Sieci optyczne to technologia wykorzystująca światło do przesyłania danych pomiędzy urządzeniami. Oferuje dużą przepustowość i małe opóźnienia i od wielu lat jest de facto standardem w transmisji danych na duże odległości. Światłowód jest używany w większości długodystansowych transmisji głosu i danych na całym świecie.
Sieci optyczne są ważne, ponieważ umożliwiają szybką transmisję danych na duże odległości. Na przykład sieć optyczna zapewnia użytkownikom w Nowym Jorku dostęp do serwerów w Nairobi tak szybko, jak pozwalają na to prawa fizyki.
Technologia sieci optycznych opiera się na zasadzie całkowitego wewnętrznego odbicia. Kiedy światło pada na powierzchnię nośnika, np. kabla światłowodowego, część światła zostaje odbita od tej powierzchni. Kąt, pod jakim światło odbija się, zależy od właściwości ośrodka i kąta padania (kąta, pod jakim światło pada na powierzchnię).
Jeśli kąt padania jest większy niż kąt krytyczny, wówczas całe światło zostaje odbite; nazywa się to całkowitym odbiciem wewnętrznym. Całkowite odbicie wewnętrzne można wykorzystać do wytworzenia włókien optycznych, rodzaju szkła lub tworzywa sztucznego, które prowadzą światło wzdłuż jego długości.
Gdy światło przechodzi przez włókno, ulega wielokrotnym całkowitym wewnętrznym odbiciom, co powoduje, że odbija się od ścianek włókna. Ten efekt odbicia powoduje, że światło przemieszcza się wzdłuż światłowodu w sposób zygzakowaty.
Uważnie kontrolując właściwości światłowodu, inżynierowie mogą kontrolować ilość odbitego światła i odległość, jaką pokonuje, zanim zostanie ponownie odbita. Umożliwiło im to zaprojektowanie włókien optycznych, które mogłyby przesyłać dane na duże odległości bez utraty jakichkolwiek informacji.
Sieci optyczne składają się z kilku elementów: włókien optycznych, transceiverów, wzmacniaczy, multiplekserów i przełączników optycznych.
Światłowód
Światłowód jest medium, które przenosi sygnał optyczny. Składa się z różnych materiałów, m.in.:
①Rdzeń: Centrum przenoszące światło.
②Clad: Materiał otaczający rdzeń i pomagający zatrzymać sygnał optyczny.
③Powłoka buforowa: Materiał chroniący światłowód przed uszkodzeniem.
Rdzeń i płaszcz są zwykle wykonane ze szkła, natomiast powłoka buforowa jest zwykle wykonana z tworzywa sztucznego.
Transceiver
Transceivery to urządzenia, które przekształcają sygnały elektryczne w sygnały optyczne i odwrotnie, zwykle realizowane na ostatniej mili połączenia. Jest to interfejs pomiędzy siecią optyczną a urządzeniami elektronicznymi, które z niej korzystają, takimi jak komputery i routery.
Wzmacniacz
Jak sama nazwa wskazuje, wzmacniacz to urządzenie wzmacniające sygnały świetlne, dzięki czemu mogą one przemieszczać się na duże odległości bez utraty mocy. Wzmacniacze są rozmieszczone wzdłuż światłowodu w regularnych odstępach w celu wzmocnienia sygnału.
Multiplekser
Multiplekser to po prostu urządzenie, które pobiera wiele sygnałów i łączy je w jeden sygnał. Odbywa się to poprzez przypisanie każdemu sygnałowi innej długości fali światła, dzięki czemu multiplekser może wysyłać wiele sygnałów jednocześnie jednym włóknem bez zakłóceń.
Włącznik światła
Przełącznik optyczny to urządzenie, które kieruje sygnały optyczne z jednego światłowodu do drugiego. Przełączniki optyczne służą do kontrolowania ruchu w sieciach optycznych i są zwykle stosowane w sieciach o dużej przepustowości.
Historia sieci optycznych
Historia sieci optycznych rozpoczęła się w latach dziewięćdziesiątych XVIII wieku, kiedy francuski wynalazca Claude Chappe wynalazł telegraf z sygnałem optycznym, jeden z najwcześniejszych przykładów systemu komunikacji optycznej.
Prawie sto lat później, w 1880 roku, Alexander Graham Bell opatentował telefon elektrooptyczny, optyczny system telefoniczny. Chociaż fotofon był przełomowy, wcześniejszy wynalazek Bella, telefon, był bardziej praktyczny i przybrał namacalną formę. Dlatego Photophone nigdy nie opuścił fazy eksperymentalnej.
Do lat dwudziestych XX wieku John Logie Baird w Anglii i Clarence W. Hansell opatentowali jedynie pomysł wykorzystania układu pustych rurek lub przezroczystych prętów do przesyłania obrazów do systemów telewizyjnych lub faksów.
W 1954 roku holenderski naukowiec Abraham Van Heel i brytyjski naukowiec Harold H. Hopkins opublikowali artykuły naukowe na temat traktografii. Hopkins skupił się na włóknach nieplaterowanych, podczas gdy Van Heel skupił się wyłącznie na prostych wiązkach włókien platerowanych – przezroczystym płaszczu o niższym współczynniku załamania światła wokół gołego włókna.
