Optiskt nätverk är en teknik som använder ljus för att överföra data mellan enheter. Den erbjuder hög bandbredd och låg latens och har varit de facto-standarden för långdistansdatakommunikation i många år. Optisk fiber används för de flesta långväga röst- och datakommunikationer över hela världen.
Optiskt nätverk är viktigt eftersom det tillåter höghastighetsdataöverföring över långa avstånd. Till exempel säkerställer det optiska nätverket att användare i New York kan komma åt servrar i Nairobi så snabbt som fysikens lagar tillåter.
Tekniken bakom optiska nätverk bygger på principen om total intern reflektion. När ljus träffar ytan på ett medium som fiberoptisk kabel reflekteras en del av ljuset av ytan. Vinkeln med vilken ljus reflekteras beror på mediets egenskaper och infallsvinkeln (vinkeln med vilken ljuset träffar ytan).
Om infallsvinkeln är större än den kritiska vinkeln reflekteras allt ljus; detta kallas total intern reflektion. Total intern reflektion kan användas för att göra optiska fibrer, en typ av glas eller plast som leder ljus längs dess längd.
När ljus färdas genom fibern genomgår det flera totala interna reflektioner, vilket får det att studsa från fiberväggen. Denna studseffekt får ljuset att färdas längs med fibern i ett sicksackmönster.
Genom att noggrant kontrollera fiberns egenskaper kan ingenjörer kontrollera hur mycket ljus som reflekteras och hur långt det färdas innan det reflekteras igen. Detta gjorde det möjligt för dem att designa optiska fibrer som kunde överföra data över långa avstånd utan att förlora någon information.
Optiska nätverk består av flera komponenter: optiska fibrer, sändtagare, förstärkare, multiplexorer och optiska switchar.
Optisk fiber
Optisk fiber är mediet som bär den optiska signalen. Den är sammansatt av en mängd olika material, inklusive:
①Kärna: Centrum som bär ljus.
②Klädd: Ett material som omger kärnan och hjälper till att hålla den optiska signalen innesluten.
③ Buffertbeläggning: Ett material som skyddar den optiska fibern från skador.
Kärnan och beklädnaden är vanligtvis gjorda av glas, medan buffertbeläggningen vanligtvis är gjord av plast.
Sändtagare
Transceivrar är enheter som omvandlar elektriska signaler till optiska signaler och vice versa, vanligtvis implementerade i den sista milen av en anslutning. Det är gränssnittet mellan ett optiskt nätverk och de elektroniska enheterna som använder det, såsom datorer och routrar.
Förstärkare
Som namnet antyder är en förstärkare en enhet som förstärker ljussignaler så att de kan resa långa sträckor utan att tappa styrka. Förstärkare placeras utmed fibern med jämna mellanrum för att förstärka signalen.
Multiplexor
En multiplexer är bara en enhet som tar flera signaler och kombinerar dem till en enda signal. Detta görs genom att tilldela varje signal en annan ljusvåglängd, vilket gör att multiplexorn kan skicka flera signaler samtidigt längs en enda fiber utan störningar.
Ljusbrytare
En optisk switch är en enhet som dirigerar optiska signaler från en fiber till en annan. Optiska switchar används för att styra trafik i optiska nätverk och används vanligtvis i nätverk med hög kapacitet.
Historien om optiskt nätverk
Historien om optiska nätverk började på 1790-talet när den franske uppfinnaren Claude Chappe uppfann den optiska signaltelegrafen, ett av de tidigaste exemplen på ett optiskt kommunikationssystem.
Nästan ett sekel senare, 1880, patenterade Alexander Graham Bell den elektrooptiska telefonen, ett optiskt telefonsystem. Medan Photophone var banbrytande, var Bells tidigare uppfinning av telefonen mer praktisk och tog en påtaglig form. Därför lämnade Photophone aldrig experimentstadiet.
Fram till 1920-talet patenterade John Logie Baird i England och Clarence W. Hansell bara idén att använda en rad ihåliga rör eller genomskinliga stavar för att överföra bilder till TV- eller faxsystem.
År 1954 har den nederländska forskaren Abraham Van Heel och den brittiske forskaren Harold H. Hopkins publicerat vetenskapliga artiklar om traktografi. Hopkins fokuserade på oklädda fibrer, medan Van Heel endast fokuserade på enkla klädda fiberbuntar - en transparent beklädnad med ett lägre brytningsindex runt den kala fibern.
