Optisk netværk er en teknologi, der bruger lys til at overføre data mellem enheder. Det tilbyder høj båndbredde og lav latenstid og har været de facto-standarden for langdistancedatakommunikation i mange år. Optisk fiber bruges til det meste af langdistance tale- og datakommunikation på verdensplan.
Optisk netværk er vigtigt, fordi det tillader højhastighedsdatatransmission over lange afstande. For eksempel sikrer det optiske netværk, at brugere i New York kan få adgang til servere i Nairobi så hurtigt, som fysikkens love tillader det.
Teknologien bag optisk netværk er baseret på princippet om total intern refleksion. Når lys rammer overfladen af et medium, såsom fiberoptisk kabel, reflekteres noget af lyset af overfladen. Vinklen, som lyset reflekteres i, afhænger af mediets egenskaber og indfaldsvinklen (den vinkel, hvormed lyset rammer overfladen).
Hvis indfaldsvinklen er større end den kritiske vinkel, så reflekteres alt lys; dette kaldes total indre refleksion. Total intern refleksion kan bruges til at lave optiske fibre, en type glas eller plast, der leder lyset langs dets længde.
Når lys bevæger sig gennem fiberen, gennemgår det flere totale interne refleksioner, hvilket får det til at hoppe af fibervæggen. Denne afvisningseffekt får lyset til at rejse ned langs fiberen i et zigzag-mønster.
Ved omhyggeligt at kontrollere fiberens egenskaber kan ingeniører kontrollere, hvor meget lys der reflekteres, og hvor langt det rejser, før det reflekteres igen. Dette gjorde det muligt for dem at designe optiske fibre, der kunne transmittere data over lange afstande uden at miste nogen information.
Optiske netværk består af flere komponenter: optiske fibre, transceivere, forstærkere, multipleksere og optiske switche.
Optisk fiber
Optisk fiber er det medium, der bærer det optiske signal. Det er sammensat af en række forskellige materialer, herunder:
①Kerne: Centret, der bærer lys.
②Clad: Et materiale, der omgiver kernen og hjælper med at holde det optiske signal indeholdt.
③ Bufferbelægning: Et materiale, der beskytter den optiske fiber mod beskadigelse.
Kernen og beklædningen er normalt lavet af glas, mens bufferbelægningen normalt er lavet af plast.
Transceiver
Transceivere er enheder, der konverterer elektriske signaler til optiske signaler og omvendt, normalt implementeret i den sidste kilometer af en forbindelse. Det er grænsefladen mellem et optisk netværk og de elektroniske enheder, der bruger det, såsom computere og routere.
Forstærker
Som navnet antyder, er en forstærker en enhed, der forstærker lyssignaler, så de kan rejse lange afstande uden at miste styrke. Forstærkere placeres langs fiberen med jævne mellemrum for at booste signalet.
Multiplekser
En multiplexer er blot en enhed, der tager flere signaler og kombinerer dem til et enkelt signal. Dette gøres ved at tildele hvert signal en forskellig bølgelængde af lys, hvilket giver multiplekseren mulighed for at sende flere signaler samtidigt langs en enkelt fiber uden interferens.
Lyskontakt
En optisk switch er en enhed, der dirigerer optiske signaler fra en fiber til en anden. Optiske switches bruges til at styre trafik i optiske netværk og bruges typisk i højkapacitetsnetværk.
Optisk netværks historie
Historien om optisk netværk begyndte i 1790'erne, da den franske opfinder Claude Chappe opfandt den optiske signaltelegraf, et af de tidligste eksempler på et optisk kommunikationssystem.
Næsten et århundrede senere, i 1880, patenterede Alexander Graham Bell den elektro-optiske telefon, et optisk telefonsystem. Mens Photophone var banebrydende, var Bells tidligere opfindelse af telefonen mere praktisk og tog en håndgribelig form. Derfor forlod Photophone aldrig den eksperimentelle scene.
Indtil 1920'erne patenterede John Logie Baird i England og Clarence W. Hansell kun ideen om at bruge en række hule rør eller gennemsigtige stænger til at transmittere billeder til tv- eller faxsystemer.
I 1954 har den hollandske videnskabsmand Abraham Van Heel og den britiske videnskabsmand Harold H. Hopkins hver udgivet videnskabelige artikler om traktografi. Hopkins fokuserede på uklædte fibre, mens Van Heel kun fokuserede på simple beklædte fiberbundter - en gennemsigtig beklædning med et lavere brydningsindeks omkring den bare fiber.
