เครือข่ายออปติกคืออะไร?

เครือข่ายออปติกเป็นเทคโนโลยีที่ใช้แสงในการส่งข้อมูลระหว่างอุปกรณ์ มีแบนด์วิธสูงและมีเวลาแฝงต่ำ และเป็นมาตรฐานสำหรับการสื่อสารข้อมูลทางไกลมานานหลายปี ใยแก้วนำแสงใช้สำหรับการสื่อสารด้วยเสียงและข้อมูลทางไกลส่วนใหญ่ทั่วโลก

เครือข่ายออปติกมีความสำคัญเนื่องจากช่วยให้สามารถส่งข้อมูลความเร็วสูงในระยะทางไกลได้ ตัวอย่างเช่น เครือข่ายแบบออปติคัลช่วยให้แน่ใจว่าผู้ใช้ในนิวยอร์กสามารถเข้าถึงเซิร์ฟเวอร์ในไนโรบีได้อย่างรวดเร็วเท่าที่กฎหมายฟิสิกส์อนุญาต

เทคโนโลยีที่อยู่เบื้องหลังเครือข่ายออปติกนั้นใช้หลักการของการสะท้อนภายในทั้งหมด เมื่อแสงตกกระทบพื้นผิวของตัวกลาง เช่น สายเคเบิลไฟเบอร์ออปติก แสงบางส่วนจะสะท้อนไปที่พื้นผิว มุมที่แสงสะท้อนจะขึ้นอยู่กับคุณสมบัติของตัวกลางและมุมตกกระทบ (มุมที่แสงตกกระทบพื้นผิว)

ถ้ามุมตกกระทบมากกว่ามุมวิกฤต แสงทั้งหมดก็จะสะท้อนออกมา สิ่งนี้เรียกว่าการสะท้อนภายในทั้งหมด การสะท้อนภายในทั้งหมดสามารถนำมาใช้สร้างเส้นใยนำแสง ซึ่งเป็นแก้วหรือพลาสติกชนิดหนึ่งที่นำแสงไปตามความยาวของแสง

เมื่อแสงเดินทางผ่านเส้นใย แสงจะสะท้อนภายในทั้งหมดหลายครั้ง ทำให้เกิดการสะท้อนออกจากผนังเส้นใย เอฟเฟกต์การสะท้อนนี้ทำให้แสงเดินทางลงไปตามความยาวของเส้นใยในรูปแบบซิกแซก

ด้วยการควบคุมคุณสมบัติของไฟเบอร์อย่างระมัดระวัง วิศวกรจะสามารถควบคุมปริมาณแสงที่สะท้อนและระยะทางที่แสงจะสะท้อนก่อนที่จะสะท้อนอีกครั้ง สิ่งนี้ทำให้พวกเขาสามารถออกแบบใยแก้วนำแสงที่สามารถส่งข้อมูลในระยะทางไกลได้โดยไม่สูญเสียข้อมูลใดๆ

เครือข่ายแบบออปติกประกอบด้วยส่วนประกอบหลายอย่าง: ไฟเบอร์ออปติก เครื่องรับส่งสัญญาณ เครื่องขยายสัญญาณ มัลติเพล็กเซอร์ และสวิตช์ออปติคัล

ใยแก้วนำแสง

ใยแก้วนำแสงเป็นสื่อที่นำสัญญาณแสง ประกอบด้วยวัสดุหลายชนิด ได้แก่ :

