Кіріспе
Байланыс құралдары. Оптикалық желілер – түрлі телекоммуникациялық желілерде ақпаратты тарату үшін жарықпен кодталған сигналдарды қолданатын байланыс құралы. Оларға қалалық және аймақтық аудандарды, сондай-ақ ұзақ қашықтықтағы ұлттық, халықаралық және мұхиттар арқылы өтетін шектеулі радиустағы жергілікті желілер (LAN) немесе кең ауқымды желілер (WAN) жатады. Бұл оптикалық күшейткіштер, лазерлер немесе светодиодтар (LED) және толқын ұзындығын бөліп мультиплекстеу (WDM) арқылы, әдетте оптикалық талшық кабельдер арқылы үлкен көлемдегі деректерді таратудың бір түрі. Өте жоғары өткізу қабілетін қамтамасыз ете алатындықтан, ол адамдар мен машиналар арасындағы ақпараттың көп бөлігін тарататын Интернет және телекоммуникациялық желілер үшін маңызды технология болып табылады.
Optical networking is a means of communication that uses signals encoded in light to transmit information in various types of telecommunications networks. These include limited range local area networks (LAN) or wide area networks (WANs), which cross metropolitan and regional areas as well as long distance national, international and transoceanic networks. It is a form of optical communication that relies on optical amplifiers, lasers or LEDs and wavelength division multiplexing (WDM) to transmit large quantities of data, generally across fiber optic cables. Because it is capable of achieving extremely high bandwidth, it is an enabling technology for the Internet and telecommunication networks that transmit the vast majority of all human and machine to machine information.
Оптика талшықтары желілері
Ең көп таралған оптикалық талшықты желілер – метрополиялық, аймақтық, ұлттық және халықаралық жүйелерде кеңінен қолданылатын коммуникациялық желілер, тор желілері немесе сақина тәрізді желілер болып табылады. Оптикалық талшықты желілердің тағы бір түрі – пассивті оптикалық желі, ол соңғы бір шақырымдық байланыс үшін бір талшықты бірнеше абонентке қосуға қуатсыз оптикалық бөлгіштерді пайдаланады.
Бос кеңістіктегі оптикалық желілер
Бос кеңістіктегі оптикалық желілер оптикалық талшықты желілердегідей көптеген принциптерді қолданады, бірақ сигналдарын талшықсыз, ашық кеңістікте таратады. SpaceX компаниясының Starlink сияқты, жаһандық интернетпен қамтамасыз етуге бағытталған бірнеше жоспарланған спутниктік жүйелер сымсыз лазерлік байланыс арқылы ғарыштағы спутниктер арасында оптикалық тор желілерін құруды көздейді. Google-дың Loon жобасы мен Facebook-тың Aquila жобалары да осы технологияны пайдаланып, жоғары биіктіктегі платформалар арасындағы әуедегі оптикалық желілерді құруды жоспарлап отыр. Бос кеңістіктегі оптикалық желілерді, мысалы, кампустағы LAN желілерін байланыстыру үшін уақытша құрылымдық желілерді орнатуға да болады.
Жүгірту құралы