Dette beskytter den fiberreflekterende overflade mod eksterne deformationer og reducerer interferens mellem fibre markant. Udviklingen af billedstråler var et vigtigt skridt i udviklingen af optiske fibre. Beskyttelse af fiberoverfladen mod ekstern interferens giver mulighed for mere nøjagtig transmission af optiske signaler gennem fiberen.
I 1960 havde glasbeklædte fibre tab på omkring 1 decibel (dB) pr. meter, velegnet til medicinsk billeddannelse, men for højt til kommunikation. I 1961 udgav Elias Snitzer fra Optical Company of America en teoretisk beskrivelse af en optisk fiber med en lille kerne, der kun kunne transmittere lys gennem én bølgeledertilstand.
I 1964 foreslog Dr. Kao et lystab på 10 eller 20 dB pr. kilometer. Denne standard hjælper med at forbedre rækkevidden og pålideligheden af telekommunikationssystemer. Ud over sit arbejde med tabsrater demonstrerede Dr. Gao behovet for et renere glas for at hjælpe med at reducere lystab.
I sommeren 1970 begyndte en gruppe forskere ved Corning Glass Works at eksperimentere med et nyt materiale kaldet fused silica. Dette stof er kendt for dets ekstremt høje renhed, høje smeltepunkt og lave brydningsindeks.
Holdet, bestående af Robert Maurer, Donald Keck og Peter Schultz, indså hurtigt, at smeltet silica kunne bruges til at lave en ny type ledning kaldet en "optisk bølgelederfiber." Denne fiberoptiske ledning kan bære 65,000 gange mere information end traditionel kobberledning. Ydermere kan de lysbølger, der bruges til at transportere information, afkodes på destinationer selv tusind miles væk.
Denne opfindelse revolutionerede langdistancekommunikation og banede vejen for nutidens fiberoptiske teknologi. Holdet løste decibeltabsproblemet defineret af Dr. Gao, og i 1973 forbedrede John MacChesney ved Bell Laboratories den kemiske dampaflejringsproces til fiberproduktion. Som følge heraf er kommerciel produktion af optiske fiberkabler blevet mulig.
I april 1977 brugte General Telephone and Electronics Co. det fiberoptiske netværk for første gang til telefonkommunikation i realtid i Long Beach, Californien. I maj 1977 fulgte Bell Labs snart trop og byggede et optisk telefonkommunikationssystem, der spænder over 1,5 miles i Chicagos centrum. Hvert par fibre kan transmittere 672 stemmekanaler, svarende til et DS3-kredsløb.
I begyndelsen af 1980'erne blev anden generation af fiberoptisk kommunikation designet til kommerciel brug ved hjælp af en 1.3-mikron InGaAsP halvlederlaser. Disse systemer fungerede ved bithastigheder så høje som 1,7 Gbps i 1987, med repeatere med en afstand på op til 50 kilometer fra hinanden.
Systemerne, der bruges i tredjegenerations fiberoptiske netværk, opererer ved 1,55 mikron og har et tab på omkring 0,2 dB pr. kilometer.
Fjerde generations fiberoptiske kommunikationssystemer er afhængige af optisk forstærkning for at reducere antallet af krævede repeatere og på bølgelængdedelingsmultipleksing (WDM) for at øge datakapaciteten.
I 2006 blev der opnået en bithastighed på 14 terabit (Tb) pr. sekund på en 160-kilometer linje ved hjælp af optiske forstærkere. I 2021 vil japanske videnskabsmænd være i stand til at transmittere 319 Tbps over 3,000 kilometer ved hjælp af et fire-leder fiberoptisk kabel.
Mens disse fjerde generations fiberoptiske kommunikationssystemer har meget mere kapacitet end tidligere generationer, er grundprincippet det samme: konverter elektriske signaler til optiske impulser, send dem over fiberoptik og konverter dem derefter tilbage til elektriske signaler ved modtagelsen ende.
Komponenterne i hver generation er dog blevet mindre, mere pålidelige og billigere. Som et resultat er fiberoptisk kommunikation blevet en stadig vigtigere del af vores globale telekommunikationsinfrastruktur.
Nøgletrends i optisk netværk
Fokuser på netværkskanten
Den optiske netværkskant er, hvor trafikken flyder ind og ud af netværket. For at imødekomme kravene fra cloud-baserede applikationer rykker optiske netværk tættere på slutbrugerne. Dette giver mulighed for lavere latenstid og mere ensartet ydeevne.