①แกนกลาง: ศูนย์กลางที่นำพาแสง

②หุ้ม: วัสดุที่ล้อมรอบแกนกลางและช่วยรักษาสัญญาณแสงไว้

3.การเคลือบบัฟเฟอร์: วัสดุที่ปกป้องใยแก้วนำแสงจากความเสียหาย

แกนกลางและส่วนหุ้มมักทำจากแก้ว ในขณะที่ส่วนเคลือบบัฟเฟอร์มักทำจากพลาสติก

เครื่องรับส่งสัญญาณ

ตัวรับส่งสัญญาณเป็นอุปกรณ์ที่แปลงสัญญาณไฟฟ้าเป็นสัญญาณแสงและในทางกลับกัน ซึ่งมักจะใช้งานในช่วงไมล์สุดท้ายของการเชื่อมต่อ เป็นส่วนติดต่อระหว่างเครือข่ายออปติกและอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ใช้เครือข่ายดังกล่าว เช่น คอมพิวเตอร์และเราเตอร์

เครื่องขยายเสียง

ตามชื่อที่แสดง แอมพลิฟายเออร์เป็นอุปกรณ์ที่ขยายสัญญาณแสงเพื่อให้สามารถเดินทางระยะไกลได้โดยไม่สูญเสียความแรง แอมพลิฟายเออร์จะถูกวางตามแนวไฟเบอร์เป็นระยะๆ เพื่อเพิ่มสัญญาณ

มัลติเพล็กเซอร์

มัลติเพล็กเซอร์เป็นเพียงอุปกรณ์ที่รับสัญญาณหลายสัญญาณและรวมเข้าด้วยกันเป็นสัญญาณเดียว ซึ่งทำได้โดยการกำหนดสัญญาณแต่ละสัญญาณให้มีความยาวคลื่นแสงที่แตกต่างกัน ทำให้มัลติเพล็กเซอร์สามารถส่งสัญญาณหลายตัวพร้อมกันไปตามไฟเบอร์เส้นเดียวโดยไม่มีการรบกวน

สวิตช์ไฟ

สวิตช์แบบออปติคอลคืออุปกรณ์ที่ส่งสัญญาณแสงจากไฟเบอร์หนึ่งไปยังอีกไฟเบอร์หนึ่ง สวิตช์แบบออปติคัลใช้เพื่อควบคุมการรับส่งข้อมูลในเครือข่ายแบบออปติก และโดยทั่วไปจะใช้ในเครือข่ายความจุสูง

ประวัติความเป็นมาของเครือข่ายออปติก

ประวัติความเป็นมาของเครือข่ายออปติกเริ่มต้นขึ้นในคริสต์ทศวรรษ 1790 เมื่อนักประดิษฐ์ชาวฝรั่งเศส โคล้ด ชาปเป้ ประดิษฐ์เครื่องส่งโทรเลขแบบสัญญาณแสง ซึ่งเป็นหนึ่งในตัวอย่างแรกสุดของระบบสื่อสารด้วยแสง

เกือบหนึ่งศตวรรษต่อมา ในปี พ.ศ. 2423 อเล็กซานเดอร์ เกรแฮม เบลล์ ได้จดสิทธิบัตรโทรศัพท์แบบใช้แสงไฟฟ้า ซึ่งเป็นระบบโทรศัพท์แบบใช้แสง แม้ว่าโฟโต้โฟนจะแหวกแนว แต่การประดิษฐ์โทรศัพท์รุ่นก่อนๆ ของเบลล์นั้นใช้งานได้จริงมากกว่าและมีรูปแบบที่จับต้องได้ ดังนั้นโฟโต้โฟนจึงไม่เคยออกจากขั้นตอนการทดลอง

จนถึงทศวรรษที่ 1920 John Logie Baird ในอังกฤษและ Clarence W. Hansell ได้จดสิทธิบัตรเฉพาะแนวคิดในการใช้ท่อกลวงหรือแท่งโปร่งใสเพื่อส่งภาพสำหรับโทรทัศน์หรือระบบแฟกซ์

