Оптическая сеть

Оптическая сеть - это средство связи, которое использует сигналы, кодируемые в свете для передачи информации в различных типах телекоммуникационных сетей . К ним относятся сети с ограниченным диапазоном местных районов (LAN) или сети с широкими областями (WAN), которые перекрестны столичные и региональные районы, а также национальные, международные и транскеанские сети на большие расстояния. Это форма оптической связи , которая опирается на оптические усилители , лазеры или светодиоды и мультиплексирование длины волны (WDM) для передачи большого количества данных, как правило, по волоконно-оптическим кабелям . Поскольку он способен к достижению чрезвычайно высокой пропускной способности , это обеспечивающая технология для Интернета и телекоммуникационных сетей , которые передают подавляющее большинство всей информации о человеке и машине.

Типы

Волоконно-оптические сети

Наиболее распространенными волоконно-оптическими сетями являются сети связи , сетки или кольцевые сети, обычно используемые в столичных, региональных, национальных и международных системах. Другим вариантом волоконно-оптических сетей является пассивная оптическая сеть , которая использует неофициальные оптические сплиттеры, чтобы связать одно волокно с несколькими помещениями для применений последних миль .

Оптические сети свободного пространства

Оптические сети свободного пространства используют многие из тех же принципов, что и волоконно-оптическая сеть, но передают свои сигналы через открытое пространство без использования волокна. Несколько запланированных спутниковых созвездий, таких как Starlink SpaceX, предназначенные для глобального интернет -обеспечения, будут использовать беспроводную лазерную связь для установления оптических сетей между спутниками в космосе. ^{[ 1 ]} Оптические сети в воздухе между высокими платформами планируются как часть проекта Google Loon и Facebook Aquila с той же технологией. ^{[ 2 ]}^{[ 3 ]}

Оптические сети свободного пространства также могут быть использованы для создания временных наземных сетей, например, для связи в кампусе.

Компоненты

Компоненты системы оптоволоконной сети включают:

Волокно. Многомодовый или одномодный.
Лазер или светодиодный источник света.
Мультиплексор/демольтиплекзер , также называемый MUX/Demux, Filter или Prism. Они могут включать в себя оптический мультиплексор добавления/падения (OADM) и реконфигурируемый оптический мультиплексор добавления/капля (Roadm).
Оптический переключатель , для прямого света между портами без оптического электрического оптического преобразования
Оптический сплиттер , чтобы отправить сигнал по разным путям волокна.
Циркулятор , чтобы связать другие компоненты, такие как OADM.
Оптический усилитель .
Мультиплексор волнового деления .

Трансмиссионная среда

С самого начала телекоммуникационная сеть полагалась на медь для передачи информации. Но полоса пропускания меди ограничена ее физическими характеристиками - по мере того, как частота сигнала увеличивается, чтобы нести больше данных, больше энергии сигнала теряется как тепло . Кроме того, электрические сигналы могут мешать друг другу, когда провода расположены слишком близко друг к другу, проблема, известная как перекрестные помехи. В 1940 году первая система связи опиралась на коаксиальный кабель , который работал в 3 МГц и может перевозить 300 телефонных разговоров или один телевизионный канал. К 1975 году самая передовая коаксиальная система имела бит-скорость 274 Мбит/с, но для таких высокочастотных систем требуется ретранслятор примерно каждый километр для усиления сигнала, что делает такую сеть дорогой для работы.

Было ясно, что легкие волны могут иметь гораздо более высокие показатели битов без перекрестных помех. В 1957 году Гордон Гулд впервые описал дизайн оптического усилителя и лазера , который был продемонстрирован в 1960 году Теодором Майманом . Лазер является источником для легких волн, но для переноса света была необходима среда, чтобы переносить свет через сеть. В 1960 году стеклянные волокна использовались для передачи света в организм для медицинской визуализации, но у них была высокая оптическая потеря - свет был поглощен, когда он проходил через стекло со скоростью 1 децибел на метр, явление, известное как ослабление . В 1964 году Чарльз Као показал, что для передачи данных на большие расстояния стеклянное волокно потребует потери 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 стеклянное волокно, сделанное из слитого кремнезема, с потерей всего 16 дБ/км. Их клетчатка смогла нести в 65 000 раз больше информации, чем медь.

