Bei der optischen Vernetzung handelt es sich um eine Technologie, die Licht zur Datenübertragung zwischen Geräten nutzt. Es bietet eine hohe Bandbreite und geringe Latenz und ist seit vielen Jahren der De-facto-Standard für die Datenkommunikation über große Entfernungen. Für die Sprach- und Datenkommunikation über große Entfernungen weltweit werden hauptsächlich Glasfasern verwendet.
Optische Netzwerke sind wichtig, da sie eine schnelle Datenübertragung über große Entfernungen ermöglichen. Das optische Netzwerk sorgt beispielsweise dafür, dass Nutzer in New York so schnell auf Server in Nairobi zugreifen können, wie es die Gesetze der Physik zulassen.
Die Technologie der optischen Vernetzung basiert auf dem Prinzip der Totalreflexion. Wenn Licht auf die Oberfläche eines Mediums wie eines Glasfaserkabels trifft, wird ein Teil des Lichts von der Oberfläche reflektiert. Der Winkel, in dem Licht reflektiert wird, hängt von den Eigenschaften des Mediums und dem Einfallswinkel (dem Winkel, in dem das Licht auf die Oberfläche trifft) ab.
Ist der Einfallswinkel größer als der kritische Winkel, wird das gesamte Licht reflektiert; dies wird als Totalreflexion bezeichnet. Mithilfe der Totalreflexion können optische Fasern hergestellt werden, eine Art Glas oder Kunststoff, die Licht entlang ihrer Länge leitet.
Während Licht durch die Faser wandert, erfährt es mehrere interne Totalreflexionen, wodurch es von der Faserwand reflektiert wird. Durch diesen Reflexionseffekt wandert das Licht in einem Zickzackmuster entlang der Faser.
Durch sorgfältige Steuerung der Eigenschaften der Faser können Ingenieure steuern, wie viel Licht reflektiert wird und wie weit es zurücklegt, bevor es erneut reflektiert wird. Dies ermöglichte es ihnen, optische Fasern zu entwickeln, die Daten über große Entfernungen übertragen konnten, ohne dass Informationen verloren gingen.
Optische Netzwerke bestehen aus mehreren Komponenten: Glasfasern, Transceivern, Verstärkern, Multiplexern und optischen Schaltern.
Optische Faser
Glasfaser ist das Medium, das das optische Signal überträgt. Es besteht aus einer Vielzahl von Materialien, darunter:
①Kern: Das Zentrum, das Licht trägt.
②Mantel: Ein Material, das den Kern umgibt und dabei hilft, das optische Signal einzudämmen.
③Pufferbeschichtung: Ein Material, das die optische Faser vor Beschädigungen schützt.
Kern und Mantel bestehen meist aus Glas, während der Puffermantel meist aus Kunststoff besteht.
Transceiver
Transceiver sind Geräte, die elektrische Signale in optische Signale umwandeln und umgekehrt und werden normalerweise in der letzten Meile einer Verbindung implementiert. Es ist die Schnittstelle zwischen einem optischen Netzwerk und den elektronischen Geräten, die es nutzen, wie zum Beispiel Computer und Router.
Verstärker
Wie der Name schon sagt, handelt es sich bei einem Verstärker um ein Gerät, das Lichtsignale verstärkt, sodass sie große Entfernungen zurücklegen können, ohne an Stärke zu verlieren. In regelmäßigen Abständen werden Verstärker entlang der Faser angebracht, um das Signal zu verstärken.
Multiplexer
Ein Multiplexer ist lediglich ein Gerät, das mehrere Signale aufnimmt und zu einem einzigen Signal kombiniert. Dies geschieht, indem jedem Signal eine andere Lichtwellenlänge zugewiesen wird, sodass der Multiplexer mehrere Signale gleichzeitig und ohne Interferenzen über eine einzige Faser senden kann.
Lichtschalter
Ein optischer Schalter ist ein Gerät, das optische Signale von einer Faser zu einer anderen leitet. Optische Schalter dienen zur Steuerung des Datenverkehrs in optischen Netzwerken und werden typischerweise in Netzwerken mit hoher Kapazität eingesetzt.
