Optische netwerken is een technologie die licht gebruikt om gegevens tussen apparaten te verzenden. Het biedt een hoge bandbreedte en een lage latentie en is al jaren de de facto standaard voor datacommunicatie over lange afstanden. Glasvezel wordt wereldwijd gebruikt voor de meeste spraak- en datacommunicatie over lange afstanden.
Optische netwerken zijn belangrijk omdat ze snelle gegevensoverdracht over lange afstanden mogelijk maken. Het optische netwerk zorgt er bijvoorbeeld voor dat gebruikers in New York zo snel toegang krijgen tot servers in Nairobi als de wetten van de natuurkunde dat toelaten.
De technologie achter optische netwerken is gebaseerd op het principe van totale interne reflectie. Wanneer licht het oppervlak van een medium zoals glasvezelkabel raakt, wordt een deel van het licht door het oppervlak gereflecteerd. De hoek waaronder licht wordt gereflecteerd is afhankelijk van de eigenschappen van het medium en de invalshoek (de hoek waaronder het licht het oppervlak raakt).
Als de invalshoek groter is dan de kritische hoek, wordt al het licht gereflecteerd; dit wordt totale interne reflectie genoemd. Totale interne reflectie kan worden gebruikt om optische vezels te maken, een soort glas of plastic dat licht over de lengte geleidt.
Terwijl licht door de vezel reist, ondergaat het meerdere totale interne reflecties, waardoor het tegen de vezelwand weerkaatst. Dit weerkaatseffect zorgt ervoor dat het licht in een zigzagpatroon over de lengte van de vezel beweegt.
Door de eigenschappen van de vezel zorgvuldig te controleren, kunnen ingenieurs bepalen hoeveel licht wordt gereflecteerd en hoe ver het reist voordat het opnieuw wordt gereflecteerd. Hierdoor konden ze optische vezels ontwerpen die gegevens over lange afstanden konden verzenden zonder enige informatie te verliezen.
Optische netwerken bestaan uit verschillende componenten: optische vezels, zendontvangers, versterkers, multiplexers en optische schakelaars.
Optische vezel
Optische vezel is het medium dat het optische signaal draagt. Het is samengesteld uit verschillende materialen, waaronder:
①Kern: het centrum dat licht draagt.
②Clad: een materiaal dat de kern omringt en helpt het optische signaal binnen de perken te houden.
③Buffercoating: een materiaal dat de optische vezel tegen beschadiging beschermt.
De kern en bekleding zijn meestal van glas, terwijl de buffercoating meestal van kunststof is.
Zendontvanger
Zendontvangers zijn apparaten die elektrische signalen omzetten in optische signalen en omgekeerd, meestal geïmplementeerd in de laatste kilometer van een verbinding. Het is de interface tussen een optisch netwerk en de elektronische apparaten die er gebruik van maken, zoals computers en routers.
Versterker
Zoals de naam al doet vermoeden, is een versterker een apparaat dat lichtsignalen versterkt, zodat ze lange afstanden kunnen afleggen zonder aan kracht te verliezen. Langs de vezel worden op regelmatige afstanden versterkers geplaatst om het signaal te versterken.
Multiplexer
Een multiplexer is slechts een apparaat dat meerdere signalen opvangt en combineert tot één signaal. Dit wordt gedaan door aan elk signaal een andere golflengte van licht toe te wijzen, waardoor de multiplexer meerdere signalen tegelijkertijd zonder interferentie langs een enkele vezel kan sturen.
Lichtschakelaar
Een optische schakelaar is een apparaat dat optische signalen van de ene vezel naar de andere stuurt. Optische schakelaars worden gebruikt om het verkeer in optische netwerken te regelen en worden doorgaans gebruikt in netwerken met hoge capaciteit.
Geschiedenis van optische netwerken
De geschiedenis van optische netwerken begon in de jaren 1790 toen de Franse uitvinder Claude Chappe de optische signaaltelegraaf uitvond, een van de eerste voorbeelden van een optisch communicatiesysteem.
Bijna een eeuw later, in 1880, patenteerde Alexander Graham Bell de elektro-optische telefoon, een optisch telefoonsysteem. Terwijl de Photophone baanbrekend was, was Bell's eerdere uitvinding van de telefoon praktischer en nam een tastbare vorm aan. Daarom heeft Photophone het experimentele stadium nooit verlaten.
Tot de jaren twintig patenteerden John Logie Baird in Engeland en Clarence W. Hansell alleen het idee om een reeks holle buizen of transparante staven te gebruiken om beelden voor televisie- of faxsystemen over te brengen.
In 1954 hebben de Nederlandse wetenschapper Abraham Van Heel en de Britse wetenschapper Harold H. Hopkins elk wetenschappelijke artikelen over tractografie gepubliceerd. Hopkins concentreerde zich op onbeklede vezels, terwijl Van Heel zich alleen concentreerde op eenvoudige beklede vezelbundels: een transparante bekleding met een lagere brekingsindex rond de kale vezel.
