Оптичните мрежи са технология, която използва светлина за предаване на данни между устройства. Той предлага висока честотна лента и ниска латентност и е де факто стандарт за комуникация на данни на дълги разстояния в продължение на много години. Оптичните влакна се използват за повечето гласови и информационни комуникации на дълги разстояния по света.
Оптичните мрежи са важни, защото позволяват високоскоростно предаване на данни на големи разстояния. Например, оптичната мрежа гарантира, че потребителите в Ню Йорк имат достъп до сървъри в Найроби толкова бързо, колкото позволяват законите на физиката.
Технологията зад оптичните мрежи се основава на принципа на пълното вътрешно отражение. Когато светлината удари повърхността на среда като оптичен кабел, част от светлината се отразява от повърхността. Ъгълът, под който се отразява светлината, зависи от свойствата на средата и ъгъла на падане (ъгълът, под който светлината попада върху повърхността).
Ако ъгълът на падане е по-голям от критичния ъгъл, тогава цялата светлина се отразява; това се нарича пълно вътрешно отражение. Пълното вътрешно отражение може да се използва за направата на оптични влакна, вид стъкло или пластмаса, които насочват светлината по дължината си.
Докато светлината преминава през влакното, тя претърпява множество пълни вътрешни отражения, което я кара да отскача от стената на влакното. Този ефект на отскачане кара светлината да се движи надолу по дължината на влакното в зигзагообразен модел.
Чрез внимателно контролиране на свойствата на влакното, инженерите могат да контролират колко светлина се отразява и колко далеч пътува, преди да бъде отразена отново. Това им позволи да проектират оптични влакна, които могат да предават данни на дълги разстояния, без да губят информация.
Оптичните мрежи се състоят от няколко компонента: оптични влакна, трансивъри, усилватели, мултиплексори и оптични комутатори.
Оптично влакно
Оптичното влакно е средата, която пренася оптичния сигнал. Състои се от различни материали, включително:
①Ядро: Центърът, който носи светлина.
②Облицовка: Материал, който обгражда сърцевината и спомага за задържането на оптичния сигнал.
③Буферно покритие: Материал, който предпазва оптичното влакно от повреда.
Ядрото и облицовката обикновено са направени от стъкло, докато буферното покритие обикновено е от пластмаса.
Трансивър
Трансивърите са устройства, които преобразуват електрически сигнали в оптични сигнали и обратно, обикновено се внедряват в последната миля от връзката. Това е интерфейсът между оптична мрежа и електронните устройства, които я използват, като компютри и рутери.
Усилвател
Както подсказва името, усилвателят е устройство, което усилва светлинните сигнали, така че те да могат да пътуват на дълги разстояния, без да губят сила. Усилвателите се поставят по дължината на влакното на равни интервали, за да усилят сигнала.
Мултиплексор
Мултиплексорът е просто устройство, което приема множество сигнали и ги комбинира в един сигнал. Това се прави чрез присвояване на всеки сигнал с различна дължина на вълната на светлината, което позволява на мултиплексора да изпраща множество сигнали едновременно по едно влакно без смущения.
Ключ за осветление
Оптичният комутатор е устройство, което насочва оптични сигнали от едно влакно към друго. Оптичните комутатори се използват за управление на трафика в оптичните мрежи и обикновено се използват в мрежи с голям капацитет.
История на оптичните мрежи
Историята на оптичните мрежи започва през 1790 г., когато френският изобретател Клод Шапе изобретява телеграфа с оптичен сигнал, един от най-ранните примери за оптична комуникационна система.
Почти век по-късно, през 1880 г., Александър Греъм Бел патентова електрооптичния телефон, оптична телефонна система. Докато фотофонът беше новаторски, по-ранното изобретение на телефона на Бел беше по-практично и прие осезаема форма. Следователно Photophone никога не е напускал експерименталната сцена.
До 20-те години на миналия век Джон Логи Бейрд в Англия и Кларънс У. Хензел патентоват само идеята за използване на набор от кухи тръби или прозрачни пръти за предаване на изображения за телевизионни или факс системи.