Geschichte der optischen Vernetzung
Die Geschichte der optischen Netzwerke begann in den 1790er Jahren, als der französische Erfinder Claude Chappe den optischen Signaltelegraphen erfand, eines der frühesten Beispiele eines optischen Kommunikationssystems.
Fast ein Jahrhundert später, im Jahr 1880, patentierte Alexander Graham Bell das elektrooptische Telefon, ein optisches Telefonsystem. Während das Fotophon bahnbrechend war, war Bells frühere Erfindung des Telefons praktischer und nahm eine greifbare Form an. Daher hat Photophone das experimentelle Stadium nie verlassen.
Bis in die 1920er Jahre patentierten John Logie Baird in England und Clarence W. Hansell lediglich die Idee, eine Reihe hohler Röhren oder transparenter Stäbe zur Übertragung von Bildern für Fernseh- oder Faxsysteme zu verwenden.
Im Jahr 1954 veröffentlichten der niederländische Wissenschaftler Abraham Van Heel und der britische Wissenschaftler Harold H. Hopkins jeweils wissenschaftliche Arbeiten zur Traktographie. Hopkins konzentrierte sich auf unverkleidete Fasern, während Van Heel sich nur auf einfach ummantelte Faserbündel konzentrierte – eine transparente Ummantelung mit einem niedrigeren Brechungsindex um die blanke Faser herum.
Dies schützt die reflektierende Faseroberfläche vor äußeren Verformungen und reduziert die Interferenzen zwischen den Fasern erheblich. Die Entwicklung abbildender Strahlen war ein wichtiger Schritt in der Entwicklung optischer Fasern. Der Schutz der Faseroberfläche vor externen Störungen ermöglicht eine genauere Übertragung optischer Signale durch die Faser.
Bis 1960 hatten glasummantelte Fasern Verluste von etwa 1 Dezibel (dB) pro Meter, was für die medizinische Bildgebung geeignet, für die Kommunikation jedoch zu hoch war. Im Jahr 1961 veröffentlichte Elias Snitzer von der Optical Company of America eine theoretische Beschreibung einer optischen Faser mit einem winzigen Kern, die Licht durch nur einen Wellenleitermodus übertragen konnte.
Im Jahr 1964 schlug Dr. Kao einen Lichtverlust von 10 oder 20 dB pro Kilometer vor. Dieser Standard trägt dazu bei, die Reichweite und Zuverlässigkeit von Telekommunikationssystemen zu verbessern. Zusätzlich zu seiner Arbeit zu Verlustraten zeigte Dr. Gao die Notwendigkeit eines reineren Glases auf, um den Lichtverlust zu reduzieren.
Im Sommer 1970 begann eine Gruppe von Forschern bei Corning Glass Works mit dem Experimentieren mit einem neuen Material namens Quarzglas. Diese Substanz ist für ihre extrem hohe Reinheit, ihren hohen Schmelzpunkt und ihren niedrigen Brechungsindex bekannt.
Das Team bestehend aus Robert Maurer, Donald Keck und Peter Schultz erkannte bald, dass Quarzglas zur Herstellung eines neuen Drahttyps namens „optische Wellenleiterfaser“ verwendet werden könnte. Dieses Glasfaserkabel kann 65-{1}-mal mehr Informationen übertragen als herkömmliche Kupferkabel. Darüber hinaus können die zur Informationsübertragung verwendeten Lichtwellen an Zielen entschlüsselt werden, die sogar tausend Meilen entfernt sind.
Diese Erfindung revolutionierte die Fernkommunikation und ebnete den Weg für die heutige Glasfasertechnologie. Das Team löste das von Dr. Gao definierte Problem des Dezibelverlusts und 1973 verbesserte John MacChesney von den Bell Laboratories den chemischen Gasphasenabscheidungsprozess für die Faserproduktion. Dadurch wurde die kommerzielle Produktion von Glasfaserkabeln möglich.
