Оптические сети связи: технологии и перспективы

Введение

Средства связи

Оптические сети — это средства связи, использующие сигналы, закодированные в свете, для передачи информации в различных типах телекоммуникационных сетей. К ним относятся локальные сети (LAN) небольшого радиуса действия или глобальные сети (WAN), охватывающие городские и региональные территории, а также сети национального, международного и трансокеанского масштаба. Это форма оптической связи, основанная на оптических усилителях, лазерах или светодиодах и мультиплексировании по длине волны (WDM) для передачи больших объемов данных, как правило, по волоконно-оптическим линиям связи. Благодаря способности обеспечивать чрезвычайно высокую пропускную способность, оптические сети являются ключевой технологией для Интернета и телекоммуникационных сетей, передающих подавляющее большинство информации, генерируемой человеком и машинами.

Сети оптических волокон

Наиболее распространёнными волоконно-оптическими сетями являются сети связи, mesh-сети или кольцевые сети, которые обычно используются в городских, региональных, национальных и международных системах. Другим вариантом волоконно-оптических сетей является пассивная оптическая сеть (PON), использующая пассивные оптические разветвители для подключения одного волокна к нескольким абонентам в сетях доступа «последней мили».

Оптические сети свободного пространства

В свободном пространстве оптические сети используют многие из тех же принципов, что и волоконно-оптические сети, но передают сигналы по открытому пространству без использования оптоволокна. Несколько планируемых спутниковых группировок, таких как Starlink от SpaceX, предназначенных для глобального предоставления доступа к интернету, будут использовать беспроводную лазерную связь для создания оптических mesh-сетей между спутниками в космосе. Воздушные оптические сети между высотными платформами планируются в рамках проектов Google Loon и Facebook Aquila с использованием той же технологии. Оптические сети свободного пространства также могут использоваться для развертывания временных наземных сетей, например, для соединения локальных сетей в университетском городке.

Средство передачи

В начале своего существования телекоммуникационная сеть полагалась на медь для передачи информации. Но полоса пропускания меди ограничена её физическими характеристиками — по мере увеличения частоты сигнала для передачи большего объема данных, всё больше энергии сигнала теряется в виде тепла. Кроме того, электрические сигналы могут создавать помехи друг другу, когда провода расположены слишком близко, проблема, известная как перекрёстные наводки. В 1940 году первая система связи использовала коаксиальный кабель, работавший на частоте 3 МГц и способный передавать 300 телефонных разговоров или один телевизионный канал. К 1975 году самая совершенная коаксиальная система имела скорость передачи данных 274 Мбит/с, но такие высокочастотные системы требовали ретранслятора примерно каждые один-два километра для усиления сигнала, что делало эксплуатацию такой сети дорогостоящей. Было очевидно, что световые волны могут обеспечивать гораздо более высокие скорости передачи данных без перекрёстных наводок. В 1957 году Гордон Гулд впервые описал конструкцию оптического усилителя и лазера, который был продемонстрирован в 1960 году Теодором Мейманом. Лазер является источником световых волн, но для передачи света по сети нужна была среда. В 1960 году стеклянные волокна уже использовались для передачи света в тело человека в медицинских целях, но они имели высокие оптические потери — свет поглощался при прохождении через стекло со скоростью 1 децибел на метр, явление, известное как затухание. В 1964 году Чарльз Као показал, что для передачи данных на большие расстояния стеклянное волокно должно иметь потери не более 20 дБ на километр. Прорыв произошел в 1970 году, когда Дональд Б. Кек, Роберт Д. Маурер и Питер С. Шульц из Corning Incorporated разработали стекловолокно из кварцевого стекла с потерями всего 16 дБ/км. Их волокно могло передавать информацию в 65 000 раз больше, чем медь. Первая волоконно-оптическая система для передачи телефонного трафика в реальном времени была запущена в 1977 году в Лонг-Бич, Калифорния, компанией General Telephone and Electronics со скоростью передачи данных 6 Мбит/с. Ранние системы использовали инфракрасный свет с длиной волны 800 нм и могли передавать данные со скоростью до 45 Мбит/с с ретрансляторами, расположенными на расстоянии около 10 км друг от друга. К началу 1980-х годов были разработаны лазеры и детекторы, работающие на длине волны 1300 нм, где оптические потери составляют 1 дБ/км. К 1987 году они работали со скоростью 1,7 Гбит/с с расстоянием между ретрансляторами около 50 км.

