Optinen verkko on tekniikka, joka käyttää valoa tiedon siirtämiseen laitteiden välillä. Se tarjoaa suuren kaistanleveyden ja alhaisen latenssin, ja se on ollut tosiasiallinen standardi pitkän matkan dataviestinnässä useiden vuosien ajan. Optista kuitua käytetään useimpiin pitkän matkan puhe- ja dataviestintään maailmanlaajuisesti.
Optinen verkko on tärkeä, koska se mahdollistaa nopean tiedonsiirron pitkiä matkoja. Esimerkiksi optinen verkko varmistaa, että käyttäjät New Yorkissa pääsevät Nairobin palvelimiin niin nopeasti kuin fysiikan lait sallivat.
Optisen verkkotekniikan taustalla oleva tekniikka perustuu täydellisen sisäisen heijastuksen periaatteeseen. Kun valo osuu väliaineen, kuten valokaapelin, pintaan, osa valosta heijastuu pinnalta. Valon heijastuskulma riippuu väliaineen ominaisuuksista ja tulokulmasta (kulmasta, jossa valo osuu pintaan).
Jos tulokulma on suurempi kuin kriittinen kulma, kaikki valo heijastuu; tätä kutsutaan täydelliseksi sisäiseksi heijastukseksi. Täydellisen sisäisen heijastuksen avulla voidaan valmistaa optisia kuituja, lasia tai muovia, joka ohjaa valoa sen pituudella.
Kun valo kulkee kuidun läpi, se läpikäy useita sisäisiä kokonaisheijastuksia, jolloin se pomppii kuidun seinämästä. Tämä pomppimisvaikutus saa valon kulkemaan kuidun pituutta pitkin siksak-kuviolla.
Hallitsemalla huolellisesti kuidun ominaisuuksia insinöörit voivat hallita, kuinka paljon valoa heijastuu ja kuinka pitkälle se kulkee ennen kuin se heijastuu uudelleen. Tämä antoi heille mahdollisuuden suunnitella optisia kuituja, jotka pystyivät lähettämään tietoja pitkiä matkoja menettämättä mitään tietoja.
Optiset verkot koostuvat useista komponenteista: optisista kuiduista, lähetin-vastaanottimista, vahvistimista, multipleksereistä ja optisista kytkimistä.
Optinen kuitu
Optinen kuitu on väline, joka kuljettaa optista signaalia. Se koostuu useista materiaaleista, mukaan lukien:
①Ydin: Valoa kuljettava keskus.
② Verhottu: Materiaali, joka ympäröi ydintä ja auttaa pitämään optisen signaalin sisällä.
③Puskuripinnoite: Materiaali, joka suojaa optista kuitua vaurioilta.
Ydin ja verhous on yleensä valmistettu lasista, kun taas puskuripinnoite on yleensä muovia.
Lähetin-vastaanotin
Lähetin-vastaanottimet ovat laitteita, jotka muuntavat sähköiset signaalit optisiksi signaaleiksi ja päinvastoin, yleensä toteutetaan yhteyden viimeisellä maililla. Se on liitäntä optisen verkon ja sitä käyttävien elektronisten laitteiden, kuten tietokoneiden ja reitittimien, välillä.
Vahvistin
Kuten nimestä voi päätellä, vahvistin on laite, joka vahvistaa valosignaaleja, jotta ne voivat kulkea pitkiä matkoja menettämättä voimaa. Kuitua pitkin sijoitetaan vahvistimet säännöllisin väliajoin signaalin tehostamiseksi.
Multiplekseri
Multiplekseri on vain laite, joka ottaa useita signaaleja ja yhdistää ne yhdeksi signaaliksi. Tämä tehdään määrittämällä jokaiselle signaalille erilainen valon aallonpituus, jolloin multiplekseri voi lähettää useita signaaleja samanaikaisesti yhtä kuitua pitkin ilman häiriöitä.
Valokytkin
Optinen kytkin on laite, joka reitittää optiset signaalit kuidusta toiseen. Optisia kytkimiä käytetään ohjaamaan liikennettä optisissa verkoissa, ja niitä käytetään tyypillisesti suurikapasiteettisissa verkoissa.
