Optiskt nätverk

Optiskt nätverk är ett kommunikationsmedel som använder signaler kodade i ljus för att överföra information i olika typer av telenät . Dessa inkluderar lokala nätverk med begränsad räckvidd (LAN) eller bredarea nätverk (WAN) , som korsar storstadsområden och regionala områden såväl som långdistansnätverk, internationella och transoceana nätverk. Det är en form av optisk kommunikation som förlitar sig på optiska förstärkare , lasrar eller lysdioder och vågdelningsmultiplexering (WDM) för att överföra stora mängder data, vanligtvis över fiberoptiska kablar . Eftersom det är kapabelt att uppnå extremt hög bandbredd , är det en möjliggörande teknik för Internet och telekommunikationsnätverk som överför den stora majoriteten av all information från människa och maskin till maskin.

Typer

Fiberoptiska nätverk

Huvudartikel: Fiberoptisk kommunikation

De vanligaste fiberoptiska nätverken är kommunikationsnätverk , meshnätverk eller ringnät som vanligtvis används i storstads-, regionala, nationella och internationella system. En annan variant av fiberoptiska nätverk är det passiva optiska nätverket , som använder optiska splitter utan ström för att länka en fiber till flera lokaler för sista mils applikationer.

Optiska nätverk med fritt utrymme

Free-space optiska nätverk använder många av samma principer som ett fiberoptiskt nätverk men sänder sina signaler över öppna ytor utan användning av fiber. Flera planerade satellitkonstellationer som SpaceX:s Starlink avsedd för global internetförsörjning kommer att använda trådlös laserkommunikation för att etablera optiska mesh-nätverk mellan satelliter i yttre rymden. Luftburna optiska nätverk mellan höghöjdsplattformar planeras som en del av Googles Project Loon och Facebook Aquila med samma teknik.

Free-space optiska nätverk kan också användas för att sätta upp temporära markbundna nätverk, t.ex. för att länka LAN på ett campus.

Komponenter

Komponenter i ett fiberoptiskt nätverkssystem inkluderar:

• Fiber. Multi-mode eller single-mode.
• Laser eller LED ljuskälla.
• Multiplexer/demultiplexer , även kallad mux/demux, filter eller prisma. Dessa kan inkludera Optical Add/Drop Multiplexer (OADM) och Reconfigurable Optical Add/Drop Multiplexer (ROADM).
• Optisk switch , för att rikta ljus mellan portar utan en optisk-elektrisk-optisk omvandling
• Optisk splitter , för att skicka en signal längs olika fibervägar.
• Cirkulator , för att koppla in andra komponenter, såsom en OADM.
• Optisk förstärkare .
• Vågdelningsmultiplexer .

Överföringsmedium

Vid starten förlitade sig telenätet på koppar för att bära information. Men kopparns bandbredd begränsas av dess fysiska egenskaper - när signalens frekvens ökar för att bära mer data, förloras mer av signalens energi som värme . Dessutom kan elektriska signaler störa varandra när ledningarna är placerade för nära varandra, ett problem som kallas överhörning. År 1940 förlitade sig det första kommunikationssystemet på koaxialkabel som fungerade vid 3 MHz och kunde bära 300 telefonsamtal eller en TV-kanal. År 1975 hade det mest avancerade koaxialsystemet en bithastighet på 274 Mbit/s, men sådana högfrekventa system kräver en repeater ungefär varje kilometer för att stärka signalen, vilket gör ett sådant nätverk dyrt att driva.

Det var tydligt att ljusvågor kunde ha mycket högre bithastigheter utan överhörning. 1957 Gordon Gould först designen av den optiska förstärkaren och lasern som demonstrerades 1960 av Theodore Maiman . Lasern är en källa för ljusvågor, men det behövdes ett medium för att föra ljuset genom ett nätverk. 1960 användes glasfibrer för att överföra ljus in i kroppen för medicinsk bildbehandling, men de hade hög optisk förlust - ljus absorberades när det passerade genom glaset med en hastighet av 1 decibel per meter, ett fenomen som kallas dämpning . 1964 Charles Kao att för att överföra data för långa sträckor skulle en glasfiber inte behöva förlust mer än 20 dB per kilometer. Ett genombrott kom 1970, när Donald B. Keck , Robert D. Maurer och Peter C. Schultz från Corning Incorporated designade en glasfiber, gjord av smält kiseldioxid, med en förlust på endast 16 dB/km. Deras fiber kunde bära 65 000 gånger mer information än koppar.

Det första fiberoptiska systemet för direkt telefontrafik var 1977 i Long Beach, Kalifornien, av General Telephone and Electronics , med en datahastighet på 6 Mbit/s. Tidiga system använde infrarött ljus vid en våglängd på 800 nm och kunde sända med upp till 45 Mbit/s med repeatrar cirka 10 km från varandra. I början av 1980-talet hade lasrar och detektorer som fungerade vid 1300 nm, där den optiska förlusten är 1 dB/km, introducerats. År 1987 arbetade de med 1,7 Gbit/s med repeateravstånd på cirka 50 km.

