一文帶你了解什麼是光網絡？

2022.09.15

光網絡是一種利用光在設備之間傳輸數據的技術。它提供高帶寬和低延遲，多年來一直是長途數據通信的事實標準。光纖用於全球大部分長途語音和數據通信。

光網絡的歷史悠久，隨著其服務和用例的擴展，使其更加靈活、智能和高效的趨勢將繼續增長。

光網絡很重要，因為它允許長距離的高速數據傳輸。例如，光網絡確保紐約用戶可以在物理定律允許的範圍內盡可能快地訪問內羅畢服務器。

光網絡背後的技術基於全內反射原理。當光照射到光纜等介質的表面時，一些光會被表面反射。光反射的角度取決於介質的特性和入射角(光照射到表面的角度)。

如果入射角大於臨界角，那麼所有的光都會被反射;這稱為全內反射。全內反射可用於製造光纖，一種沿其長度引導光的玻璃或塑料。

當光穿過光纖時，它會經歷多次全內反射，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光纖的長度向下傳播。

通過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距離傳輸數據而不會丟失任何信息的光纖。

光網絡由幾個組件組成：光纖、收發器、放大器、多路復用器和光開關。

光纖

光纖是承載光信號的介質。它由多種材料組成，包括：

核心：承載光的中心。
包層：圍繞核心並有助於保持光信號包含的材料。
緩衝塗層：保護光纖免受損壞的材料。

纖芯和包層通常由玻璃製成，而緩衝塗層通常由塑料製成。

收發器

收發器是將電信號轉換為光信號的設備，反之亦然，通常在連接的最後一英里處實現。它是光網絡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，因此它們可以長距離傳播而不會失去強度。放大器以規則的間隔沿著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信號並將它們組合成單個信號的設備。這是通過為每個信號分配不同的光波長來完成的，允許多路復用器同時沿單根光纖發送多個信號而不會產生干擾。

光開關

光開關是一種將光信號從一根光纖路由到另一根光纖的設備。光交換機用於控制光網絡中的流量，通常用於高容量網絡。

光網絡的歷史

光網絡的歷史始於1790 年代，當時法國發明家Claude Chappe 發明了光信號電報，這是光通信系統最早的例子之一。

近一個世紀後的1880 年，亞歷山大·格雷厄姆·貝爾為光電電話申請了專利，這是一種光學電話系統。雖然Photophone 是開創性的，但Bell 的早期發明電話更實用，並且採用了有形的形式。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係統傳輸圖像的想法申請了專利。

1954 年，荷蘭科學家Abraham Van Heel 和英國科學家Harold H. Hopkins 各自發表了關於纖維束成像的科學論文。Hopkins 專注於非包層光纖，而Van Heel 只專注於簡單的包層光纖束——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，並顯著降低了光纖之間的干擾。成像束的發展是光纖發展的重要一步。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)，適用於醫學成像，但對於通信來說太高了。1961 年，美國光學公司的Elias Snitzer 發表了一篇關於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。該標準有助於提高遠程通信系統的範圍和可靠性。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淨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於製造一種稱為“光波導纖維”的新型線材。這種光纖線可以承載比傳統銅線多65,000 倍的信息。此外，用於攜帶信息的光波可以在甚至一千英里外的目的地被解碼。

這項發明徹底改變了長距離通信，並為今天的光纖技術鋪平了道路。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於纖維生產的化學氣相沉積工藝。結果，光纖電纜的商業化生產成為可能。

1977 年4 月，通用電話和電子公司首次利用光纖網絡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建立了一個跨越1.5 英里的光電話通信系統。每對光纖可以傳輸672個語音通道，相當於一個DS3電路。

1980 年代初，第二代光纖通信專為商業用途而設計，採用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。

第三代光纖網絡使用的系統工作在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減少所需的中繼器數量，並依靠波分複用(WDM) 來增加數據容量。

2006 年，使用光放大器在一條160 公里的線路上達到了每秒14 太比特(Tb) 的比特率。截至2021 年，日本科學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衝，通過光纖發送，然後再轉換回電信號在接收端。

然而，每一代產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越重要的一部分。

光網絡的主要趨勢

專注於網絡邊緣

光網絡邊緣是流量進出網絡的地方。為了滿足基於雲的應用需求，光網絡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

隨著網絡攻擊變得越來越普遍，動態數據保護將繼續成為主要問題。SASE(安全訪問服務邊緣)，在服務端點使用雲原生安全功能，最近越來越受到關注。端點保護可能會使連接網絡上的安全控制變得不必要。

儘管這可能不會消除對加密的需求，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，從而大大降低了成功進行網絡攻擊的機會。隨著企業越來越依賴數據和連接，強大的安全解決方案只會變得更加明顯。

開放光網絡

開放式光網絡是一種使用標準、開放式接口以允許集成不同供應商設備的光網絡。這為光網絡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可用時更輕鬆地添加它們。

光譜服務的增長

隨著數據流量的不斷增長，對更高帶寬和容量的需求也在不斷增加。光譜服務通過使用光譜來增加現有光纖網絡的容量來提供這一點。這些服務越來越受歡迎，因為它們提供了一種經濟高效的方式來滿足不斷增長的數據需求。

緊湊的模塊化

隨著光網絡的不斷發展，對更小、更緊湊的組件的需求變得越來越明顯。這是因為數據中心環境中的空間通常是有限的。緊湊的模塊化光學元件提供了一種節省空間的方法，同時仍然提供高性能。

光網絡的未來發展

智能光網絡

智能光網絡是使用人工智能(AI) 優化性能的光網絡。人工智能可用於自動識別和糾正網絡中的問題。這允許更有效和更可靠的網絡。

此外，人工智能可用於預測未來的交通模式和需求。這些信息可用於提前配置容量，確保網絡能夠滿足未來的需求。

靈活的網格架構

靈活的網格架構正變得越來越流行，因為它們提供了一種增加現有光纖容量的方法。靈活的網格允許在單根光纖上復用不同波長的光。這樣可以在每根光纖上承載更多數據，從而提高網絡容量。

按需波分複用

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

日益數字化世界中的光網絡

光網絡在其相對較短的歷史中已經走過了漫長的道路。從不起眼的開始，它現在已成為許多大型網絡基礎設施的重要組成部分。它是互聯網的關鍵支柱，徹底改變了我們的溝通方式，並開創了一個前所未有的技術進步時代。

隨著5G 等趨勢的成熟，光網絡似乎有望繼續在我們日益數字化的世界中發揮重要作用。

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