中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
聯(lián)系人：李鋒
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光網(wǎng)絡(luò )是一種利用光在設備之間傳輸數據的技術(shù)。它提供高帶寬和低延遲，多年來(lái)一直是長(cháng)途數據通信的事實(shí)標準。光纖用于全球大部分長(cháng)途語(yǔ)音和數據通信。
光網(wǎng)絡(luò )的歷史悠久，隨著(zhù)其服務(wù)和用例的擴展，使其更加靈活、智能和高效的趨勢將繼續增長(cháng)。
光網(wǎng)絡(luò )很重要，因為它允許長(cháng)距離的高速數據傳輸。例如，光網(wǎng)絡(luò )確保紐約用戶(hù)可以在物理定律允許的范圍內盡可能快地訪(fǎng)問(wèn)內羅畢服務(wù)器。
光網(wǎng)絡(luò )背后的技術(shù)基于全內反射原理。當光照射到光纜等介質(zhì)的表面時(shí)，一些光會(huì )被表面反射。光反射的角度取決于介質(zhì)的特性和入射角（光照射到表面的角度）。
如果入射角大于臨界角，那么所有的光都會(huì )被反射；這稱(chēng)為全內反射。全內反射可用于制造光纖，一種沿其長(cháng)度引導光的玻璃或塑料。
當光穿過(guò)光纖時(shí)，它會(huì )經(jīng)歷多次全內反射，導致它從光纖壁反彈。這種反彈效應導致光以鋸齒形圖案沿著(zhù)光纖的長(cháng)度向下傳播。
通過(guò)仔細控制光纖的特性，工程師可以控制反射的光量以及在再次反射之前傳播的距離。這使他們能夠設計出可以長(cháng)距離傳輸數據而不會(huì )丟失任何信息的光纖。
光網(wǎng)絡(luò )由幾個(gè)組件組成：光纖、收發(fā)器、放大器、多路復用器和光開(kāi)關(guān)。
光纖
光纖是承載光信號的介質(zhì)。它由多種材料組成，包括：
①核心：承載光的中心。
②包層：圍繞核心并有助于保持光信號包含的材料。
③緩沖涂層：保護光纖免受損壞的材料。
纖芯和包層通常由玻璃制成，而緩沖涂層通常由塑料制成。
收發(fā)器
收發(fā)器是將電信號轉換為光信號的設備，反之亦然，通常在連接的最后一英里處實(shí)現。它是光網(wǎng)絡(luò )與使用它的電子設備（如計算機和路由器）之間的接口。
放大器
顧名思義，放大器是一種放大光信號的設備，因此它們可以長(cháng)距離傳播而不會(huì )失去強度。放大器以規則的間隔沿著(zhù)光纖放置以增強信號。
多路復用器
多路復用器只是接收多個(gè)信號并將它們組合成單個(gè)信號的設備。這是通過(guò)為每個(gè)信號分配不同的光波長(cháng)來(lái)完成的，允許多路復用器同時(shí)沿單根光纖發(fā)送多個(gè)信號而不會(huì )產(chǎn)生干擾。
光開(kāi)關(guān)
光開(kāi)關(guān)是一種將光信號從一根光纖路由到另一根光纖的設備。光交換機用于控制光網(wǎng)絡(luò )中的流量，通常用于高容量網(wǎng)絡(luò )。
光網(wǎng)絡(luò )的歷史
光網(wǎng)絡(luò )的歷史始于 1790 年代，當時(shí)法國發(fā)明家 Claude Chappe 發(fā)明了光信號電報，這是光通信系統最早的例子之一。
近一個(gè)世紀后的 1880 年，亞歷山大·格雷厄姆·貝爾為光電電話(huà)申請了專(zhuān)利，這是一種光學(xué)電話(huà)系統。雖然 Photophone 是開(kāi)創(chuàng )性的，但 Bell 的早期發(fā)明電話(huà)更實(shí)用，并且采用了有形的形式。因此，Photophone 從未離開(kāi)實(shí)驗階段。
直到 1920 年代，英國的 John Logie Baird 和美國的 Clarence W． Hansell 才為使用空心管或透明棒陣列為電視或傳真系統傳輸圖像的想法申請了專(zhuān)利。