Im April 1977 nutzte General Telephone and Electronics Co. in Long Beach, Kalifornien, erstmals das Glasfasernetz für die Echtzeit-Telefonkommunikation. Im Mai 1977 folgten die Bell Labs bald diesem Beispiel und errichteten in der Innenstadt von Chicago ein optisches Telefonkommunikationssystem, das sich über 1,5 Meilen erstreckte. Jedes Glasfaserpaar kann 672 Sprachkanäle übertragen, was einer DS3-Schaltung entspricht.
In den frühen 1980er Jahren wurde die zweite Generation der Glasfaserkommunikation für den kommerziellen Einsatz entwickelt, wobei ein 1,{3}Mikrometer großer InGaAsP-Halbleiterlaser zum Einsatz kam. Diese Systeme arbeiteten 1987 mit Bitraten von bis zu 1,7 Gbit/s, wobei die Repeater bis zu 50 Kilometer voneinander entfernt waren.
Die in Glasfasernetzen der dritten Generation verwendeten Systeme arbeiten mit 1,55 Mikrometern und haben einen Verlust von etwa 0,2 dB pro Kilometer.
Glasfaser-Kommunikationssysteme der vierten Generation basieren auf optischer Verstärkung, um die Anzahl der erforderlichen Repeater zu reduzieren, und auf Wellenlängenmultiplex (WDM), um die Datenkapazität zu erhöhen.
Im Jahr 2006 wurde auf einer 160- Kilometer langen Leitung mit optischen Verstärkern eine Bitrate von 14 Terabit (Tb) pro Sekunde erreicht. Bis 2021 werden japanische Wissenschaftler in der Lage sein, mit einem vieradrigen Glasfaserkabel 319 Tbit/s über 3.{6} Kilometer zu übertragen.
Obwohl diese Glasfaser-Kommunikationssysteme der vierten Generation viel mehr Kapazität haben als frühere Generationen, ist das Grundprinzip dasselbe: Sie wandeln elektrische Signale in optische Impulse um, senden sie über Glasfasern und wandeln sie dann beim Empfänger wieder in elektrische Signale um Ende.
Allerdings sind die Komponenten jeder Generation kleiner, zuverlässiger und kostengünstiger geworden. Infolgedessen ist die Glasfaserkommunikation zu einem immer wichtigeren Bestandteil unserer globalen Telekommunikationsinfrastruktur geworden.
Wichtige Trends in der optischen Vernetzung
Konzentrieren Sie sich auf den Netzwerkrand
Am Rand des optischen Netzwerks fließt der Datenverkehr in das Netzwerk hinein und aus diesem heraus. Um den Anforderungen cloudbasierter Anwendungen gerecht zu werden, rücken optische Netzwerke näher an die Endbenutzer heran. Dies ermöglicht eine geringere Latenz und eine konsistentere Leistung.
Layer-Verschlüsselung
Da Cyber-Angriffe immer häufiger auftreten, wird der Datenschutz im laufenden Betrieb weiterhin ein großes Problem darstellen. SASE (Secure Access Service Edge), die Nutzung cloudnativer Sicherheitsfunktionen an Service-Endpunkten, hat in letzter Zeit an Bedeutung gewonnen. Endpoint Protection kann Sicherheitskontrollen in verbundenen Netzwerken überflüssig machen.
Auch wenn dadurch die Notwendigkeit einer Verschlüsselung möglicherweise nicht entfällt, werden sensible Daten und Anwendungen dadurch geschützt. Ohne eine einzige Sicherheitskontrolle wird der Schutz auf Ebene 1 immer schwieriger.
Wir können unsere Ressourcen besser schützen, indem wir Steuerung, Verwaltung und Benutzerverkehr verschlüsseln. Dies macht es für Hacker nahezu unmöglich, in das System einzudringen, was die Chancen auf einen erfolgreichen Cyberangriff erheblich verringert. Da Unternehmen zunehmend auf Daten und Konnektivität angewiesen sind, werden robuste Sicherheitslösungen immer offensichtlicher.