Телекоммуникациялық желінің бастапқы кезеңінде ақпаратты тасымалдау үшін мыс қолданылды. Бірақ мыстың өткізу қабілеті оның физикалық қасиеттерімен шектеледі. Сигналдың жиілігі артаған сайын, оның қуатының бір бөлігі жоғалып, жылуға айналады. Сонымен қатар, сымдар тым жақын орналасқанда электр сигналдары бір-біріне кедергі келтіруі мүмкін, бұл қиылысу деп аталады. 1940 жылы алғашқы байланыс жүйесі 3 МГц жиілікте жұмыс істейтін коаксиалды кабельге негізделді және 300 телефондық әңгіме немесе бір телеарнаны тасымалдай алатын болды. 1975 жылға қарай ең жетілген коаксиалды жүйенің жылдамдығы 274 Мбит/с құрады, бірақ мұндай жоғары жиілікті жүйелер сигналды күшейту үшін шамамен әр километр сайын ретрансляторды қажет етеді, бұл желіні пайдалануды қымбатқа соқтырады. Жарық толқындары қиылысусыз жоғары жылдамдықпен ақпаратты тасымалдай алатыны анық болды. 1957 жылы Гордон Гулд алғаш рет оптикалық күшейткіштің және 1960 жылы Теодор Майман көрсеткен лазердің дизайлын сипаттады. Лазер – жарық толқындарының көзі, бірақ жарықты желі арқылы жеткізу үшін орта қажет болды. 1960 жылы медициналық диагностика үшін денеге жарық өткізуге шыны талшықтар қолданылды, бірақ олардың оптикалық жоғалтуы жоғары болды – жарық шыныдан өткенде 1 децибелге бір метрден жұтылатын, бұл құбылыс әлсіреу деп аталады. 1964 жылы Чарльз Као ұзақ қашықтыққа деректерді беру үшін шыны талшықтың жоғалтуы километрге 20 дБ-дан аспауы керектігін көрсетті. 1970 жылы Дональд Б. Кек, Роберт Д. Маурер және Питер С. Шульц (Corning Incorporated) балқытылған кварцтан жасалған, жоғалтуы бар болғаны 16 дБ/км құрайтын шыны талшықты жасап, маңызды жаңалыққа қол жеткізді. Олардың талшығы мыстан 65 000 есе көп ақпарат таси алатын болды. Тікелей телефон трафигі үшін алғашқы оптикалық талшықты жүйе 1977 жылы Калифорния штатының Лонг-Бич қаласында General Telephone and Electronics компаниясымен 6 Мбит/с жылдамдықпен іске қосылды. Алғашқы жүйелер 800 нм толқын ұзындығындағы инфрақызыл жарықты пайдаланды және шамамен 10 км арақашықтықтағы ретрансляторлармен 45 Мбит/с жылдамдықпен деректерді тасымалдай алатын болды. 1980 жылдардың басында 1300 нм жиілікте жұмыс істейтін лазерлер мен детекторлар енгізілді, онда оптикалық жоғалту 1 дБ/км құрады. 1987 жылға қарай олар 1,7 Гбит/с жылдамдықпен жұмыс істеді, ретрансляторлар арасындағы қашықтық шамамен 50 км болды.
Оптикалық күшейткіш
Оптикалық талшықты желілердің сыйымдылығы, ішінара, оптикалық күшейткіштер және жарық толқындарын 50 ГГц-тан аспайтын жиіліктерге бөле алатын оптикалық сүзгілер сияқты компоненттердің жақсаруының арқасында артты, бұл талшыққа көбірек арналарды сыйдыруға мүмкіндік берді. Эрбиймен легирленген оптикалық күшейткіш (EDFA) 1986 жылы Дэвид Пэйн Саутгемптон университетінде сирек кездесетін ербий атомдарын қолданып, оларды оптикалық талшықтың бойымен таратып жасады. Соққыластыру лазеры атомдарды қоздырады, олар жарық шығарып, оптикалық сигналды күшейтеді. Желілік дизайн парадигмасының өзгеруімен қатар, көптеген оптикалық байланыс жүйелері оптикалық талшықты күшейткіштерді пайдаланғандықтан, күшейткіштердің кең ауқымы пайда болды. Эрбиймен легирленген күшейткіштер толқын ұзындығының тығыз бөлінулі мультиплекстеу жүйелерін қолдаудың ең көп қолданылатын құралы болды. Шындығында, EDFA-лар соншалықты кең таралғандықтан, WDM оптикалық желілерде басты технологияға айналған кезде, эрбий күшейткіші "WDM қолданбалары үшін таңдаулы оптикалық күшейткіш" атанды. Бүгінде EDFA және гибридтік оптикалық күшейткіштер толқынды бөлулі мультиплекстеу жүйелері мен желілерінің ең маңызды компоненттері деп есептеледі.