ในปี 1954 นักวิทยาศาสตร์ชาวดัตช์ อับราฮัม แวน ฮีล และนักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษ แฮโรลด์ เอช. ฮอปกินส์ ได้ตีพิมพ์บทความทางวิทยาศาสตร์เกี่ยวกับการตรวจแทรกวัตถุกันคนละฉบับ Hopkins มุ่งเน้นไปที่เส้นใยที่ไม่หุ้ม ในขณะที่ Van Heel มุ่งเน้นไปที่การรวมกลุ่มเส้นใยแบบหุ้มธรรมดาเท่านั้น ซึ่งเป็นการหุ้มที่โปร่งใสซึ่งมีดัชนีการหักเหของแสงรอบๆ เส้นใยเปลือยที่ต่ำกว่า

ซึ่งจะช่วยปกป้องพื้นผิวสะท้อนแสงของไฟเบอร์จากการเสียรูปภายนอก และลดการรบกวนระหว่างเส้นใยได้อย่างมาก การพัฒนาลำแสงถ่ายภาพถือเป็นก้าวสำคัญในการพัฒนาเส้นใยนำแสง การปกป้องพื้นผิวไฟเบอร์จากการรบกวนจากภายนอกทำให้สามารถส่งสัญญาณแสงผ่านไฟเบอร์ได้แม่นยำยิ่งขึ้น

ภายในปี 1960 เส้นใยที่หุ้มด้วยแก้วมีการสูญเสียประมาณ 1 เดซิเบล (dB) ต่อเมตร ซึ่งเหมาะสำหรับการถ่ายภาพทางการแพทย์ แต่สูงเกินไปสำหรับการสื่อสาร ในปี พ.ศ. 2504 เอเลียส สนิทเซอร์แห่งบริษัทแว่นตาแห่งอเมริกาตีพิมพ์คำอธิบายทางทฤษฎีเกี่ยวกับใยแก้วนำแสงที่มีแกนกลางขนาดเล็กที่สามารถส่งแสงผ่านโหมดท่อนำคลื่นเพียงโหมดเดียวเท่านั้น

ในปีพ.ศ. 2507 ดร.เก้าเสนอให้มีการสูญเสียแสง 10 หรือ 20 เดซิเบลต่อกิโลเมตร มาตรฐานนี้ช่วยปรับปรุงช่วงและความน่าเชื่อถือของระบบโทรคมนาคม นอกเหนือจากงานของเขาเกี่ยวกับอัตราการสูญเสียแล้ว ดร. เกายังแสดงให้เห็นถึงความจำเป็นในการใช้กระจกที่บริสุทธิ์กว่าเพื่อช่วยลดการสูญเสียแสง

ในฤดูร้อนปี 1970 กลุ่มนักวิจัยที่ Corning Glass Works เริ่มทดลองกับวัสดุใหม่ที่เรียกว่าซิลิกาหลอมละลาย สารนี้ขึ้นชื่อในเรื่องความบริสุทธิ์สูงมาก มีจุดหลอมเหลวสูง และดัชนีการหักเหของแสงต่ำ

ทีมงานซึ่งประกอบด้วย Robert Maurer, Donald Keck และ Peter Schultz ก็ได้ตระหนักในไม่ช้าว่าซิลิกาที่หลอมละลายสามารถนำมาใช้สร้างลวดชนิดใหม่ที่เรียกว่า "เส้นใยนำคลื่นแสง" สายไฟเบอร์ออปติกนี้สามารถส่งข้อมูลได้มากกว่าสายทองแดงแบบเดิมถึง 65,000 เท่า นอกจากนี้ คลื่นแสงที่ใช้ในการส่งข้อมูลสามารถถอดรหัสไปยังจุดหมายปลายทางที่อยู่ห่างออกไปนับพันไมล์ได้

สิ่งประดิษฐ์นี้ปฏิวัติการสื่อสารทางไกลและปูทางไปสู่เทคโนโลยีไฟเบอร์ออปติกในปัจจุบัน ทีมงานได้แก้ไขปัญหาการสูญเสียเดซิเบลที่กำหนดโดย Dr. Gao และในปี 1973 John MacChesney ที่ Bell Laboratories ได้ปรับปรุงกระบวนการสะสมไอสารเคมีสำหรับการผลิตเส้นใย ส่งผลให้สามารถผลิตสายเคเบิลใยแก้วนำแสงเชิงพาณิชย์ได้

