Rețeaua optică este o tehnologie care folosește lumina pentru a transmite date între dispozitive. Oferă lățime de bandă mare și latență scăzută și a fost standardul de facto pentru comunicațiile de date la distanță lungă de mulți ani. Fibra optică este utilizată pentru majoritatea comunicațiilor de voce și date la distanță lungă din întreaga lume.
Rețeaua optică este importantă deoarece permite transmiterea de date de mare viteză pe distanțe lungi. De exemplu, rețeaua optică asigură că utilizatorii din New York pot accesa serverele din Nairobi cât de repede permit legile fizicii.
Tehnologia din spatele rețelelor optice se bazează pe principiul reflexiei interne totale. Când lumina atinge suprafața unui mediu, cum ar fi cablul de fibră optică, o parte din lumină este reflectată de suprafață. Unghiul la care lumina este reflectată depinde de proprietățile mediului și de unghiul de incidență (unghiul la care lumina lovește suprafața).
Dacă unghiul de incidență este mai mare decât unghiul critic, atunci toată lumina este reflectată; aceasta se numește reflexie internă totală. Reflexia internă totală poate fi folosită pentru a face fibre optice, un tip de sticlă sau plastic care ghidează lumina pe lungimea sa.
Pe măsură ce lumina călătorește prin fibră, aceasta suferă multiple reflexii interne totale, determinând-o să sară pe peretele fibrei. Acest efect de săritură face ca lumina să călătorească pe lungimea fibrei într-un model în zig-zag.
Controlând cu atenție proprietățile fibrei, inginerii pot controla cât de multă lumină este reflectată și cât de departe se deplasează înainte de a fi reflectată din nou. Acest lucru le-a permis să proiecteze fibre optice care ar putea transmite date pe distanțe lungi fără a pierde nicio informație.
Rețelele optice constau din mai multe componente: fibre optice, transceiver, amplificatoare, multiplexoare și comutatoare optice.
Fibră optică
Fibra optică este mediul care transportă semnalul optic. Este compus dintr-o varietate de materiale, printre care:
①Core: Centrul care transportă lumină.
②Clad: Un material care înconjoară miezul și ajută la menținerea conținutului semnalului optic.
③Acoperire tampon: un material care protejează fibra optică de deteriorare.
Miezul și placarea sunt de obicei realizate din sticlă, în timp ce stratul tampon este de obicei din plastic.
Transceiver
Transceiverele sunt dispozitive care convertesc semnalele electrice în semnale optice și invers, implementate de obicei în ultimul mile al unei conexiuni. Este interfața dintre o rețea optică și dispozitivele electronice care o folosesc, cum ar fi computerele și routerele.
Amplificator
După cum sugerează și numele, un amplificator este un dispozitiv care amplifică semnalele luminoase, astfel încât acestea să poată călători pe distanțe lungi fără a-și pierde puterea. Amplificatoarele sunt plasate de-a lungul fibrei la intervale regulate pentru a spori semnalul.
Multiplexor
Un multiplexor este doar un dispozitiv care preia mai multe semnale și le combină într-un singur semnal. Acest lucru se realizează atribuind fiecărui semnal o lungime de undă diferită de lumină, permițând multiplexorului să trimită mai multe semnale simultan de-a lungul unei singure fibre, fără interferențe.
Comutator de lumină
Un comutator optic este un dispozitiv care direcționează semnalele optice de la o fibră la alta. Comutatoarele optice sunt folosite pentru a controla traficul în rețelele optice și sunt utilizate de obicei în rețelele de mare capacitate.
Istoria rețelelor optice
Istoria rețelelor optice a început în anii 1790, când inventatorul francez Claude Chappe a inventat telegraful cu semnal optic, unul dintre cele mai vechi exemple de sistem de comunicații optice.
Aproape un secol mai târziu, în 1880, Alexander Graham Bell a brevetat telefonul electro-optic, un sistem de telefonie optic. În timp ce Fotofonul era revoluționar, invenția anterioară a telefonului de către Bell a fost mai practică și a luat o formă tangibilă. Prin urmare, Photophone nu a părăsit niciodată stadiul experimental.
Până în anii 1920, John Logie Baird din Anglia și Clarence W. Hansell au brevetat doar ideea de a folosi o serie de tuburi goale sau tije transparente pentru a transmite imagini pentru sistemele de televiziune sau fax.
În 1954, omul de știință olandez Abraham Van Heel și savantul britanic Harold H. Hopkins au publicat fiecare lucrări științifice despre tractografie. Hopkins s-a concentrat pe fibrele neclad, în timp ce Van Heel s-a concentrat doar pe fasciculele simple de fibre îmbrăcate - o placare transparentă cu un indice de refracție mai scăzut în jurul fibrei goale.