Offenes optisches Netzwerk
Ein offenes optisches Netzwerk ist ein optisches Netzwerk, das offene Standardschnittstellen verwendet, um die Integration von Geräten verschiedener Hersteller zu ermöglichen. Dies bietet mehr Auswahl und Flexibilität für optische Netzwerkkomponenten. Darüber hinaus ist es einfacher, neue Funktionen und Dienste hinzuzufügen, sobald diese verfügbar sind.
Wachstum von Spectrum Services
Da der Datenverkehr weiter zunimmt, steigt auch der Bedarf an höherer Bandbreite und Kapazität. Spektraldienste bieten dies, indem sie das Spektrum nutzen, um die Kapazität bestehender Glasfasernetze zu erhöhen. Diese Dienste erfreuen sich wachsender Beliebtheit, da sie eine kostengünstige Möglichkeit bieten, den wachsenden Datenbedarf zu decken.
Mehr Außeneinsätze
Da die Nachfrage nach höherer Bandbreite und Kapazität steigt, werden Außenanlagen in Straßenverteilern immer häufiger eingesetzt. Outdoor-Glasfaser kann direkt zum Kundenstandort verlaufen und sorgt so für eine direktere Verbindung und geringere Latenz.
Kompakt und Modulator
Mit der Weiterentwicklung optischer Netzwerke wird der Bedarf an kleineren, kompakteren Komponenten immer offensichtlicher. Dies liegt daran, dass der Platz in einer Rechenzentrumsumgebung oft begrenzt ist. Kompakte modulare Optiken bieten einen platzsparenden Ansatz bei dennoch hoher Leistung.
Die Zukunft der optischen Vernetzung
Intelligentes optisches Netzwerk
Intelligente optische Netzwerke sind optische Netzwerke, die künstliche Intelligenz (KI) nutzen, um die Leistung zu optimieren. Mithilfe künstlicher Intelligenz können Probleme im Netzwerk automatisch erkannt und behoben werden. Dies ermöglicht ein effizienteres und zuverlässigeres Netzwerk.
Darüber hinaus kann KI verwendet werden, um zukünftige Verkehrsmuster und -anforderungen vorherzusagen. Diese Informationen können genutzt werden, um im Voraus Kapazitäten bereitzustellen und so sicherzustellen, dass das Netzwerk zukünftige Anforderungen erfüllen kann.
Flexible Grid-Architektur
Flexible Mesh-Architekturen werden immer beliebter, da sie eine Möglichkeit bieten, die Kapazität vorhandener Fasern zu erhöhen. Das flexible Gitter ermöglicht das Multiplexen verschiedener Lichtwellenlängen auf einer einzigen Faser. Dadurch können mehr Daten über jede Faser übertragen werden, wodurch die Netzwerkkapazität erhöht wird.
Wellenlängenmultiplex nach Bedarf
Wellenlängenmultiplex ist eine Technik, die die Übertragung mehrerer Lichtwellenlängen auf einer einzigen Faser ermöglicht. On-Demand-WDM ist ein WDM-Typ, der Kapazität nach Bedarf ermöglicht. Dies bedeutet, dass die Kapazität nach Bedarf hinzugefügt werden kann, ohne dass neue Glasfasern installiert werden müssen.
Optische Vernetzung in einer zunehmend digitalen Welt
Optische Netzwerke haben in ihrer relativ kurzen Geschichte große Fortschritte gemacht. Von bescheidenen Anfängen an ist es heute ein wesentlicher Bestandteil vieler großer Netzwerkinfrastrukturen. Es ist eine wichtige Säule des Internets, revolutioniert die Art und Weise, wie wir kommunizieren, und läutet eine Ära beispiellosen technologischen Fortschritts ein.
Da Trends wie 5G ausgereift sind, scheint es, dass optische Netzwerke weiterhin eine wichtige Rolle in unserer zunehmend digitalisierten Welt spielen werden.