Detta skyddar den fiberreflekterande ytan från yttre deformationer och minskar avsevärt interferens mellan fibrer. Utvecklingen av bildstrålar var ett viktigt steg i utvecklingen av optiska fibrer. Att skydda fiberytan från yttre störningar möjliggör mer exakt överföring av optiska signaler genom fibern.
År 1960 hade glasklädda fibrer förluster på cirka 1 decibel (dB) per meter, lämpligt för medicinsk bildbehandling, men för höga för kommunikation. År 1961 publicerade Elias Snitzer från Optical Company of America en teoretisk beskrivning av en optisk fiber med en liten kärna som kunde överföra ljus genom endast ett vågledarläge.
1964 föreslog Dr Kao en ljusförlust på 10 eller 20 dB per kilometer. Denna standard hjälper till att förbättra räckvidden och tillförlitligheten hos telekommunikationssystem. Utöver sitt arbete med förlustfrekvenser visade Dr. Gao behovet av ett renare glas för att minska ljusförlusten.
Sommaren 1970 började en grupp forskare vid Corning Glass Works experimentera med ett nytt material som kallas fused silica. Detta ämne är känt för sin extremt höga renhet, höga smältpunkt och låga brytningsindex.
Teamet, bestående av Robert Maurer, Donald Keck och Peter Schultz, insåg snart att smält kiseldioxid kunde användas för att göra en ny typ av tråd som kallas en "optisk vågledarfiber". Denna fiberoptiska tråd kan bära 65,000 gånger mer information än traditionell koppartråd. Dessutom kan ljusvågorna som används för att bära information avkodas på destinationer till och med tusen mil bort.
Denna uppfinning revolutionerade långdistanskommunikation och banade väg för dagens fiberoptiska teknik. Teamet löste problemet med decibelförlust som definierades av Dr. Gao, och 1973 förbättrade John MacChesney vid Bell Laboratories den kemiska ångavsättningsprocessen för fiberproduktion. Som ett resultat har kommersiell produktion av optiska fiberkablar blivit möjlig.
I april 1977 använde General Telephone and Electronics Co. det fiberoptiska nätverket för första gången för telefonkommunikation i realtid i Long Beach, Kalifornien. I maj 1977 följde Bell Labs snart efter och byggde ett optiskt telefonkommunikationssystem som spänner över 1,5 miles i Chicagos centrum. Varje par av fibrer kan sända 672 röstkanaler, motsvarande en DS3-krets.
I början av 1980-talet designades den andra generationen fiberoptisk kommunikation för kommersiellt bruk, med en 1,3-mikron InGaAsP-halvledarlaser. Dessa system fungerade med så höga bithastigheter som 1,7 Gbps 1987, med repeatrar på upp till 50 kilometers avstånd.
Systemen som används i tredje generationens fiberoptiska nätverk fungerar på 1,55 mikron och har en förlust på cirka 0,2 dB per kilometer.
Fjärde generationens fiberoptiska kommunikationssystem förlitar sig på optisk förstärkning för att minska antalet repeaters som krävs och på våglängdsmultiplexering (WDM) för att öka datakapaciteten.
2006 uppnåddes en bithastighet på 14 terabit (Tb) per sekund på en 160-kilometerlinje med optiska förstärkare. Till 2021 kommer japanska forskare att kunna sända 319 Tbps över 3,000 kilometer med en fyrkärnig fiberoptisk kabel.
Även om dessa fjärde generationens fiberoptiska kommunikationssystem har mycket mer kapacitet än tidigare generationer, är grundprincipen densamma: omvandla elektriska signaler till optiska pulser, skicka dem via fiberoptik och omvandla dem sedan tillbaka till elektriska signaler vid mottagningen avsluta.
Komponenterna i varje generation har dock blivit mindre, mer tillförlitliga och billigare. Som ett resultat har fiberoptisk kommunikation blivit en allt viktigare del av vår globala telekommunikationsinfrastruktur.
Nyckeltrender inom optiskt nätverk
Fokusera på nätverkskanten
Den optiska nätverkskanten är där trafiken flyter in och ut ur nätverket. För att möta kraven från molnbaserade applikationer flyttas optiska nätverk närmare slutanvändarna. Detta möjliggör lägre latens och mer konsekvent prestanda.
