Η οπτική δικτύωση είναι μια τεχνολογία που χρησιμοποιεί το φως για τη μετάδοση δεδομένων μεταξύ συσκευών. Προσφέρει υψηλό εύρος ζώνης και χαμηλό λανθάνοντα χρόνο και είναι το de facto πρότυπο για επικοινωνίες δεδομένων μεγάλων αποστάσεων για πολλά χρόνια. Η οπτική ίνα χρησιμοποιείται για τις περισσότερες επικοινωνίες φωνής και δεδομένων μεγάλων αποστάσεων παγκοσμίως.
Η οπτική δικτύωση είναι σημαντική επειδή επιτρέπει τη μετάδοση δεδομένων υψηλής ταχύτητας σε μεγάλες αποστάσεις. Για παράδειγμα, το οπτικό δίκτυο διασφαλίζει ότι οι χρήστες στη Νέα Υόρκη μπορούν να έχουν πρόσβαση σε διακομιστές στο Ναϊρόμπι όσο γρήγορα επιτρέπουν οι νόμοι της φυσικής.
Η τεχνολογία πίσω από την οπτική δικτύωση βασίζεται στην αρχή της συνολικής εσωτερικής ανάκλασης. Όταν το φως χτυπά την επιφάνεια ενός μέσου όπως το καλώδιο οπτικών ινών, μέρος του φωτός αντανακλάται από την επιφάνεια. Η γωνία με την οποία ανακλάται το φως εξαρτάται από τις ιδιότητες του μέσου και τη γωνία πρόσπτωσης (τη γωνία με την οποία το φως προσπίπτει στην επιφάνεια).
Εάν η γωνία πρόσπτωσης είναι μεγαλύτερη από την κρίσιμη γωνία, τότε όλο το φως ανακλάται. αυτό ονομάζεται συνολική εσωτερική αντανάκλαση. Η συνολική εσωτερική ανάκλαση μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την κατασκευή οπτικών ινών, ενός τύπου γυαλιού ή πλαστικού που καθοδηγεί το φως σε όλο το μήκος του.
Καθώς το φως ταξιδεύει μέσα από την ίνα, υφίσταται πολλαπλές ολικές εσωτερικές αντανακλάσεις, με αποτέλεσμα να αναπηδά από το τοίχωμα της ίνας. Αυτό το εφέ αναπήδησης κάνει το φως να ταξιδεύει σε όλο το μήκος της ίνας σε ζιγκ-ζαγκ μοτίβο.
Ελέγχοντας προσεκτικά τις ιδιότητες της ίνας, οι μηχανικοί μπορούν να ελέγξουν πόσο φως ανακλάται και πόσο μακριά διανύεται πριν ανακλαστεί ξανά. Αυτό τους επέτρεψε να σχεδιάσουν οπτικές ίνες που θα μπορούσαν να μεταδώσουν δεδομένα σε μεγάλες αποστάσεις χωρίς να χάσουν καμία πληροφορία.
Τα οπτικά δίκτυα αποτελούνται από διάφορα στοιχεία: οπτικές ίνες, πομποδέκτες, ενισχυτές, πολυπλέκτης και οπτικούς διακόπτες.
Οπτική ίνα
Η οπτική ίνα είναι το μέσο που μεταφέρει το οπτικό σήμα. Αποτελείται από μια ποικιλία υλικών, όπως:
① Πυρήνας: Το κέντρο που μεταφέρει φως.
②Εντυμένο: Ένα υλικό που περιβάλλει τον πυρήνα και βοηθά στη διατήρηση του οπτικού σήματος.
③Επίστρωση buffer: Ένα υλικό που προστατεύει την οπτική ίνα από ζημιά.
Ο πυρήνας και η επένδυση είναι συνήθως κατασκευασμένα από γυαλί, ενώ η επίστρωση buffer είναι συνήθως από πλαστικό.
Πομποδέκτης
Οι πομποδέκτες είναι συσκευές που μετατρέπουν τα ηλεκτρικά σήματα σε οπτικά σήματα και αντίστροφα, συνήθως υλοποιούνται στο τελευταίο μίλι μιας σύνδεσης. Είναι η διεπαφή μεταξύ ενός οπτικού δικτύου και των ηλεκτρονικών συσκευών που το χρησιμοποιούν, όπως υπολογιστές και δρομολογητές.