Acest lucru protejează suprafața reflectorizante a fibrei de deformațiile externe și reduce semnificativ interferența dintre fibre. Dezvoltarea fasciculelor imagistice a fost un pas important în dezvoltarea fibrelor optice. Protejarea suprafeței fibrei de interferențe externe permite o transmitere mai precisă a semnalelor optice prin fibră.
Până în 1960, fibrele placate cu sticlă aveau pierderi de aproximativ 1 decibel (dB) pe metru, potrivite pentru imagistica medicală, dar prea mari pentru comunicații. În 1961, Elias Snitzer de la Optical Company of America a publicat o descriere teoretică a unei fibre optice cu un miez minuscul care ar putea transmite lumina printr-un singur mod de ghidare de undă.
În 1964, Dr. Kao a propus o pierdere de lumină de 10 sau 20 dB pe kilometru. Acest standard ajută la îmbunătățirea gamei și fiabilității sistemelor de telecomunicații. Pe lângă munca sa privind ratele de pierdere, Dr. Gao a demonstrat necesitatea unui pahar mai pur pentru a ajuta la reducerea pierderilor de lumină.
În vara anului 1970, un grup de cercetători de la Corning Glass Works a început să experimenteze cu un nou material numit silice topită. Această substanță este cunoscută pentru puritatea sa extrem de ridicată, punctul de topire ridicat și indicele de refracție scăzut.
Echipa, formată din Robert Maurer, Donald Keck și Peter Schultz, și-a dat seama curând că silicea topită ar putea fi folosită pentru a face un nou tip de sârmă numit „fibră de ghid de undă optică”. Acest fir de fibră optică poate transporta de 65,000 ori mai multe informații decât firul tradițional de cupru. Mai mult, undele de lumină folosite pentru a transporta informații pot fi decodificate la destinații chiar și la o mie de mile distanță.
Această invenție a revoluționat comunicarea la distanță lungă și a deschis calea pentru tehnologia de fibră optică de astăzi. Echipa a rezolvat problema pierderii de decibeli definită de Dr. Gao, iar în 1973 John MacChesney de la Bell Laboratories a îmbunătățit procesul de depunere chimică în vapori pentru producția de fibre. Ca rezultat, producția comercială de cabluri de fibră optică a devenit posibilă.
În aprilie 1977, General Telephone and Electronics Co. a folosit pentru prima dată rețeaua de fibră optică pentru comunicații telefonice în timp real în Long Beach, California. În mai 1977, Bell Labs a urmat în curând exemplul, construind un sistem optic de comunicații telefonice care se întinde pe 1,5 mile în zona centrală a orașului Chicago. Fiecare pereche de fibre poate transmite 672 de canale de voce, echivalentul unui circuit DS3.
La începutul anilor 1980, a doua generație de comunicații prin fibră optică a fost proiectată pentru uz comercial, folosind un laser semiconductor InGaAsP de 1,3-micron. Aceste sisteme funcționau la rate de biți de până la 1,7 Gbps în 1987, cu repetoare distanțate până la 50 de kilometri.
Sistemele utilizate în rețelele de fibră optică din a treia generație funcționează la 1,55 microni și au o pierdere de aproximativ 0,2 dB pe kilometru.
Sistemele de comunicații cu fibră optică din a patra generație se bazează pe amplificarea optică pentru a reduce numărul de repetoare necesare și pe multiplexarea prin diviziune a lungimii de undă (WDM) pentru a crește capacitatea de date.
În 2006, a fost atinsă o rată de biți de 14 terabiți (Tb) pe secundă pe o linie de 160-kilometri folosind amplificatoare optice. Până în 2021, oamenii de știință japonezi vor putea transmite 319 Tbps pe 3,000 kilometri folosind un cablu de fibră optică cu patru fire.
În timp ce aceste sisteme de comunicații cu fibră optică din a patra generație au o capacitate mult mai mare decât generațiile anterioare, principiul de bază este același: convertiți semnalele electrice în impulsuri optice, trimiteți-le prin fibră optică și apoi convertiți-le înapoi în semnale electrice la recepție. Sfârşit.
Cu toate acestea, componentele fiecărei generații au devenit mai mici, mai fiabile și mai puțin costisitoare. Ca urmare, comunicațiile prin fibră optică au devenit o parte din ce în ce mai importantă a infrastructurii noastre globale de telecomunicații.