През 1954 г. холандският учен Ейбрахам Ван Хеел и британският учен Харолд Х. Хопкинс публикуваха научни статии по трактография. Хопкинс се фокусира върху влакна без обвивка, докато Ван Хеел се съсредоточи само върху снопове от прости влакна с обвивка - прозрачна обвивка с по-нисък индекс на пречупване около голото влакно.
Това предпазва отразяващата повърхност на влакното от външни деформации и значително намалява смущенията между влакната. Разработването на лъчи за изображения беше важна стъпка в развитието на оптичните влакна. Защитата на повърхността на влакното от външни смущения позволява по-точно предаване на оптични сигнали през влакното.
До 1960 г. стъклените влакна имат загуби от около 1 децибел (dB) на метър, подходящи за медицински изображения, но твърде високи за комуникации. През 1961 г. Елиас Сницер от Optical Company of America публикува теоретично описание на оптично влакно с малка сърцевина, което може да предава светлина само през един вълноводен режим.
През 1964 г. д-р Као предлага загуба на светлина от 10 или 20 dB на километър. Този стандарт помага за подобряване на обхвата и надеждността на телекомуникационните системи. В допълнение към работата си върху степента на загуба, д-р Гао демонстрира необходимостта от по-чисто стъкло, което да помогне за намаляване на загубата на светлина.
През лятото на 1970 г. група изследователи от Corning Glass Works започват да експериментират с нов материал, наречен разтопен силициев диоксид. Това вещество е известно със своята изключително висока чистота, висока точка на топене и нисък индекс на пречупване.
Екипът, състоящ се от Робърт Маурер, Доналд Кек и Питър Шулц, скоро осъзна, че разтопеният силициев диоксид може да се използва за направата на нов тип проводник, наречен "оптично вълноводно влакно". Този оптичен проводник може да пренесе 65,000 пъти повече информация от традиционния меден проводник. Освен това, светлинните вълни, използвани за пренасяне на информация, могат да бъдат декодирани на дестинации дори на хиляди мили.
Това изобретение революционизира комуникацията на дълги разстояния и проправи пътя за днешната оптична технология. Екипът решава проблема със загубата на децибели, дефиниран от д-р Гао, а през 1973 г. Джон Макчесни от Bell Laboratories подобрява процеса на химическо отлагане на пари за производство на влакна. В резултат на това стана възможно търговското производство на оптични кабели.
През април 1977 г. General Telephone and Electronics Co. използва оптичната мрежа за първи път за телефонна комуникация в реално време в Лонг Бийч, Калифорния. През май 1977 г. Bell Labs скоро последва примера, изграждайки оптична телефонна комуникационна система, обхващаща 2,5 мили в центъра на Чикаго. Всяка двойка влакна може да предава 672 гласови канала, еквивалентни на DS3 верига.
В началото на 80-те години на миналия век второто поколение оптични комуникации е проектирано за търговска употреба, като се използва полупроводников лазер InGaAsP от 13-микрона. Тези системи работеха с побитови скорости до 1,7 Gbps през 1987 г., с ретранслатори, разположени на разстояние до 50 километра.
Системите, използвани в оптични мрежи от трето поколение, работят при 1,55 микрона и имат загуба от около 0.2 dB на километър.
Комуникационните системи от оптични влакна от четвърто поколение разчитат на оптично усилване, за да намалят броя на необходимите ретранслатори, и на мултиплексиране по дължина на вълната (WDM) за увеличаване на капацитета на данните.
През 2006 г. беше постигната скорост от 14 терабита (Tb) в секунда на 160-километрова линия с помощта на оптични усилватели. До 2021 г. японските учени ще могат да предават 319 Tbps на 3,000 километра с помощта на четирижилен оптичен кабел.
Въпреки че тези оптични комуникационни системи от четвърто поколение имат много по-голям капацитет от предишните поколения, основният принцип е същият: преобразувайте електрическите сигнали в оптични импулси, изпращайте ги по оптични влакна и след това ги преобразувайте обратно в електрически сигнали при получаване край.
Въпреки това компонентите на всяко поколение стават по-малки, по-надеждни и по-евтини. В резултат на това оптичните комуникации стават все по-важна част от нашата глобална телекомуникационна инфраструктура.
