רשת אופטית היא טכנולוגיה המשתמשת באור כדי להעביר נתונים בין מכשירים. הוא מציע רוחב פס גבוה והשהייה נמוכה ומהווה תקן דה פקטו לתקשורת נתונים למרחקים ארוכים במשך שנים רבות. סיבים אופטיים משמשים לרוב תקשורת הקול והנתונים למרחקים ארוכים ברחבי העולם.
רשת אופטית חשובה מכיוון שהיא מאפשרת העברת נתונים במהירות גבוהה למרחקים ארוכים. לדוגמה, הרשת האופטית מבטיחה שמשתמשים בניו יורק יכולים לגשת לשרתים בניירובי מהר ככל שמאפשרים חוקי הפיזיקה.
הטכנולוגיה מאחורי הרשת האופטית מבוססת על העיקרון של השתקפות פנימית מוחלטת. כאשר האור פוגע במשטח של מדיום כגון כבל סיבים אופטיים, חלק מהאור מוחזר על ידי פני השטח. הזווית שבה מוחזר האור תלויה בתכונות המדיום ובזווית הפגיעה (הזווית שבה האור פוגע במשטח).
אם זווית הפגיעה גדולה מהזווית הקריטית, אז כל האור מוחזר; זה נקרא השתקפות פנימית מוחלטת. השתקפות פנימית מוחלטת יכולה לשמש לייצור סיבים אופטיים, סוג של זכוכית או פלסטיק המנחה את האור לאורכו.
כאשר האור עובר דרך הסיב, הוא עובר השתקפויות פנימיות מרובות, מה שגורם לו לקפוץ מקיר הסיבים. אפקט הקפצה זה גורם לאור לנוע לאורך הסיב בצורת זיגזג.
על ידי שליטה קפדנית בתכונות הסיב, מהנדסים יכולים לשלוט בכמה האור מוחזר וכמה רחוק הוא עובר לפני שישתקף שוב. זה איפשר להם לתכנן סיבים אופטיים שיוכלו להעביר נתונים למרחקים ארוכים מבלי לאבד מידע.
רשתות אופטיות מורכבות ממספר מרכיבים: סיבים אופטיים, מקלטי משדר, מגברים, מרבים ומתגים אופטיים.
סיבים אופטיים
סיב אופטי הוא המדיום הנושא את האות האופטי. הוא מורכב ממגוון חומרים, כולל:
① ליבה: המרכז הנושא אור.
②Clad: חומר המקיף את הליבה ועוזר לשמור על האות האופטי.
③ציפוי חוצץ: חומר המגן על הסיב האופטי מפני נזק.
הליבה והחיפוי עשויים לרוב מזכוכית, כאשר ציפוי החיץ עשוי לרוב מפלסטיק.
מַקמָשׁ
משדרים הם מכשירים הממירים אותות חשמליים לאותות אופטיים ולהיפך, המיושמים בדרך כלל במייל האחרון של חיבור. זהו הממשק בין רשת אופטית למכשירים האלקטרוניים שמשתמשים בה, כמו מחשבים ונתבים.
מַגבֵּר
כפי שהשם מרמז, מגבר הוא מכשיר המגביר את אותות האור כך שהם יכולים לנסוע למרחקים ארוכים מבלי לאבד כוח. מגברים ממוקמים לאורך הסיב במרווחי זמן קבועים כדי להגביר את האות.
מרבב
מרבב הוא רק מכשיר שלוקח אותות מרובים ומשלב אותם לאות בודד. זה נעשה על ידי הקצאת לכל אות אורך גל שונה של אור, מה שמאפשר למרבב לשלוח אותות מרובים בו זמנית לאורך סיב בודד ללא הפרעות.
מתג אור
מתג אופטי הוא מכשיר שמנתב אותות אופטיים מסיב אחד למשנהו. מתגים אופטיים משמשים לשליטה בתעבורה ברשתות אופטיות ומשמשים בדרך כלל ברשתות בעלות קיבולת גבוהה.