Tendințe cheie în rețelele optice
Concentrați-vă pe marginea rețelei
Marginea rețelei optice este locul în care traficul circulă în și din rețea. Pentru a satisface cerințele aplicațiilor bazate pe cloud, rețelele optice se apropie de utilizatorii finali. Acest lucru permite o latență mai mică și o performanță mai consistentă.
Criptare strat
Pe măsură ce atacurile cibernetice devin tot mai frecvente, protecția datelor în mișcare va continua să fie o preocupare majoră. SASE (Secure Access Service Edge), utilizarea caracteristicilor de securitate native din cloud la punctele finale de serviciu, a câștigat recent popularitate. Protecția punctelor finale poate face ca controalele de securitate pe rețelele conectate să nu fie necesare.
Deși acest lucru poate să nu elimine necesitatea criptării, va proteja datele și aplicațiile sensibile. Fără un singur control de securitate, protecția de nivel 1 devine din ce în ce mai dificilă.
Ne putem proteja mai bine resursele prin criptarea controlului, gestionării și traficului utilizatorilor. Acest lucru face aproape imposibil ca hackerii să intre în sistem, reducând foarte mult șansele unui atac cibernetic de succes. Pe măsură ce companiile devin tot mai dependente de date și conectivitate, soluțiile de securitate robuste vor deveni mai evidente.
Deschideți rețeaua optică
O rețea optică deschisă este o rețea optică care utilizează interfețe standard deschise pentru a permite integrarea echipamentelor de la diferiți furnizori. Acest lucru oferă mai multe opțiuni și flexibilitate pentru componentele rețelei optice. În plus, facilitează adăugarea de noi funcții și servicii pe măsură ce acestea devin disponibile.
Creșterea serviciilor de spectru
Pe măsură ce traficul de date continuă să crească, crește și nevoia de lățime de bandă și capacitate mai mare. Serviciile spectrale oferă acest lucru prin utilizarea spectrului pentru a crește capacitatea rețelelor de fibră optică existente. Aceste servicii sunt în creștere în popularitate deoarece oferă o modalitate rentabilă de a satisface cerințele tot mai mari de date.
Mai multe implementări în aer liber
Implementările în aer liber în dulapuri stradale devin din ce în ce mai frecvente pe măsură ce cererea de lățime de bandă și capacitate mai mare crește. Fibra în aer liber poate rula direct la locația clientului, oferind o conexiune mai directă și o latență mai mică.
Compact și modulator
Pe măsură ce rețelele optice continuă să evolueze, nevoia de componente mai mici și mai compacte devine din ce în ce mai evidentă. Acest lucru se datorează faptului că spațiul într-un mediu de centru de date este adesea limitat. Optica modulară compactă oferă o abordare care economisește spațiu, oferind totuși performanțe ridicate.
Viitorul rețelelor optice
Rețea optică inteligentă
Rețelele optice inteligente sunt rețele optice care utilizează inteligența artificială (AI) pentru a optimiza performanța. Inteligența artificială poate fi folosită pentru a identifica și corecta automat problemele din rețea. Acest lucru permite o rețea mai eficientă și mai fiabilă.
În plus, inteligența artificială poate fi folosită pentru a prezice modelele și cerințele viitoare de trafic. Aceste informații pot fi folosite pentru a furniza capacitatea în avans, asigurându-se că rețeaua poate satisface cerințele viitoare.
Arhitectură de rețea flexibilă
Arhitecturile flexibile de plasă devin din ce în ce mai populare, deoarece oferă o modalitate de a crește capacitatea fibrelor existente. Grila flexibilă permite multiplexarea diferitelor lungimi de undă de lumină pe o singură fibră. Acest lucru permite transportarea mai multor date pe fiecare fibră, crescând capacitatea rețelei.
Multiplexare pe diviziune a lungimii de undă la cerere
Multiplexarea prin diviziune în lungime de undă este o tehnică care permite transmiterea mai multor lungimi de undă de lumină pe o singură fibră. WDM la cerere este un tip de WDM care permite capacitate la cerere. Aceasta înseamnă că capacitatea poate fi adăugată după cum este necesar, fără a instala fibre noi.
Rețele optice într-o lume din ce în ce mai digitală
Rețelele optice au parcurs un drum lung în istoria sa relativ scurtă. De la începuturi umile, acum este o parte esențială a multor infrastructuri mari de rețea. Este un pilon cheie al internetului, revoluționând modul în care comunicăm și inaugurând o eră de progres tehnologic fără precedent.
Pe măsură ce tendințele precum 5G se maturizează, se pare că rețelele optice sunt gata să continue să joace un rol important în lumea noastră din ce în ce mai digitalizată.