Optisen verkon historia
Optisen verkkotoiminnan historia alkoi 1790-luvulla, kun ranskalainen keksijä Claude Chappe keksi optisen signaalin lennätin, yhden varhaisimmista esimerkeistä optisesta viestintäjärjestelmästä.
Lähes sata vuotta myöhemmin, vuonna 1880, Alexander Graham Bell patentoi sähköoptisen puhelimen, optisen puhelinjärjestelmän. Vaikka Photophone oli uraauurtava, Bellin aikaisempi keksintö puhelin oli käytännöllisempi ja otti konkreettisen muodon. Siksi Photophone ei koskaan poistunut kokeellisesta vaiheesta.
1920-luvulle asti John Logie Baird Englannissa ja Clarence W. Hansell patentoivat vain ajatuksen onttojen putkien tai läpinäkyvien tankojen joukon käyttämisestä kuvien lähettämiseen televisio- tai faksijärjestelmiin.
Vuonna 1954 hollantilainen tiedemies Abraham Van Heel ja brittiläinen tiedemies Harold H. Hopkins ovat kumpikin julkaisseet tieteellisiä artikkeleita traktografiasta. Hopkins keskittyi päällystämättömiin kuituihin, kun taas Van Heel keskittyi vain yksinkertaisiin päällystettyihin kuitukimppuihin - läpinäkyvään verhoukseen, jonka taitekerroin on pienempi paljaan kuidun ympärillä.
Tämä suojaa kuidun heijastavaa pintaa ulkoisilta muodonmuutoksilta ja vähentää merkittävästi kuitujen välistä häiriötä. Kuvasäteiden kehittäminen oli tärkeä askel optisten kuitujen kehityksessä. Kuitupinnan suojaaminen ulkoisilta häiriöiltä mahdollistaa optisten signaalien tarkemman siirron kuidun läpi.
Vuoteen 1960 mennessä lasipäällysteisten kuitujen häviöt olivat noin 1 desibeli (dB) metriä kohti, mikä soveltui lääketieteelliseen kuvantamiseen, mutta liian suuri viestintään. Vuonna 1961 Elias Snitzer Optical Company of Americasta julkaisi teoreettisen kuvauksen optisesta kuidusta, jossa on pieni ydin ja joka pystyi lähettämään valoa vain yhden aaltoputkimoodin kautta.
Vuonna 1964 tohtori Kao ehdotti valohäviötä 10 tai 20 dB kilometriä kohden. Tämä standardi auttaa parantamaan tietoliikennejärjestelmien valikoimaa ja luotettavuutta. Hävikkiasteita koskevan työnsä lisäksi tohtori Gao osoitti puhtaamman lasin tarpeen valohäviön vähentämiseksi.
Kesällä 1970 Corning Glass Worksin tutkijaryhmä alkoi kokeilla uutta materiaalia nimeltä sulatettu piidioksidi. Tämä aine tunnetaan erittäin korkeasta puhtaudesta, korkeasta sulamispisteestä ja alhaisesta taitekertoimesta.
Robert Maurerista, Donald Keckistä ja Peter Schultzista koostuva tiimi ymmärsi pian, että sulatettua piidioksidia voitaisiin käyttää uudentyyppisen langan valmistamiseen, jota kutsutaan "optiseksi aaltoputkikuiduksi". Tämä valokuitujohto voi kuljettaa 65,000 kertaa enemmän tietoa kuin perinteinen kuparilanka. Lisäksi tiedon kuljettamiseen käytettävät valoaallot voidaan purkaa jopa tuhannen mailin päässä olevissa kohteissa.
Tämä keksintö mullisti pitkän matkan viestinnän ja tasoitti tietä nykypäivän kuituoptiselle teknologialle. Tiimi ratkaisi tohtori Gaon määrittelemän desibelihäviöongelman, ja vuonna 1973 John MacChesney Bell Laboratoriesista paransi kuidutuotannon kemiallista höyrypinnoitusprosessia. Tämän seurauksena optisten kuitukaapeleiden kaupallinen tuotanto on tullut mahdolliseksi.