Ключови тенденции в оптичните мрежи
Фокусирайте се върху ръба на мрежата
Краят на оптичната мрежа е мястото, където трафикът влиза и излиза от мрежата. За да отговорят на изискванията на базираните в облак приложения, оптичните мрежи се доближават до крайните потребители. Това позволява по-ниска латентност и по-последователна производителност.
Слоево криптиране
Тъй като кибератаките стават все по-чести, защитата на данните в движение ще продължи да бъде основна грижа. SASE (Secure Access Service Edge), използването на облачни функции за сигурност в крайните точки на услугата, наскоро придоби популярност. Защитата на крайната точка може да направи контролите за сигурност на свързаните мрежи ненужни.
Въпреки че това може да не елиминира необходимостта от криптиране, то ще защити чувствителните данни и приложения. Без нито един контрол на сигурността защитата от ниво 1 става все по-сложна.
Можем да защитим по-добре ресурсите си чрез криптиране на контрола, управлението и потребителския трафик. Това прави почти невъзможно хакерите да проникнат в системата, което значително намалява шансовете за успешна кибератака. Тъй като бизнесите стават все по-зависими от данни и свързаност, стабилните решения за сигурност ще стават все по-очевидни.
Отворете оптична мрежа
Отворената оптична мрежа е оптична мрежа, която използва стандартни отворени интерфейси, за да позволи интегриране на оборудване от различни доставчици. Това осигурява по-голям избор и гъвкавост за оптичните мрежови компоненти. Освен това улеснява добавянето на нови функции и услуги, когато станат достъпни.
Растеж на спектралните услуги
Тъй като трафикът на данни продължава да расте, нараства и нуждата от по-голяма честотна лента и капацитет. Спектралните услуги осигуряват това чрез използване на спектър за увеличаване на капацитета на съществуващите оптични мрежи. Тези услуги стават все по-популярни, защото предоставят рентабилен начин за посрещане на нарастващите изисквания за данни.
Повече внедрявания на открито
Разполагането на открито в улични шкафове става все по-често срещано, тъй като търсенето на по-висока честотна лента и капацитет нараства. Външните влакна могат да се движат директно до местоположението на клиента, осигурявайки по-директна връзка и по-ниска латентност.
Компактен и модулатор
Тъй като оптичните мрежи продължават да се развиват, необходимостта от по-малки, по-компактни компоненти става все по-очевидна. Това е така, защото пространството в средата на центъра за данни често е ограничено. Компактната модулна оптика предлага пестящ място подход, като същевременно осигурява висока производителност.
Бъдещето на оптичните мрежи
Интелигентна оптична мрежа
Интелигентните оптични мрежи са оптични мрежи, които използват изкуствен интелект (AI) за оптимизиране на производителността. Изкуственият интелект може да се използва за автоматично идентифициране и коригиране на проблеми в мрежата. Това позволява по-ефективна и надеждна мрежа.
Освен това AI може да се използва за прогнозиране на бъдещи модели и изисквания на трафика. Тази информация може да се използва за предварително осигуряване на капацитет, като се гарантира, че мрежата може да отговори на бъдещи изисквания.
Гъвкава мрежова архитектура
Гъвкавите мрежести архитектури стават все по-популярни, защото предоставят начин за увеличаване на капацитета на съществуващите влакна. Гъвкавата мрежа позволява мултиплексиране на различни дължини на вълната на светлината върху едно влакно. Това позволява да се пренасят повече данни по всяко влакно, увеличавайки капацитета на мрежата.
Мултиплексиране по дължина на вълната при поискване
Мултиплексирането по дължина на вълната е техника, която позволява множество дължини на вълната на светлината да се предават по едно влакно. WDM при поискване е вид WDM, който позволява капацитет при поискване. Това означава, че капацитетът може да се добави според нуждите, без да се инсталира ново влакно.
Оптични мрежи в един все по-дигитален свят
Оптичните мрежи изминаха дълъг път в сравнително кратката си история. От скромно начало сега е съществена част от много големи мрежови инфраструктури. Това е ключов стълб на Интернет, който революционизира начина, по който комуникираме и поставя началото на ера на безпрецедентен технологичен напредък.
Тъй като тенденции като 5G узряват, изглежда, че оптичните мрежи са готови да продължат да играят важна роля в нашия все по-дигитализиран свят.