Chroni to powierzchnię odbijającą włókna przed deformacjami zewnętrznymi i znacznie zmniejsza zakłócenia pomiędzy włóknami. Rozwój wiązek obrazujących był ważnym krokiem w rozwoju włókien optycznych. Zabezpieczenie powierzchni światłowodu przed zakłóceniami zewnętrznymi pozwala na dokładniejszą transmisję sygnałów optycznych przez światłowód.
Do roku 1960 włókna pokryte szkłem charakteryzowały się stratami rzędu 1 decybeli (dB) na metr, co było odpowiednie do obrazowania medycznego, ale zbyt wysokie do komunikacji. W 1961 roku Elias Snitzer z Optical Company of America opublikował teoretyczny opis światłowodu z maleńkim rdzeniem, który może przepuszczać światło tylko w jednym trybie falowodu.
W 1964 roku dr Kao zaproponował utratę światła na poziomie 10 lub 20 dB na kilometr. Norma ta pomaga poprawić zasięg i niezawodność systemów telekomunikacyjnych. Oprócz pracy nad współczynnikiem strat dr Gao wykazał potrzebę stosowania czystszego szkła, aby pomóc zmniejszyć utratę światła.
Latem 1970 roku grupa badaczy z Corning Glass Works rozpoczęła eksperymenty z nowym materiałem zwanym topioną krzemionką. Substancja ta znana jest z wyjątkowo wysokiej czystości, wysokiej temperatury topnienia i niskiego współczynnika załamania światła.
Zespół składający się z Roberta Maurera, Donalda Kecka i Petera Schultza szybko zdał sobie sprawę, że topioną krzemionkę można wykorzystać do wytworzenia nowego rodzaju drutu zwanego „włóknem światłowodowym”. Ten przewód światłowodowy może przesłać 65000 razy więcej informacji niż tradycyjny przewód miedziany. Co więcej, fale świetlne wykorzystywane do przenoszenia informacji można dekodować w miejscach oddalonych nawet o tysiące mil.
Wynalazek ten zrewolucjonizował komunikację na duże odległości i utorował drogę dzisiejszej technologii światłowodowej. Zespół rozwiązał zdefiniowany przez dr Gao problem strat decybeli, a w 1973 roku John MacChesney z Bell Laboratories ulepszył proces chemicznego osadzania z fazy gazowej do produkcji włókien. Dzięki temu możliwa stała się komercyjna produkcja kabli światłowodowych.
W kwietniu 1977 roku firma General Telephone and Electronics Co. po raz pierwszy użyła sieci światłowodowej do komunikacji telefonicznej w czasie rzeczywistym w Long Beach w Kalifornii. W maju 1977 roku firma Bell Labs wkrótce poszła w ich ślady i zbudowała optyczny system komunikacji telefonicznej obejmujący 2,5 mili w centrum Chicago. Każda para włókien może transmitować 672 kanały głosowe, co odpowiada obwodowi DS3.
Na początku lat 80. XX wieku zaprojektowano drugą generację komunikacji światłowodowej do użytku komercyjnego, wykorzystującą 1,3-mikronowy laser półprzewodnikowy InGaAsP. W 1987 r. systemy te działały z szybkością transmisji sięgającą 1,7 Gb/s, a przemienniki były oddalone od siebie do 50 kilometrów.
Systemy stosowane w sieciach światłowodowych trzeciej generacji działają na poziomie 1,55 mikrona i charakteryzują się stratą około 0,2 dB na kilometr.
Systemy komunikacji światłowodowej czwartej generacji opierają się na wzmocnieniu optycznym w celu zmniejszenia liczby wymaganych wzmacniaczy oraz na multipleksowaniu z podziałem długości fali (WDM) w celu zwiększenia pojemności danych.
W 2006 roku przy użyciu wzmacniaczy optycznych uzyskano przepływność 14 tebitów (Tb) na sekundę na linii 160-kilometrowej. Do 2021 roku japońscy naukowcy będą mogli przesyłać dane z prędkością 319 Tb/s na odległość 3000 kilometrów za pomocą czterożyłowego kabla światłowodowego.
Chociaż systemy komunikacji światłowodowej czwartej generacji mają znacznie większą przepustowość niż poprzednie generacje, podstawowa zasada jest taka sama: przekształcanie sygnałów elektrycznych w impulsy optyczne, przesyłanie ich światłowodem, a następnie przekształcanie ich z powrotem w sygnały elektryczne w odbiorniku. koniec.
Jednak podzespoły każdej generacji stały się mniejsze, bardziej niezawodne i tańsze. W rezultacie komunikacja światłowodowa staje się coraz ważniejszą częścią naszej globalnej infrastruktury telekomunikacyjnej.