1954 年，荷蘭科學(xué)家 Abraham Van Heel 和英國科學(xué)家 Harold H． Hopkins 各自發(fā)表了關(guān)于纖維束成像的科學(xué)論文。Hopkins 專(zhuān)注于非包層光纖，而 Van Heel 只專(zhuān)注于簡(jiǎn)單的包層光纖束——裸光纖周?chē)哂休^低折射率的透明包層。
這保護了光纖反射表面免受外部變形，并顯著(zhù)降低了光纖之間的干擾。成像束的發(fā)展是光纖發(fā)展的重要一步。保護光纖表面免受外部干擾允許通過(guò)光纖更準確地傳輸光信號。
到 1960 年，玻璃包層光纖的損耗約為每米 1 分貝 （dB），適用于醫學(xué)成像，但對于通信來(lái)說(shuō)太高了。1961 年，美國光學(xué)公司的 Elias Snitzer 發(fā)表了一篇關(guān)于具有微小纖芯的光纖的理論描述，該纖芯可以?xún)H通過(guò)一種波導模式傳輸光。
1964 年，高錕博士提出了每公里 10 或 20 dB 的光損失。該標準有助于提高遠程通信系統的范圍和可靠性。除了他在損失率方面的工作外，高博士還證明了需要一種更純凈的玻璃來(lái)幫助減少光損失。
1970 年夏天，康寧玻璃廠(chǎng)的一組研究人員開(kāi)始試驗一種稱(chēng)為熔融石英的新材料。這種物質(zhì)以其極高的純度、高熔點(diǎn)和低折射率而聞名。
該團隊由 Robert Maurer、Donald Keck 和 Peter Schultz 組成，很快意識到熔融石英可用于制造一種稱(chēng)為“光波導纖維”的新型線(xiàn)材。這種光纖線(xiàn)可以承載比傳統銅線(xiàn)多 65，000 倍的信息。此外，用于攜帶信息的光波可以在甚至一千英里外的目的地被解碼。
這項發(fā)明徹底改變了長(cháng)距離通信，并為今天的光纖技術(shù)鋪平了道路。該團隊解決了高博士定義的分貝損失問(wèn)題，1973 年，John MacChesney 在貝爾實(shí)驗室改進(jìn)了用于纖維生產(chǎn)的化學(xué)氣相沉積工藝。結果，光纖電纜的商業(yè)化生產(chǎn)成為可能。
1977 年 4 月，通用電話(huà)和電子公司首次利用光纖網(wǎng)絡(luò )在加利福尼亞長(cháng)灘進(jìn)行實(shí)時(shí)電話(huà)通信。1977 年 5 月，貝爾實(shí)驗室很快效仿，在芝加哥市中心地區建立了一個(gè)跨越 1．5 英里的光電話(huà)通信系統。每對光纖可以傳輸672個(gè)語(yǔ)音通道，相當于一個(gè)DS3電路。
1980 年代初，第二代光纖通信專(zhuān)為商業(yè)用途而設計，采用 1．3 微米 InGaAsP半導體激光器。這些系統在 1987 年以高達 1．7 Gbps 的比特率運行，中繼器間距高達 50 公里。
第三代光纖網(wǎng)絡(luò )使用的系統工作在 1．55 微米，每公里損耗約為 0．2 dB。
第四代光纖通信系統依靠光放大來(lái)減少所需的中繼器數量，并依靠波分復用 （WDM） 來(lái)增加數據容量。
2006 年，使用光放大器在一條 160 公里的線(xiàn)路上達到了每秒 14 太比特 （Tb） 的比特率。截至 2021 年， 日本科學(xué)家能夠使用四芯光纜在 3，000 公里內傳輸 319 Tbps。
雖然這些第四代光纖通信系統的容量比前幾代要大很多，但基本原理是一樣的：將電信號轉換成光脈沖，通過(guò)光纖發(fā)送，然后再轉換回電信號在接收端。
然而，每一代產(chǎn)品的組成部分都變得更小、更可靠、更便宜。因此，光纖通信已成為我們全球電信基礎設施中越來(lái)越重要的一部分。
光網(wǎng)絡(luò )的主要趨勢
專(zhuān)注于網(wǎng)絡(luò )邊緣
光網(wǎng)絡(luò )邊緣是流量進(jìn)出網(wǎng)絡(luò )的地方。為了滿(mǎn)足基于云的應用需求，光網(wǎng)絡(luò )正在向終端用戶(hù)靠攏。這允許更低的延遲和更一致的性能。
層加密