ในเดือนเมษายน พ.ศ. 2520 บริษัท General Telephone and Electronics Co. ใช้เครือข่ายใยแก้วนำแสงเป็นครั้งแรกสำหรับการสื่อสารทางโทรศัพท์แบบเรียลไทม์ในเมืองลองบีช รัฐแคลิฟอร์เนีย ในเดือนพฤษภาคม พ.ศ. 2520 ไม่นาน Bell Labs ก็ดำเนินการตาม โดยสร้างระบบสื่อสารทางโทรศัพท์แบบออปติกซึ่งครอบคลุมระยะทาง 1.5 ไมล์ในย่านใจกลางเมืองของชิคาโก ไฟเบอร์แต่ละคู่สามารถส่งสัญญาณเสียงได้ 672 ช่องสัญญาณ ซึ่งเทียบเท่ากับวงจร DS3

ในช่วงต้นทศวรรษ 1980 การสื่อสารแบบไฟเบอร์ออปติกรุ่นที่สองได้รับการออกแบบสำหรับการใช้งานเชิงพาณิชย์ โดยใช้เลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ InGaAsP ขนาด 1.3- ไมครอน ระบบเหล่านี้ทำงานที่อัตราบิตสูงถึง 1.7 Gbps ในปี 1987 โดยมีรีพีทเตอร์เว้นระยะห่างกันสูงสุด 50 กิโลเมตร

ระบบที่ใช้ในเครือข่ายใยแก้วนำแสงรุ่นที่สามทำงานที่ 1.55 ไมครอนและมีการสูญเสียประมาณ 0.2 เดซิเบลต่อกิโลเมตร

ระบบสื่อสารใยแก้วนำแสงรุ่นที่สี่อาศัยการขยายสัญญาณด้วยแสงเพื่อลดจำนวนรีพีทเตอร์ที่ต้องการ และการใช้มัลติเพล็กซ์แบบแบ่งความยาวคลื่น (WDM) เพื่อเพิ่มความจุข้อมูล

ในปี 2549 อัตราบิต 14 เทราบิต (Tb) ต่อวินาทีสามารถทำได้บนเส้น 160- กิโลเมตรโดยใช้เครื่องขยายสัญญาณแบบออปติคัล ภายในปี 2021 นักวิทยาศาสตร์ชาวญี่ปุ่นจะสามารถส่งข้อมูล 319 Tbps ในระยะทาง 3,{6}} กิโลเมตรโดยใช้สายเคเบิลใยแก้วนำแสงแบบ 4 คอร์

แม้ว่าระบบสื่อสารใยแก้วนำแสงรุ่นที่สี่เหล่านี้จะมีความจุมากกว่ารุ่นก่อนๆ มาก แต่หลักการพื้นฐานก็เหมือนกัน: แปลงสัญญาณไฟฟ้าเป็นพัลส์แสง ส่งผ่านใยแก้วนำแสง จากนั้นแปลงสัญญาณกลับไปเป็นสัญญาณไฟฟ้าที่ตัวรับสัญญาณ จบ.

อย่างไรก็ตาม ส่วนประกอบของแต่ละเจเนอเรชันมีขนาดเล็กลง เชื่อถือได้มากขึ้น และมีราคาถูกลง ด้วยเหตุนี้ การสื่อสารผ่านใยแก้วนำแสงจึงกลายเป็นส่วนสำคัญมากขึ้นในโครงสร้างพื้นฐานโทรคมนาคมทั่วโลกของเรา