Kluczowe trendy w sieciach optycznych
Skoncentruj się na brzegu sieci
Krawędź sieci optycznej to miejsce, w którym ruch wpływa do i z sieci. Aby sprostać wymaganiom aplikacji opartych na chmurze, sieci optyczne zbliżają się do użytkowników końcowych. Pozwala to na mniejsze opóźnienia i bardziej spójną wydajność.
Szyfrowanie warstwowe
Ponieważ ataki cybernetyczne stają się coraz bardziej powszechne, ochrona danych w ruchu będzie nadal głównym problemem. SASE (Secure Access Service Edge), czyli wykorzystanie natywnych w chmurze funkcji zabezpieczeń w punktach końcowych usług, zyskało ostatnio na popularności. Ochrona punktów końcowych może sprawić, że kontrole bezpieczeństwa w połączonych sieciach staną się niepotrzebne.
Chociaż może to nie wyeliminować potrzeby szyfrowania, zapewni ochronę wrażliwych danych i aplikacji. Bez jednej kontroli bezpieczeństwa ochrona w warstwie 1 staje się coraz trudniejsza.
Możemy lepiej chronić nasze zasoby, szyfrując kontrolę, zarządzanie i ruch użytkowników. Dzięki temu włamanie się do systemu jest prawie niemożliwe dla hakerów, co znacznie zmniejsza szanse na udany cyberatak. W miarę jak firmy będą coraz bardziej zależne od danych i łączności, niezawodne rozwiązania zabezpieczające staną się coraz bardziej widoczne.
Otwarta sieć optyczna
Otwarta sieć optyczna to sieć optyczna wykorzystująca standardowe, otwarte interfejsy, umożliwiające integrację sprzętu różnych dostawców. Zapewnia to większy wybór i elastyczność komponentów sieci optycznej. Ponadto ułatwia dodawanie nowych funkcji i usług, gdy tylko staną się dostępne.
Rozwój usług widma
Wraz ze wzrostem ruchu danych rośnie zapotrzebowanie na większą przepustowość i pojemność. Usługi widmowe zapewniają to poprzez wykorzystanie widma w celu zwiększenia przepustowości istniejących sieci światłowodowych. Usługi te cieszą się coraz większą popularnością, ponieważ zapewniają opłacalny sposób zaspokojenia rosnącego zapotrzebowania na dane.
Więcej wdrożeń na zewnątrz
Wdrożenia zewnętrzne w szafkach ulicznych stają się coraz bardziej powszechne wraz ze wzrostem zapotrzebowania na większą przepustowość i pojemność. Światłowód zewnętrzny może działać bezpośrednio do lokalizacji klienta, zapewniając bardziej bezpośrednie połączenie i mniejsze opóźnienia.
Kompakt i modulator
W miarę ciągłego rozwoju sieci optycznych zapotrzebowanie na mniejsze i bardziej kompaktowe komponenty staje się coraz bardziej widoczne. Dzieje się tak dlatego, że przestrzeń w środowisku centrum danych jest często ograniczona. Kompaktowa optyka modułowa zapewnia oszczędność miejsca, a jednocześnie zapewnia wysoką wydajność.
Przyszłość sieci optycznych
Inteligentna sieć optyczna
Inteligentne sieci optyczne to sieci optyczne wykorzystujące sztuczną inteligencję (AI) do optymalizacji wydajności. Sztuczna inteligencja może zostać wykorzystana do automatycznego identyfikowania i korygowania problemów w sieci. Pozwala to na bardziej wydajną i niezawodną sieć.
Ponadto sztuczną inteligencję można wykorzystać do przewidywania przyszłych wzorców ruchu i zapotrzebowania. Informacje te można wykorzystać do wcześniejszego zapewnienia przepustowości, co gwarantuje, że sieć będzie w stanie sprostać przyszłym wymaganiom.
Elastyczna architektura sieciowa
Elastyczne architektury siatkowe stają się coraz bardziej popularne, ponieważ umożliwiają zwiększenie wydajności istniejących włókien. Elastyczna siatka umożliwia multipleksowanie różnych długości fali światła na jednym włóknie. Umożliwia to przesyłanie większej ilości danych na każdym włóknie, zwiększając przepustowość sieci.
Multipleksowanie z podziałem długości fali na żądanie
Multipleksowanie z podziałem długości fali to technika umożliwiająca przesyłanie wielu długości fali światła w jednym włóknie. WDM na żądanie to rodzaj WDM, który zapewnia wydajność na żądanie. Oznacza to, że w razie potrzeby można zwiększyć pojemność bez konieczności instalowania nowego światłowodu.
Sieci optyczne w coraz bardziej cyfrowym świecie
Sieci optyczne przeszły długą drogę w swojej stosunkowo krótkiej historii. Od skromnych początków jest obecnie istotną częścią wielu dużych infrastruktur sieciowych. Jest to kluczowy filar Internetu, rewolucjonizujący sposób, w jaki się komunikujemy i rozpoczynający erę niespotykanego dotąd postępu technologicznego.
W miarę dojrzewania trendów takich jak 5G wydaje się, że sieci optyczne będą nadal odgrywać ważną rolę w naszym coraz bardziej cyfrowym świecie.
