La xarxa òptica és una tecnologia que utilitza la llum per transmetre dades entre dispositius. Ofereix un gran ample de banda i una baixa latència i ha estat l'estàndard de facto per a comunicacions de dades a llarga distància durant molts anys. La fibra òptica s'utilitza per a la majoria de comunicacions de veu i dades de llarga distància a tot el món.
La xarxa òptica és important perquè permet la transmissió de dades a gran velocitat a llargues distàncies. Per exemple, la xarxa òptica garanteix que els usuaris de Nova York puguin accedir als servidors de Nairobi tan ràpid com ho permetin les lleis de la física.
La tecnologia darrere de les xarxes òptiques es basa en el principi de reflexió interna total. Quan la llum arriba a la superfície d'un mitjà com el cable de fibra òptica, part de la llum es reflecteix per la superfície. L'angle en què es reflecteix la llum depèn de les propietats del medi i de l'angle d'incidència (l'angle en què la llum incideix amb la superfície).
Si l'angle d'incidència és més gran que l'angle crític, llavors tota la llum es reflecteix; això s'anomena reflex interna total. La reflexió interna total es pot utilitzar per fer fibres òptiques, un tipus de vidre o plàstic que guia la llum al llarg de la seva longitud.
A mesura que la llum viatja a través de la fibra, experimenta múltiples reflexions internes totals, la qual cosa fa que reboti a la paret de la fibra. Aquest efecte de rebot fa que la llum viatgi per la longitud de la fibra en un patró en ziga-zaga.
Controlant acuradament les propietats de la fibra, els enginyers poden controlar quanta llum es reflecteix i fins a quin punt recorre abans de tornar-se a reflectir. Això els va permetre dissenyar fibres òptiques que poguessin transmetre dades a llargues distàncies sense perdre cap informació.
Les xarxes òptiques consten de diversos components: fibres òptiques, transceptors, amplificadors, multiplexors i commutadors òptics.
Fibra òptica
La fibra òptica és el medi que transporta el senyal òptic. Està format per una varietat de materials, entre els quals destaquen:
①Nucli: el centre que transporta la llum.
②Clad: un material que envolta el nucli i ajuda a mantenir el senyal òptic contingut.
③Revestiment tampó: un material que protegeix la fibra òptica dels danys.
El nucli i el revestiment solen ser de vidre, mentre que el recobriment amortidor sol ser de plàstic.
Transceptor
Els transceptors són dispositius que converteixen senyals elèctrics en senyals òptics i viceversa, normalment implementats a l'última milla d'una connexió. És la interfície entre una xarxa òptica i els dispositius electrònics que l'utilitzen, com ara ordinadors i encaminadors.
Amplificador
Com el seu nom indica, un amplificador és un dispositiu que amplifica els senyals de llum perquè puguin recórrer llargues distàncies sense perdre força. Els amplificadors es col·loquen al llarg de la fibra a intervals regulars per augmentar el senyal.
Multiplexor
Un multiplexor és només un dispositiu que pren diversos senyals i els combina en un sol senyal. Això es fa assignant a cada senyal una longitud d'ona de llum diferent, permetent que el multiplexor enviï múltiples senyals simultàniament al llarg d'una sola fibra sense interferències.
Interruptor de llum
Un interruptor òptic és un dispositiu que encamina senyals òptics d'una fibra a una altra. Els commutadors òptics s'utilitzen per controlar el trànsit a les xarxes òptiques i normalment s'utilitzen en xarxes d'alta capacitat.
Història de les xarxes òptiques
La història de les xarxes òptiques va començar a la dècada de 1790 quan l'inventor francès Claude Chappe va inventar el telègraf de senyal òptic, un dels primers exemples d'un sistema de comunicació òptica.
Gairebé un segle més tard, el 1880, Alexander Graham Bell va patentar el telèfon electro-òptic, un sistema telefònic òptic. Mentre que el fotòfon era innovador, la invenció anterior del telèfon de Bell era més pràctica i va prendre una forma tangible. Per tant, Photophone mai va sortir de l'etapa experimental.
Fins a la dècada de 1920, John Logie Baird a Anglaterra i Clarence W. Hansell només van patentar la idea d'utilitzar una sèrie de tubs buits o barres transparents per transmetre imatges per a sistemes de televisió o fax.
L'any 1954, el científic holandès Abraham Van Heel i el científic britànic Harold H. Hopkins van publicar cadascun articles científics sobre tractografia. Hopkins es va centrar en les fibres sense revestir, mentre que Van Heel es va centrar només en paquets de fibres revestides simples: un revestiment transparent amb un índex de refracció més baix al voltant de la fibra nua.