แนวโน้มสำคัญในระบบเครือข่ายออปติก

มุ่งเน้นไปที่ขอบเครือข่าย

ขอบเครือข่ายออปติกคือจุดที่การรับส่งข้อมูลไหลเข้าและออกจากเครือข่าย เพื่อตอบสนองความต้องการของแอปพลิเคชันบนคลาวด์ เครือข่ายออปติกจึงเข้าใกล้ผู้ใช้ปลายทางมากขึ้น ซึ่งช่วยให้มีเวลาแฝงน้อยลงและมีประสิทธิภาพที่สม่ำเสมอยิ่งขึ้น

การเข้ารหัสเลเยอร์

เมื่อการโจมตีทางไซเบอร์กลายเป็นเรื่องปกติมากขึ้น การปกป้องข้อมูลจะยังคงเป็นปัญหาสำคัญต่อไป SASE (Secure Access Service Edge) ซึ่งเป็นการใช้คุณสมบัติความปลอดภัยบนคลาวด์ที่จุดสิ้นสุดของบริการ ได้รับความสนใจเมื่อเร็วๆ นี้ การป้องกันอุปกรณ์ปลายทางอาจทำให้การควบคุมความปลอดภัยบนเครือข่ายที่เชื่อมต่อไม่จำเป็น

แม้ว่าการดำเนินการนี้อาจไม่ช่วยลดความจำเป็นในการเข้ารหัส แต่จะช่วยปกป้องข้อมูลที่ละเอียดอ่อนและแอปพลิเคชันต่างๆ หากไม่มีการควบคุมความปลอดภัยเพียงครั้งเดียว การป้องกันเลเยอร์ 1 จะยุ่งยากมากขึ้น

เราสามารถปกป้องทรัพยากรของเราได้ดีขึ้นโดยการเข้ารหัสการควบคุม การจัดการ และการรับส่งข้อมูลของผู้ใช้ สิ่งนี้ทำให้แทบเป็นไปไม่ได้เลยที่แฮกเกอร์จะเจาะเข้าสู่ระบบ ซึ่งลดโอกาสการโจมตีทางไซเบอร์ที่ประสบความสำเร็จได้อย่างมาก เมื่อธุรกิจต่างๆ พึ่งพาข้อมูลและการเชื่อมต่อมากขึ้น โซลูชันการรักษาความปลอดภัยที่แข็งแกร่งก็จะยิ่งชัดเจนมากขึ้นเท่านั้น

เปิดเครือข่ายออปติก

เครือข่ายออปติกแบบเปิดคือเครือข่ายแบบออปติกที่ใช้อินเทอร์เฟซแบบเปิดมาตรฐานเพื่อให้สามารถรวมอุปกรณ์จากผู้ขายรายต่างๆ ได้ ทำให้มีทางเลือกและความยืดหยุ่นมากขึ้นสำหรับส่วนประกอบเครือข่ายออปติก นอกจากนี้ยังทำให้การเพิ่มคุณสมบัติและบริการใหม่ ๆ ง่ายขึ้นเมื่อมีให้ใช้งาน

การเติบโตของบริการสเปกตรัม

เนื่องจากการรับส่งข้อมูลมีการเติบโตอย่างต่อเนื่อง ความต้องการแบนด์วิธและความจุที่สูงขึ้นก็เพิ่มขึ้นเช่นกัน บริการสเปกตรัมให้สิ่งนี้โดยใช้สเปกตรัมเพื่อเพิ่มขีดความสามารถของเครือข่ายใยแก้วนำแสงที่มีอยู่ บริการเหล่านี้กำลังได้รับความนิยมมากขึ้น เนื่องจากเป็นบริการที่คุ้มต้นทุนในการตอบสนองความต้องการข้อมูลที่เพิ่มขึ้น

การใช้งานกลางแจ้งมากขึ้น

การใช้งานกลางแจ้งในตู้ข้างถนนกำลังกลายเป็นเรื่องปกติมากขึ้น เนื่องจากความต้องการแบนด์วิธและความจุที่สูงขึ้นมีเพิ่มมากขึ้น ไฟเบอร์กลางแจ้งสามารถวิ่งไปยังที่ตั้งของลูกค้าได้โดยตรง ทำให้มีการเชื่อมต่อโดยตรงมากขึ้นและเวลาแฝงที่ลดลง