Толқын ұзындығы бойынша бөлінудің мультиплексі
Оптикалық күшейткіштерді пайдалану арқылы талшықтардың ақпарат тасымалдау қабілеті 1990 жылдардың басында толқын ұзындығы бойынша мультиплекстеу (WDM) енгізілуімен күрт артты. AT&T-ның Bell Labs зертханасы WDM процесін әзірледі, онда призма жарықты әртүрлі толқын ұзындықтарына бөледі, олар бір уақытта талшық арқылы өте алады. Әрбір сәуленің ең жоғары толқын ұзындығы бір-бірінен жеткілікті түрде алыс орналасқан, бұл сәулелерді бір-бірінен ажыратуға мүмкіндік береді, соның салдарынан бір талшықта бірнеше арна пайда болады. Ең алғашқы WDM жүйелерінде тек екі немесе төрт арна болды – мысалы, AT&T 1995 жылы 4 арналы мұхиттық ұзақ қашықтықтық жүйені пайдалануға енгізді. Дегенмен, оларға тәуелді ербийлі күшейткіштер сигналдарды спектрлік күшейту аймағында біркелкі күшейте алмады. Сигналды жаңарту кезінде әртүрлі жиіліктердегі шағын айырмашылықтар қабылдауға келмейтін шу деңгейін тудырды, бұл жоғары сыйымдылықтағы талшықты байланыс үшін 4 арнадан аспайтын WDM жүйелерін тиімсіз етті. Бұл шектеуді жою үшін Optelecom, Inc. және General Instruments Corp. талшықтың жолақтық енін көптеген арналар арқылы арттыруға арналған компоненттерді жасады. Optelecom және оның Light Optics бөлімінің басшылары, инженерлер Дэвид Хьюбер мен Кевин Кимберлин 1992 жылы Ciena Corp. компаниясын құрды, оның мақсаты оптикалық телекоммуникациялық жүйелерді жобалау және коммерцияландыру, кабельдік жүйелердің сыйымдылығын 50 000 арнаға дейін кеңейту болды. Ciena бірнеше толқын ұзындығында біркелкі күшейтумен деректерді беруге қабілетті екі сатылы оптикалық күшейткішті әзірледі және осының нәтижесінде 1996 жылдың маусым айында алғашқы коммерциялық тығыз WDM жүйесін ұсынды. Бұл 16 арналы жүйенің жалпы сыйымдылығы 40 Гбит/с құрады және ол сол кездегі ең ірі интернет-трафигін тасымалдаған Sprint желісінде пайдалануға енгізілді. Барлық оптикалық күшейтудің қоғамдық желілердегі бұл алғашқы қолданылуы талдаушылар тарапынан желілік дизайнға қатысты тұрақты өзгерістердің бастамасы деп бағаланды, және осы жетістігі үшін Sprint пен Ciena көп мақтауға ие болды. Оптикалық байланыстың жетілген мамандары WDM енгізілуін оптикалық желілердің нақты бастамасы деп санайды.
Қуаттылығы
WDM-ден жарық жолдарының тығыздығы 1990-шы жылдары Интернеттің өсуіне мүмкіндік берген оптикалық талшықтардың сыйымдылығын үлкендей кеңейтудің кілті болды. 1990 жылдан бері тығыз WDM жүйелерінің арна саны мен сыйымдылығы едәуір артты, коммерциялық жүйелер әр толқын ұзындығында 100 Гбит/с жылдамдықпен шамамен 1 Тбит/с трафикті жібере алады. 2010 жылы AT&T зерттеушілері 107 Гбит/с жылдамдықпен жұмыс істейтін 640 арналы эксперименталды жүйені ұсынды, жалғыз берілісі 64 Тбит/с құрады. 2018 жылы Австралияның Telstra компаниясы 61.5 ГГц спектрінде 30.4 Тбит/с жылдамдықпен талшық жұбы арқылы беруді қамтамасыз ететін жұмыс істеп тұрған жүйені іске қосты, бұл бір уақытта 1.2 миллион 4K Ultra HD бейнелерді ағылтуға тең. Осылайша, үлкен трафик көлемін тасымалдау мүмкіндігінің арқасында WDM дерлік барлық жаһандық байланыс желілерінің ортақ негізіне айналды және осылайша, бүгінгі Интернеттің негізіне айналды. Жолақтың еніне деген сұранысты негізінен бейне қызметтерінен, телемедицинадан, әлеуметтік желілерден, ұялы телефондардан және бұлттық есептеуден келетін Интернет-протокол (IP) трафігі тудырады. Сонымен қатар, машинадан машинаға, IoT және ғылыми қоғамдастықтың трафігі дерек файлдарын үлкен көлемде алмасуды қолдауды қажет етеді. Cisco Visual Networking Index мәліметтері бойынша, 2022 жылы жаһандық IP трафігі секундына 150 700 Гбит-тен аспайды. Оның ішінде бейне мазмұны барлық IP трафігінің 82% құрайды, бәрі оптикалық желі арқылы беріледі.
Стандарттар мен хаттамалар
Синхронды оптикалық желі (SONET) және синхронды цифрлық иерархия (SDH) оптикалық желілер үшін ең көп қолданылатын протоколдар болып дамыды. Халықаралық телекоммуникация одағы (ITU) G.709 ұсынымында сипатталғандай, желіде өзара іс-қимыл жасау мүмкіндігін қамтамасыз ететін оптикалық тасымалдау желісі (OTN) протоколын олардың ізбасары ретінде әзірледі. Екі протокол да Асинхронды трансферлік режим (ATM), Ethernet, TCP/IP және басқа да протоколдарды жеткізуге мүмкіндік береді.