Mạng quang là công nghệ sử dụng ánh sáng để truyền dữ liệu giữa các thiết bị. Nó cung cấp băng thông cao và độ trễ thấp và đã trở thành tiêu chuẩn thực tế cho truyền thông dữ liệu đường dài trong nhiều năm. Cáp quang được sử dụng cho hầu hết các liên lạc thoại và dữ liệu đường dài trên toàn thế giới.
Mạng quang rất quan trọng vì nó cho phép truyền dữ liệu tốc độ cao trên khoảng cách xa. Ví dụ: mạng quang đảm bảo rằng người dùng ở New York có thể truy cập máy chủ ở Nairobi nhanh như các định luật vật lý cho phép.
Công nghệ đằng sau mạng quang dựa trên nguyên tắc phản xạ nội toàn phần. Khi ánh sáng chiếu vào bề mặt của môi trường như cáp quang, một số ánh sáng sẽ bị bề mặt phản xạ. Góc phản xạ ánh sáng phụ thuộc vào tính chất của môi trường và góc tới (góc mà ánh sáng chạm vào bề mặt).
Nếu góc tới lớn hơn góc tới hạn thì toàn bộ ánh sáng đều bị phản xạ; điều này được gọi là phản xạ nội toàn phần. Phản xạ toàn phần có thể được sử dụng để chế tạo sợi quang, một loại thủy tinh hoặc nhựa dẫn ánh sáng dọc theo chiều dài của nó.
Khi ánh sáng truyền qua sợi quang, nó sẽ trải qua nhiều phản xạ toàn phần bên trong, khiến nó bật ra khỏi thành sợi. Hiệu ứng dội ngược này làm cho ánh sáng truyền dọc theo chiều dài của sợi theo hình zigzag.
Bằng cách kiểm soát cẩn thận các đặc tính của sợi, các kỹ sư có thể kiểm soát lượng ánh sáng bị phản xạ và khoảng cách nó truyền đi trước khi bị phản xạ trở lại. Điều này cho phép họ thiết kế các sợi quang có thể truyền dữ liệu qua khoảng cách xa mà không làm mất bất kỳ thông tin nào.
Mạng quang bao gồm một số thành phần: sợi quang, bộ thu phát, bộ khuếch đại, bộ ghép kênh và bộ chuyển mạch quang.
Sợi quang
Sợi quang là phương tiện truyền tín hiệu quang. Nó bao gồm nhiều loại vật liệu, bao gồm:
①Core: Trung tâm mang ánh sáng.
②Vỏ: Vật liệu bao quanh lõi và giúp giữ tín hiệu quang.
③Lớp phủ đệm: Vật liệu bảo vệ sợi quang khỏi bị hư hại.
Lõi và lớp bọc thường được làm bằng thủy tinh, trong khi lớp đệm thường được làm bằng nhựa.
Bộ thu phát
Bộ thu phát là thiết bị chuyển đổi tín hiệu điện thành tín hiệu quang và ngược lại, thường được triển khai ở dặm cuối của kết nối. Đó là giao diện giữa mạng quang và các thiết bị điện tử sử dụng nó, chẳng hạn như máy tính và bộ định tuyến.
Bộ khuếch đại
Đúng như tên gọi, bộ khuếch đại là một thiết bị khuếch đại tín hiệu ánh sáng để chúng có thể truyền đi quãng đường dài mà không bị mất cường độ. Bộ khuếch đại được đặt dọc theo sợi quang đều đặn để tăng tín hiệu.
Bộ ghép kênh
Bộ ghép kênh chỉ là một thiết bị lấy nhiều tín hiệu và kết hợp chúng thành một tín hiệu duy nhất. Điều này được thực hiện bằng cách gán cho mỗi tín hiệu một bước sóng ánh sáng khác nhau, cho phép bộ ghép kênh gửi nhiều tín hiệu đồng thời dọc theo một sợi quang mà không bị nhiễu.
Công tắc đèn
Công tắc quang là thiết bị định tuyến tín hiệu quang từ sợi này sang sợi khác. Bộ chuyển mạch quang được sử dụng để kiểm soát lưu lượng trong mạng quang và thường được sử dụng trong các mạng dung lượng cao.
