Оптические сети - Optical networking

Оптические сети - это средство связи, которое использует закодированные в свете сигналы для передачи информации в различных типах телекоммуникационных сетей. К ним относятся локальные сети с ограниченным радиусом действия (LAN) или глобальные сети (WAN) , которые пересекают городские и региональные районы, а также междугородные национальные, международные и трансокеанские сети. Это форма оптической связи, которая использует оптические усилители , лазеры или светодиоды и мультиплексирование с разделением по волнам (WDM) для передачи больших объемов данных, как правило, по оптоволоконным кабелям . Поскольку он способен обеспечивать чрезвычайно высокую пропускную способность , это технология, позволяющая использовать Интернет и телекоммуникационные сети, которые передают подавляющее большинство всей информации, передаваемой между людьми и машинами.

Типы

Волоконно-оптические сети

Основная статья: Волоконно-оптическая связь

Наиболее распространенными волоконно-оптическими сетями являются сети связи , ячеистые или кольцевые сети, обычно используемые в городских, региональных, национальных и международных системах. Другой вариант волоконно-оптических сетей - это пассивная оптическая сеть , в которой используются оптические разветвители без питания для соединения одного волокна с несколькими помещениями для приложений последней мили .

Оптические сети в свободном пространстве

Оптические сети в свободном пространстве используют многие из тех же принципов, что и волоконно-оптические сети, но передают свои сигналы через открытое пространство без использования волокна. Несколько запланированных спутниковых группировок, таких как Starlink от SpaceX, предназначенные для глобального предоставления доступа в Интернет, будут использовать беспроводную лазерную связь для создания оптических ячеистых сетей между спутниками в космическом пространстве. Воздушные оптические сети между высотными платформами планируются как часть Google Project Loon и Facebook Aquila с той же технологией.

Оптические сети в свободном пространстве также могут использоваться для создания временных наземных сетей, например, для соединения локальных сетей в университетском городке.

Компоненты

Компоненты волоконно-оптической сетевой системы включают:

Передающая среда

Изначально телекоммуникационная сеть использовала медь для передачи информации. Но полоса пропускания меди ограничена ее физическими характеристиками - по мере увеличения частоты сигнала для передачи большего количества данных большая часть энергии сигнала теряется в виде тепла . Кроме того, электрические сигналы могут мешать друг другу, когда провода расположены слишком близко друг к другу, и эта проблема известна как перекрестные помехи. В 1940 году первая система связи основывалась на коаксиальном кабеле, который работал на частоте 3 МГц и мог передавать 300 телефонных разговоров или один телевизионный канал. К 1975 году самая совершенная коаксиальная система имела скорость передачи данных 274 Мбит / с, но такие высокочастотные системы требовали повторителя примерно на каждом километре для усиления сигнала, что делало такую ​​сеть дорогой в эксплуатации.

Было ясно, что световые волны могут иметь гораздо более высокую скорость передачи данных без перекрестных помех. В 1957 году Гордон Гулд впервые описал конструкцию оптического усилителя и лазера, которые были продемонстрированы в 1960 году Теодором Майманом . Лазер является источником световых волн, но для переноса света по сети требовалась среда. В 1960 году стеклянные волокна использовались для передачи света в тело для получения медицинских изображений, но они имели высокие оптические потери - свет поглощался при прохождении через стекло со скоростью 1 децибел на метр, явление, известное как затухание . В 1964 году Чарльз Као показал, что для передачи данных на большие расстояния стекловолокно потребует потерь не более 20 дБ на километр. Прорыв произошел в 1970 году, когда Дональд Б. Кек , Роберт Д. Маурер и Питер С. Шульц из Corning Incorporated разработали стекловолокно из плавленого кварца с потерей всего 16 дБ / км. Их оптоволокно способно передавать в 65 000 раз больше информации, чем медь.

Первая волоконно-оптическая система для прямого телефонного трафика была создана в 1977 году в Лонг-Бич, Калифорния, компанией General Telephone and Electronics со скоростью передачи данных 6 Мбит / с. Ранние системы использовали инфракрасный свет на длине волны 800 нм и могли передавать до 45 Мбит / с с ретрансляторами на расстоянии примерно 10 км. К началу 1980-х годов были представлены лазеры и детекторы, работающие на длине волны 1300 нм, где оптические потери составляют 1 дБ / км. К 1987 году они работали на скорости 1,7 Гбит / с с разнесением повторителей около 50 км.