At its inception, the telecommunications network relied on copper to carry information. But the bandwidth of copper is limited by its physical characteristics—as the frequency of the signal increases to carry more data, more of the signal's energy is lost as heat. Additionally, electrical signals can interfere with each other when the wires are spaced too close together, a problem known as crosstalk. In 1940, the first communication system relied on coaxial cable that operated at 3 MHz and could carry 300 telephone conversations or one television channel. By 1975, the most advanced coaxial system had a bit rate of 274 Mbit/s, but such high frequency systems require a repeater approximately every kilometer to strengthen the signal, making such a network expensive to operate. It was clear that light waves could have much higher bit rates without crosstalk. In 1957, Gordon Gould first described the design of the optical amplifier and the laser that was demonstrated in 1960 by Theodore Maiman. The laser is a source for light waves, but a medium was needed to carry the light through a network. In 1960, glass fibers were in use to transmit light into the body for medical imaging, but they had high optical loss—light was absorbed as it passed through the glass at a rate of 1 decibel per meter, a phenomenon known as attenuation. In 1964, Charles Kao showed that to transmit data for long distances, a glass fiber would need loss no greater than 20 dB per kilometer. A breakthrough came in 1970, when Donald B. Keck, Robert D. Maurer, and Peter C. Schultz of Corning Incorporated designed a glass fiber, made of fused silica, with a loss of only 16 dB/km. Their fiber was able to carry 65,000 times more information than copper. The first fiber optic system for live telephone traffic was in 1977 in Long Beach, Calif., by General Telephone and Electronics, with a data rate of 6 Mbit/s. Early systems used infrared light at a wavelength of 800 nm, and could transmit at up to 45 Mbit/s with repeaters approximately 10 km apart. By the early 1980s, lasers and detectors that operated at 1300 nm, where the optical loss is 1 dB/km, had been introduced. By 1987, they were operating at 1.7 Gbit/s with repeater spacing of about 50 km.

Оптическое усиление

Пропускная способность волоконно-оптических сетей возросла отчасти благодаря усовершенствованию компонентов, таких как оптические усилители и оптические фильтры, способные разделять световые волны на частоты с разницей менее 50 ГГц, что позволяет разместить больше каналов в одном волокне. Эрбий-допированный оптический усилитель (EDFA) был разработан Дэвидом Пейном в Университете Саутгемптона в 1986 году с использованием атомов редкоземельного эрбия, распределенных по длине оптического волокна. Лазер накачки возбуждает атомы, которые излучают свет, тем самым усиливая оптический сигнал. По мере изменения подхода к проектированию сетей, появился широкий спектр усилителей, поскольку большинство систем оптической связи стали использовать оптические волоконные усилители. Усилители, легированные эрбием, стали наиболее распространенным средством поддержки систем мультиплексирования с плотной длиной волны (DWDM). Фактически, EDFA были настолько широко распространены, что с переходом на DWDM в качестве предпочтительной технологии для оптических сетей, эрбиевый усилитель стал "оптическим усилителем выбора для приложений DWDM". Сегодня EDFA и гибридные оптические усилители считаются важнейшими компонентами систем и сетей с разделением по длинам волн.

Мультиплексирование по длине волны

Используя оптические усилители, способность волокон передавать информацию была значительно увеличена с внедрением мультиплексирования с разделением по длине волны (WDM) в начале 1990-х годов. Лаборатории Bell компании AT&T разработали процесс WDM, в котором призма разделяет свет на различные длины волн, способные одновременно передаваться по волокну. Пиковые длины волн каждого луча расположены достаточно далеко друг от друга, чтобы лучи оставались различимыми, создавая несколько каналов в пределах одного волокна. Первые системы WDM имели всего два или четыре канала – например, в 1995 году компания AT&T развернула трансокеанскую систему большой дальности на 4 канала. Однако допированные эрбием усилители, от которых они зависели, не обеспечивали равномерное усиление сигналов во всей полосе спектрального усиления. Во время регенерации сигнала незначительные расхождения в частотах вносили недопустимый уровень шума, что делало WDM с более чем 4 каналами непрактичным для высокоскоростной волоконно-оптической связи. Для решения этой проблемы компании Optelecom, Inc. и General Instruments Corp. разработали компоненты для увеличения пропускной способности волокна с гораздо большим количеством каналов. Optelecom и возглавлявшие подразделение Light Optics инженеры Дэвид Хьюбер и Кевин Кимберлин основали в 1992 году компанию Ciena Corp для разработки и коммерциализации оптических телекоммуникационных систем, целью которой было увеличение пропускной способности кабельных систем до 50 000 каналов. Ciena разработала двухкаскадный оптический усилитель, способный передавать данные с равномерным усилением на нескольких длинах волн, и в июне 1996 года представила первую коммерческую систему WDM высокой плотности. Эта 16-канальная система с общей пропускной способностью 40 Гбит/с была развернута в сети Sprint, крупнейшем в мире операторе интернет-трафика на тот момент. Это первое применение полностью оптического усиления в общедоступных сетях было воспринято аналитиками как предвестник коренных изменений в архитектуре сетей, за которые компании Sprint и Ciena получили бы большую часть признания. Эксперты в области передовых оптических коммуникаций считают внедрение WDM настоящим началом эры оптических сетей.