Dit beschermt het vezelreflecterende oppervlak tegen externe vervormingen en vermindert de interferentie tussen vezels aanzienlijk. De ontwikkeling van beeldbundels was een belangrijke stap in de ontwikkeling van optische vezels. Door het vezeloppervlak te beschermen tegen externe interferentie is een nauwkeurigere overdracht van optische signalen door de vezel mogelijk.
In 1960 hadden met glas beklede vezels verliezen van ongeveer 1 decibel (dB) per meter, geschikt voor medische beeldvorming, maar te hoog voor communicatie. In 1961 publiceerde Elias Snitzer van de Optical Company of America een theoretische beschrijving van een optische vezel met een kleine kern die licht via slechts één golfgeleidermodus kon doorlaten.
In 1964 stelde Dr. Kao een lichtverlies van 10 of 20 dB per kilometer voor. Deze standaard helpt het bereik en de betrouwbaarheid van telecommunicatiesystemen te verbeteren. Naast zijn werk op het gebied van verliespercentages demonstreerde Dr. Gao de noodzaak van zuiverder glas om lichtverlies te helpen verminderen.
In de zomer van 1970 begon een groep onderzoekers van Corning Glass Works te experimenteren met een nieuw materiaal genaamd fused silica. Deze stof staat bekend om zijn extreem hoge zuiverheid, hoog smeltpunt en lage brekingsindex.
Het team, bestaande uit Robert Maurer, Donald Keck en Peter Schultz, realiseerde zich al snel dat gesmolten silica kon worden gebruikt om een nieuw type draad te maken, de zogenaamde 'optische golfgeleidervezel'. Deze glasvezeldraad kan 65,000 keer meer informatie bevatten dan traditionele koperdraad. Bovendien kunnen de lichtgolven die worden gebruikt om informatie over te dragen, worden gedecodeerd op bestemmingen die zelfs duizend kilometer verderop liggen.
Deze uitvinding bracht een revolutie teweeg in de langeafstandscommunicatie en maakte de weg vrij voor de hedendaagse glasvezeltechnologie. Het team loste het door Dr. Gao gedefinieerde decibelverliesprobleem op, en in 1973 verbeterde John MacChesney van Bell Laboratories het chemische dampafzettingsproces voor de vezelproductie. Als gevolg hiervan is commerciële productie van optische vezelkabels mogelijk geworden.
In april 1977 gebruikte General Telephone and Electronics Co. het glasvezelnetwerk voor het eerst voor realtime telefooncommunicatie in Long Beach, Californië. In mei 1977 volgde Bell Labs al snel zijn voorbeeld en bouwde een optisch telefooncommunicatiesysteem van 2,4 kilometer in de binnenstad van Chicago. Elk paar vezels kan 672 spraakkanalen verzenden, wat overeenkomt met een DS3-circuit.
Begin jaren tachtig werd de tweede generatie glasvezelcommunicatie ontworpen voor commercieel gebruik, waarbij gebruik werd gemaakt van een InGaAsP-halfgeleiderlaser van 1,3- micron. Deze systemen werkten in 1987 met bitsnelheden tot 1,7 Gbps, met repeaters die tot 50 kilometer uit elkaar stonden.
De systemen die worden gebruikt in glasvezelnetwerken van de derde generatie werken op 1,55 micron en hebben een verlies van ongeveer 0,2 dB per kilometer.
Glasvezelcommunicatiesystemen van de vierde generatie zijn afhankelijk van optische versterking om het aantal benodigde repeaters te verminderen en van golflengteverdelingsmultiplexing (WDM) om de datacapaciteit te vergroten.
In 2006 werd met behulp van optische versterkers een bitsnelheid van 14 terabit (Tb) per seconde bereikt op een lijn van 160-kilometers. Tegen 2021 zullen Japanse wetenschappers 319 Tbps over 3,000 kilometer kunnen verzenden met behulp van een vieraderige glasvezelkabel.
Hoewel deze glasvezelcommunicatiesystemen van de vierde generatie veel meer capaciteit hebben dan voorgaande generaties, is het basisprincipe hetzelfde: elektrische signalen omzetten in optische pulsen, deze via glasvezel verzenden en ze vervolgens weer omzetten in elektrische signalen bij de ontvangende ontvanger. einde.
De componenten van elke generatie zijn echter kleiner, betrouwbaarder en goedkoper geworden. Als gevolg daarvan is glasvezelcommunicatie een steeds belangrijker onderdeel geworden van onze mondiale telecommunicatie-infrastructuur.