Оптическое усиление

Пропускная способность волоконно-оптических сетей увеличилась частично за счет усовершенствования компонентов, таких как оптические усилители и оптические фильтры, которые могут разделять световые волны на частоты с разницей менее 50 ГГц, помещая в оптоволокно больше каналов. Эрбиевый оптический усилитель (EDFA) был разработан Дэвид Payne в Университете Саутгемптона в 1986 году , используя атомы редкоземельного эрбия, которые распределены по длине оптического волокна. Лазер накачки возбуждает атомы, излучающие свет, тем самым усиливая оптический сигнал. По мере смены парадигмы в проектировании сетей появился широкий спектр усилителей, поскольку в большинстве систем оптической связи использовались оптоволоконные усилители. Усилители, легированные эрбием, были наиболее часто используемым средством поддержки систем плотного мультиплексирования с разделением по длине волны. Фактически, EDFA были настолько распространены, что, когда WDM стал предпочтительной технологией в оптических сетях, эрбиевый усилитель стал «предпочтительным оптическим усилителем для приложений WDM». Сегодня EDFA и гибридные оптические усилители считаются наиболее важными компонентами систем и сетей мультиплексирования с разделением волн.  

Мультиплексирование с разделением по длине волны

Благодаря использованию оптических усилителей пропускная способность волоконно-оптических линий передачи информации резко возросла с введением в начале 1990-х годов мультиплексирования с разделением по длине волны (WDM) . Лаборатория Bell Labs из AT&T разработала процесс WDM, в котором призма разделяет свет на волны различной длины, которые могут проходить по оптоволокну одновременно. Пиковая длина волны каждого луча расположена достаточно далеко друг от друга, чтобы лучи можно было отличить друг от друга, создавая несколько каналов в одном волокне. Самые ранние системы WDM имели только два или четыре канала - AT&T, например, развернула океаническую 4-канальную систему дальней связи в 1995 году. Усилители, легированные эрбием, от которых они зависят, однако, не усиливали сигналы равномерно по их спектральному усилению. область. Во время регенерации сигнала небольшие расхождения в различных частотах приводили к недопустимому уровню шума, что делало WDM с более чем 4 каналами непрактичным для высокопроизводительной оптоволоконной связи.

Для устранения этого ограничения Optelecom , Inc. и General Instruments Corp . разработали компоненты для увеличения пропускной способности оптоволокна с гораздо большим количеством каналов. Оптелеком и его глава Light Optics, инженер Дэвид Хубер и Кевин Кимберлин стали соучредителями Ciena Corp в 1992 году для разработки и коммерциализации оптических телекоммуникационных систем с целью увеличения пропускной способности кабельных систем до 50 000 каналов. Компания Ciena разработала двухкаскадный оптический усилитель, способный передавать данные с равномерным усилением на нескольких длинах волн, и вместе с этим в июне 1996 года представила первую коммерческую систему WDM плотной передачи. Эта 16-канальная система с общей пропускной способностью 40 Гбит / с была развернута в сети Sprint , которая в то время была крупнейшим в мире поставщиком интернет-трафика. Это первое применение полностью оптического усиления в общедоступных сетях было воспринято аналитиками как предвестник необратимых изменений в дизайне сети, за что Sprint и Ciena получат большую заслугу. Опытные эксперты в области оптической связи называют внедрение WDM настоящим началом создания оптических сетей.

Емкость

Плотность световых путей от WDM была ключом к массовому увеличению пропускной способности оптоволокна, что способствовало развитию Интернета в 1990-х годах. С 1990-х годов количество каналов и пропускная способность плотных систем WDM значительно увеличились, и коммерческие системы могут передавать около 1 Тбит / с трафика со скоростью 100 Гбит / с на каждой длине волны. В 2010 году исследователи из AT&T сообщили об экспериментальной системе с 640 каналами, работающими со скоростью 107 Гбит / с, с общей скоростью передачи 64 Тбит / с. В 2018 году компания Telstra из Австралии развернула систему реального времени, которая обеспечивает передачу 30,4 Тбит / с на каждую оптоволоконную пару в диапазоне 61,5 ГГц, что эквивалентно одновременной потоковой передаче 1,2 миллиона видео 4K Ultra HD. Благодаря этой способности передавать большие объемы трафика WDM стал общей основой почти каждой глобальной сети связи и, таким образом, основой Интернета сегодня. Спрос на полосу пропускания в основном обусловлен трафиком интернет-протокола (IP) от видеосервисов, телемедицины, социальных сетей, использования мобильных телефонов и облачных вычислений. В то же время межмашинный трафик, Интернет вещей и трафик научного сообщества требуют поддержки для крупномасштабного обмена файлами данных. Согласно индексу Cisco Visual Networking Index, глобальный IP-трафик в 2022 году составит более 150 700 Гбит / с. Из этого количества видеоконтент будет составлять 82% всего IP-трафика, весь передаваемый по оптическим сетям.

Стандарты и протоколы

Синхронная оптическая сеть (SONET) и синхронная цифровая иерархия (SDH) превратились в наиболее часто используемые протоколы для оптических сетей. Протокол оптической транспортной сети (OTN) был разработан Международным союзом электросвязи в качестве преемника и обеспечивает возможность взаимодействия в сети, как описано в Рекомендации G.709 . Оба протокола позволяют использовать различные протоколы, такие как асинхронный режим передачи (ATM) , Ethernet , TCP / IP и другие.

использованная литература