La rete ottica è una tecnologia che utilizza la luce per trasmettere dati tra dispositivi. Offre un'elevata larghezza di banda e una bassa latenza ed è stato per molti anni lo standard de facto per le comunicazioni di dati a lunga distanza. La fibra ottica viene utilizzata per la maggior parte delle comunicazioni voce e dati a lunga distanza in tutto il mondo.
La rete ottica è importante perché consente la trasmissione di dati ad alta velocità su lunghe distanze. La rete ottica, ad esempio, garantisce che gli utenti di New York possano accedere ai server di Nairobi alla velocità consentita dalle leggi della fisica.
La tecnologia alla base del networking ottico si basa sul principio della riflessione interna totale. Quando la luce colpisce la superficie di un mezzo come un cavo in fibra ottica, parte della luce viene riflessa dalla superficie. L'angolo con cui la luce viene riflessa dipende dalle proprietà del mezzo e dall'angolo di incidenza (l'angolo con cui la luce colpisce la superficie).
Se l'angolo di incidenza è maggiore dell'angolo critico, tutta la luce viene riflessa; questa è chiamata riflessione interna totale. La riflessione interna totale può essere utilizzata per realizzare fibre ottiche, un tipo di vetro o plastica che guida la luce lungo la sua lunghezza.
Mentre la luce viaggia attraverso la fibra, subisce molteplici riflessioni interne totali, facendola rimbalzare sulla parete della fibra. Questo effetto di rimbalzo fa sì che la luce viaggi lungo la fibra secondo uno schema a zigzag.
Controllando attentamente le proprietà della fibra, gli ingegneri possono controllare la quantità di luce riflessa e la distanza percorsa prima di essere nuovamente riflessa. Ciò ha permesso loro di progettare fibre ottiche in grado di trasmettere dati su lunghe distanze senza perdere alcuna informazione.
Le reti ottiche sono costituite da diversi componenti: fibre ottiche, ricetrasmettitori, amplificatori, multiplexer e interruttori ottici.
Fibra ottica
La fibra ottica è il mezzo che trasporta il segnale ottico. È composto da una varietà di materiali, tra cui:
①Nucleo: il centro che trasporta la luce.
②Rivestito: un materiale che circonda il nucleo e aiuta a contenere il segnale ottico.
③Rivestimento tampone: materiale che protegge la fibra ottica da eventuali danni.
Il nucleo e il rivestimento sono solitamente in vetro, mentre il rivestimento del buffer è solitamente in plastica.
Ricetrasmettitore
I ricetrasmettitori sono dispositivi che convertono i segnali elettrici in segnali ottici e viceversa, solitamente implementati nell'ultimo miglio di una connessione. È l'interfaccia tra una rete ottica e i dispositivi elettronici che la utilizzano, come computer e router.
Amplificatore
Come suggerisce il nome, un amplificatore è un dispositivo che amplifica i segnali luminosi in modo che possano percorrere lunghe distanze senza perdere forza. Lungo la fibra vengono posizionati degli amplificatori a intervalli regolari per amplificare il segnale.
Multiplexer
Un multiplexer è semplicemente un dispositivo che riceve più segnali e li combina in un unico segnale. Ciò avviene assegnando a ciascun segnale una diversa lunghezza d'onda della luce, consentendo al multiplexer di inviare più segnali contemporaneamente lungo una singola fibra senza interferenze.
Interruttore della luce
Un interruttore ottico è un dispositivo che instrada i segnali ottici da una fibra all'altra. Gli switch ottici vengono utilizzati per controllare il traffico nelle reti ottiche e sono generalmente utilizzati nelle reti ad alta capacità.
Storia delle reti ottiche
La storia delle reti ottiche iniziò nel 1790, quando l'inventore francese Claude Chappe inventò il telegrafo a segnali ottici, uno dei primi esempi di sistema di comunicazione ottica.
Quasi un secolo dopo, nel 1880, Alexander Graham Bell brevettò il telefono elettro-ottico, un sistema telefonico ottico. Mentre il Photophone era rivoluzionario, la precedente invenzione del telefono di Bell era più pratica e prese una forma tangibile. Pertanto, Photophone non ha mai lasciato la fase sperimentale.
Fino agli anni '20, John Logie Baird in Inghilterra e Clarence W. Hansell brevettarono solo l'idea di utilizzare una serie di tubi cavi o aste trasparenti per trasmettere immagini per sistemi televisivi o fax.
Nel 1954, lo scienziato olandese Abraham Van Heel e lo scienziato britannico Harold H. Hopkins hanno pubblicato ciascuno articoli scientifici sulla trattografia. Hopkins si concentrò sulle fibre non rivestite, mentre Van Heel si concentrò solo su semplici fasci di fibre rivestite: un rivestimento trasparente con un indice di rifrazione inferiore attorno alla fibra nuda.
