Оптична мережа – це технологія, яка використовує світло для передачі даних між пристроями. Він пропонує високу пропускну здатність і низьку затримку та є фактичним стандартом для передачі даних на великій відстані протягом багатьох років. Оптичне волокно використовується для більшості міжміських передачі голосу та даних у всьому світі.
Оптична мережа важлива, оскільки вона забезпечує високу швидкість передачі даних на великі відстані. Наприклад, оптична мережа гарантує, що користувачі в Нью-Йорку можуть отримати доступ до серверів у Найробі так швидко, як це дозволяють закони фізики.
Технологія створення оптичних мереж базується на принципі повного внутрішнього відбиття. Коли світло потрапляє на поверхню середовища, наприклад оптоволоконного кабелю, частина світла відбивається поверхнею. Кут, під яким світло відбивається, залежить від властивостей середовища та кута падіння (кута, під яким світло падає на поверхню).
Якщо кут падіння більше критичного кута, то все світло відбивається; це називається повним внутрішнім відбиттям. Повне внутрішнє відображення можна використовувати для виготовлення оптичних волокон, типу скла або пластику, які направляють світло вздовж.
Коли світло проходить через волокно, воно зазнає багаторазових повних внутрішніх відображень, змушуючи його відбиватися від стінки волокна. Цей ефект відскоку змушує світло поширюватися по довжині волокна зигзагом.
Ретельно контролюючи властивості волокна, інженери можуть контролювати, скільки світла відбивається та як далеко воно поширюється, перш ніж відбитися знову. Це дозволило їм розробити оптичні волокна, які могли б передавати дані на великі відстані без втрати інформації.
Оптичні мережі складаються з кількох компонентів: оптичних волокон, трансиверів, підсилювачів, мультиплексорів та оптичних комутаторів.
Оптичне волокно
Оптичне волокно - це середовище, яке передає оптичний сигнал. Він складається з різноманітних матеріалів, зокрема:
①Ядро: центр, який несе світло.
②Clad: матеріал, який оточує серцевину та допомагає утримувати оптичний сигнал.
③Буферне покриття: матеріал, який захищає оптичне волокно від пошкодження.
Серцевина та оболонка зазвичай виготовляються зі скла, тоді як буферне покриття зазвичай виготовляється з пластику.
Трансивер
Трансивери – це пристрої, які перетворюють електричні сигнали в оптичні сигнали і навпаки, зазвичай встановлюються на останній милі з’єднання. Це інтерфейс між оптичною мережею та електронними пристроями, які її використовують, наприклад комп’ютерами та маршрутизаторами.
Підсилювач
Як випливає з назви, підсилювач - це пристрій, який підсилює світлові сигнали, щоб вони могли подолати великі відстані, не втрачаючи сили. Підсилювачі розміщуються вздовж волокна через рівні проміжки для посилення сигналу.
Мультиплексор
Мультиплексор — це просто пристрій, який приймає кілька сигналів і поєднує їх в один сигнал. Це робиться шляхом призначення кожному сигналу іншої довжини хвилі світла, що дозволяє мультиплексору надсилати кілька сигналів одночасно по одному волокну без перешкод.
Вимикач світла
Оптичний комутатор - це пристрій, який направляє оптичні сигнали від одного волокна до іншого. Оптичні комутатори використовуються для керування трафіком в оптичних мережах і зазвичай використовуються в мережах великої пропускної здатності.
Історія оптичних мереж
Історія оптичних мереж почалася в 1790-х роках, коли французький винахідник Клод Шапп винайшов оптичний телеграф, один із найперших прикладів оптичної системи зв’язку.
Майже століття потому, у 1880 році, Олександр Грем Белл запатентував електрооптичний телефон, оптичну телефонну систему. Хоча фотофон був новаторським, попередній винахід телефону Белла був більш практичним і набув відчутної форми. Тому Photophone ніколи не залишав експериментальну стадію.
До 1920-х років Джон Логі Бейрд в Англії та Кларенс В. Генселл запатентували лише ідею використання низки порожнистих трубок або прозорих стрижнів для передачі зображень для телевізійних або факсимільних систем.
У 1954 році голландський вчений Абрахам Ван Хіл і британський вчений Гарольд Х. Хопкінс опублікували наукові статті з трактографії. Хопкінс зосереджувався на волокнах без оболонки, тоді як Ван Хіл зосереджувався лише на простих пучках волокон з оболонкою — прозорій оболонці з нижчим показником заломлення навколо волокна без оболонки.
