Optisk nettverk er en teknologi som bruker lys til å overføre data mellom enheter. Den tilbyr høy båndbredde og lav ventetid og har vært de facto-standarden for langdistansedatakommunikasjon i mange år. Optisk fiber brukes til det meste av langdistanse tale- og datakommunikasjon over hele verden.
Optisk nettverk er viktig fordi det tillater høyhastighets dataoverføring over lange avstander. For eksempel sikrer det optiske nettverket at brukere i New York kan få tilgang til servere i Nairobi så raskt som fysikkens lover tillater.
Teknologien bak optisk nettverk er basert på prinsippet om total intern refleksjon. Når lys treffer overflaten til et medium som fiberoptisk kabel, reflekteres noe av lyset av overflaten. Vinkelen som lyset reflekteres i avhenger av mediets egenskaper og innfallsvinkelen (vinkelen som lyset treffer overflaten med).
Hvis innfallsvinkelen er større enn den kritiske vinkelen, reflekteres alt lys; dette kalles total intern refleksjon. Total intern refleksjon kan brukes til å lage optiske fibre, en type glass eller plast som leder lys langs lengden.
Når lys beveger seg gjennom fiberen, gjennomgår det flere totale interne refleksjoner, noe som får det til å sprette av fiberveggen. Denne spretteffekten får lyset til å bevege seg ned langs fiberen i et sikksakkmønster.
Ved å kontrollere fiberens egenskaper nøye, kan ingeniører kontrollere hvor mye lys som reflekteres og hvor langt det går før det reflekteres igjen. Dette tillot dem å designe optiske fibre som kunne overføre data over lange avstander uten å miste informasjon.
Optiske nettverk består av flere komponenter: optiske fibre, transceivere, forsterkere, multipleksere og optiske brytere.
Optisk fiber
Optisk fiber er mediet som bærer det optiske signalet. Den er sammensatt av en rekke materialer, inkludert:
①Kjerne: Senteret som bærer lys.
②Clad: Et materiale som omgir kjernen og hjelper til med å holde det optiske signalet innesluttet.
③ Bufferbelegg: Et materiale som beskytter den optiske fiberen mot skade.
Kjernen og kledningen er vanligvis laget av glass, mens bufferbelegget vanligvis er laget av plast.
Sender/mottaker
Transceivere er enheter som konverterer elektriske signaler til optiske signaler og omvendt, vanligvis implementert i den siste milen av en forbindelse. Det er grensesnittet mellom et optisk nettverk og de elektroniske enhetene som bruker det, for eksempel datamaskiner og rutere.
Forsterker
Som navnet antyder, er en forsterker en enhet som forsterker lyssignaler slik at de kan reise lange avstander uten å miste styrke. Forsterkere plasseres langs fiberen med jevne mellomrom for å forsterke signalet.
Multiplekser
En multiplekser er bare en enhet som tar flere signaler og kombinerer dem til et enkelt signal. Dette gjøres ved å tilordne hvert signal en annen bølgelengde av lys, slik at multiplekseren kan sende flere signaler samtidig langs en enkelt fiber uten forstyrrelser.
Lysbryter
En optisk bryter er en enhet som ruter optiske signaler fra en fiber til en annen. Optiske brytere brukes til å kontrollere trafikk i optiske nettverk og brukes vanligvis i nettverk med høy kapasitet.
Historien om optisk nettverk
Historien om optisk nettverk begynte på 1790-tallet da den franske oppfinneren Claude Chappe oppfant den optiske signaltelegrafen, et av de tidligste eksemplene på et optisk kommunikasjonssystem.
Nesten et århundre senere, i 1880, patenterte Alexander Graham Bell den elektrooptiske telefonen, et optisk telefonsystem. Mens Photophone var banebrytende, var Bells tidligere oppfinnelse av telefonen mer praktisk og tok en håndgripelig form. Derfor forlot Photophone aldri den eksperimentelle scenen.
Fram til 1920-tallet patenterte John Logie Baird i England og Clarence W. Hansell bare ideen om å bruke en rekke hule rør eller gjennomsiktige stenger for å overføre bilder til TV- eller fakssystemer.
I 1954 har den nederlandske vitenskapsmannen Abraham Van Heel og den britiske vitenskapsmannen Harold H. Hopkins publisert vitenskapelige artikler om traktografi. Hopkins fokuserte på ukledde fibre, mens Van Heel fokuserte kun på enkle kledde fiberbunter - en gjennomsiktig kledning med lavere brytningsindeks rundt den nakne fiberen.