Первая волоконно-оптическая система для живого телефона была в 1977 году в Лонг-Бич, штат Калифорния, по общему телефону и электронике , с уровнем данных 6 Мбит/с. Ранние системы использовали инфракрасный свет на длине волны 800 нм и могут передавать до 45 Мбит/с с ретрансляторами примерно на 10 км друг от друга. К началу 1980 -х годов были введены лазеры и детекторы, которые работали на 1300 нм, где оптическая потеря составляет 1 дБ/км. К 1987 году они работали со скоростью 1,7 Гбит/с с расстоянием между ретрансляторами около 50 км. ^{[ 4 ]}

Оптическое усиление

Емкость волоконно -оптических сетей увеличилась частично из -за улучшений в компонентах, таких как оптические усилители и оптические фильтры, которые могут разделять световые волны на частоты с разницей менее 50 ГГц, подгоняя больше каналов в волокно. ( легированный эрбием EDFA) Дэвид Пейн в Университете Саутгемптона, . Лазер насоса возбуждает атомы, которые излучают свет, что повышает оптический сигнал. По мере того, как сдвиг парадигмы в дизайне сети продолжался, появился широкий спектр усилителей, потому что большинство систем оптической связи использовали усилители оптического волокна. ^{[ 5 ]} Усилители, легированные эрбием, были наиболее часто используемыми средствами поддержки многократных систем мультиплексирования длина длины волны. ^{[ 6 ]} Фактически, EDFA были настолько распространены, что, поскольку WDM стала технологией выбора в оптических сетях, усилитель эрбия стал «оптическим усилителем выбора для применений WDM». ^{[ 7 ]} Сегодня EDFAS и гибридные оптические усилители считаются наиболее важными компонентами систем мультиплексирования и сетей мультиплексирования дивизии волн. ^{[ 8 ]}

Разделение длины волны мультиплексирование

Используя оптические усилители, способность к переносу волокон была значительно увеличена с введением мультиплексирования длины волны (WDM) в начале 1990-х годов. AT & T Bell Labs разработали процесс WDM, в котором призма разбивает свет на разные длины волны, что может проходить через волокно одновременно. Пиковая длина волны каждого луча находится достаточно далеко друг от друга, чтобы балки различимы друг от друга, создавая несколько каналов в пределах одного волокна. В самых ранних системах WDM было только два или четыре канала-например, в 1995 году развернули 4-канальную систему с длинным ходом океана. ^{[ 9 ]} Усилители, легированные эрбием, от которых они зависят, однако, не усиливали сигналы равномерно в их области спектрального усиления. Во время регенерации сигнала небольшие расхождения на различных частотах ввели невыносимый уровень шума, что сделало WDM с более чем 4 каналами нецелесообразными для коммуникации волокна с высокой пропускной способностью.

Чтобы учесть это ограничение, Optelecom , Inc. и General Instruments Corp. Разработали компоненты для увеличения полосы пропускания волокна с гораздо большим количеством каналов. Optelecom и ее глава легкой оптики, инженер Дэвид Хубер и Кевин Кимберлин стали соучредителем Ciena Corp в 1992 году для разработки и коммерциализации оптических телекоммуникационных систем, целью является расширение способности кабельных систем до 50 000 каналов. ^{[ 10 ]} ^{[ 11 ]} Ciena разработал двойной оптический усилитель, способный передавать данные с равномерным усилением на нескольких длин волн, и с этим в июне 1996 года представила первую коммерческую плотную систему WDM. Эта 16-канальная система с общей мощностью 40 Гбит/с, ^{[ 12 ]} был развернут в сети Sprint , крупнейшем в мире перевозчике интернет -трафика в то время. ^{[ 13 ]} Это первое применение всеоптического усиления в общественных сетях ^{[ 14 ]} Аналитики рассматривали как предвестник постоянного изменения в дизайне сети, для которого Sprint и Ciena получат большую часть кредита. ^{[ 15 ]} Расширенные эксперты по оптической коммуникации называют введение WDM как реальное начало оптических сетей. ^{[ 16 ]}