Це захищає відбивну поверхню волокна від зовнішніх деформацій і значно зменшує інтерференцію між волокнами. Розробка променів зображення була важливим кроком у розвитку оптичних волокон. Захист поверхні волокна від зовнішніх перешкод дозволяє більш точно передавати оптичні сигнали через волокно.
До 1960 року волокна зі скляним покриттям мали втрати близько 1 децибел (дБ) на метр, що було придатним для медичної візуалізації, але занадто високим для зв’язку. У 1961 році Еліас Сніцер з Optical Company of America опублікував теоретичний опис оптичного волокна з крихітною серцевиною, яке могло пропускати світло лише через одну моду хвилеводу.
У 1964 році доктор Као запропонував втрату світла 10 або 20 дБ на кілометр. Цей стандарт допомагає підвищити діапазон і надійність телекомунікаційних систем. На додаток до своєї роботи над показниками втрат, доктор Гао продемонстрував потребу в більш чистому склі, щоб зменшити втрату світла.
Влітку 1970 року група дослідників з Corning Glass Works почала експериментувати з новим матеріалом під назвою плавлений кремнезем. Ця речовина відома своєю надзвичайно високою чистотою, високою температурою плавлення та низьким показником заломлення.
Команда, що складається з Роберта Маурера, Дональда Кека та Пітера Шульца, незабаром зрозуміла, що плавлений кремнезем можна використовувати для виготовлення нового типу дроту під назвою «оптичне хвилеводне волокно». Цей волоконно-оптичний дріт може передавати в 65,000 разів більше інформації, ніж традиційний мідний дріт. Крім того, світлові хвилі, які використовуються для передачі інформації, можуть бути розшифровані в пунктах призначення навіть за тисячі миль.
Цей винахід здійснив революцію в міжміському зв'язку та проклав шлях для сучасної волоконно-оптичної технології. Команда розв’язала проблему втрати децибел, визначену доктором Гао, і в 1973 році Джон Макчесні з Bell Laboratories вдосконалив процес хімічного осадження з парової фази для виробництва волокна. В результаті стало можливим комерційне виробництво волоконно-оптичних кабелів.
У квітні 1977 року General Telephone and Electronics Co. вперше використала волоконно-оптичну мережу для телефонного зв'язку в реальному часі в Лонг-Біч, Каліфорнія. У травні 1977 року лабораторії Белла незабаром послідували цьому прикладу, побудувавши оптичну телефонну систему зв’язку на 1,5 милі в центрі Чикаго. Кожна пара волокон може передавати 672 голосових каналу, що еквівалентно схемі DS3.
На початку 1980-х років волоконно-оптичний зв’язок другого покоління був розроблений для комерційного використання з використанням напівпровідникового лазера InGaAsP розміром 1.3-мікрон. У 1987 році ці системи працювали на бітових швидкостях до 1,7 Гбіт/с, з ретрансляторами, розташованими на відстані до 50 кілометрів один від одного.
Системи, що використовуються у волоконно-оптичних мережах третього покоління, працюють на 1,55 мікрон і мають втрати близько 0,2 дБ на кілометр.
Волоконно-оптичні системи зв’язку четвертого покоління покладаються на оптичне посилення, щоб зменшити кількість необхідних повторювачів, і на мультиплексування за довжиною хвилі (WDM) для збільшення ємності даних.
У 2006 році за допомогою оптичних підсилювачів на 160-кілометровій лінії було досягнуто бітової швидкості 14 терабіт (Тб) на секунду. До 2021 року японські вчені зможуть передавати 319 Тбіт/с на відстань 3,000 кілометрів за допомогою чотирижильного оптоволоконного кабелю.
Хоча ці волоконно-оптичні системи зв’язку четвертого покоління мають набагато більшу пропускну здатність, ніж попередні покоління, основний принцип той самий: перетворюйте електричні сигнали в оптичні імпульси, надсилайте їх через волоконну оптику, а потім перетворюйте їх назад в електричні сигнали на прийомі. кінець.
Проте компоненти кожного покоління стають меншими, надійнішими та дешевшими. У результаті волоконно-оптичний зв’язок стає все більш важливою частиною нашої глобальної телекомунікаційної інфраструктури.