Ενισχυτής
Όπως υποδηλώνει το όνομα, ένας ενισχυτής είναι μια συσκευή που ενισχύει τα φωτεινά σήματα, ώστε να μπορούν να ταξιδεύουν μεγάλες αποστάσεις χωρίς να χάσουν τη δύναμή τους. Οι ενισχυτές τοποθετούνται κατά μήκος της ίνας σε τακτά χρονικά διαστήματα για την ενίσχυση του σήματος.
Πολυπλέκτης
Ένας πολυπλέκτης είναι απλώς μια συσκευή που λαμβάνει πολλά σήματα και τα συνδυάζει σε ένα μόνο σήμα. Αυτό γίνεται με την ανάθεση σε κάθε σήμα διαφορετικό μήκος κύματος φωτός, επιτρέποντας στον πολυπλέκτη να στέλνει πολλαπλά σήματα ταυτόχρονα κατά μήκος μιας ίνας χωρίς παρεμβολές.
Διακόπτης φωτός
Ο οπτικός διακόπτης είναι μια συσκευή που δρομολογεί οπτικά σήματα από τη μια ίνα στην άλλη. Οι οπτικοί διακόπτες χρησιμοποιούνται για τον έλεγχο της κυκλοφορίας σε οπτικά δίκτυα και συνήθως χρησιμοποιούνται σε δίκτυα υψηλής χωρητικότητας.
Ιστορία της οπτικής δικτύωσης
Η ιστορία της οπτικής δικτύωσης ξεκίνησε τη δεκαετία του 1790 όταν ο Γάλλος εφευρέτης Claude Chappe εφηύρε τον τηλεγράφο οπτικού σήματος, ένα από τα πρώτα παραδείγματα ενός συστήματος οπτικής επικοινωνίας.
Σχεδόν έναν αιώνα αργότερα, το 1880, ο Alexander Graham Bell κατοχύρωσε με δίπλωμα ευρεσιτεχνίας το ηλεκτροοπτικό τηλέφωνο, ένα οπτικό τηλεφωνικό σύστημα. Ενώ το Photophone ήταν πρωτοποριακό, η προηγούμενη εφεύρεση του τηλεφώνου του Bell ήταν πιο πρακτική και πήρε απτή μορφή. Επομένως, το Photophone δεν έφυγε ποτέ από το πειραματικό στάδιο.
Μέχρι τη δεκαετία του 1920, ο John Logie Baird στην Αγγλία και ο Clarence W. Hansell κατοχύρωσαν μόνο με δίπλωμα ευρεσιτεχνίας την ιδέα της χρήσης μιας σειράς κοίλων σωλήνων ή διαφανών ράβδων για τη μετάδοση εικόνων για συστήματα τηλεόρασης ή φαξ.
Το 1954, ο Ολλανδός επιστήμονας Abraham Van Heel και ο Βρετανός επιστήμονας Harold H. Hopkins δημοσίευσαν επιστημονικές εργασίες για την τρακτογραφία. Ο Χόπκινς επικεντρώθηκε σε μη επενδυμένες ίνες, ενώ ο Βαν Χέλς εστίασε μόνο σε απλές δέσμες ινών με επένδυση - μια διαφανή επένδυση με χαμηλότερο δείκτη διάθλασης γύρω από τη γυμνή ίνα.
Αυτό προστατεύει την ανακλαστική επιφάνεια των ινών από εξωτερικές παραμορφώσεις και μειώνει σημαντικά την παρεμβολή μεταξύ των ινών. Η ανάπτυξη των ακτίνων απεικόνισης ήταν ένα σημαντικό βήμα στην ανάπτυξη των οπτικών ινών. Η προστασία της επιφάνειας της ίνας από εξωτερικές παρεμβολές επιτρέπει την ακριβέστερη μετάδοση οπτικών σημάτων μέσω της ίνας.
Μέχρι το 1960, οι επικαλυμμένες με γυαλί ίνες είχαν απώλειες περίπου 1 ντεσιμπέλ (dB) ανά μέτρο, κατάλληλες για ιατρική απεικόνιση, αλλά πολύ υψηλές για επικοινωνίες. Το 1961, ο Elias Snitzer της Optical Company of America δημοσίευσε μια θεωρητική περιγραφή μιας οπτικής ίνας με έναν μικροσκοπικό πυρήνα που μπορούσε να μεταδώσει φως μόνο μέσω ενός τρόπου λειτουργίας κυματοδηγού.