Belangrijkste trends in optische netwerken
Focus op de netwerkrand
De optische netwerkrand is waar verkeer het netwerk in en uit stroomt. Om aan de eisen van cloudgebaseerde applicaties te voldoen, komen optische netwerken dichter bij de eindgebruikers. Dit zorgt voor een lagere latentie en consistentere prestaties.
Laag-codering
Naarmate cyberaanvallen steeds vaker voorkomen, zal gegevensbescherming een groot probleem blijven. SASE (Secure Access Service Edge), het gebruik van cloud-native beveiligingsfuncties op service-eindpunten, heeft onlangs aan populariteit gewonnen. Eindpuntbescherming kan beveiligingscontroles op verbonden netwerken overbodig maken.
Hoewel dit de noodzaak van encryptie misschien niet wegneemt, beschermt het wel gevoelige gegevens en applicaties. Zonder een enkele beveiligingscontrole wordt laag 1-bescherming steeds lastiger.
We kunnen onze bronnen beter beschermen door controle, beheer en gebruikersverkeer te versleutelen. Dit maakt het voor hackers vrijwel onmogelijk om in te breken in het systeem, waardoor de kans op een succesvolle cyberaanval aanzienlijk wordt verkleind. Naarmate bedrijven afhankelijker worden van data en connectiviteit, zullen robuuste beveiligingsoplossingen alleen maar duidelijker worden.
Open optisch netwerk
Een open optisch netwerk is een optisch netwerk dat standaard, open interfaces gebruikt om de integratie van apparatuur van verschillende leveranciers mogelijk te maken. Dit biedt meer keuze en flexibiliteit voor optische netwerkcomponenten. Bovendien wordt het eenvoudiger om nieuwe functies en services toe te voegen zodra deze beschikbaar komen.
Groei van spectrumdiensten
Naarmate het dataverkeer blijft groeien, groeit ook de behoefte aan hogere bandbreedte en capaciteit. Spectrale diensten bieden dit door spectrum te gebruiken om de capaciteit van bestaande glasvezelnetwerken te vergroten. Deze diensten worden steeds populairder omdat ze een kosteneffectieve manier bieden om aan de groeiende databehoefte te voldoen.
Meer buitenimplementaties
Outdoor-implementaties in straatkasten komen steeds vaker voor naarmate de vraag naar hogere bandbreedte en capaciteit groeit. Outdoor glasvezel kan rechtstreeks naar de klantlocatie lopen, waardoor een directere verbinding en een lagere latentie ontstaat.
Compact en modulator
Naarmate optische netwerken zich blijven ontwikkelen, wordt de behoefte aan kleinere, compactere componenten steeds duidelijker. Dit komt omdat de ruimte in een datacenteromgeving vaak beperkt is. Compacte modulaire optica biedt een ruimtebesparende aanpak en levert toch hoge prestaties.
De toekomst van optische netwerken
Intelligent optisch netwerk
Intelligente optische netwerken zijn optische netwerken die kunstmatige intelligentie (AI) gebruiken om de prestaties te optimaliseren. Kunstmatige intelligentie kan worden gebruikt om problemen in het netwerk automatisch te identificeren en te corrigeren. Dit zorgt voor een efficiënter en betrouwbaarder netwerk.
Bovendien kan AI worden gebruikt om toekomstige verkeerspatronen en -eisen te voorspellen. Deze informatie kan worden gebruikt om vooraf capaciteit te leveren, zodat het netwerk aan de toekomstige vraag kan voldoen.
Flexibele rasterarchitectuur
Flexibele mesh-architecturen worden steeds populairder omdat ze een manier bieden om de capaciteit van bestaande vezels te vergroten. Het flexibele raster maakt het multiplexen van licht van verschillende golflengten op één enkele vezel mogelijk. Hierdoor kunnen meer gegevens over elke vezel worden vervoerd, waardoor de netwerkcapaciteit toeneemt.
On-demand multiplexing met golflengteverdeling
Golflengteverdelingsmultiplexing is een techniek waarmee meerdere golflengten van licht op één enkele vezel kunnen worden verzonden. On-demand WDM is een type WDM dat capaciteit op aanvraag mogelijk maakt. Dit betekent dat capaciteit naar behoefte kan worden toegevoegd zonder nieuwe glasvezel te hoeven installeren.
Optische netwerken in een steeds digitalere wereld
Optische netwerken hebben in hun relatief korte geschiedenis een lange weg afgelegd. Vanaf een bescheiden begin is het nu een essentieel onderdeel van veel grote netwerkinfrastructuren. Het is een belangrijke pijler van het internet, die een revolutie teweegbrengt in de manier waarop we communiceren en een tijdperk van ongekende technologische vooruitgang inluidt.
Naarmate trends zoals 5G volwassener worden, lijkt het erop dat optische netwerken klaar zijn om een belangrijke rol te blijven spelen in onze steeds meer gedigitaliseerde wereld.