Això protegeix la superfície reflectant de la fibra de les deformacions externes i redueix significativament la interferència entre les fibres. El desenvolupament de feixos d'imatge va ser un pas important en el desenvolupament de les fibres òptiques. La protecció de la superfície de la fibra de les interferències externes permet una transmissió més precisa dels senyals òptics a través de la fibra.
El 1960, les fibres revestides de vidre tenien pèrdues d'aproximadament 1 decibel (dB) per metre, adequades per a la imatge mèdica, però massa altes per a les comunicacions. El 1961, Elias Snitzer de la Optical Company of America va publicar una descripció teòrica d'una fibra òptica amb un nucli minúscul que només podia transmetre llum a través d'un mode de guia d'ona.
El 1964, el doctor Kao va proposar una pèrdua de llum de 10 o 20 dB per quilòmetre. Aquesta norma ajuda a millorar l'abast i la fiabilitat dels sistemes de telecomunicacions. A més del seu treball sobre les taxes de pèrdua, el Dr. Gao va demostrar la necessitat d'un vidre més pur per ajudar a reduir la pèrdua de llum.
L'estiu de 1970, un grup d'investigadors de Corning Glass Works va començar a experimentar amb un nou material anomenat sílice fosa. Aquesta substància és coneguda per la seva puresa extremadament alta, alt punt de fusió i baix índex de refracció.
L'equip, format per Robert Maurer, Donald Keck i Peter Schultz, aviat es va adonar que la sílice fosa es podria utilitzar per fer un nou tipus de cable anomenat "fibra de guia d'ona òptica". Aquest cable de fibra òptica pot transportar 65,000 vegades més informació que el cable de coure tradicional. A més, les ones de llum que s'utilitzen per transportar informació es poden descodificar a destinacions fins i tot a mil quilòmetres de distància.
Aquest invent va revolucionar la comunicació a llarga distància i va obrir el camí a la tecnologia de fibra òptica actual. L'equip va resoldre el problema de pèrdua de decibels definit pel Dr. Gao, i el 1973 John MacChesney dels Bell Laboratories va millorar el procés de deposició de vapor químic per a la producció de fibra. Com a resultat, s'ha fet possible la producció comercial de cables de fibra òptica.
L'abril de 1977, General Telephone and Electronics Co. va utilitzar la xarxa de fibra òptica per primera vegada per a la comunicació telefònica en temps real a Long Beach, Califòrnia. El maig de 1977, Bell Labs aviat va seguir el mateix, construint un sistema òptic de comunicació telefònica que abasta 1,5 milles a la zona del centre de Chicago. Cada parell de fibres pot transmetre 672 canals de veu, equivalents a un circuit DS3.
A principis de la dècada de 1980, la segona generació de comunicacions de fibra òptica es va dissenyar per a ús comercial, utilitzant un làser semiconductor InGaAsP d'1,3-micra. Aquests sistemes funcionaven a velocitats de bits de fins a 1,7 Gbps el 1987, amb repetidors espaiats fins a 50 quilòmetres entre ells.
Els sistemes utilitzats a les xarxes de fibra òptica de tercera generació funcionen a 1,55 micres i tenen una pèrdua d'uns 0,2 dB per quilòmetre.
Els sistemes de comunicació de fibra òptica de quarta generació es basen en l'amplificació òptica per reduir el nombre de repetidors necessaris i en la multiplexació per divisió de longitud d'ona (WDM) per augmentar la capacitat de dades.
L'any 2006, es va aconseguir una velocitat de bits de 14 terabits (Tb) per segon en una línia de 160-quilòmetre mitjançant amplificadors òptics. El 2021, els científics japonesos podran transmetre 319 Tbps en 3,000 quilòmetres mitjançant un cable de fibra òptica de quatre nuclis.
Tot i que aquests sistemes de comunicació de fibra òptica de quarta generació tenen molta més capacitat que les generacions anteriors, el principi bàsic és el mateix: convertir els senyals elèctrics en polsos òptics, enviar-los per fibra òptica i, a continuació, tornar-los a convertir en senyals elèctrics a la recepció. final.
Tanmateix, els components de cada generació s'han tornat més petits, més fiables i menys costosos. Com a resultat, les comunicacions de fibra òptica s'han convertit en una part cada cop més important de la nostra infraestructura global de telecomunicacions.