กะทัดรัดและโมดูเลเตอร์

ในขณะที่เครือข่ายออปติคอลมีการพัฒนาอย่างต่อเนื่อง ความต้องการส่วนประกอบที่เล็กลงและกะทัดรัดมากขึ้นก็ปรากฏชัดเจนมากขึ้น เนื่องจากพื้นที่ในสภาพแวดล้อมของศูนย์ข้อมูลมักจะมีจำกัด ออพติคโมดูลาร์ขนาดกะทัดรัดนำเสนอวิธีการประหยัดพื้นที่แต่ยังคงให้ประสิทธิภาพสูง

อนาคตของเครือข่ายออปติก

เครือข่ายออปติกอัจฉริยะ

เครือข่ายออปติกอัจฉริยะคือเครือข่ายออปติคัลที่ใช้ปัญญาประดิษฐ์ (AI) เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการทำงาน ปัญญาประดิษฐ์สามารถใช้เพื่อระบุและแก้ไขปัญหาในเครือข่ายได้โดยอัตโนมัติ ช่วยให้เครือข่ายมีประสิทธิภาพและเชื่อถือได้มากขึ้น

นอกจากนี้ AI ยังสามารถใช้เพื่อคาดการณ์รูปแบบการรับส่งข้อมูลและความต้องการในอนาคตได้ ข้อมูลนี้สามารถใช้เพื่อจัดเตรียมความจุล่วงหน้า เพื่อให้มั่นใจว่าเครือข่ายจะสามารถตอบสนองความต้องการในอนาคตได้

สถาปัตยกรรมกริดที่ยืดหยุ่น

สถาปัตยกรรมตาข่ายที่ยืดหยุ่นกำลังได้รับความนิยมมากขึ้นเนื่องจากเป็นช่องทางในการเพิ่มกำลังการผลิตของเส้นใยที่มีอยู่ ตารางที่ยืดหยุ่นช่วยให้สามารถมัลติเพล็กซ์ของความยาวคลื่นแสงที่แตกต่างกันบนเส้นใยเดี่ยวได้ ช่วยให้สามารถรับส่งข้อมูลได้มากขึ้นในแต่ละไฟเบอร์ เพิ่มความจุของเครือข่าย

มัลติเพล็กซ์การแบ่งความยาวคลื่นตามความต้องการ

มัลติเพล็กซ์แบบแบ่งความยาวคลื่นเป็นเทคนิคที่ช่วยให้แสงหลายความยาวคลื่นสามารถส่งผ่านบนไฟเบอร์เส้นเดียวได้ WDM ตามความต้องการคือ WDM ประเภทหนึ่งที่อนุญาตความจุตามความต้องการ ซึ่งหมายความว่าสามารถเพิ่มความจุได้ตามต้องการโดยไม่ต้องติดตั้งไฟเบอร์ใหม่

เครือข่ายออปติกในโลกดิจิทัลที่เพิ่มมากขึ้น

เครือข่ายออปติกมีประวัติอันยาวนานมาอย่างยาวนาน จากจุดเริ่มต้นเล็กๆ ปัจจุบันได้กลายเป็นส่วนสำคัญของโครงสร้างพื้นฐานเครือข่ายขนาดใหญ่หลายแห่ง เป็นเสาหลักสำคัญของอินเทอร์เน็ต ซึ่งปฏิวัติวิธีการสื่อสารและนำไปสู่ยุคแห่งความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีอย่างที่ไม่เคยมีมาก่อน

เมื่อแนวโน้มต่างๆ เช่น 5G เติบโตเต็มที่ ดูเหมือนว่าเครือข่ายออปติกพร้อมที่จะยังคงมีบทบาทสำคัญในโลกดิจิทัลที่เพิ่มมากขึ้นของเรา