Lagkryptering
Efterhånden som cyberangreb bliver mere almindelige, vil databeskyttelse i bevægelse fortsat være et stort problem. SASE (Secure Access Service Edge), brugen af cloud-native sikkerhedsfunktioner ved serviceendepunkter, har for nylig vundet indpas. Slutpunktsbeskyttelse kan gøre sikkerhedskontrol på tilsluttede netværk unødvendige.
Selvom dette muligvis ikke eliminerer behovet for kryptering, vil det beskytte følsomme data og applikationer. Uden en enkelt sikkerhedskontrol bliver lag 1-beskyttelse stadig mere vanskelig.
Vi kan bedre beskytte vores ressourcer ved at kryptere kontrol, styring og brugertrafik. Dette gør det næsten umuligt for hackere at bryde ind i systemet, hvilket i høj grad reducerer chancerne for et vellykket cyberangreb. Efterhånden som virksomheder bliver mere afhængige af data og tilslutningsmuligheder, vil robuste sikkerhedsløsninger kun blive mere tydelige.
Åbn optisk netværk
Et åbent optisk netværk er et optisk netværk, der bruger standard, åbne grænseflader til at tillade integration af udstyr fra forskellige leverandører. Dette giver flere valgmuligheder og fleksibilitet for optiske netværkskomponenter. Derudover gør det det nemmere at tilføje nye funktioner og tjenester, efterhånden som de bliver tilgængelige.
Vækst i Spectrum Services
Efterhånden som datatrafikken fortsætter med at vokse, stiger behovet for højere båndbredde og kapacitet også. Spektraltjenester giver dette ved at bruge spektrum til at øge kapaciteten af eksisterende fiberoptiske netværk. Disse tjenester vokser i popularitet, fordi de giver en omkostningseffektiv måde at imødekomme voksende databehov.
Flere udendørs installationer
Udendørs installationer i gadeskabe bliver mere almindelige, efterhånden som efterspørgslen efter højere båndbredde og kapacitet vokser. Udendørs fiber kan køre direkte til kundens lokation, hvilket giver en mere direkte forbindelse og lavere latenstid.
Kompakt og modulator
Efterhånden som optiske netværk fortsætter med at udvikle sig, bliver behovet for mindre, mere kompakte komponenter mere og mere tydeligt. Det skyldes, at pladsen i et datacentermiljø ofte er begrænset. Kompakt modulær optik tilbyder en pladsbesparende tilgang, mens den stadig leverer høj ydeevne.
Fremtiden for optisk netværk
Intelligent optisk netværk
Intelligente optiske netværk er optiske netværk, der bruger kunstig intelligens (AI) til at optimere ydeevnen. Kunstig intelligens kan bruges til automatisk at identificere og rette problemer i netværket. Dette giver mulighed for et mere effektivt og pålideligt netværk.
Derudover kan AI bruges til at forudsige fremtidige trafikmønstre og krav. Disse oplysninger kan bruges til at levere kapacitet på forhånd, hvilket sikrer, at netværket kan opfylde fremtidige krav.
Fleksibel gitterarkitektur
Fleksible mesh-arkitekturer bliver mere populære, fordi de giver en måde at øge kapaciteten af eksisterende fibre på. Det fleksible gitter tillader multipleksing af forskellige bølgelængder af lys på en enkelt fiber. Dette gør det muligt at transportere flere data på hver fiber, hvilket øger netværkskapaciteten.
On-demand bølgelængde division multipleksing
Bølgelængdedelingsmultipleksing er en teknik, der gør det muligt at transmittere flere bølgelængder af lys på en enkelt fiber. On-demand WDM er en type WDM, der tillader kapacitet on demand. Det betyder, at der kan tilføjes kapacitet efter behov uden at installere ny fiber.
Optisk netværk i en stadig mere digital verden
Optisk netværk er nået langt i sin relativt korte historie. Fra en beskeden begyndelse er det nu en væsentlig del af mange store netværksinfrastrukturer. Det er en nøglesøjle på internettet, der revolutionerer den måde, vi kommunikerer på, og indvarsler en æra med hidtil usete teknologiske fremskridt.
Efterhånden som trends som 5G modnes, ser det ud til, at optiske netværk er klar til fortsat at spille en vigtig rolle i vores stadig mere digitaliserede verden.
