Optické sítě - Optical networking

Optické sítě jsou komunikační prostředky, které pomocí světelně kódovaných signálů přenášejí informace v různých typech telekomunikačních sítí. Patří sem lokální sítě s omezeným dosahem (LAN) nebo rozsáhlé sítě (WAN) , které překračují metropolitní a regionální oblasti, jakož i dálkové národní, mezinárodní a zaoceánské sítě. Je to forma optické komunikace, která se při přenosu velkého množství dat, obecně přes kabely z optických vláken , opírá o optické zesilovače , lasery nebo LED diody a multiplexování s vlnovým dělením (WDM) . Protože je schopen dosáhnout extrémně velké šířky pásma , je to podpůrná technologie pro internet a telekomunikační sítě, které přenášejí drtivou většinu všech informací o lidech a stroji na stroj.

Typy

Sítě s optickými vlákny

Hlavní článek: Komunikace s optickými vlákny

Nejběžnějšími vláknovými optickými sítěmi jsou komunikační sítě , síťové sítě nebo kruhové sítě běžně používané v metropolitních, regionálních, národních a mezinárodních systémech. Další variantou sítí s optickými vlákny je pasivní optická síť , která využívá nepájené optické rozbočovače k ​​propojení jednoho vlákna s více prostory pro aplikace poslední míle .

Optické sítě ve volném prostoru

Optické sítě volného prostoru používají mnoho stejných principů jako síť z optických vláken, ale přenášejí své signály přes otevřený prostor bez použití vláken. Několik plánovaných družicových souhvězdí , jako je například Starlink společnosti SpaceX určená pro globální zajišťování internetu, bude využívat bezdrátovou laserovou komunikaci k vytvoření sítí optických sítí mezi satelity ve vesmíru. Vzdušné optické sítě mezi vysokohorskými platformami jsou plánovány jako součást projektu Google Loon a Facebooku Aquila se stejnou technologií.

Optické sítě volného prostoru lze také použít k nastavení dočasných pozemních sítí, např. K propojení sítí LAN v kampusu.

Komponenty

Mezi součásti systému optických vláken patří:

Přenosové médium

Při svém vzniku se telekomunikační síť při přenosu informací spoléhala na měď . Šířka pásma mědi je však omezena jejími fyzickými vlastnostmi - jak se frekvence signálu zvyšuje, aby přenášela více dat, více energie signálu se ztrácí teplem . Kromě toho mohou elektrické signály vzájemně interferovat, pokud jsou dráty umístěny příliš blízko sebe, což je problém známý jako přeslech. V roce 1940 se první komunikační systém spoléhal na koaxiální kabel, který fungoval na 3 MHz a mohl nést 300 telefonních hovorů nebo jeden televizní kanál. V roce 1975 měl nejpokročilejší koaxiální systém přenosovou rychlost 274 Mbit/s, ale takové vysokofrekvenční systémy vyžadují zesilovač signálu přibližně na každém kilometru, aby byla taková síť nákladná na provoz.

Bylo jasné, že světelné vlny mohou mít mnohem vyšší bitové rychlosti bez přeslechu. V roce 1957 Gordon Gould poprvé popsal konstrukci optického zesilovače a laseru, kterou v roce 1960 předvedl Theodore Maiman . Laser je zdrojem světelných vln, ale k přenosu světla sítí bylo zapotřebí médium. V roce 1960 byla skleněná vlákna používána k přenosu světla do těla pro lékařské zobrazování, ale měla vysokou optickou ztrátu - světlo procházelo při průchodu sklem rychlostí 1 decibel na metr, což je jev známý jako útlum . V roce 1964 Charles Kao ukázal, že pro přenos dat na dlouhé vzdálenosti by skleněné vlákno potřebovalo ztrátu ne větší než 20 dB na kilometr. Průlom nastal v roce 1970, kdy Donald B. Keck , Robert D. Maurer a Peter C. Schultz ze společnosti Corning Incorporated navrhli skleněné vlákno vyrobené z taveného oxidu křemičitého se ztrátou pouhých 16 dB/km. Jejich vlákno dokázalo nést 65 000krát více informací než měď.

První systém s optickými vlákny pro živý telefonní provoz byl v roce 1977 v Long Beach v Kalifornii společností General Telephone and Electronics s datovou rychlostí 6 Mbit/s. Dřívější systémy používaly infračervené světlo o vlnové délce 800 nm a mohly vysílat rychlostí až 45 Mbit/s s opakovači přibližně 10 km od sebe. Počátkem 80. let byly zavedeny lasery a detektory, které pracovaly při 1300 nm, kde je optická ztráta 1 dB/km. Do roku 1987 pracovaly s rychlostí 1,7 Gbit/s s roztečí opakovače asi 50 km.