Lịch sử mạng quang
Lịch sử của mạng quang học bắt đầu vào những năm 1790 khi nhà phát minh người Pháp Claude Chappe phát minh ra máy điện báo tín hiệu quang học, một trong những ví dụ sớm nhất về hệ thống truyền thông quang học.
Gần một thế kỷ sau, vào năm 1880, Alexander Graham Bell đã được cấp bằng sáng chế cho điện thoại quang điện, một hệ thống điện thoại quang học. Trong khi Photophone mang tính đột phá, phát minh trước đó của Bell về điện thoại lại thực tế hơn và có hình dạng hữu hình. Vì vậy, Photophone chưa bao giờ rời khỏi giai đoạn thử nghiệm.
Cho đến những năm 1920, John Logie Baird ở Anh và Clarence W. Hansell mới được cấp bằng sáng chế cho ý tưởng sử dụng dãy ống rỗng hoặc thanh trong suốt để truyền hình ảnh cho hệ thống truyền hình hoặc fax.
Năm 1954, nhà khoa học người Hà Lan Abraham Van Heel và nhà khoa học người Anh Harold H. Hopkins đều đã công bố các bài báo khoa học về máy kéo. Hopkins tập trung vào sợi không bọc, trong khi Van Heel chỉ tập trung vào bó sợi bọc đơn giản - lớp bọc trong suốt có chiết suất thấp hơn xung quanh sợi trần.
Điều này bảo vệ bề mặt phản xạ của sợi khỏi các biến dạng bên ngoài và giảm đáng kể nhiễu giữa các sợi. Sự phát triển của chùm tia tạo ảnh là một bước quan trọng trong sự phát triển của sợi quang. Bảo vệ bề mặt sợi khỏi nhiễu từ bên ngoài cho phép truyền tín hiệu quang qua sợi chính xác hơn.
Đến năm 1960, sợi bọc thủy tinh có mức suy hao khoảng 1 decibel (dB) trên mét, phù hợp cho hình ảnh y tế nhưng lại quá cao cho truyền thông. Năm 1961, Elias Snitzer thuộc Công ty Quang học Hoa Kỳ công bố mô tả lý thuyết về sợi quang có lõi cực nhỏ có thể truyền ánh sáng chỉ qua một chế độ ống dẫn sóng.
Năm 1964, Tiến sĩ Kao đề xuất mức tổn thất ánh sáng là 10 hoặc 20 dB trên mỗi km. Tiêu chuẩn này giúp cải thiện phạm vi và độ tin cậy của hệ thống viễn thông. Ngoài nghiên cứu về tỷ lệ hao hụt ánh sáng, Tiến sĩ Gao còn chứng minh sự cần thiết của loại kính tinh khiết hơn để giúp giảm hiện tượng mất ánh sáng.
Vào mùa hè năm 1970, một nhóm các nhà nghiên cứu tại Corning Glass Works bắt đầu thử nghiệm một loại vật liệu mới gọi là silica nung chảy. Chất này được biết đến với độ tinh khiết cực cao, điểm nóng chảy cao và chỉ số khúc xạ thấp.
Nhóm nghiên cứu gồm có Robert Maurer, Donald Keck và Peter Schultz đã sớm nhận ra rằng silica nung chảy có thể được sử dụng để chế tạo một loại dây mới gọi là "sợi ống dẫn sóng quang". Dây cáp quang này có thể mang thông tin nhiều hơn 65,{1}} lần so với dây đồng truyền thống. Hơn nữa, sóng ánh sáng dùng để mang thông tin có thể được giải mã ở những điểm đến cách xa cả ngàn dặm.
Phát minh này đã cách mạng hóa truyền thông đường dài và mở đường cho công nghệ cáp quang ngày nay. Nhóm đã giải quyết được vấn đề tổn thất decibel do Tiến sĩ Gao xác định, và vào năm 1973, John MacChesney tại Phòng thí nghiệm Bell đã cải tiến quy trình lắng đọng hơi hóa học để sản xuất sợi. Kết quả là việc sản xuất thương mại cáp quang đã trở nên khả thi.