Το 1964, ο Dr. Kao πρότεινε απώλεια φωτός 10 ή 20 dB ανά χιλιόμετρο. Αυτό το πρότυπο βοηθά στη βελτίωση της εμβέλειας και της αξιοπιστίας των τηλεπικοινωνιακών συστημάτων. Εκτός από την εργασία του σχετικά με τα ποσοστά απώλειας, ο Δρ. Γκάο έδειξε την ανάγκη για ένα πιο καθαρό ποτήρι για να βοηθήσει στη μείωση της απώλειας φωτός.
Το καλοκαίρι του 1970, μια ομάδα ερευνητών στην Corning Glass Works άρχισε να πειραματίζεται με ένα νέο υλικό που ονομάζεται λιωμένο πυρίτιο. Αυτή η ουσία είναι γνωστή για την εξαιρετικά υψηλή καθαρότητά της, το υψηλό σημείο τήξης και το χαμηλό δείκτη διάθλασης.
Η ομάδα, αποτελούμενη από τους Robert Maurer, Donald Keck και Peter Schultz, σύντομα συνειδητοποίησε ότι το λιωμένο πυρίτιο θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για την κατασκευή ενός νέου τύπου σύρματος που ονομάζεται «οπτική ίνα κυματοδηγού». Αυτό το καλώδιο οπτικών ινών μπορεί να μεταφέρει 65,000 φορές περισσότερες πληροφορίες από το παραδοσιακό χάλκινο καλώδιο. Επιπλέον, τα κύματα φωτός που χρησιμοποιούνται για τη μεταφορά πληροφοριών μπορούν να αποκωδικοποιηθούν σε προορισμούς ακόμη και χίλια μίλια μακριά.
Αυτή η εφεύρεση έφερε επανάσταση στην επικοινωνία μεγάλων αποστάσεων και άνοιξε το δρόμο για τη σημερινή τεχνολογία οπτικών ινών. Η ομάδα έλυσε το πρόβλημα απώλειας ντεσιμπέλ που όρισε ο Δρ. Γκάο και το 1973 ο John MacChesney στα εργαστήρια Bell βελτίωσε τη διαδικασία εναπόθεσης χημικών ατμών για την παραγωγή ινών. Ως αποτέλεσμα, κατέστη δυνατή η εμπορική παραγωγή καλωδίων οπτικών ινών.
Τον Απρίλιο του 1977, η General Telephone and Electronics Co. χρησιμοποίησε το δίκτυο οπτικών ινών για πρώτη φορά για τηλεφωνική επικοινωνία σε πραγματικό χρόνο στο Long Beach της Καλιφόρνια. Τον Μάιο του 1977, η Bell Labs ακολούθησε σύντομα το παράδειγμά της, κατασκευάζοντας ένα οπτικό σύστημα τηλεφωνικής επικοινωνίας που εκτείνεται σε 1,5 μίλια στο κέντρο της πόλης του Σικάγο. Κάθε ζεύγος ινών μπορεί να μεταδώσει 672 κανάλια φωνής, ισοδύναμα με ένα κύκλωμα DS3.
Στις αρχές της δεκαετίας του 1980, η δεύτερη γενιά επικοινωνιών οπτικών ινών σχεδιάστηκε για εμπορική χρήση, χρησιμοποιώντας ένα λέιζερ ημιαγωγών InGaAsP 1,3-μικρών. Αυτά τα συστήματα λειτουργούσαν με ρυθμούς bit έως και 1,7 Gbps το 1987, με επαναλήπτες που απέχουν μεταξύ τους έως και 50 χιλιόμετρα.
Τα συστήματα που χρησιμοποιούνται σε δίκτυα οπτικών ινών τρίτης γενιάς λειτουργούν στα 1,55 μικρά και έχουν απώλεια περίπου 0,2 dB ανά χιλιόμετρο.
Τα συστήματα επικοινωνίας οπτικών ινών τέταρτης γενιάς βασίζονται στην οπτική ενίσχυση για τη μείωση του αριθμού των απαιτούμενων επαναλήπτων και στην πολυπλεξία διαίρεσης μήκους κύματος (WDM) για την αύξηση της χωρητικότητας δεδομένων.
Το 2006, επιτεύχθηκε ρυθμός μετάδοσης bit 14 terabit (Tb) ανά δευτερόλεπτο σε μια γραμμή 160- χιλιομέτρων χρησιμοποιώντας οπτικούς ενισχυτές. Μέχρι το 2021, οι Ιάπωνες επιστήμονες θα μπορούν να μεταδίδουν 319 Tbps σε 3,000 χιλιόμετρα χρησιμοποιώντας ένα καλώδιο οπτικών ινών τεσσάρων πυρήνων.