Tendències clau en xarxes òptiques
Centra't en la vora de la xarxa
La vora de la xarxa òptica és on el trànsit entra i surt de la xarxa. Per satisfer les demandes de les aplicacions basades en núvol, les xarxes òptiques s'estan apropant als usuaris finals. Això permet una menor latència i un rendiment més consistent.
Xifratge de capa
A mesura que els ciberatacs siguin més habituals, la protecció de dades en moviment continuarà sent una preocupació important. SASE (Secure Access Service Edge), l'ús de funcions de seguretat natives del núvol als punts finals del servei, ha guanyat força recentment. La protecció del punt final pot fer que els controls de seguretat a les xarxes connectades no siguin necessaris.
Tot i que això pot no eliminar la necessitat de xifratge, protegirà les dades i les aplicacions sensibles. Sense un únic control de seguretat, la protecció de la capa 1 es fa cada cop més complicada.
Podem protegir millor els nostres recursos xifrant el control, la gestió i el trànsit d'usuaris. Això fa gairebé impossible que els pirates informàtics entrin al sistema, reduint en gran mesura les possibilitats d'un ciberatac amb èxit. A mesura que les empreses depenguin més de les dades i la connectivitat, les solucions de seguretat robustes només es faran més evidents.
Obriu la xarxa òptica
Una xarxa òptica oberta és una xarxa òptica que utilitza interfícies estàndard i obertes per permetre la integració d'equips de diferents proveïdors. Això proporciona més opcions i flexibilitat per als components de la xarxa òptica. A més, fa més fàcil afegir noves funcions i serveis a mesura que estiguin disponibles.
Creixement dels serveis d'espectre
A mesura que el trànsit de dades continua creixent, també ho fa la necessitat d'ample de banda i capacitat més gran. Els serveis espectrals ho proporcionen mitjançant l'ús de l'espectre per augmentar la capacitat de les xarxes de fibra òptica existents. Aquests serveis estan creixent en popularitat perquè proporcionen una manera rendible de satisfer les creixents demandes de dades.
Més desplegaments a l'aire lliure
Els desplegaments exteriors als armaris de carrer són cada cop més habituals a mesura que creix la demanda d'ample de banda i capacitat més grans. La fibra exterior pot córrer directament a la ubicació del client, proporcionant una connexió més directa i una latència més baixa.
Compacte i modulador
A mesura que les xarxes òptiques continuen evolucionant, la necessitat de components més petits i compactes es fa cada cop més evident. Això es deu al fet que l'espai en un entorn de centre de dades sovint és limitat. L'òptica modular compacta ofereix un enfocament d'estalvi d'espai alhora que ofereix un alt rendiment.
El futur de les xarxes òptiques
Xarxa òptica intel·ligent
Les xarxes òptiques intel·ligents són xarxes òptiques que utilitzen intel·ligència artificial (IA) per optimitzar el rendiment. La intel·ligència artificial es pot utilitzar per identificar i corregir automàticament problemes a la xarxa. Això permet una xarxa més eficient i fiable.
A més, la IA es pot utilitzar per predir patrons i demandes de trànsit futurs. Aquesta informació es pot utilitzar per subministrar capacitat amb antelació, garantint que la xarxa pugui satisfer les demandes futures.
Arquitectura de xarxa flexible
Les arquitectures de malla flexible són cada cop més populars perquè proporcionen una manera d'augmentar la capacitat de les fibres existents. La xarxa flexible permet la multiplexació de diferents longituds d'ona de llum en una sola fibra. Això permet transportar més dades a cada fibra, augmentant la capacitat de la xarxa.
Multiplexació per divisió de longitud d'ona sota demanda
La multiplexació per divisió de longitud d'ona és una tècnica que permet transmetre múltiples longituds d'ona de llum en una sola fibra. El WDM sota demanda és un tipus de WDM que permet capacitat sota demanda. Això significa que es pot afegir capacitat segons sigui necessari sense instal·lar fibra nova.
Xarxes òptiques en un món cada cop més digital
Les xarxes òptiques han recorregut un llarg camí en la seva història relativament curta. Des d'uns inicis humils, ara és una part essencial de moltes grans infraestructures de xarxa. És un pilar clau d'Internet, que revoluciona la nostra manera de comunicar-nos i inaugura una era d'avenços tecnològics sense precedents.
A mesura que maduren tendències com el 5G, sembla que les xarxes òptiques estan a punt per continuar jugant un paper important en el nostre món cada cop més digitalitzat.