Емкость

Плотность световых путей от WDM была ключом к массовому расширению волоконно -оптической способности, которая позволила рост Интернета в 1990 -х годах. С 1990 -х годов количество каналов и емкость плотных систем WDM существенно увеличилось, а коммерческие системы способны передавать почти 1 тбит/с трафика при 100 Гбит/с на каждой длине волны. ^{[ 17 ]} В 2010 году исследователи из AT & T сообщили о экспериментальной системе с 640 каналами, работающими на 107 Гбит/с, для общей передачи 64 тбит/с. ^{[ 18 ]} В 2018 году Telstra из Австралии развернула живую систему, которая обеспечивает передачу 30,4 тбит/с на волокно в рамках спектра 61,5 ГГц, что равно 1,2 миллиона 4K Ultra HD -видео, потоковые одновременно. ^{[ 19 ]} В результате этой способности транспортировать большие объемы трафика, WDM стал общей основой почти каждой мировой коммуникационной сети и, следовательно, сегодня основой Интернета. ^{[ 20 ]} ^{[ 21 ]} Спрос на пропускную способность обусловлен в основном трафиком интернет-протокола (IP) от видео сервисов, телемедицины, социальных сетей, использования мобильных телефонов и облачных вычислений. В то же время, трафик машины с машиной, IoT и научным сообществом требует поддержки крупномасштабного обмена файлами данных. Согласно индексу визуальных сетей Cisco, глобальный IP -трафик будет составлять более 150 700 гбит в секунду в 2022 году. Из этого видеоконтент будет равным 82% всего IP -трафика, и все они передаются оптическими сетями. ^{[ 22 ]}

Стандарты и протоколы

Синхронная оптическая сеть (Sonet) и синхронная цифровая иерархия (SDH) эволюционировали в качестве наиболее часто используемых протоколов для оптических сетей. Протокол оптической транспортной сети (OTN) был разработан Международным союзом телекоммуникации в качестве преемника и позволяет взаимодействовать по всей сети, как описано по рекомендации G.709 . Оба протокола позволяют доставку различных протоколов, таких как асинхронная режим передачи (ATM) , Ethernet , TCP/IP и другие.

Ссылки

^ «Элон Маск собирается запустить первый из 11 925 предложенных интернет -спутников SpaceX - больше, чем все космические корабли, которые сегодня вращаются на земле» . Бизнес -инсайдер . Получено 15 апреля 2018 года .
^ «Google Laser-Beams Фильм Real Genius 60 миль между воздушными шарами» . Проводной . Получено 16 апреля 2018 года .
^ Ньютон, Кейси (21 июля 2016 г.). «Внутри тестового полета первого интернет -беспилотника Facebook» . Theverge.com .
^ Argawal, GP, Fiber-Optic Communication Systems, Четвертое издание, 2010, Wiley, Hoboken, NJ, ISBN 978-0-470-50511-3 .
^ Датта, Нилой, К. (2014). Усилители волокна и волокно -лазеры . Мировой научный. с. VI. {{cite book}}: Cs1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
^ Чадха, Деви (2019). Оптические сети WDM . п. 8
^ Agrawal, Govind P. (2002). Волокно-оптические системы связи . John Wiley & Sons, Inc.
^ Немова, Галина (2002). Оптический усилитель . п. 139
^ Рамасвами Р. и Сивараджан К., Оптические сети: практическая перспектива, второе издание, 2001, Elsevier, Philadelphia, PA, ISBN 0080513212 , 9780080513218
^ Aurweek, Стив (17 мая 1993 г.). « OpteLecom, гидралит становятся партнерами » . Балтиморское солнце .
^ Хехт, Джефф. « Столетние снимки OSA Centennial. Бум, пузырь, бюст: волоконно -оптическая мания » .
^ Маркофф, Джон (3 марта 1997 г.). «Фотовая оптическая технология привлекает запись акций» . Нью -Йорк Таймс .
^ Спринт (12 июня 1996 г.). « Новая технология позволяет увеличить мощность на 1600 процентов» . PR Newswire . Канзас -Сити, Миссури.
^ Гилдер, Джордж (4 декабря 1995 г.). « Слога и страха в Интернете» . Форбс как можно скорее .
^ Goldman Sachs (30 июля 1997 г.). «Ciena Corporation: нарушение полосы пропускания». Технология: телекоммуникационное оборудование, исследовательский отчет США .
^ Cvijetic, Milorad and Jordjevic, Ivan B. (2013). Расширенные оптические системы связи и сети . Artech House. {{cite book}}: Cs1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
^ Уинзер, PJ (апрель 2012 г.). «Оптическая сеть за пределами WDM». IEEE Photonics Journal . 4 (2): 647–651. Bibcode : 2012iphoj ... 4..647W . doi : 10.1109/jphot.2012.2189379 . S2CID 20600739 .
^ Zhou, X., et al., «64-TB/S (640 × 107-GB/S) PDM-36QAM. Национальная конференция по инженерам -оптическим волокнам, март 2010 г., Сан -Диего, Калифорния
^ Рохан, Пирс (24 января 2018 г.). «Скорость мировой рекордной, достигнутую в сети передачи Telstra» . Компьютерный мир .
^ Грос, Клаус; Eiselt, Michael (2013). Мультиплексирование по длине волны: руководство по практической инженерии . Джон Т. Уайли и сыновья. п. 2
^ CVIJETIC, M. и JORDJEVIC, IB, Advanced Optical Communication Systems and Networks, 2013, Arctech House, Newton, MA, ISBN 978-1-60807-555-3
^ Индекс визуальных сетей Cisco: прогноз и методология, 2013-2018, https://www.cisco.com/c/en/us/solutions/collateral/service-provider/visual-networking-index-vni/white-paper- C11-741490.html