Optické zesílení

Kapacita sítí optických vláken se částečně zvýšila díky vylepšením součástí, jako jsou optické zesilovače a optické filtry, které dokážou oddělit světelné vlny na frekvence s rozdílem menším než 50 GHz, čímž se do vlákna vejde více kanálů. Dotované erbiem optický zesilovač (EDFA) byl vyvinut David Payne na University of Southampton v roce 1986 pomocí atomů vzácných zemin erbium, které jsou distribuovány v celé délce optického vlákna. Pumpový laser excituje atomy, které vyzařují světlo, a tím zvyšuje optický signál. Jak posun paradigmatu v návrhu sítě pokračoval, objevila se široká škála zesilovačů, protože většina optických komunikačních systémů používala zesilovače s optickými vlákny. Erbiem dopované zesilovače byly nejčastěji používanými prostředky pro podporu multiplexních systémů s hustým dělením vlnových délek. Ve skutečnosti byly EDFA tak rozšířené, že jak se WDM stala technologií volby v optických sítích, erbiový zesilovač se stal „optickým zesilovačem volby pro aplikace WDM“. Dnes jsou EDFA a hybridní optické zesilovače považovány za nejdůležitější součásti multiplexních systémů a sítí s vlnovým dělením.  

Multiplexování s vlnovou délkou

Pomocí optických zesilovačů byla kapacita vláken přenášejících informace dramaticky zvýšena zavedením multiplexování s dělením na vlnové délce (WDM) na počátku 90. let. AT & T's Bell Labs vyvinuly proces WDM, při kterém hranol rozděluje světlo na různé vlnové délky, které mohou cestovat vláknem současně. Špičková vlnová délka každého paprsku je dostatečně daleko od sebe, takže paprsky jsou navzájem rozlišitelné, což vytváří více kanálů v rámci jednoho vlákna. Nejstarší systémy WDM měly pouze dva nebo čtyři kanály-AT & T například nasadilo oceánský 4kanálový dálkový systém v roce 1995. Zesilovače dotované erbiem, na nichž jsou závislé, však nezesilují signály rovnoměrně v celém spektrálním zisku. kraj. Během regenerace signálu mírné nesrovnalosti v různých frekvencích zavedly nesnesitelnou úroveň šumu, což způsobilo, že WDM s více než 4 kanály je nepraktický pro vysokokapacitní vláknovou komunikaci.

Pro řešení tohoto omezení, Optelecom , Inc. a General Instruments Corp . vyvinuté komponenty pro zvýšení šířky pásma vláken s mnohem více kanály. Optelecom a jeho vedoucí společnosti Light Optics, inženýr David Huber a Kevin Kimberlin spoluzaložili v roce 1992 společnost Ciena Corp za účelem navrhování a komercializace optických telekomunikačních systémů, přičemž cílem je rozšíření kapacity kabelových systémů na 50 000 kanálů. Ciena vyvinula dvoustupňový optický zesilovač, který je schopen přenášet data s rovnoměrným ziskem na více vlnových délkách, a v červnu 1996 představil první komerční hustý systém WDM. Tento 16kanálový systém s celkovou kapacitou 40 Gbit/s byl nasazen v síti Sprint , v té době největším světovým dopravcem internetového provozu. Tuto první aplikaci plně optického zesílení ve veřejných sítích považovali analytici za předzvěst trvalé změny v návrhu sítě, za kterou by Sprint a Ciena získali velkou část úvěru. Pokročilí odborníci na optickou komunikaci uvádějí zavedení WDM jako skutečný začátek optických sítí.

Kapacita

Hustota světelných cest z WDM byla klíčem k masivnímu rozšíření kapacity optických vláken, které v 90. letech umožnilo růst internetu. Od devadesátých let se počet kanálů a kapacita hustých systémů WDM podstatně zvýšil, přičemž komerční systémy byly schopné přenášet téměř 1 Tbit/s provozu rychlostí 100 Gbit/s na každé vlnové délce. V roce 2010 vědci z AT&T oznámili experimentální systém se 640 kanály pracujícími na 107 Gbit/s, pro celkový přenos 64 Tbit/s. V roce 2018 nasadila australská Telstra živý systém, který umožňuje přenos 30,4 Tbit/s na pár vláken ve spektru 61,5 GHz, což odpovídá 1,2 milionům videí 4K Ultra HD současně streamovaných. V důsledku této schopnosti přenášet velké objemy provozu se WDM stalo běžným základem téměř každé globální komunikační sítě, a proto je dnes základem internetu. Poptávka po šířce pásma je dána především provozem internetového protokolu (IP) z video služeb, telemedicíny, sociálních sítí, používání mobilních telefonů a cloudových počítačů. Přenos mezi počítači, internet věcí a vědecká komunita zároveň vyžaduje podporu rozsáhlé výměny datových souborů. Podle Cisco Visual Networking Index bude globální IP provoz v roce 2022 více než 150 700 Gbitů za sekundu. Z toho se video obsah bude rovnat 82% veškerého IP provozu, vše přenášeno optickými sítěmi.

Standardy a protokoly

Synchronní optické sítě (SONET) a Synchronous Digital Hierarchy (SDH) se vyvinuly jako nejčastěji používané protokoly pro optické sítě. Protokol Optical Transport Network (OTN) byl vyvinut Mezinárodní telekomunikační unií jako nástupce a umožňuje interoperabilitu v celé síti, jak je popsáno v doporučení G.709 . Oba protokoly umožňují doručování různých protokolů, jako je Asynchronous Transfer Mode (ATM) , Ethernet , TCP/IP a další.

Reference