היסטוריה של רשת אופטית
ההיסטוריה של הרשת האופטית החלה בשנות ה-90 של המאה ה-19 כאשר הממציא הצרפתי קלוד שאפה המציא את טלגרף האותות האופטי, אחת הדוגמאות המוקדמות ביותר למערכת תקשורת אופטית.
כמעט מאה שנה מאוחר יותר, ב-1880, רשם אלכסנדר גרהם בל פטנט על הטלפון האלקטרו-אופטי, מערכת טלפון אופטית. בעוד שהפוטופון היה פורץ דרך, ההמצאה המוקדמת של הטלפון של בל הייתה מעשית יותר ולבשה צורה מוחשית. לכן, Photophone מעולם לא עזב את שלב הניסוי.
עד שנות ה-20, ג'ון לוג'י ביירד באנגליה וקלרנס וו. הנסל רק רשמו פטנט על הרעיון של שימוש במערך של צינורות חלולים או מוטות שקופים להעברת תמונות עבור מערכות טלוויזיה או פקס.
בשנת 1954, המדען ההולנדי אברהם ואן הייל והמדען הבריטי הרולד ה. הופקינס פרסמו כל אחד מאמרים מדעיים על טרקטוגרפיה. הופקינס התמקדה בסיבים לא מצופים, בעוד ואן העיל התמקדה רק בחבילות סיבים מצופים פשוטים - חיפוי שקוף עם אינדקס שבירה נמוך יותר סביב הסיב החשוף.
זה מגן על המשטח הרפלקטיבי של הסיבים מפני עיוותים חיצוניים ומפחית באופן משמעותי את ההפרעות בין סיבים. פיתוח קרני הדמיה היה שלב חשוב בפיתוח סיבים אופטיים. הגנה על פני הסיבים מפני הפרעות חיצוניות מאפשרת שידור מדויק יותר של אותות אופטיים דרך הסיב.
עד 1960, סיבים מצופים זכוכית היו בעלי אובדן של כ-1 דציבל (dB) למטר, מתאים להדמיה רפואית, אך גבוה מדי לתקשורת. ב-1961 פרסם אליאס סנצר מחברת האופטיקה של אמריקה תיאור תיאורטי של סיב אופטי בעל ליבה זעירה שיכול להעביר אור דרך מוליך גל אחד בלבד.
בשנת 1964, ד"ר קאו הציע אובדן אור של 10 או 20 dB לקילומטר. תקן זה עוזר לשפר את הטווח והאמינות של מערכות תקשורת. בנוסף לעבודתו על שיעורי אובדן, ד"ר גאו הוכיח את הצורך בזכוכית טהורה יותר כדי לסייע בהפחתת אובדן האור.
בקיץ 1970, קבוצת חוקרים ב-Corning Glass Works החלה להתנסות בחומר חדש בשם סיליקה fused. חומר זה ידוע בטוהר הגבוה במיוחד, נקודת התכה גבוהה ומקדם השבירה הנמוך שלו.
הצוות, המורכב מרוברט מאורר, דונלד קק ופיטר שולץ, הבין עד מהרה שניתן להשתמש בסיליקה מותכת לייצור סוג חדש של חוט הנקרא "סיבי מוליך גל אופטי". חוט סיב אופטי זה יכול לשאת פי 65,000 יותר מידע מחוט נחושת מסורתי. יתר על כן, גלי האור המשמשים לשאת מידע ניתנים לפענוח ביעדים אפילו במרחק של אלף קילומטרים משם.
המצאה זו חוללה מהפכה בתקשורת למרחקים ארוכים וסללה את הדרך לטכנולוגיית הסיבים האופטיים של ימינו. הצוות פתר את בעיית אובדן הדציבלים שהוגדרה על ידי ד"ר גאו, וב-1973 ג'ון מקצ'סני במעבדות בל שיפר את תהליך שקיעת האדים הכימיים לייצור סיבים. כתוצאה מכך התאפשר ייצור מסחרי של כבלי סיבים אופטיים.