Ενώ αυτά τα συστήματα επικοινωνίας οπτικών ινών τέταρτης γενιάς έχουν πολύ μεγαλύτερη χωρητικότητα από τις προηγούμενες γενιές, η βασική αρχή είναι η ίδια: μετατρέπουν τα ηλεκτρικά σήματα σε οπτικούς παλμούς, τα στέλνουν μέσω οπτικών ινών και μετά τα μετατρέπουν ξανά σε ηλεκτρικά σήματα στη λήψη τέλος.
Ωστόσο, τα εξαρτήματα κάθε γενιάς έχουν γίνει μικρότερα, πιο αξιόπιστα και λιγότερο ακριβά. Ως αποτέλεσμα, οι επικοινωνίες με οπτικές ίνες έχουν γίνει όλο και πιο σημαντικό μέρος της παγκόσμιας τηλεπικοινωνιακής μας υποδομής.
Βασικές τάσεις στην οπτική δικτύωση
Εστιάστε στην άκρη του δικτύου
Η άκρη του οπτικού δικτύου είναι το σημείο όπου η κυκλοφορία ρέει μέσα και έξω από το δίκτυο. Για να ανταποκριθούν στις απαιτήσεις των εφαρμογών που βασίζονται σε σύννεφο, τα οπτικά δίκτυα πλησιάζουν τους τελικούς χρήστες. Αυτό επιτρέπει χαμηλότερη καθυστέρηση και πιο σταθερή απόδοση.
Κρυπτογράφηση επιπέδου
Καθώς οι επιθέσεις στον κυβερνοχώρο γίνονται πιο συχνές, η προστασία δεδομένων σε κίνηση θα συνεχίσει να αποτελεί μείζον μέλημα. Το SASE (Secure Access Service Edge), η χρήση των εγγενών χαρακτηριστικών ασφαλείας του cloud στα τελικά σημεία της υπηρεσίας, έχει κερδίσει πρόσφατα έλξη. Η προστασία τελικού σημείου μπορεί να καταστήσει περιττούς τους ελέγχους ασφαλείας στα συνδεδεμένα δίκτυα.
Αν και αυτό μπορεί να μην εξαλείψει την ανάγκη για κρυπτογράφηση, θα προστατεύσει ευαίσθητα δεδομένα και εφαρμογές. Χωρίς έναν μόνο έλεγχο ασφαλείας, η προστασία του επιπέδου 1 γίνεται όλο και πιο δύσκολη.
Μπορούμε να προστατεύσουμε καλύτερα τους πόρους μας κρυπτογραφώντας τον έλεγχο, τη διαχείριση και την επισκεψιμότητα των χρηστών. Αυτό καθιστά σχεδόν αδύνατο για τους χάκερ να εισβάλουν στο σύστημα, μειώνοντας σημαντικά τις πιθανότητες μιας επιτυχημένης κυβερνοεπίθεσης. Καθώς οι επιχειρήσεις εξαρτώνται περισσότερο από τα δεδομένα και τη συνδεσιμότητα, οι ισχυρές λύσεις ασφάλειας θα γίνουν πιο εμφανείς.
Ανοίξτε το Optical Network
Ένα ανοιχτό οπτικό δίκτυο είναι ένα οπτικό δίκτυο που χρησιμοποιεί τυπικές, ανοιχτές διεπαφές για να επιτρέπει την ενοποίηση εξοπλισμού από διαφορετικούς προμηθευτές. Αυτό παρέχει περισσότερες επιλογές και ευελιξία για εξαρτήματα οπτικού δικτύου. Επιπλέον, διευκολύνει την προσθήκη νέων λειτουργιών και υπηρεσιών καθώς γίνονται διαθέσιμες.
Ανάπτυξη Υπηρεσιών Φάσματος
Καθώς η κίνηση δεδομένων συνεχίζει να αυξάνεται, τόσο αυξάνεται η ανάγκη για υψηλότερο εύρος ζώνης και χωρητικότητα. Οι φασματικές υπηρεσίες το παρέχουν αυτό χρησιμοποιώντας φάσμα για την αύξηση της χωρητικότητας των υπαρχόντων δικτύων οπτικών ινών. Αυτές οι υπηρεσίες αυξάνονται σε δημοτικότητα επειδή παρέχουν έναν οικονομικά αποδοτικό τρόπο για την κάλυψη των αυξανόμενων απαιτήσεων δεδομένων.
