Optické sítě je technologie, která využívá světlo k přenosu dat mezi zařízeními. Nabízí vysokou šířku pásma a nízkou latenci a je de facto standardem pro datovou komunikaci na dlouhé vzdálenosti po mnoho let. Optické vlákno se používá pro většinu hlasových a datových komunikací na dlouhé vzdálenosti po celém světě.
Optické sítě jsou důležité, protože umožňují vysokorychlostní přenos dat na velké vzdálenosti. Například optická síť zajišťuje, že uživatelé v New Yorku mohou přistupovat k serverům v Nairobi tak rychle, jak to fyzikální zákony dovolují.
Technologie optických sítí je založena na principu úplného vnitřního odrazu. Když světlo dopadne na povrch média, jako je optický kabel, část světla se od povrchu odráží. Úhel, pod kterým se světlo odráží, závisí na vlastnostech prostředí a úhlu dopadu (úhel, pod kterým světlo dopadá na povrch).
Pokud je úhel dopadu větší než kritický úhel, pak se veškeré světlo odráží; tomu se říká totální vnitřní odraz. Totální vnitřní odraz lze použít k výrobě optických vláken, což je typ skla nebo plastu, který vede světlo po své délce.
Jak světlo prochází vláknem, podstupuje několik totálních vnitřních odrazů, které způsobují, že se odráží od stěny vlákna. Tento odrazový efekt způsobuje, že se světlo pohybuje po délce vlákna v klikatém vzoru.
Pečlivým řízením vlastností vlákna mohou inženýři řídit, kolik světla se odráží a jak daleko urazí, než se znovu odrazí. To jim umožnilo navrhnout optická vlákna, která by mohla přenášet data na velké vzdálenosti bez ztráty jakékoli informace.
Optické sítě se skládají z několika komponent: optická vlákna, transceivery, zesilovače, multiplexery a optické přepínače.
Optické vlákno
Optické vlákno je médium, které přenáší optický signál. Skládá se z různých materiálů, včetně:
①Core: Střed, který nese světlo.
②Clad: Materiál, který obklopuje jádro a pomáhá udržet optický signál obsažený.
③Buffer coating: Materiál, který chrání optické vlákno před poškozením.
Jádro a plášť jsou obvykle vyrobeny ze skla, zatímco nárazníkový povlak je obvykle vyroben z plastu.
Vysílač
Transceivery jsou zařízení, která převádějí elektrické signály na optické signály a naopak, obvykle implementované v poslední míli spojení. Je to rozhraní mezi optickou sítí a elektronickými zařízeními, která ji používají, jako jsou počítače a směrovače.
Zesilovač
Jak název napovídá, zesilovač je zařízení, které zesiluje světelné signály, takže mohou cestovat na velké vzdálenosti bez ztráty síly. Zesilovače jsou umístěny podél vlákna v pravidelných intervalech pro zesílení signálu.
Multiplexer
Multiplexer je pouze zařízení, které přijímá více signálů a spojuje je do jediného signálu. To se provádí přiřazením každého signálu jiné vlnové délky světla, což umožňuje multiplexeru posílat více signálů současně po jediném vláknu bez rušení.
Světelný spínač
Optický přepínač je zařízení, které směruje optické signály z jednoho vlákna do druhého. Optické přepínače se používají k řízení provozu v optických sítích a obvykle se používají ve vysokokapacitních sítích.
Historie optických sítí
Historie optických sítí začala v 90. letech 18. století, kdy francouzský vynálezce Claude Chappe vynalezl telegraf s optickým signálem, jeden z prvních příkladů optického komunikačního systému.
Téměř o století později, v roce 1880, Alexander Graham Bell patentoval elektro-optický telefon, optický telefonní systém. Zatímco Photophone byl průlomový, Bellův dřívější vynález telefonu byl praktičtější a měl hmatatelnou podobu. Proto Photophone nikdy neopustil experimentální fázi.
Až do dvacátých let minulého století si John Logie Baird v Anglii a Clarence W. Hansell patentovali pouze myšlenku použití řady dutých trubic nebo průhledných tyčí pro přenos obrazu pro televizní nebo faxové systémy.