Huhtikuussa 1977 General Telephone and Electronics Co. käytti kuituoptista verkkoa ensimmäistä kertaa reaaliaikaiseen puhelinviestintään Long Beachissä, Kaliforniassa. Toukokuussa 1977 Bell Labs seurasi pian esimerkkiä ja rakensi optisen puhelinviestintäjärjestelmän, joka kattaa 2,5 mailia Chicagon keskustan alueelle. Jokainen kuitupari voi lähettää 672 puhekanavaa, mikä vastaa DS3-piiriä.
1980-luvun alussa toisen sukupolven kuituoptinen viestintä suunniteltiin kaupalliseen käyttöön käyttämällä 13-mikronin InGaAsP-puolijohdelaseria. Nämä järjestelmät toimivat jopa 1,7 Gbps:n bittinopeudella vuonna 1987, ja toistimet olivat jopa 50 kilometrin etäisyydellä toisistaan.
Kolmannen sukupolven valokuituverkoissa käytetyt järjestelmät toimivat 1,55 mikronilla ja niiden häviö on noin 0,2 dB kilometriä kohden.
Neljännen sukupolven kuituoptiset viestintäjärjestelmät luottavat optiseen vahvistukseen tarvittavien toistimien määrän vähentämiseksi ja aallonpituusjakokanavointiin (WDM) datakapasiteetin lisäämiseksi.
Vuonna 2006 bittinopeus 14 terabittiä (Tb) sekunnissa saavutettiin 160-kilometrin linjalla käyttämällä optisia vahvistimia. Vuoteen 2021 mennessä japanilaiset tutkijat pystyvät lähettämään 319 Tbps yli 3,000 kilometrin etäisyydellä neliytimisellä valokuitukaapelilla.
Vaikka näissä neljännen sukupolven kuituoptisissa viestintäjärjestelmissä on paljon enemmän kapasiteettia kuin aikaisemmissa sukupolvissa, perusperiaate on sama: muuntaa sähköiset signaalit optisiksi pulsseiksi, lähettää ne kuituoptiikan kautta ja muuntaa ne sitten takaisin sähköisiksi signaaleiksi vastaanottimessa. loppu.
Jokaisen sukupolven komponenteista on kuitenkin tullut pienempiä, luotettavampia ja halvempia. Tämän seurauksena valokuituviestinnästä on tullut yhä tärkeämpi osa maailmanlaajuista tietoliikenneinfrastruktuuriamme.
Tärkeimmät suuntaukset optisessa verkkotoiminnassa
Keskity verkon reunaan
Optisen verkon reuna on paikka, jossa liikenne virtaa verkkoon ja sieltä pois. Pilvipohjaisten sovellusten vaatimusten täyttämiseksi optiset verkot ovat siirtymässä lähemmäs loppukäyttäjiä. Tämä mahdollistaa pienemmän viiveen ja tasaisemman suorituskyvyn.
Kerroksen salaus
Kun kyberhyökkäykset yleistyvät, tietosuoja liikkeessä on jatkossakin suuri huolenaihe. SASE (Secure Access Service Edge), pilvipohjaisten suojausominaisuuksien käyttö palvelun päätepisteissä, on viime aikoina saanut vetoa. Päätepistesuojaus voi tehdä yhdistettyjen verkkojen suojausohjauksista tarpeettomia.
Vaikka tämä ei välttämättä poista salauksen tarvetta, se suojaa arkaluontoisia tietoja ja sovelluksia. Ilman yhtä suojaushallintaa kerroksen 1 suojauksesta tulee yhä hankalampaa.
Voimme suojata resurssejamme paremmin salaamalla ohjaus-, hallinta- ja käyttäjäliikenteen. Tämä tekee hakkereista lähes mahdotonta murtautua järjestelmään, mikä vähentää huomattavasti onnistuneen kyberhyökkäyksen mahdollisuuksia. Kun yritykset ovat entistä riippuvaisempia datasta ja yhteyksistä, kestävät tietoturvaratkaisut tulevat vain selvemmiksi.