באפריל 1977, חברת ג'נרל טלפון ואלקטרוניקה השתמשה ברשת הסיבים האופטיים לראשונה לתקשורת טלפונית בזמן אמת בלונג ביץ', קליפורניה. במאי 1977, מעבדות בל הלכה בעקבותיה תוך זמן קצר, ובנתה מערכת תקשורת טלפונית אופטית המשתרעת על פני 1.5 מייל באזור המרכז של שיקגו. כל זוג סיבים יכול לשדר 672 ערוצי קול, שווה ערך למעגל DS3.
בתחילת שנות ה-80, הדור השני של תקשורת סיבים אופטיים תוכנן לשימוש מסחרי, תוך שימוש בלייזר מוליך למחצה 1.3-מיקרון InGaAsP. מערכות אלו פעלו בקצבי סיביות של עד 1.7 ג'יגה-ביט לשנייה בשנת 1987, עם מחזרים המרוחקים עד 50 קילומטרים זה מזה.
המערכות המשמשות ברשתות סיבים אופטיים מהדור השלישי פועלות ב-1.55 מיקרון ובעלות אובדן של כ-0.2 dB לקילומטר.
מערכות תקשורת סיבים אופטיים מהדור הרביעי מסתמכות על הגברה אופטית כדי להפחית את מספר החזרים הנדרשים ועל ריבוי חלוקת אורך גל (WDM) כדי להגדיל את קיבולת הנתונים.
בשנת 2006, קצב סיביות של 14 טרה-ביט (Tb) לשנייה הושג בקו 160-קילומטר באמצעות מגברים אופטיים. עד 2021, מדענים יפנים יוכלו לשדר 319 Tbps לאורך 3,000 קילומטרים באמצעות כבל סיב אופטי בעל ארבע ליבות.
בעוד למערכות תקשורת סיבים אופטיות אלו מהדור הרביעי יש הרבה יותר קיבולת מאשר דורות קודמים, העיקרון הבסיסי זהה: המרת אותות חשמליים לפולסים אופטיים, לשלוח אותם דרך סיבים אופטיים, ולאחר מכן להמיר אותם בחזרה לאותות חשמליים בקבלה. סוֹף.
עם זאת, הרכיבים של כל דור הפכו קטנים יותר, אמינים יותר ופחות יקרים. כתוצאה מכך, תקשורת סיבים אופטיים הפכה לחלק חשוב יותר ויותר בתשתית התקשורת העולמית שלנו.
מגמות מפתח ברישות אופטי
התמקדו בקצה הרשת
קצה הרשת האופטי הוא המקום שבו התעבורה זורמת פנימה ומחוץ לרשת. כדי לענות על הדרישות של יישומים מבוססי ענן, רשתות אופטיות מתקרבות יותר למשתמשי הקצה. זה מאפשר חביון נמוך יותר וביצועים עקביים יותר.
הצפנת שכבה
ככל שהתקפות סייבר הופכות נפוצות יותר, הגנת מידע בתנועה תמשיך להוות דאגה גדולה. SASE (Secure Access Service Edge), השימוש בתכונות אבטחה מקוריות בענן בנקודות הקצה של השירות, תפס לאחרונה אחיזה. הגנת נקודות קצה יכולה להפוך את בקרות האבטחה ברשתות מחוברות למיותרות.
אמנם זה לא יבטל את הצורך בהצפנה, אבל זה יגן על נתונים ויישומים רגישים. ללא בקרת אבטחה אחת, הגנת שכבה 1 הופכת להיות מסובכת יותר ויותר.
אנו יכולים להגן טוב יותר על המשאבים שלנו על ידי הצפנת בקרה, ניהול ותעבורת משתמשים. זה הופך את זה לכמעט בלתי אפשרי עבור האקרים לפרוץ למערכת, מה שמפחית מאוד את הסיכויים למתקפת סייבר מוצלחת. ככל שעסקים נעשים תלויים יותר בנתונים ובקישוריות, פתרונות אבטחה חזקים רק יתבררו יותר.