Using optical amplifiers, the capacity of fibers to carry information was dramatically increased with the introduction of wavelength division multiplexing (WDM) in the early 1990s. AT&T's Bell Labs developed a WDM process in which a prism splits light into different wavelengths, which could travel through a fiber simultaneously. The peak wavelength of each beam is spaced far enough apart that the beams are distinguishable from each another, creating multiple channels within a single fiber. The earliest WDM systems had only two or four channels—AT&T, for example, deployed an oceanic 4 channel long haul system in 1995. The erbium doped amplifiers on which they depend, however, did not amplify signals uniformly across their spectral gain region. During signal regeneration, slight discrepancies in various frequencies introduced an intolerable level of noise, making WDM with greater than 4 channels impractical for high capacity fiber communications. To address this limitation, Optelecom, Inc. and General Instruments Corp. developed components to increase fiber bandwidth with far more channels. Optelecom and its head of Light Optics, engineer David Huber and Kevin Kimberlin co founded Ciena Corp in 1992 to design and commercialize optical telecommunications systems, the objective being an expansion in the capacity of cable systems to 50,000 channels. Ciena developed the dual stage optical amplifier capable of transmitting data at uniform gain on multiple wavelengths, and with that, in June 1996, introduced the first commercial dense WDM system. That 16 channel system, with a total capacity of 40 Gbit/s, was deployed on the Sprint network, the world's largest carrier of internet traffic at the time. This first application of all optical amplification in public networks was seen by analysts as a harbinger of a permanent change in network design for which Sprint and Ciena would receive much of the credit. Advanced optical communication experts cite the introduction of WDM as the real start of optical networking.

Пропускная способность

Плотность световых каналов в WDM стала ключевым фактором масштабного расширения пропускной способности волоконно-оптических линий связи, что обеспечило рост Интернета в 1990-х годах. С 1990-х годов количество каналов и пропускная способность плотных систем WDM значительно возросли, и коммерческие системы способны передавать около 1 Тбит/с трафика со скоростью 100 Гбит/с на каждой длине волны. В 2010 году исследователи AT&T сообщили об экспериментальной системе с 640 каналами, работающими на скорости 107 Гбит/с, обеспечивающей общую скорость передачи 64 Тбит/с. В 2018 году компания Telstra (Австралия) внедрила действующую систему, позволяющую передавать 30,4 Тбит/с на пару волокон в спектре 61,5 ГГц, что эквивалентно одновременной потоковой передаче 1,2 миллиона видео 4K Ultra HD. Благодаря этой возможности транспортировки больших объемов трафика, WDM стала общей основой для почти всех глобальных сетей связи и, следовательно, фундаментом современного Интернета. Спрос на пропускную способность в основном обусловлен IP-трафиком от видеосервисов, телемедицины, социальных сетей, использования мобильных телефонов и облачных вычислений. В то же время, трафик между машинами, Интернет вещей и научное сообщество требуют поддержки для обмена большими файлами данных. Согласно Cisco Visual Networking Index, глобальный IP-трафик в 2022 году превысит 150 700 Гбит/с. Из этого объема видеоконтент составит 82% всего IP-трафика, передаваемого по оптическим сетям.

Стандарты и протоколы

Синхронная оптическая сеть (SONET) и синхронная цифровая иерархия (SDH) стали наиболее распространенными протоколами для оптических сетей. Протокол оптической транспортной сети (OTN) был разработан Международным союзом электросвязи как преемник и обеспечивает взаимодействие между различными сетями в соответствии с Рекомендацией G.709. Оба протокола поддерживают передачу различных протоколов, таких как Асинхронный режим передачи (ATM), Ethernet, TCP/IP и другие.