V roce 1954 holandský vědec Abraham Van Heel a britský vědec Harold H. Hopkins publikovali vědecké práce o traktografii. Hopkins se zaměřil na neplátovaná vlákna, zatímco Van Heel se soustředil pouze na jednoduché plátované svazky vláken – průhledný plášť s nižším indexem lomu kolem holých vláken.
To chrání odraznou plochu vlákna před vnějšími deformacemi a výrazně snižuje interferenci mezi vlákny. Vývoj zobrazovacích paprsků byl důležitým krokem ve vývoji optických vláken. Ochrana povrchu vlákna před vnějším rušením umožňuje přesnější přenos optických signálů přes vlákno.
V roce 1960 měla vlákna pokrytá sklem ztráty asi 1 decibel (dB) na metr, což je vhodné pro lékařské zobrazování, ale příliš vysoké pro komunikaci. V roce 1961 publikoval Elias Snitzer z Optical Company of America teoretický popis optického vlákna s malým jádrem, které by mohlo přenášet světlo pouze jedním vlnovodem.
V roce 1964 Dr. Kao navrhl ztrátu světla 10 nebo 20 dB na kilometr. Tato norma pomáhá zlepšit dosah a spolehlivost telekomunikačních systémů. Kromě své práce na míře ztrát Dr. Gao prokázal potřebu čistšího skla, které by pomohlo snížit ztráty světla.
V létě 1970 začala skupina výzkumníků z Corning Glass Works experimentovat s novým materiálem zvaným tavený oxid křemičitý. Tato látka je známá svou extrémně vysokou čistotou, vysokým bodem tání a nízkým indexem lomu.
Tým složený z Roberta Maurera, Donalda Kecka a Petera Schultze brzy pochopil, že tavený oxid křemičitý lze použít k výrobě nového typu drátu zvaného „optické vlnovodné vlákno“. Tento optický kabel může přenést 65,{1}}krát více informací než tradiční měděný drát. Kromě toho lze světelné vlny používané k přenosu informací dekódovat v destinacích vzdálených dokonce tisíc mil.
Tento vynález způsobil revoluci v komunikaci na dlouhé vzdálenosti a vydláždil cestu pro dnešní technologii optických vláken. Tým vyřešil problém ztráty decibelů, který definoval Dr. Gao, a v roce 1973 John MacChesney z Bell Laboratories zlepšil proces chemické depozice par pro výrobu vláken. V důsledku toho se stala možná komerční výroba kabelů z optických vláken.
V dubnu 1977 společnost General Telephone and Electronics Co. poprvé použila síť optických vláken pro telefonickou komunikaci v reálném čase v Long Beach v Kalifornii. V květnu 1977 Bell Labs brzy následovaly a vybudovaly optický telefonní komunikační systém v délce 1,5 míle v centru Chicaga. Každý pár vláken může přenášet 672 hlasových kanálů, což odpovídá obvodu DS3.
Na počátku 80. let byla druhá generace optických komunikací navržena pro komerční použití s použitím 1,{3}}mikrometrového polovodičového laseru InGaAsP. Tyto systémy pracovaly v roce 1987 při přenosových rychlostech až 1,7 Gbps, přičemž opakovače byly od sebe vzdáleny až 50 kilometrů.
Systémy používané v sítích s optickými vlákny třetí generace pracují na 1,55 mikronu a mají ztrátu asi 0,2 dB na kilometr.
Komunikační systémy s optickými vlákny čtvrté generace spoléhají na optické zesílení ke snížení počtu požadovaných opakovačů a na vlnové multiplexování (WDM) ke zvýšení datové kapacity.
V roce 2006 bylo na 160-kilometrové trati pomocí optických zesilovačů dosaženo přenosové rychlosti 14 terabitů (Tb) za sekundu. Do roku 2021 budou japonští vědci schopni přenášet 319 Tb/s na vzdálenost 3,{6}} kilometrů pomocí čtyřžilového optického kabelu.
I když tyto optické komunikační systémy čtvrté generace mají mnohem větší kapacitu než předchozí generace, základní princip je stejný: převést elektrické signály na optické pulzy, poslat je přes optická vlákna a poté je převést zpět na elektrické signály na přijímači. konec.
Komponenty každé generace se však zmenšily, byly spolehlivější a levnější. V důsledku toho se komunikace z optických vláken stávají stále důležitější součástí naší globální telekomunikační infrastruktury.