פתח את הרשת האופטית
רשת אופטית פתוחה היא רשת אופטית המשתמשת בממשקים סטנדרטיים ופתוחים כדי לאפשר אינטגרציה של ציוד של ספקים שונים. זה מספק יותר מבחר וגמישות עבור רכיבי רשת אופטיים. בנוסף, זה מקל על הוספת תכונות ושירותים חדשים כשהם הופכים לזמינים.
צמיחה של שירותי ספקטרום
ככל שתעבורת הנתונים ממשיכה לגדול, כך גם הצורך ברוחב פס וקיבולת גבוהים יותר. שירותי ספקטרל מספקים זאת על ידי שימוש בספקטרום להגדלת הקיבולת של רשתות סיבים אופטיות קיימות. שירותים אלה הולכים וגדלים בפופולריות מכיוון שהם מספקים דרך חסכונית לעמוד בדרישות ההולכות וגדלות של נתונים.
פריסות נוספות בחוץ
פריסות חיצוניות בארונות רחוב הופכות נפוצות יותר ככל שהביקוש לרוחב פס וקיבולת גבוהים יותר גדל. סיבים חיצוניים יכולים לרוץ ישירות למיקום הלקוח, ולספק חיבור ישיר יותר והשהייה נמוכה יותר.
קומפקטי ומודולטור
ככל שרשתות אופטיות ממשיכות להתפתח, הצורך ברכיבים קטנים וקומפקטיים יותר מתברר יותר ויותר. הסיבה לכך היא שהמקום בסביבת מרכז נתונים מוגבל לעתים קרובות. אופטיקה מודולרית קומפקטית מציעה גישה חוסכת מקום ועדיין מספקת ביצועים גבוהים.
העתיד של רשת אופטית
רשת אופטית חכמה
רשתות אופטיות חכמות הן רשתות אופטיות המשתמשות בבינה מלאכותית (AI) כדי לייעל את הביצועים. ניתן להשתמש בבינה מלאכותית לזיהוי ותיקון אוטומטי של בעיות ברשת. זה מאפשר רשת יעילה ואמינה יותר.
בנוסף, ניתן להשתמש בבינה מלאכותית כדי לחזות דפוסי תנועה ודרישות עתידיות. ניתן להשתמש במידע זה כדי לספק קיבולת מראש, כדי להבטיח שהרשת תוכל לעמוד בדרישות עתידיות.
ארכיטקטורת רשת גמישה
ארכיטקטורות רשת גמישות הופכות פופולריות יותר מכיוון שהן מספקות דרך להגדיל את הקיבולת של סיבים קיימים. הרשת הגמישה מאפשרת ריבוי של אורכי גל שונים של אור על סיב בודד. זה מאפשר לשאת יותר נתונים על כל סיב, מה שמגדיל את קיבולת הרשת.
ריבוי חלוקת אורך גל לפי דרישה
ריבוי חלוקת אורך גל היא טכניקה המאפשרת העברת אורכי גל מרובים של אור על סיב בודד. WDM לפי דרישה הוא סוג של WDM המאפשר קיבולת לפי דרישה. המשמעות היא שניתן להוסיף קיבולת לפי הצורך מבלי להתקין סיבים חדשים.
רשת אופטית בעולם דיגיטלי יותר ויותר
הרשת האופטית עברה כברת דרך בהיסטוריה הקצרה יחסית שלה. מההתחלה הצנועה, הוא כיום חלק חיוני מתשתיות רשת גדולות רבות. זהו נדבך מרכזי של האינטרנט, שחולל מהפכה באופן שבו אנו מתקשרים ומוביל עידן של התקדמות טכנולוגית חסרת תקדים.
ככל שמגמות כמו 5G מתבגרות, נראה שרשתות אופטיות מוכנות להמשיך ולמלא תפקיד חשוב בעולמנו ההולך והולך דיגיטאלי.