Dette beskytter den fiberreflekterende overflaten mot ytre deformasjoner og reduserer interferens mellom fibre betydelig. Utviklingen av bildestråler var et viktig skritt i utviklingen av optiske fibre. Beskyttelse av fiberoverflaten mot ekstern interferens gir mer nøyaktig overføring av optiske signaler gjennom fiberen.
I 1960 hadde glasskledde fibre tap på omtrent 1 desibel (dB) per meter, egnet for medisinsk bildebehandling, men for høyt for kommunikasjon. I 1961 publiserte Elias Snitzer fra Optical Company of America en teoretisk beskrivelse av en optisk fiber med en liten kjerne som kunne overføre lys gjennom bare én bølgeledermodus.
I 1964 foreslo Dr. Kao et lystap på 10 eller 20 dB per kilometer. Denne standarden bidrar til å forbedre rekkevidden og påliteligheten til telekommunikasjonssystemer. I tillegg til arbeidet med tapsrater, demonstrerte Dr. Gao behovet for et renere glass for å redusere lystapet.
Sommeren 1970 begynte en gruppe forskere ved Corning Glass Works å eksperimentere med et nytt materiale kalt fused silica. Dette stoffet er kjent for sin ekstremt høye renhet, høye smeltepunkt og lave brytningsindeks.
Teamet, bestående av Robert Maurer, Donald Keck og Peter Schultz, innså snart at smeltet silika kunne brukes til å lage en ny type ledning kalt en "optisk bølgelederfiber." Denne fiberoptiske ledningen kan bære 65,000 ganger mer informasjon enn tradisjonell kobbertråd. Videre kan lysbølgene som brukes til å bære informasjon dekodes på destinasjoner selv tusen miles unna.
Denne oppfinnelsen revolusjonerte langdistansekommunikasjon og banet vei for dagens fiberoptiske teknologi. Teamet løste desibeltapsproblemet definert av Dr. Gao, og i 1973 forbedret John MacChesney ved Bell Laboratories den kjemiske dampavsetningsprosessen for fiberproduksjon. Som et resultat har kommersiell produksjon av optiske fiberkabler blitt mulig.
I april 1977 brukte General Telephone and Electronics Co. det fiberoptiske nettverket for første gang for sanntids telefonkommunikasjon i Long Beach, California. I mai 1977 fulgte Bell Labs snart etter, og bygde et optisk telefonkommunikasjonssystem som spenner over 1,5 mil i sentrum av Chicago. Hvert fiberpar kan overføre 672 talekanaler, tilsvarende en DS3-krets.
På begynnelsen av 1980-tallet ble andre generasjon fiberoptisk kommunikasjon designet for kommersiell bruk, ved bruk av en 1.3-mikron InGaAsP halvlederlaser. Disse systemene opererte med bithastigheter så høye som 1,7 Gbps i 1987, med repeatere med en avstand på opptil 50 kilometer fra hverandre.
Systemene som brukes i tredjegenerasjons fiberoptiske nettverk opererer på 1,55 mikron og har et tap på omtrent 0,2 dB per kilometer.
Fjerde generasjons fiberoptiske kommunikasjonssystemer er avhengige av optisk forsterkning for å redusere antall repeatere som kreves, og på bølgelengdedelingsmultipleksing (WDM) for å øke datakapasiteten.
I 2006 ble en bithastighet på 14 terabit (Tb) per sekund oppnådd på en 160-kilometer linje ved bruk av optiske forsterkere. Innen 2021 vil japanske forskere kunne overføre 319 Tbps over 3,000 kilometer ved hjelp av en firekjerners fiberoptisk kabel.
Mens disse fjerde generasjons fiberoptiske kommunikasjonssystemene har mye mer kapasitet enn tidligere generasjoner, er grunnprinsippet det samme: konverter elektriske signaler til optiske pulser, send dem over fiberoptikk, og konverter dem deretter tilbake til elektriske signaler ved mottaket slutt.
Komponentene til hver generasjon har imidlertid blitt mindre, mer pålitelige og rimeligere. Som et resultat har fiberoptisk kommunikasjon blitt en stadig viktigere del av vår globale telekommunikasjonsinfrastruktur.
Viktige trender innen optisk nettverk
Fokuser på nettverkskanten
Den optiske nettverkskanten er der trafikken flyter inn og ut av nettverket. For å møte kravene til skybaserte applikasjoner, beveger optiske nettverk seg nærmere sluttbrukerne. Dette gir lavere ventetid og mer konsistent ytelse.