Klíčové trendy v optických sítích
Zaměřte se na okraj sítě
Okraj optické sítě je místo, kde provoz proudí dovnitř a ven ze sítě. Aby byly splněny požadavky cloudových aplikací, optické sítě se přibližují koncovým uživatelům. To umožňuje nižší latenci a konzistentnější výkon.
Šifrování vrstvy
Vzhledem k tomu, že kybernetické útoky jsou stále běžnější, ochrana dat v pohybu bude i nadále hlavním problémem. SASE (Secure Access Service Edge), používání cloudových nativních bezpečnostních funkcí na koncových bodech služeb, se nedávno prosadilo. Ochrana koncových bodů může způsobit, že bezpečnostní kontroly v připojených sítích nejsou nutné.
I když to nemusí eliminovat potřebu šifrování, ochrání citlivá data a aplikace. Bez jediné kontroly zabezpečení se ochrana vrstvy 1 stává stále složitější.
Naše zdroje můžeme lépe chránit šifrováním kontroly, správy a uživatelského provozu. Díky tomu je pro hackery téměř nemožné proniknout do systému, což výrazně snižuje šance na úspěšný kybernetický útok. S tím, jak jsou podniky stále více závislé na datech a konektivitě, budou robustní bezpečnostní řešení stále zjevnější.
Otevřete optickou síť
Otevřená optická síť je optická síť, která využívá standardní otevřená rozhraní umožňující integraci zařízení od různých dodavatelů. To poskytuje větší výběr a flexibilitu pro optické síťové komponenty. Navíc usnadňuje přidávání nových funkcí a služeb, jakmile budou k dispozici.
Růst služeb spektra
S rostoucím datovým provozem roste i potřeba vyšší šířky pásma a kapacity. Spektrální služby to poskytují využitím spektra ke zvýšení kapacity stávajících sítí z optických vláken. Tyto služby jsou stále oblíbenější, protože poskytují nákladově efektivní způsob, jak uspokojit rostoucí požadavky na data.
Více venkovních nasazení
Venkovní nasazení v pouličních skříních je stále běžnější s tím, jak roste poptávka po vyšší šířce pásma a kapacitě. Venkovní vlákno může běžet přímo k místu zákazníka, což poskytuje přímější připojení a nižší latenci.
Kompaktní a modulátor
S tím, jak se optické sítě neustále vyvíjejí, je stále zjevnější potřeba menších a kompaktnějších komponent. Je to proto, že prostor v prostředí datového centra je často omezený. Kompaktní modulární optika nabízí prostorově úsporný přístup a přitom stále poskytuje vysoký výkon.
Budoucnost optických sítí
Inteligentní optická síť
Inteligentní optické sítě jsou optické sítě, které využívají umělou inteligenci (AI) k optimalizaci výkonu. Umělou inteligenci lze použít k automatické identifikaci a nápravě problémů v síti. To umožňuje efektivnější a spolehlivější síť.
Kromě toho lze umělou inteligenci použít k předpovídání budoucích vzorců provozu a požadavků. Tyto informace lze použít k zajištění kapacity předem, což zajistí, že síť bude schopna splnit budoucí požadavky.
Flexibilní gridová architektura
Flexibilní mesh architektury jsou stále populárnější, protože poskytují způsob, jak zvýšit kapacitu stávajících vláken. Flexibilní mřížka umožňuje multiplexování různých vlnových délek světla na jednom vláknu. To umožňuje přenášení více dat na každé vlákno, čímž se zvyšuje kapacita sítě.
Multiplexování s dělením vlnové délky na vyžádání
Multiplexování vlnových délek je technika, která umožňuje přenos více vlnových délek světla na jednom vláknu. On-demand WDM je typ WDM, který umožňuje kapacitu na vyžádání. To znamená, že kapacitu lze podle potřeby přidat bez instalace nového vlákna.
Optické sítě ve stále více digitálním světě
Optické sítě ušly ve své relativně krátké historii dlouhou cestu. Od skromných začátků je nyní nezbytnou součástí mnoha velkých síťových infrastruktur. Je to klíčový pilíř internetu, převratný způsob, jakým komunikujeme, a zahajuje éru bezprecedentního technologického pokroku.
Jak se trendy, jako je 5G, dozrávají, zdá se, že optické sítě jsou připraveny i nadále hrát důležitou roli v našem stále více digitalizovaném světě.