Vào tháng 4 năm 1977, Công ty Điện thoại và Điện tử Tổng hợp lần đầu tiên sử dụng mạng cáp quang để liên lạc qua điện thoại theo thời gian thực ở Long Beach, California. Vào tháng 5 năm 1977, Bell Labs nhanh chóng làm theo, xây dựng hệ thống liên lạc điện thoại quang học trải dài 2,5 dặm ở khu vực trung tâm thành phố Chicago. Mỗi cặp sợi có thể truyền 672 kênh thoại, tương đương với một mạch DS3.
Vào đầu những năm 1980, thế hệ truyền thông cáp quang thứ hai được thiết kế cho mục đích thương mại, sử dụng laser bán dẫn InGaAsP 1.3-micron. Các hệ thống này hoạt động ở tốc độ bit cao tới 1,7 Gbps vào năm 1987, với các bộ lặp cách nhau tới 50 km.
Các hệ thống được sử dụng trong mạng cáp quang thế hệ thứ ba hoạt động ở mức 1,55 micron và suy hao khoảng 0,2 dB mỗi km.
Hệ thống truyền thông cáp quang thế hệ thứ tư dựa vào khuếch đại quang học để giảm số lượng bộ lặp cần thiết và dựa vào ghép kênh phân chia bước sóng (WDM) để tăng dung lượng dữ liệu.
Năm 2006, tốc độ bit 14 terabit (Tb) mỗi giây đã đạt được trên đường dây dài 160-km sử dụng bộ khuếch đại quang. Đến năm 2021, các nhà khoa học Nhật Bản sẽ có thể truyền 319 Tbps trên khoảng cách 3,{6}} km bằng cáp quang bốn lõi.
Mặc dù các hệ thống truyền thông cáp quang thế hệ thứ tư này có công suất lớn hơn rất nhiều so với các thế hệ trước nhưng nguyên tắc cơ bản vẫn giống nhau: chuyển đổi tín hiệu điện thành xung quang, gửi chúng qua cáp quang và sau đó chuyển đổi chúng trở lại thành tín hiệu điện ở nơi nhận. kết thúc.
Tuy nhiên, các thành phần của mỗi thế hệ đã trở nên nhỏ hơn, đáng tin cậy hơn và ít tốn kém hơn. Kết quả là, thông tin liên lạc cáp quang đã trở thành một phần ngày càng quan trọng trong cơ sở hạ tầng viễn thông toàn cầu của chúng ta.
Xu hướng chính trong mạng quang
Tập trung vào rìa mạng
Biên mạng quang là nơi lưu lượng truy cập vào và ra khỏi mạng. Để đáp ứng nhu cầu của các ứng dụng dựa trên đám mây, mạng quang đang tiến gần hơn đến người dùng cuối. Điều này cho phép độ trễ thấp hơn và hiệu suất ổn định hơn.
Mã hóa lớp
Khi các cuộc tấn công mạng trở nên phổ biến hơn, việc bảo vệ dữ liệu đang hoạt động sẽ tiếp tục là mối quan tâm lớn. SASE (Secure Access Service Edge), việc sử dụng các tính năng bảo mật gốc đám mây tại các điểm cuối dịch vụ, gần đây đã thu hút được sự chú ý. Bảo vệ điểm cuối có thể khiến các biện pháp kiểm soát bảo mật trên mạng được kết nối trở nên không cần thiết.
Mặc dù điều này có thể không loại bỏ nhu cầu mã hóa nhưng nó sẽ bảo vệ dữ liệu và ứng dụng nhạy cảm. Nếu không có một biện pháp kiểm soát bảo mật duy nhất, việc bảo vệ lớp 1 ngày càng trở nên khó khăn hơn.
Chúng tôi có thể bảo vệ tài nguyên của mình tốt hơn bằng cách mã hóa quyền kiểm soát, quản lý và lưu lượng truy cập của người dùng. Điều này khiến tin tặc gần như không thể xâm nhập vào hệ thống, làm giảm đáng kể khả năng tấn công mạng thành công. Khi các doanh nghiệp trở nên phụ thuộc hơn vào dữ liệu và kết nối, các giải pháp bảo mật mạnh mẽ sẽ ngày càng trở nên rõ ràng hơn.