Lagerkryptering
När cyberattacker blir vanligare kommer dataskydd i rörelse att fortsätta att vara ett stort problem. SASE (Secure Access Service Edge), användningen av molnbaserade säkerhetsfunktioner vid tjänstens slutpunkter, har nyligen fått draghjälp. Slutpunktsskydd kan göra säkerhetskontroller på anslutna nätverk onödiga.
Även om detta kanske inte eliminerar behovet av kryptering, kommer det att skydda känsliga data och applikationer. Utan en enda säkerhetskontroll blir lager 1-skyddet allt svårare.
Vi kan bättre skydda våra resurser genom att kryptera kontroll, hantering och användartrafik. Detta gör det nästan omöjligt för hackare att bryta sig in i systemet, vilket avsevärt minskar chanserna för en framgångsrik cyberattack. När företag blir mer beroende av data och anslutningsmöjligheter kommer robusta säkerhetslösningar bara att bli mer uppenbara.
Öppna Optiskt nätverk
Ett öppet optiskt nätverk är ett optiskt nätverk som använder standard, öppna gränssnitt för att möjliggöra integration av utrustning från olika leverantörer. Detta ger fler valmöjligheter och flexibilitet för optiska nätverkskomponenter. Dessutom gör det det enklare att lägga till nya funktioner och tjänster när de blir tillgängliga.
Tillväxt av Spectrum Services
När datatrafiken fortsätter att växa ökar också behovet av högre bandbredd och kapacitet. Spektraltjänster tillhandahåller detta genom att använda spektrum för att öka kapaciteten i befintliga fiberoptiska nätverk. Dessa tjänster växer i popularitet eftersom de erbjuder ett kostnadseffektivt sätt att möta växande databehov.
Fler utomhusinstallationer
Utbyggnader utomhus i gatuskåp blir allt vanligare i takt med att efterfrågan på högre bandbredd och kapacitet växer. Utomhusfiber kan köras direkt till kundens plats, vilket ger en mer direkt anslutning och lägre latens.
Kompakt och modulator
När optiska nätverk fortsätter att utvecklas blir behovet av mindre, mer kompakta komponenter alltmer uppenbart. Detta beror på att utrymmet i en datacentermiljö ofta är begränsat. Kompakt moduloptik erbjuder ett utrymmesbesparande tillvägagångssätt samtidigt som den levererar hög prestanda.
Framtiden för optiskt nätverk
Intelligent optiskt nätverk
Intelligenta optiska nätverk är optiska nätverk som använder artificiell intelligens (AI) för att optimera prestanda. Artificiell intelligens kan användas för att automatiskt identifiera och korrigera problem i nätverket. Detta möjliggör ett mer effektivt och tillförlitligt nätverk.
Dessutom kan AI användas för att förutsäga framtida trafikmönster och krav. Denna information kan användas för att tillhandahålla kapacitet i förväg, vilket säkerställer att nätverket kan möta framtida krav.
Flexibel rutnätsarkitektur
Flexibla mesh-arkitekturer blir mer populära eftersom de ger ett sätt att öka kapaciteten hos befintliga fibrer. Det flexibla nätet tillåter multiplexering av olika våglängder av ljus på en enda fiber. Detta gör att mer data kan transporteras på varje fiber, vilket ökar nätverkskapaciteten.
On-demand våglängdsmultiplexering
Våglängdsmultiplexering är en teknik som gör att flera våglängder av ljus kan sändas på en enda fiber. On-demand WDM är en typ av WDM som tillåter kapacitet på begäran. Det innebär att kapacitet kan tillföras vid behov utan att installera ny fiber.
Optiskt nätverk i en alltmer digital värld
Optiskt nätverk har kommit långt i sin relativt korta historia. Från en blygsam början är det nu en viktig del av många stora nätverksinfrastrukturer. Det är en nyckelpelare för Internet, som revolutionerar sättet vi kommunicerar på och inleder en tid av aldrig tidigare skådad teknisk utveckling.
När trender som 5G mognar verkar det som om optiska nätverk är redo att fortsätta spela en viktig roll i vår allt mer digitaliserade värld.