Ciò protegge la superficie riflettente della fibra dalle deformazioni esterne e riduce significativamente le interferenze tra le fibre. Lo sviluppo dei fasci di immagini è stato un passo importante nello sviluppo delle fibre ottiche. La protezione della superficie della fibra dalle interferenze esterne consente una trasmissione più accurata dei segnali ottici attraverso la fibra.
Nel 1960, le fibre rivestite di vetro avevano perdite di circa 1 decibel (dB) per metro, adatte per l'imaging medico, ma troppo elevate per le comunicazioni. Nel 1961, Elias Snitzer della Optical Company of America pubblicò una descrizione teorica di una fibra ottica con un nucleo minuscolo in grado di trasmettere la luce attraverso una sola modalità di guida d'onda.
Nel 1964 il Dr. Kao propose una perdita di luce di 10 o 20 dB per chilometro. Questo standard aiuta a migliorare la portata e l'affidabilità dei sistemi di telecomunicazione. Oltre al suo lavoro sui tassi di perdita, il dottor Gao ha dimostrato la necessità di un vetro più puro per ridurre la perdita di luce.
Nell'estate del 1970, un gruppo di ricercatori della Corning Glass Works iniziò a sperimentare un nuovo materiale chiamato silice fusa. Questa sostanza è nota per la sua purezza estremamente elevata, alto punto di fusione e basso indice di rifrazione.
Il team, composto da Robert Maurer, Donald Keck e Peter Schultz, si rese presto conto che la silice fusa poteva essere utilizzata per realizzare un nuovo tipo di filo chiamato "fibra di guida d'onda ottica". Questo cavo in fibra ottica può trasportare 65,000 volte più informazioni rispetto al tradizionale cavo in rame. Inoltre, le onde luminose utilizzate per trasportare le informazioni possono essere decodificate a destinazioni anche a migliaia di chilometri di distanza.
Questa invenzione ha rivoluzionato la comunicazione a lunga distanza e ha aperto la strada all'odierna tecnologia in fibra ottica. Il team risolse il problema della perdita di decibel definito dal dottor Gao e nel 1973 John MacChesney dei Bell Laboratories migliorò il processo di deposizione chimica da vapore per la produzione di fibre. Di conseguenza, è diventata possibile la produzione commerciale di cavi in fibra ottica.
Nell'aprile 1977, la General Telephone and Electronics Co. utilizzò per la prima volta la rete in fibra ottica per le comunicazioni telefoniche in tempo reale a Long Beach, in California. Nel maggio 1977, i Bell Labs seguirono presto l'esempio, costruendo un sistema di comunicazione telefonica ottica che si estendeva per 1,5 miglia nel centro di Chicago. Ciascuna coppia di fibre può trasmettere 672 canali vocali, equivalenti ad un circuito DS3.
All'inizio degli anni '80, la seconda generazione di comunicazioni in fibra ottica fu progettata per uso commerciale, utilizzando un laser a semiconduttore InGaAsP da 1,3-micron. Questi sistemi funzionavano a velocità in bit fino a 1,7 Gbps nel 1987, con ripetitori distanziati fino a 50 chilometri l'uno dall'altro.
I sistemi utilizzati nelle reti in fibra ottica di terza generazione funzionano a 1,55 micron e hanno una perdita di circa 0,2 dB per chilometro.
I sistemi di comunicazione in fibra ottica di quarta generazione si basano sull'amplificazione ottica per ridurre il numero di ripetitori richiesti e sul multiplexing a divisione di lunghezza d'onda (WDM) per aumentare la capacità dei dati.
Nel 2006, è stata raggiunta una velocità in bit di 14 terabit (Tb) al secondo su una linea di 160-chilometri utilizzando amplificatori ottici. Entro il 2021, gli scienziati giapponesi saranno in grado di trasmettere 319 Tbps su 3,000 chilometri utilizzando un cavo in fibra ottica a quattro core.
Sebbene questi sistemi di comunicazione in fibra ottica di quarta generazione abbiano una capacità molto maggiore rispetto alle generazioni precedenti, il principio di base è lo stesso: convertire i segnali elettrici in impulsi ottici, inviarli tramite fibra ottica e quindi riconvertirli in segnali elettrici al destinatario. FINE.
Tuttavia, i componenti di ogni generazione sono diventati più piccoli, più affidabili e meno costosi. Di conseguenza, le comunicazioni in fibra ottica sono diventate una parte sempre più importante della nostra infrastruttura di telecomunicazioni globale.