Mạng quang mở
Mạng quang mở là mạng quang sử dụng các giao diện mở, tiêu chuẩn để cho phép tích hợp thiết bị từ các nhà cung cấp khác nhau. Điều này mang lại nhiều sự lựa chọn và linh hoạt hơn cho các thành phần mạng quang. Ngoài ra, việc thêm các tính năng và dịch vụ mới khi chúng có sẵn sẽ dễ dàng hơn.
Sự phát triển của dịch vụ quang phổ
Khi lưu lượng dữ liệu tiếp tục tăng, nhu cầu về băng thông và dung lượng cao hơn cũng tăng theo. Các dịch vụ quang phổ cung cấp điều này bằng cách sử dụng phổ tần để tăng dung lượng của mạng cáp quang hiện có. Những dịch vụ này ngày càng phổ biến vì chúng cung cấp một cách tiết kiệm chi phí để đáp ứng nhu cầu dữ liệu ngày càng tăng.
Triển khai ngoài trời nhiều hơn
Việc triển khai ngoài trời trong các tủ đường phố đang trở nên phổ biến hơn khi nhu cầu về băng thông và công suất cao hơn tăng lên. Cáp quang ngoài trời có thể chạy trực tiếp đến vị trí của khách hàng, cung cấp kết nối trực tiếp hơn và độ trễ thấp hơn.
Nhỏ gọn và điều chế
Khi mạng quang tiếp tục phát triển, nhu cầu về các thành phần nhỏ hơn, gọn hơn ngày càng trở nên rõ ràng. Điều này là do không gian trong môi trường trung tâm dữ liệu thường bị hạn chế. Quang học mô-đun nhỏ gọn cung cấp một phương pháp tiết kiệm không gian trong khi vẫn mang lại hiệu suất cao.
Tương lai của mạng quang
Mạng quang thông minh
Mạng quang thông minh là mạng quang sử dụng trí tuệ nhân tạo (AI) để tối ưu hóa hiệu suất. Trí tuệ nhân tạo có thể được sử dụng để tự động xác định và khắc phục các sự cố trong mạng. Điều này cho phép một mạng lưới hiệu quả và đáng tin cậy hơn.
Ngoài ra, AI có thể được sử dụng để dự đoán mô hình và nhu cầu giao thông trong tương lai. Thông tin này có thể được sử dụng để cung cấp trước công suất, đảm bảo rằng mạng có thể đáp ứng nhu cầu trong tương lai.
Kiến trúc lưới linh hoạt
Kiến trúc lưới linh hoạt đang trở nên phổ biến hơn vì chúng cung cấp một cách để tăng công suất của các sợi hiện có. Lưới linh hoạt cho phép ghép các bước sóng ánh sáng khác nhau trên một sợi quang. Điều này cho phép truyền nhiều dữ liệu hơn trên mỗi sợi quang, tăng dung lượng mạng.
Ghép kênh phân chia bước sóng theo yêu cầu
Ghép kênh phân chia theo bước sóng là một kỹ thuật cho phép truyền nhiều bước sóng ánh sáng trên một sợi quang. WDM theo yêu cầu là một loại WDM cho phép dung lượng theo yêu cầu. Điều này có nghĩa là công suất có thể được bổ sung khi cần thiết mà không cần lắp đặt cáp quang mới.
Mạng quang trong một thế giới ngày càng kỹ thuật số
Mạng quang đã đi được một chặng đường dài trong lịch sử tương đối ngắn của nó. Từ những khởi đầu khiêm tốn, giờ đây nó đã là một phần thiết yếu của nhiều cơ sở hạ tầng mạng lớn. Nó là trụ cột chính của Internet, cách mạng hóa cách chúng ta giao tiếp và mở ra một kỷ nguyên tiến bộ công nghệ chưa từng có.
Khi các xu hướng như 5G trưởng thành, có vẻ như mạng quang đã sẵn sàng tiếp tục đóng một vai trò quan trọng trong thế giới ngày càng số hóa của chúng ta.