Ключові тенденції оптичних мереж
Зосередьтеся на краю мережі
Край оптичної мережі – це місце, де трафік надходить і виходить з мережі. Щоб задовольнити вимоги хмарних програм, оптичні мережі наближаються до кінцевих користувачів. Це забезпечує меншу затримку та стабільнішу продуктивність.
Рівне шифрування
Оскільки кібератаки стають все більш поширеними, захист даних у русі залишатиметься головною проблемою. SASE (Secure Access Service Edge), використання хмарних функцій безпеки на кінцевих точках служби, нещодавно набуло поширення. Захист кінцевої точки може зробити непотрібним контроль безпеки підключених мереж.
Хоча це може не усунути потребу в шифруванні, воно захистить конфіденційні дані та програми. Без єдиного контролю безпеки захист рівня 1 стає дедалі складнішим.
Ми можемо краще захистити наші ресурси, зашифрувавши контроль, керування та трафік користувачів. Це робить хакерам майже неможливим проникнення в систему, що значно знижує шанси на успішну кібератаку. У міру того, як компанії все більше покладаються на дані та підключення, надійні рішення безпеки ставатимуть лише більш очевидними.
Відкрийте оптичну мережу
Відкрита оптична мережа — це оптична мережа, яка використовує стандартні відкриті інтерфейси для забезпечення інтеграції обладнання від різних постачальників. Це забезпечує більший вибір і гнучкість для компонентів оптичної мережі. Крім того, це полегшує додавання нових функцій і послуг, коли вони стають доступними.
Зростання спектру послуг
Оскільки трафік даних продовжує зростати, зростає потреба у більшій пропускній здатності та ємності. Спектральні послуги забезпечують це, використовуючи спектр для збільшення пропускної здатності існуючих волоконно-оптичних мереж. Популярність цих послуг зростає, оскільки вони забезпечують економічно ефективний спосіб задоволення зростаючих потреб у даних.
Більше розгортань на відкритому повітрі
Зовнішнє розгортання у вуличних шафах стає все більш поширеним, оскільки зростає попит на більшу пропускну здатність і ємність. Зовнішнє оптоволокно може пролягати безпосередньо до місця розташування клієнта, забезпечуючи більш пряме з’єднання та меншу затримку.
Компакт і модулятор
Оскільки оптичні мережі продовжують розвиватися, потреба в менших і компактніших компонентах стає все більш очевидною. Це тому, що простір у середовищі центру обробки даних часто обмежений. Компактна модульна оптика пропонує економію місця, забезпечуючи високу продуктивність.
Майбутнє оптичних мереж
Інтелектуальна оптична мережа
Інтелектуальні оптичні мережі — це оптичні мережі, які використовують штучний інтелект (AI) для оптимізації продуктивності. Штучний інтелект можна використовувати для автоматичного виявлення та усунення проблем у мережі. Це забезпечує більш ефективну та надійну мережу.
Крім того, ШІ можна використовувати для прогнозування майбутніх моделей трафіку та потреб. Ця інформація може бути використана для забезпечення пропускної здатності заздалегідь, гарантуючи, що мережа зможе задовольнити майбутні потреби.
Гнучка мережева архітектура
Гнучкі сітчасті архітектури стають все більш популярними, оскільки вони дають можливість збільшити пропускну здатність існуючих волокон. Гнучка сітка дозволяє мультиплексувати різні довжини хвилі світла на одному волокні. Це дозволяє передавати більше даних по кожному волокну, збільшуючи пропускну здатність мережі.
Мультиплексування за довжиною хвилі на вимогу
Мультиплексування за довжиною хвилі — це техніка, яка дозволяє передавати світлові хвилі кількох довжин по одному волокну. WDM на вимогу – це тип WDM, який забезпечує пропускну здатність за вимогою. Це означає, що ємність можна додати за потреби без встановлення нового волокна.
Оптичні мережі у все більш цифровому світі
Оптичні мережі пройшли довгий шлях за свою відносно коротку історію. З самого початку він є невід’ємною частиною багатьох великих мережевих інфраструктур. Це ключовий стовп Інтернету, який революціонізує спосіб нашого спілкування та відкриває еру безпрецедентного технологічного прогресу.
У міру розвитку таких тенденцій, як 5G, схоже, що оптичні мережі продовжуватимуть відігравати важливу роль у нашому все більш оцифрованому світі.