Avaa optinen verkko
Avoin optinen verkko on optinen verkko, joka käyttää tavallisia, avoimia rajapintoja mahdollistaakseen eri valmistajien laitteiden integroinnin. Tämä tarjoaa enemmän valinnanvaraa ja joustavuutta optisille verkkokomponenteille. Lisäksi se helpottaa uusien ominaisuuksien ja palveluiden lisäämistä niiden tullessa saataville.
Taajuuspalveluiden kasvu
Kun dataliikenne kasvaa jatkuvasti, tarve lisää kaistanleveyttä ja kapasiteettia kasvaa. Spektripalvelut tarjoavat tämän käyttämällä taajuuksia olemassa olevien valokuituverkkojen kapasiteetin lisäämiseen. Näiden palveluiden suosio kasvaa, koska ne tarjoavat kustannustehokkaan tavan vastata kasvaviin tietotarpeisiin.
Lisää ulkokäyttöä
Ulkokäyttöiset katukaapit ovat yleistymässä, kun kaistanleveyden ja kapasiteetin kysyntä kasvaa. Ulkokuitu voi kulkea suoraan asiakkaan paikkaan, mikä tarjoaa suoremman yhteyden ja pienemmän latenssin.
Kompakti ja modulaattori
Optisten verkkojen kehittyessä pienempien, kompaktimpien komponenttien tarve tulee yhä selvemmäksi. Tämä johtuu siitä, että tilaa datakeskusympäristössä on usein rajoitetusti. Kompakti modulaarinen optiikka säästää tilaa ja tarjoaa silti korkean suorituskyvyn.
Optisen verkkotoiminnan tulevaisuus
Älykäs optinen verkko
Älykkäät optiset verkot ovat optisia verkkoja, jotka käyttävät tekoälyä (AI) suorituskyvyn optimointiin. Tekoälyä voidaan käyttää verkon ongelmien automaattiseen tunnistamiseen ja korjaamiseen. Tämä mahdollistaa tehokkaamman ja luotettavamman verkon.
Lisäksi tekoälyä voidaan käyttää ennustamaan tulevia liikennemalleja ja vaatimuksia. Näitä tietoja voidaan käyttää kapasiteetin varaamiseen etukäteen, mikä varmistaa, että verkko pystyy vastaamaan tuleviin vaatimuksiin.
Joustava verkkoarkkitehtuuri
Joustavat verkkoarkkitehtuurit ovat yleistymässä, koska ne tarjoavat tavan lisätä olemassa olevien kuitujen kapasiteettia. Joustava ristikko mahdollistaa valon eri aallonpituuksien multipleksoinnin yhdelle kuidulle. Tämä mahdollistaa enemmän datan kuljettamisen jokaisella kuidulla, mikä lisää verkon kapasiteettia.
On-demand aallonpituusjakoinen multipleksointi
Aallonpituusjakoinen multipleksointi on tekniikka, joka mahdollistaa useiden valon aallonpituuksien siirtämisen yhdellä kuidulla. On-demand WDM on WDM-tyyppi, joka mahdollistaa kapasiteetin tarpeen mukaan. Tämä tarkoittaa, että kapasiteettia voidaan lisätä tarpeen mukaan ilman uuden kuidun asentamista.
Optinen verkko yhä digitaalisemmassa maailmassa
Optinen verkko on edennyt pitkälle suhteellisen lyhyen historiansa aikana. Vaatimattomasta alusta lähtien se on nyt olennainen osa monia suuria verkkoinfrastruktuureja. Se on Internetin keskeinen tukipilari, joka mullistaa viestintätapamme ja käynnistää ennennäkemättömän teknologisen kehityksen aikakauden.
5G:n kaltaisten trendien kypsyessä näyttää siltä, että optisilla verkoilla on edelleen tärkeä rooli yhä digitalisoituvassa maailmassamme.
