光網(wǎng)絡(luò)是一種利用光在設(shè)備之間傳輸數(shù)據(jù)的技術(shù)。它提供高帶寬和低延遲，多年來一直是長途數(shù)據(jù)通信的事實標(biāo)準(zhǔn)。光纖用于全球大部分長途語音和數(shù)據(jù)通信。

光網(wǎng)絡(luò)的歷史悠久，隨著其服務(wù)和用例的擴展，使其更加靈活、智能和高效的趨勢將繼續(xù)增長。

光網(wǎng)絡(luò)很重要，因為它允許長距離的高速數(shù)據(jù)傳輸。例如，光網(wǎng)絡(luò)確保紐約用戶可以在物理定律允許的范圍內(nèi)盡可能快地訪問內(nèi)羅畢服務(wù)器。

光網(wǎng)絡(luò)背后的技術(shù)基于全內(nèi)反射原理。當(dāng)光照射到光纜等介質(zhì)的表面時，一些光會被表面反射。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，那么所有的光都會被反射;這稱為全內(nèi)反射。全內(nèi)反射可用于制造光纖，一種沿其長度引導(dǎo)光的玻璃或塑料。

當(dāng)光穿過光纖時，它會經(jīng)歷多次全內(nèi)反射，導(dǎo)致它從光纖壁反彈。這種反彈效應(yīng)導(dǎo)致光以鋸齒形圖案沿著光纖的長度向下傳播。

通過仔細(xì)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(shè)計出可以長距離傳輸數(shù)據(jù)而不會丟失任何信息的光纖。

光網(wǎng)絡(luò)由幾個組件組成：光纖、收發(fā)器、放大器、多路復(fù)用器和光開關(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：

• 核心：承載光的中心。
• 包層：圍繞核心并有助于保持光信號包含的材料。
• 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(zhuǎn)換為光信號的設(shè)備，反之亦然，通常在連接的最后一英里處實現(xiàn)。它是光網(wǎng)絡(luò)與使用它的電子設(shè)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(shè)備，因此它們可以長距離傳播而不會失去強度。放大器以規(guī)則的間隔沿著光纖放置以增強信號。

多路復(fù)用器

多路復(fù)用器只是接收多個信號并將它們組合成單個信號的設(shè)備。這是通過為每個信號分配不同的光波長來完成的，允許多路復(fù)用器同時沿單根光纖發(fā)送多個信號而不會產(chǎn)生干擾。

光開關(guān)

光開關(guān)是一種將光信號從一根光纖路由到另一根光纖的設(shè)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(dāng)時法國發(fā)明家 Claude Chappe 發(fā)明了光信號電報，這是光通信系統(tǒng)最早的例子之一。

近一個世紀(jì)后的 1880 年，亞歷山大·格雷厄姆·貝爾為光電電話申請了專利，這是一種光學(xué)電話系統(tǒng)。雖然 Photophone 是開創(chuàng)性的，但 Bell 的早期發(fā)明電話更實用，并且采用了有形的形式。因此，Photophone 從未離開實驗階段。

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(tǒng)傳輸圖像的想法申請了專利。

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 專注于非包層光纖，而 Van Heel 只專注于簡單的包層光纖束——裸光纖周圍具有較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光纖更準(zhǔn)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(yī)學(xué)成像，但對于通信來說太高了。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，該纖芯可以僅通過一種波導(dǎo)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(biāo)準(zhǔn)有助于提高遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)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幫助減少光損失。

1970 年夏天，康寧玻璃廠的一組研究人員開始試驗一種稱為熔融石英的新材料。這種物質(zhì)以其極高的純度、高熔點和低折射率而聞名。

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為“光波導(dǎo)纖維”的新型線材。這種光纖線可以承載比傳統(tǒng)銅線多 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題，1973 年，John MacChesney 在貝爾實驗室改進了用于纖維生產(chǎn)的化學(xué)氣相沉積工藝。結(jié)果，光纖電纜的商業(yè)化生產(chǎn)成為可能。

1977 年 4 月，通用電話和電子公司首次利用光纖網(wǎng)絡(luò)在加利福尼亞長灘進行實時電話通信。1977 年 5 月，貝爾實驗室很快效仿，在芝加哥市中心地區(qū)建立了一個跨越 1.5 英里的光電話通信系統(tǒng)。每對光纖可以傳輸672個語音通道，相當(dāng)于一個DS3電路。