隨著(zhù)網(wǎng)絡(luò )攻擊變得越來(lái)越普遍，動(dòng)態(tài)數據保護將繼續成為主要問(wèn)題。SASE（安全訪(fǎng)問(wèn)服務(wù)邊緣），在服務(wù)端點(diǎn)使用云原生安全功能，最近越來(lái)越受到關(guān)注。端點(diǎn)保護可能會(huì )使連接網(wǎng)絡(luò )上的安全控制變得不必要。
盡管這可能不會(huì )消除對加密的需求，但它將保護敏感數據和應用程序。如果沒(méi)有單一的安全控制，第 1 層的保護會(huì )變得越來(lái)越棘手。
我們可以通過(guò)加密控制、管理和用戶(hù)流量來(lái)更好地保護我們的資源。這使得黑客幾乎不可能侵入系統，從而大大降低了成功進(jìn)行網(wǎng)絡(luò )攻擊的機會(huì )。隨著(zhù)企業(yè)越來(lái)越依賴(lài)數據和連接，強大的安全解決方案只會(huì )變得更加明顯。
開(kāi)放光網(wǎng)絡(luò )
開(kāi)放式光網(wǎng)絡(luò )是一種使用標準、開(kāi)放式接口以允許集成不同供應商設備的光網(wǎng)絡(luò )。這為光網(wǎng)絡(luò )組件提供了更多選擇和靈活性。此外，它還可以在新功能和服務(wù)可用時(shí)更輕松地添加它們。
光譜服務(wù)的增長(cháng)
隨著(zhù)數據流量的不斷增長(cháng)，對更高帶寬和容量的需求也在不斷增加。光譜服務(wù)通過(guò)使用光譜來(lái)增加現有光纖網(wǎng)絡(luò )的容量來(lái)提供這一點(diǎn)。這些服務(wù)越來(lái)越受歡迎，因為它們提供了一種經(jīng)濟高效的方式來(lái)滿(mǎn)足不斷增長(cháng)的數據需求。
更多戶(hù)外部署
隨著(zhù)對更高帶寬和容量需求的增長(cháng)，街道機柜中的戶(hù)外部署變得越來(lái)越普遍。室外光纖可以直接運行到用戶(hù)位置，提供更直接的連接和更低的延遲。
緊湊的模塊化
隨著(zhù)光網(wǎng)絡(luò )的不斷發(fā)展，對更小、更緊湊的組件的需求變得越來(lái)越明顯。這是因為數據中心環(huán)境中的空間通常是有限的。緊湊的模塊化光學(xué)元件提供了一種節省空間的方法，同時(shí)仍然提供高性能。
光網(wǎng)絡(luò )的未來(lái)發(fā)展
智能光網(wǎng)絡(luò )
智能光網(wǎng)絡(luò )是使用人工智能（AI） 優(yōu)化性能的光網(wǎng)絡(luò )。人工智能可用于自動(dòng)識別和糾正網(wǎng)絡(luò )中的問(wèn)題。這允許更有效和更可靠的網(wǎng)絡(luò )。
此外，人工智能可用于預測未來(lái)的交通模式和需求。這些信息可用于提前配置容量，確保網(wǎng)絡(luò )能夠滿(mǎn)足未來(lái)的需求。
靈活的網(wǎng)格架構
靈活的網(wǎng)格架構正變得越來(lái)越流行，因為它們提供了一種增加現有光纖容量的方法。靈活的網(wǎng)格允許在單根光纖上復用不同波長(cháng)的光。這樣可以在每根光纖上承載更多數據，從而提高網(wǎng)絡(luò )容量。
按需波分復用
波分復用是一種允許在單根光纖上傳輸多種波長(cháng)的光的技術(shù)。按需 WDM 是一種允許按需提供容量的 WDM。這意味著(zhù)可以根據需要增加容量，而無(wú)需安裝新的光纖。
日益數字化世界中的光網(wǎng)絡(luò )
光網(wǎng)絡(luò )在其相對較短的歷史中已經(jīng)走過(guò)了漫長(cháng)的道路。從不起眼的開(kāi)始，它現在已成為許多大型網(wǎng)絡(luò )基礎設施的重要組成部分。它是互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵支柱，徹底改變了我們的溝通方式，并開(kāi)創(chuàng )了一個(gè)前所未有的技術(shù)進(jìn)步時(shí)代。
隨著(zhù) 5G 等趨勢的成熟，光網(wǎng)絡(luò )似乎有望繼續在我們日益數字化的世界中發(fā)揮重要作用。