Optisk förstärkning

Kapaciteten hos fiberoptiska nätverk har ökat delvis på grund av förbättringar av komponenter, såsom optiska förstärkare och optiska filter som kan separera ljusvågor i frekvenser med mindre än 50 GHz skillnad, vilket passar fler kanaler i en fiber. Den erbiumdopade optiska förstärkaren (EDFA) utvecklades av David Payne vid University of Southampton 1986 med användning av atomer av den sällsynta jordartsmetallen erbium som distribueras genom en längd av optisk fiber. En pumplaser exciterar atomerna, som avger ljus, vilket ökar den optiska signalen. När paradigmskiftet i nätverksdesign fortsatte, uppstod ett brett utbud av förstärkare eftersom de flesta optiska kommunikationssystem använde optiska fiberförstärkare. Erbiumdopade förstärkare var det mest använda sättet att stödja täta våglängdsmultiplexeringssystem. Faktum är att EDFA:er var så utbredda att när WDM blev den bästa tekniken i de optiska nätverken, blev erbiumförstärkaren "den optiska förstärkaren för WDM-tillämpningar". Idag anses EDFA och hybridoptiska förstärkare vara de viktigaste komponenterna i vågdelningsmultiplexsystem och nätverk.

Våglängdsmultiplexering

Genom att använda optiska förstärkare ökade fibrernas kapacitet att överföra information dramatiskt med införandet av våglängdsmultiplexering (WDM) i början av 1990-talet. AT&T:s Bell Labs utvecklade en WDM-process där ett prisma delar upp ljus i olika våglängder, som kan färdas genom en fiber samtidigt. Toppvåglängden för varje stråle är placerad tillräckligt långt ifrån varandra så att strålarna kan särskiljas från varandra, vilket skapar flera kanaler inom en enda fiber. De tidigaste WDM-systemen hade bara två eller fyra kanaler - AT&T, till exempel, installerade ett oceaniskt 4-kanals långdistanssystem 1995. De erbiumdopade förstärkarna som de är beroende av förstärkte dock inte signalerna enhetligt över sin spektrala förstärkning område. Under signalregenerering introducerade små avvikelser i olika frekvenser en oacceptabel brusnivå, vilket gör WDM med mer än 4 kanaler opraktiskt för fiberkommunikation med hög kapacitet.

För att åtgärda denna begränsning har Optelecom , Inc. och General Instruments Corp. utvecklat komponenter för att öka fiberbandbredden med mycket fler kanaler. Optelecom och dess chef för Light Optics, ingenjören David Huber och Kevin Kimberlin grundade Ciena Corp 1992 för att designa och kommersialisera optiska telekommunikationssystem, med målet att utöka kapaciteten för kabelsystem till 50 000 kanaler. Ciena utvecklade den optiska tvåstegsförstärkaren som kan sända data med enhetlig förstärkning på flera våglängder och introducerade i juni 1996 det första kommersiella täta WDM-systemet. Det där 16-kanalssystemet, med en total kapacitet på 40 Gbit/s, installerades på Sprint- nätverket, världens största transportör av internettrafik vid den tiden. Denna första tillämpning av helt optisk förstärkning i offentliga nätverk sågs av analytiker som ett förebud om en permanent förändring i nätverksdesign som Sprint och Ciena skulle få mycket av äran för. Avancerade experter på optisk kommunikation citerar introduktionen av WDM som den verkliga starten på optiskt nätverk.

Kapacitet

Tätheten av ljusvägar från WDM var nyckeln till den massiva expansionen av fiberoptisk kapacitet som möjliggjorde tillväxten av Internet på 1990-talet. Sedan 1990-talet har kanalantalet och kapaciteten för täta WDM-system ökat avsevärt, med kommersiella system som kan sända nära 1 Tbit/s trafik med 100 Gbit/s på varje våglängd. År 2010 rapporterade forskare vid AT&T ett experimentellt system med 640 kanaler som arbetar med 107 Gbit/s, för en total överföring på 64 Tbit/s. Under 2018 implementerade Telstra i Australien ett livesystem som möjliggör överföring av 30,4 Tbit/s per fiberpar över 61,5 GHz-spektrum, vilket motsvarar 1,2 miljoner 4K Ultra HD-videor som streamas samtidigt. Som ett resultat av denna förmåga att transportera stora trafikvolymer har WDM blivit den gemensamma basen för nästan alla globala kommunikationsnätverk och därmed en grund för Internet idag. Efterfrågan på bandbredd drivs främst av Internet Protocol (IP) trafik från videotjänster, telemedicin, sociala nätverk, mobiltelefonanvändning och molnbaserad datoranvändning. Samtidigt kräver maskin-till-maskin, IoT och forskarsamhällets trafik stöd för storskaligt utbyte av datafiler. Enligt Cisco Visual Networking Index kommer den globala IP-trafiken att vara mer än 150 700 Gbits per sekund 2022. Av det kommer videoinnehållet att motsvara 82 % av all IP-trafik, allt överfört via optiska nätverk.

Standarder och protokoll

Synchronous Optical Networking (SONET) och Synchronous Digital Hierarchy (SDH) har utvecklats som de mest använda protokollen för optiska nätverk. Optical Transport Network (OTN) -protokollet utvecklades av International Telecommunication Union som en efterföljare och möjliggör interoperabilitet över nätverket enligt beskrivningen i rekommendation G.709 . Båda protokollen tillåter leverans av en mängd olika protokoll såsom Asynchronous Transfer Mode (ATM), Ethernet , TCP /IP och andra.