1980 年代初，第二代光纖通信專為商業(yè)用途而設(shè)計，采用 1.3 微米 InGaAsP半導(dǎo)體激光器。這些系統(tǒng)在 1987 年以高達(dá) 1.7 Gbps 的比特率運行，中繼器間距高達(dá) 50 公里。

第三代光纖網(wǎng)絡(luò)使用的系統(tǒng)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(tǒng)依靠光放大來減少所需的中繼器數(shù)量，并依靠波分復(fù)用 (WDM) 來增加數(shù)據(jù)容量。

2006 年，使用光放大器在一條 160 公里的線路上達(dá)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(nèi)傳輸 319 Tbps。

雖然這些第四代光纖通信系統(tǒng)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(zhuǎn)換成光脈沖，通過光纖發(fā)送，然后再轉(zhuǎn)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?nèi)螂娦呕A(chǔ)設(shè)施中越來越重要的一部分。

光網(wǎng)絡(luò)的主要趨勢

專注于網(wǎng)絡(luò)邊緣

光網(wǎng)絡(luò)邊緣是流量進出網(wǎng)絡(luò)的地方。為了滿足基于云的應(yīng)用需求，光網(wǎng)絡(luò)正在向終端用戶靠攏。這允許更低的延遲和更一致的性能。

層加密

隨著網(wǎng)絡(luò)攻擊變得越來越普遍，動態(tài)數(shù)據(jù)保護將繼續(xù)成為主要問題。SASE(安全訪問服務(wù)邊緣)，在服務(wù)端點使用云原生安全功能，最近越來越受到關(guān)注。端點保護可能會使連接網(wǎng)絡(luò)上的安全控制變得不必要。

盡管這可能不會消除對加密的需求，但它將保護敏感數(shù)據(jù)和應(yīng)用程序。如果沒有單一的安全控制，第 1 層的保護會變得越來越棘手。

我們可以通過加密控制、管理和用戶流量來更好地保護我們的資源。這使得黑客幾乎不可能侵入系統(tǒng)，從而大大降低了成功進行網(wǎng)絡(luò)攻擊的機會。隨著企業(yè)越來越依賴數(shù)據(jù)和連接，強大的安全解決方案只會變得更加明顯。

開放光網(wǎng)絡(luò)

開放式光網(wǎng)絡(luò)是一種使用標(biāo)準(zhǔn)、開放式接口以允許集成不同供應(yīng)商設(shè)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)可用時更輕松地添加它們。

光譜服務(wù)的增長

隨著數(shù)據(jù)流量的不斷增長，對更高帶寬和容量的需求也在不斷增加。光譜服務(wù)通過使用光譜來增加現(xiàn)有光纖網(wǎng)絡(luò)的容量來提供這一點。這些服務(wù)越來越受歡迎，因為它們提供了一種經(jīng)濟高效的方式來滿足不斷增長的數(shù)據(jù)需求。

更多戶外部署

隨著對更高帶寬和容量需求的增長，街道機柜中的戶外部署變得越來越普遍。室外光纖可以直接運行到用戶位置，提供更直接的連接和更低的延遲。

緊湊的模塊化

隨著光網(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越明顯。這是因為數(shù)據(jù)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(jié)省空間的方法，同時仍然提供高性能。

光網(wǎng)絡(luò)的未來發(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識別和糾正網(wǎng)絡(luò)中的問題。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(yù)測未來的交通模式和需求。這些信息可用于提前配置容量，確保網(wǎng)絡(luò)能夠滿足未來的需求。

靈活的網(wǎng)格架構(gòu)

靈活的網(wǎng)格架構(gòu)正變得越來越流行，因為它們提供了一種增加現(xiàn)有光纖容量的方法。靈活的網(wǎng)格允許在單根光纖上復(fù)用不同波長的光。這樣可以在每根光纖上承載更多數(shù)據(jù)，從而提高網(wǎng)絡(luò)容量。

按需波分復(fù)用

波分復(fù)用是一種允許在單根光纖上傳輸多種波長的光的技術(shù)。按需 WDM 是一種允許按需提供容量的 WDM。這意味著可以根據(jù)需要增加容量，而無需安裝新的光纖。

日益數(shù)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)走過了漫長的道路。從不起眼的開始，它現(xiàn)在已成為許多大型網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)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，并開創(chuàng)了一個前所未有的技術(shù)進步時代。

隨著 5G 等趨勢的成熟，光網(wǎng)絡(luò)似乎有望繼續(xù)在我們?nèi)找鏀?shù)字化的世界中發(fā)揮重要作用。