Tendenze chiave nelle reti ottiche
Concentrarsi sull'edge della rete
Il confine della rete ottica è il punto in cui il traffico scorre in entrata e in uscita dalla rete. Per soddisfare le esigenze delle applicazioni basate su cloud, le reti ottiche si stanno avvicinando agli utenti finali. Ciò consente una latenza inferiore e prestazioni più costanti.
Crittografia dei livelli
Man mano che gli attacchi informatici diventano più comuni, la protezione dei dati in movimento continuerà a rappresentare una delle principali preoccupazioni. SASE (Secure Access Service Edge), l'uso di funzionalità di sicurezza native del cloud sugli endpoint di servizio, ha recentemente guadagnato terreno. La protezione degli endpoint può rendere superflui i controlli di sicurezza sulle reti connesse.
Anche se ciò potrebbe non eliminare la necessità della crittografia, proteggerà i dati e le applicazioni sensibili. Senza un unico controllo di sicurezza, la protezione di livello 1 diventa sempre più complicata.
Possiamo proteggere meglio le nostre risorse crittografando il controllo, la gestione e il traffico degli utenti. Ciò rende quasi impossibile per gli hacker penetrare nel sistema, riducendo notevolmente le possibilità di successo di un attacco informatico. Man mano che le aziende fanno sempre più affidamento sui dati e sulla connettività, le soluzioni di sicurezza robuste diventeranno sempre più evidenti.
Apri rete ottica
Una rete ottica aperta è una rete ottica che utilizza interfacce standard aperte per consentire l'integrazione di apparecchiature di diversi fornitori. Ciò offre maggiore scelta e flessibilità per i componenti della rete ottica. Inoltre, semplifica l'aggiunta di nuove funzionalità e servizi non appena diventano disponibili.
Crescita dei servizi di spettro
Poiché il traffico dati continua a crescere, aumenta anche la necessità di larghezza di banda e capacità maggiori. I servizi spettrali forniscono ciò utilizzando lo spettro per aumentare la capacità delle reti in fibra ottica esistenti. Questi servizi stanno diventando sempre più popolari perché forniscono un modo conveniente per soddisfare la crescente domanda di dati.
Più implementazioni all'aperto
Le implementazioni esterne negli armadi stradali stanno diventando più comuni man mano che cresce la domanda di larghezza di banda e capacità maggiori. La fibra esterna può raggiungere direttamente la sede del cliente, fornendo una connessione più diretta e una latenza inferiore.
Compatto e Modulatore
Con la continua evoluzione delle reti ottiche, la necessità di componenti più piccoli e compatti diventa sempre più evidente. Questo perché lo spazio in un ambiente data center è spesso limitato. Le ottiche modulari compatte offrono un approccio salvaspazio pur offrendo prestazioni elevate.
Il futuro delle reti ottiche
Rete ottica intelligente
Le reti ottiche intelligenti sono reti ottiche che utilizzano l'intelligenza artificiale (AI) per ottimizzare le prestazioni. L’intelligenza artificiale può essere utilizzata per identificare e correggere automaticamente i problemi nella rete. Ciò consente una rete più efficiente e affidabile.
Inoltre, l’intelligenza artificiale può essere utilizzata per prevedere modelli e richieste di traffico futuri. Queste informazioni possono essere utilizzate per fornire capacità in anticipo, garantendo che la rete possa soddisfare le richieste future.
Architettura della griglia flessibile
Le architetture a rete flessibile stanno diventando sempre più popolari perché forniscono un modo per aumentare la capacità delle fibre esistenti. La griglia flessibile consente il multiplexing di diverse lunghezze d'onda della luce su una singola fibra. Ciò consente di trasportare più dati su ciascuna fibra, aumentando la capacità della rete.
Multiplexing a divisione di lunghezza d'onda su richiesta
Il multiplexing a divisione di lunghezza d'onda è una tecnica che consente di trasmettere più lunghezze d'onda della luce su una singola fibra. Il WDM su richiesta è un tipo di WDM che consente la capacità su richiesta. Ciò significa che la capacità può essere aggiunta secondo necessità senza installare nuova fibra.
Reti ottiche in un mondo sempre più digitale
La rete ottica ha fatto molta strada nella sua storia relativamente breve. Dalle umili origini, ora è una parte essenziale di molte grandi infrastrutture di rete. È un pilastro fondamentale di Internet, rivoluzionando il modo in cui comunichiamo e inaugurando un’era di progresso tecnologico senza precedenti.
Con la maturazione di tendenze come il 5G, sembra che le reti ottiche siano destinate a continuare a svolgere un ruolo importante nel nostro mondo sempre più digitalizzato.