[1] «Элон Маск собирается запустить первый из 11 925 предложенных интернет -спутников SpaceX - больше, чем все космические корабли, которые сегодня вращаются на земле» . Бизнес -инсайдер . Получено 15 апреля 2018 года .

[2] «Google Laser-Beams Фильм Real Genius 60 миль между воздушными шарами» . Проводной . Получено 16 апреля 2018 года .

[3] Ньютон, Кейси (21 июля 2016 г.). «Внутри тестового полета первого интернет -беспилотника Facebook» . Theverge.com .

[4] Argawal, GP, Fiber-Optic Communication Systems, Четвертое издание, 2010, Wiley, Hoboken, NJ, ISBN 978-0-470-50511-3 .

[5] Датта, Нилой, К. (2014). Усилители волокна и волокно -лазеры . Мировой научный. с. VI. {{cite book}}: Cs1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )

[6] Чадха, Деви (2019). Оптические сети WDM . п. 8

[7] Agrawal, Govind P. (2002). Волокно-оптические системы связи . John Wiley & Sons, Inc.

[8] Немова, Галина (2002). Оптический усилитель . п. 139

[9] Рамасвами Р. и Сивараджан К., Оптические сети: практическая перспектива, второе издание, 2001, Elsevier, Philadelphia, PA, ISBN 0080513212 , 9780080513218

[10] Aurweek, Стив (17 мая 1993 г.). « OpteLecom, гидралит становятся партнерами » . Балтиморское солнце .

[11] Хехт, Джефф. « Столетние снимки OSA Centennial. Бум, пузырь, бюст: волоконно -оптическая мания » .

[12] Маркофф, Джон (3 марта 1997 г.). «Фотовая оптическая технология привлекает запись акций» . Нью -Йорк Таймс .

[13] Спринт (12 июня 1996 г.). « Новая технология позволяет увеличить мощность на 1600 процентов» . PR Newswire . Канзас -Сити, Миссури.

[14] Гилдер, Джордж (4 декабря 1995 г.). « Слога и страха в Интернете» . Форбс как можно скорее .

[15] Goldman Sachs (30 июля 1997 г.). «Ciena Corporation: нарушение полосы пропускания». Технология: телекоммуникационное оборудование, исследовательский отчет США .

[16] Cvijetic, Milorad and Jordjevic, Ivan B. (2013). Расширенные оптические системы связи и сети . Artech House. {{cite book}}: Cs1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )

[17] Уинзер, PJ (апрель 2012 г.). «Оптическая сеть за пределами WDM». IEEE Photonics Journal . 4 (2): 647–651. Bibcode : 2012iphoj ... 4..647W . doi : 10.1109/jphot.2012.2189379 . S2CID 20600739 .

[18] Zhou, X., et al., «64-TB/S (640 × 107-GB/S) PDM-36QAM. Национальная конференция по инженерам -оптическим волокнам, март 2010 г., Сан -Диего, Калифорния

[19] Рохан, Пирс (24 января 2018 г.). «Скорость мировой рекордной, достигнутую в сети передачи Telstra» . Компьютерный мир .

[20] Грос, Клаус; Eiselt, Michael (2013). Мультиплексирование по длине волны: руководство по практической инженерии . Джон Т. Уайли и сыновья. п. 2

[21] CVIJETIC, M. и JORDJEVIC, IB, Advanced Optical Communication Systems and Networks, 2013, Arctech House, Newton, MA, ISBN 978-1-60807-555-3

[22] Индекс визуальных сетей Cisco: прогноз и методология, 2013-2018, https://www.cisco.com/c/en/us/solutions/collateral/service-provider/visual-networking-index-vni/white-paper- C11-741490.html

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]

[ 14 ]

[ 15 ]

[ 16 ]

[ 17 ]

[ 18 ]

[ 19 ]

[ 20 ]

[ 21 ]

[ 22 ]