Περισσότερες εφαρμογές σε εξωτερικούς χώρους
Οι εγκαταστάσεις σε εξωτερικούς χώρους σε ντουλάπια δρόμου γίνονται πιο συνηθισμένες καθώς αυξάνεται η ζήτηση για υψηλότερο εύρος ζώνης και χωρητικότητα. Η ίνα εξωτερικού χώρου μπορεί να τρέξει απευθείας στην τοποθεσία του πελάτη, παρέχοντας πιο άμεση σύνδεση και χαμηλότερο λανθάνοντα χρόνο.
Συμπαγής και διαμορφωτής
Καθώς τα οπτικά δίκτυα συνεχίζουν να εξελίσσονται, η ανάγκη για μικρότερα, πιο συμπαγή εξαρτήματα γίνεται όλο και πιο εμφανής. Αυτό συμβαίνει επειδή ο χώρος σε ένα περιβάλλον κέντρου δεδομένων είναι συχνά περιορισμένος. Τα συμπαγή αρθρωτά οπτικά προσφέρουν μια προσέγγιση εξοικονόμησης χώρου, ενώ παράλληλα προσφέρουν υψηλή απόδοση.
Το μέλλον της οπτικής δικτύωσης
Ευφυές Οπτικό Δίκτυο
Τα ευφυή οπτικά δίκτυα είναι οπτικά δίκτυα που χρησιμοποιούν τεχνητή νοημοσύνη (AI) για τη βελτιστοποίηση της απόδοσης. Η τεχνητή νοημοσύνη μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την αυτόματη αναγνώριση και διόρθωση προβλημάτων στο δίκτυο. Αυτό επιτρέπει ένα πιο αποτελεσματικό και αξιόπιστο δίκτυο.
Επιπλέον, η τεχνητή νοημοσύνη μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την πρόβλεψη μελλοντικών μοτίβων και απαιτήσεων επισκεψιμότητας. Αυτές οι πληροφορίες μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την παροχή χωρητικότητας εκ των προτέρων, διασφαλίζοντας ότι το δίκτυο μπορεί να ανταποκριθεί στις μελλοντικές απαιτήσεις.
Ευέλικτη αρχιτεκτονική πλέγματος
Οι αρχιτεκτονικές με ευέλικτο πλέγμα γίνονται όλο και πιο δημοφιλείς επειδή παρέχουν έναν τρόπο αύξησης της χωρητικότητας των υπαρχουσών ινών. Το εύκαμπτο πλέγμα επιτρέπει την πολυπλεξία διαφορετικών μηκών κύματος φωτός σε μία μόνο ίνα. Αυτό επιτρέπει τη μεταφορά περισσότερων δεδομένων σε κάθε ίνα, αυξάνοντας τη χωρητικότητα του δικτύου.
Πολυπλεξία διαίρεσης μήκους κύματος κατά παραγγελία
Η πολυπλεξία διαίρεσης μήκους κύματος είναι μια τεχνική που επιτρέπει τη μετάδοση πολλαπλών μηκών κύματος φωτός σε μία μόνο ίνα. Το WDM κατ' απαίτηση είναι ένας τύπος WDM που επιτρέπει χωρητικότητα κατ' απαίτηση. Αυτό σημαίνει ότι η χωρητικότητα μπορεί να προστεθεί όπως απαιτείται χωρίς την εγκατάσταση νέων ινών.
Οπτική δικτύωση σε έναν όλο και πιο ψηφιακό κόσμο
Η οπτική δικτύωση έχει προχωρήσει πολύ στη σχετικά σύντομη ιστορία της. Από ταπεινή αρχή, αποτελεί πλέον ουσιαστικό μέρος πολλών μεγάλων υποδομών δικτύου. Είναι ένας βασικός πυλώνας του Διαδικτύου, φέρνοντας επανάσταση στον τρόπο επικοινωνίας και εγκαινιάζοντας μια εποχή άνευ προηγουμένου τεχνολογικής προόδου.
Καθώς ωριμάζουν τάσεις όπως το 5G, φαίνεται ότι τα οπτικά δίκτυα είναι έτοιμα να συνεχίσουν να διαδραματίζουν σημαντικό ρόλο στον όλο και πιο ψηφιοποιημένο κόσμο μας.
