很大的优势 。

1.速度快

光的传播速度是自然界中最快的，光在真空中每秒能够传播 299792.458 千。相比之下，电信号在电路中的传输速度大约是光速的三分之二到四分之三，随着电路温度的升高，速度还会下降。

中国网民用户数目多达 10.92 亿，互联网产生了各种软件，使用这些软件所产生的数据量是巨大的。海量数据被上传至软件公司建立的数据中心进行处理，数据中心由众多高性能计算机（又叫服务器）组成，服务器之间需要快速交换大量数据。

把服务器比作水缸，水缸间需要通信芯片作为“水管”，将水缸连接在一起，如果水管太细（通信芯片速度无法满足需求），那么水缸的水就无法及时流入或排出，个别水缸水溢出时，也就发生了服务器崩溃（软件没法用了）。光芯片的出现，能够使得服务器之间以及数据中心与外界进行快速的数据交换。

光通信芯片及其结构显微图。图片来源：参考文献 2

2.能耗低

传统芯片进行运算时，电子在电路中运动会产热，高性能运算芯片的耗电量非常高，目前是制约芯片算力的主要原因。芯片的功耗增加一百倍，性能只能提高十倍，大部分的能量都被用于驱动散热部件。为了散热，有的公司甚至将他们的数据中心建在了海底，利于海水冷却电子设备。

被打捞出来检修的水下数据中心。图片来源：microsoft

当前，训练人工智能大模型也面临着芯片性能和电力消耗的制约，为了解决这一问题，当前有两种思路。 一是光芯片与传统芯片的混合集成，传统芯片作为单个的计算单元，光芯片负责计算单元之间的高速通信桥梁，建立集群运算，有效提高运算速度，同时功耗的增加也在可接受范围内。二是设计制造光计算芯片，突破传统的微电子处理器芯片性能瓶颈。

结语

总而言之，光芯片作为继传统微电子芯片后，信息技术的又一重要支撑，光子芯片在功耗，速度，尺寸等方面都极具潜力 。

从华人科学家、光纤之父高锟在 1966 年提出光纤用于长距离通信的理念，到 1970 年代末光纤开始商业化推广，经历了二十余年，光纤的传输损耗也降低为最初的 1% 。同样地，光子芯片的实用化与商业化势在必行。

参考文献

[1] Wang C , Li Z , Riemensberger J ,et al.Lithium tantalate photonic integrated circuits for volume manufacturing[J].Nature, 2024, 629(8013):784-790.

[2] Meister S ,Bülent Franke, Eichler H J ,et al.Photonic Integrated Circuits for Optical Communication[J].Optik & Photonik, 2012, 7(2):59-62.

[3]S.O.Kasap.光电子学与光子学[专著] : 原理与实践 : Optoelectronics and photonics : principles and practices[M].电子工业出版社,2016.

策划制作

出品丨科普中国

作者丨海里的咸鱼 中国科学院长春光机所光学硕士

监制丨中国科普博览

责编丨何通

审校丨徐来、林林

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