A rede óptica é uma tecnologia que usa luz para transmitir dados entre dispositivos. Oferece alta largura de banda e baixa latência e tem sido o padrão de fato para comunicações de dados de longa distância por muitos anos. A fibra óptica é usada para a maioria das comunicações de voz e dados de longa distância em todo o mundo.
A rede óptica é importante porque permite a transmissão de dados em alta velocidade por longas distâncias. Por exemplo, a rede óptica garante que os utilizadores em Nova Iorque possam aceder aos servidores em Nairobi tão rapidamente quanto as leis da física o permitam.
A tecnologia por trás das redes ópticas baseia-se no princípio da reflexão interna total. Quando a luz atinge a superfície de um meio como um cabo de fibra óptica, parte da luz é refletida pela superfície. O ângulo em que a luz é refletida depende das propriedades do meio e do ângulo de incidência (o ângulo em que a luz atinge a superfície).
Se o ângulo de incidência for maior que o ângulo crítico, toda a luz será refletida; isso é chamado de reflexão interna total. A reflexão interna total pode ser usada para fazer fibras ópticas, um tipo de vidro ou plástico que guia a luz ao longo de seu comprimento.
À medida que a luz viaja através da fibra, ela sofre múltiplas reflexões internas totais, fazendo com que ela seja refletida na parede da fibra. Este efeito de ressalto faz com que a luz percorra todo o comprimento da fibra em um padrão em zigue-zague.
Ao controlar cuidadosamente as propriedades da fibra, os engenheiros podem controlar a quantidade de luz que é refletida e a distância que ela percorre antes de ser refletida novamente. Isso lhes permitiu projetar fibras ópticas que pudessem transmitir dados por longas distâncias sem perder nenhuma informação.
As redes ópticas consistem em vários componentes: fibras ópticas, transceptores, amplificadores, multiplexadores e interruptores ópticos.
Fibra Óptica
A fibra óptica é o meio que transporta o sinal óptico. É composto por uma variedade de materiais, incluindo:
①Core: O centro que transporta luz.
②Clad: Um material que envolve o núcleo e ajuda a manter o sinal óptico contido.
③Revestimento tampão: Um material que protege a fibra óptica contra danos.
O núcleo e o revestimento são geralmente feitos de vidro, enquanto o revestimento tampão é geralmente feito de plástico.
Transceptor
Transceptores são dispositivos que convertem sinais elétricos em sinais ópticos e vice-versa, geralmente implementados na última milha de uma conexão. É a interface entre uma rede óptica e os dispositivos eletrônicos que a utilizam, como computadores e roteadores.
Amplificador
Como o nome sugere, um amplificador é um dispositivo que amplifica os sinais luminosos para que possam percorrer longas distâncias sem perder força. Amplificadores são colocados ao longo da fibra em intervalos regulares para aumentar o sinal.
Multiplexador
Um multiplexador é apenas um dispositivo que recebe vários sinais e os combina em um único sinal. Isso é feito atribuindo a cada sinal um comprimento de onda de luz diferente, permitindo que o multiplexador envie vários sinais simultaneamente ao longo de uma única fibra sem interferência.
Interruptor de luz
Um switch óptico é um dispositivo que roteia sinais ópticos de uma fibra para outra. Os switches ópticos são usados para controlar o tráfego em redes ópticas e normalmente são usados em redes de alta capacidade.
História da rede óptica
A história das redes ópticas começou na década de 1790, quando o inventor francês Claude Chappe inventou o telégrafo de sinal óptico, um dos primeiros exemplos de sistema de comunicação óptica.
Quase um século depois, em 1880, Alexander Graham Bell patenteou o telefone eletro-óptico, um sistema telefônico óptico. Embora o fotofone fosse inovador, a invenção anterior do telefone por Bell era mais prática e assumiu uma forma tangível. Portanto, o Photophone nunca saiu da fase experimental.
Até a década de 1920, John Logie Baird, na Inglaterra, e Clarence W. Hansell apenas patentearam a ideia de usar uma série de tubos ocos ou hastes transparentes para transmitir imagens para sistemas de televisão ou fax.