Lagkryptering
Etter hvert som cyberangrep blir mer vanlig, vil databeskyttelse i bevegelse fortsette å være en stor bekymring. SASE (Secure Access Service Edge), bruken av skybaserte sikkerhetsfunksjoner ved tjenesteendepunkter, har nylig vunnet innpass. Endepunktbeskyttelse kan gjøre sikkerhetskontroller på tilkoblede nettverk unødvendig.
Selv om dette kanskje ikke eliminerer behovet for kryptering, vil det beskytte sensitive data og applikasjoner. Uten en enkelt sikkerhetskontroll blir lag 1-beskyttelse stadig vanskeligere.
Vi kan bedre beskytte ressursene våre ved å kryptere kontroll, administrasjon og brukertrafikk. Dette gjør det nesten umulig for hackere å bryte seg inn i systemet, noe som i stor grad reduserer sjansene for et vellykket cyberangrep. Etter hvert som bedrifter blir mer avhengige av data og tilkobling, vil robuste sikkerhetsløsninger bare bli mer tydelige.
Åpne optisk nettverk
Et åpent optisk nettverk er et optisk nettverk som bruker standard, åpne grensesnitt for å tillate integrering av utstyr fra forskjellige leverandører. Dette gir flere valgmuligheter og fleksibilitet for optiske nettverkskomponenter. I tillegg gjør det det enklere å legge til nye funksjoner og tjenester etter hvert som de blir tilgjengelige.
Vekst av spektrumtjenester
Ettersom datatrafikken fortsetter å vokse, øker også behovet for høyere båndbredde og kapasitet. Spektraltjenester gir dette ved å bruke spektrum til å øke kapasiteten i eksisterende fiberoptiske nettverk. Disse tjenestene vokser i popularitet fordi de gir en kostnadseffektiv måte å møte økende databehov.
Flere utendørs utplasseringer
Utendørs utplasseringer i gateskap blir mer vanlig ettersom etterspørselen etter høyere båndbredde og kapasitet vokser. Utendørs fiber kan kjøres direkte til kundens lokasjon, noe som gir en mer direkte tilkobling og lavere ventetid.
Kompakt og modulator
Etter hvert som optiske nettverk fortsetter å utvikle seg, blir behovet for mindre, mer kompakte komponenter stadig tydeligere. Dette er fordi plassen i et datasentermiljø ofte er begrenset. Kompakt modulær optikk tilbyr en plassbesparende tilnærming samtidig som den leverer høy ytelse.
Fremtiden for optisk nettverk
Intelligent optisk nettverk
Intelligente optiske nettverk er optiske nettverk som bruker kunstig intelligens (AI) for å optimalisere ytelsen. Kunstig intelligens kan brukes til automatisk å identifisere og rette opp problemer i nettverket. Dette gir et mer effektivt og pålitelig nettverk.
I tillegg kan AI brukes til å forutsi fremtidige trafikkmønstre og krav. Denne informasjonen kan brukes til å levere kapasitet på forhånd, og sikre at nettverket kan møte fremtidige krav.
Fleksibel rutenettarkitektur
Fleksible mesh-arkitekturer blir mer populære fordi de gir en måte å øke kapasiteten til eksisterende fibre på. Det fleksible rutenettet tillater multipleksing av forskjellige bølgelengder av lys på en enkelt fiber. Dette gjør at mer data kan overføres på hver fiber, noe som øker nettverkskapasiteten.
On-demand bølgelengdedelingsmultipleksing
Bølgelengdedelingsmultipleksing er en teknikk som gjør at flere bølgelengder av lys kan overføres på en enkelt fiber. On-demand WDM er en type WDM som tillater kapasitet på forespørsel. Dette betyr at kapasitet kan legges til etter behov uten å installere ny fiber.
Optisk nettverk i en stadig mer digital verden
Optisk nettverk har kommet langt i sin relativt korte historie. Fra en ydmyk begynnelse er den nå en viktig del av mange store nettverksinfrastrukturer. Det er en nøkkelpilar for Internett, som revolusjonerer måten vi kommuniserer på og innleder en tid med enestående teknologisk fremskritt.
Etter hvert som trender som 5G modnes, ser det ut til at optiske nettverk er klar til å fortsette å spille en viktig rolle i vår stadig mer digitaliserte verden.