Em 1954, o cientista holandês Abraham Van Heel e o cientista britânico Harold H. Hopkins publicaram artigos científicos sobre tractografia. Hopkins se concentrou em fibras não revestidas, enquanto Van Heel se concentrou apenas em feixes simples de fibras revestidas - um revestimento transparente com um índice de refração mais baixo ao redor da fibra nua.
Isto protege a superfície reflexiva da fibra contra deformações externas e reduz significativamente a interferência entre as fibras. O desenvolvimento de feixes de imagem foi um passo importante no desenvolvimento de fibras ópticas. Proteger a superfície da fibra contra interferências externas permite uma transmissão mais precisa de sinais ópticos através da fibra.
Em 1960, as fibras revestidas de vidro apresentavam perdas de cerca de 1 decibel (dB) por metro, adequadas para imagens médicas, mas altas demais para comunicações. Em 1961, Elias Snitzer, da Optical Company of America, publicou uma descrição teórica de uma fibra óptica com um núcleo minúsculo que poderia transmitir luz através de apenas um modo de guia de onda.
Em 1964, o Dr. Kao propôs uma perda de luz de 10 ou 20 dB por quilômetro. Este padrão ajuda a melhorar o alcance e a confiabilidade dos sistemas de telecomunicações. Além de seu trabalho sobre taxas de perda, o Dr. Gao demonstrou a necessidade de um vidro mais puro para ajudar a reduzir a perda de luz.
No verão de 1970, um grupo de pesquisadores da Corning Glass Works começou a fazer experiências com um novo material chamado sílica fundida. Esta substância é conhecida por sua pureza extremamente alta, alto ponto de fusão e baixo índice de refração.
A equipe, composta por Robert Maurer, Donald Keck e Peter Schultz, logo percebeu que a sílica fundida poderia ser usada para fazer um novo tipo de fio chamado “fibra óptica de guia de ondas”. Este fio de fibra óptica pode transportar 65{1}} vezes mais informações do que o fio de cobre tradicional. Além disso, as ondas de luz usadas para transportar informações podem ser decodificadas em destinos a até mil quilômetros de distância.
Esta invenção revolucionou a comunicação de longa distância e abriu o caminho para a atual tecnologia de fibra óptica. A equipe resolveu o problema de perda de decibéis definido pelo Dr. Gao e, em 1973, John MacChesney, dos Laboratórios Bell, melhorou o processo de deposição química de vapor para a produção de fibras. Como resultado, a produção comercial de cabos de fibra óptica tornou-se possível.
Em abril de 1977, a General Telephone and Electronics Co. usou a rede de fibra óptica pela primeira vez para comunicação telefônica em tempo real em Long Beach, Califórnia. Em maio de 1977, o Bell Labs logo seguiu o exemplo, construindo um sistema de comunicação telefônica óptica abrangendo 2,4 quilômetros no centro de Chicago. Cada par de fibras pode transmitir 672 canais de voz, equivalente a um circuito DS3.
No início da década de 1980, a segunda geração de comunicações de fibra óptica foi projetada para uso comercial, usando um laser semicondutor InGaAsP de 1,3-mícron. Esses sistemas operavam com taxas de bits de até 1,7 Gbps em 1987, com repetidores espaçados até 50 quilômetros entre si.
Os sistemas usados em redes de fibra óptica de terceira geração operam a 1,55 mícrons e apresentam uma perda de cerca de 0,2 dB por quilômetro.
Os sistemas de comunicação de fibra óptica de quarta geração dependem da amplificação óptica para reduzir o número de repetidores necessários e da multiplexação por divisão de comprimento de onda (WDM) para aumentar a capacidade de dados.
Em 2006, uma taxa de bits de 14 terabits (Tb) por segundo foi alcançada em uma linha de 160-quilômetros usando amplificadores ópticos. Até 2021, os cientistas japoneses serão capazes de transmitir 319 Tbps em 3000 quilômetros usando um cabo de fibra óptica de quatro núcleos.
Embora estes sistemas de comunicação por fibra óptica de quarta geração tenham muito mais capacidade do que as gerações anteriores, o princípio básico é o mesmo: converter sinais eléctricos em impulsos ópticos, enviá-los através de fibra óptica e depois convertê-los novamente em sinais eléctricos no receptor. fim.
Contudo, os componentes de cada geração tornaram-se menores, mais confiáveis e menos caros. Como resultado, as comunicações de fibra óptica tornaram-se uma parte cada vez mais importante da nossa infra-estrutura global de telecomunicações.
Principais tendências em redes ópticas
Concentre-se na borda da rede
A borda da rede óptica é onde o tráfego entra e sai da rede. Para atender às demandas de aplicações baseadas em nuvem, as redes ópticas estão se aproximando dos usuários finais. Isso permite menor latência e desempenho mais consistente.
Criptografia de camada
À medida que os ataques cibernéticos se tornam mais comuns, a proteção de dados em movimento continuará a ser uma grande preocupação. SASE (Secure Access Service Edge), o uso de recursos de segurança nativos da nuvem em terminais de serviço, ganhou força recentemente. A proteção de endpoint pode tornar desnecessários os controles de segurança nas redes conectadas.
Embora isso possa não eliminar a necessidade de criptografia, protegerá dados e aplicativos confidenciais. Sem um único controle de segurança, a proteção da camada 1 torna-se cada vez mais complicada.
Podemos proteger melhor nossos recursos criptografando o controle, o gerenciamento e o tráfego de usuários. Isso torna quase impossível a invasão do sistema por hackers, reduzindo significativamente as chances de um ataque cibernético bem-sucedido. À medida que as empresas se tornam mais dependentes de dados e conectividade, soluções de segurança robustas tornar-se-ão cada vez mais evidentes.
Rede óptica aberta
Uma rede óptica aberta é uma rede óptica que utiliza interfaces abertas padrão para permitir a integração de equipamentos de diferentes fornecedores. Isso fornece mais opções e flexibilidade para componentes de rede óptica. Além disso, torna mais fácil adicionar novos recursos e serviços à medida que ficam disponíveis.
Crescimento dos Serviços de Espectro
À medida que o tráfego de dados continua a crescer, aumenta também a necessidade de maior largura de banda e capacidade. Os serviços espectrais proporcionam isto através da utilização do espectro para aumentar a capacidade das redes de fibra óptica existentes. A popularidade desses serviços está crescendo porque oferecem uma maneira econômica de atender às crescentes demandas de dados.
Mais implantações externas
As implantações externas em gabinetes de rua estão se tornando mais comuns à medida que cresce a demanda por maior largura de banda e capacidade. A fibra externa pode ir diretamente para o local do cliente, proporcionando uma conexão mais direta e menor latência.
Compacto e Modulador
À medida que as redes ópticas continuam a evoluir, a necessidade de componentes menores e mais compactos torna-se cada vez mais aparente. Isso ocorre porque o espaço em um ambiente de data center costuma ser limitado. A óptica modular compacta oferece uma abordagem que economiza espaço e ainda oferece alto desempenho.
O futuro das redes ópticas
Rede Óptica Inteligente
Redes ópticas inteligentes são redes ópticas que usam inteligência artificial (IA) para otimizar o desempenho. A inteligência artificial pode ser usada para identificar e corrigir automaticamente problemas na rede. Isso permite uma rede mais eficiente e confiável.
Além disso, a IA pode ser usada para prever padrões e demandas de tráfego futuras. Essas informações podem ser usadas para provisionar capacidade antecipadamente, garantindo que a rede possa atender às demandas futuras.
Arquitetura de grade flexível
As arquiteturas de malha flexível estão se tornando mais populares porque fornecem uma maneira de aumentar a capacidade das fibras existentes. A grade flexível permite a multiplexação de diferentes comprimentos de onda de luz em uma única fibra. Isto permite que mais dados sejam transportados em cada fibra, aumentando a capacidade da rede.
Multiplexação por divisão de comprimento de onda sob demanda
A multiplexação por divisão de comprimento de onda é uma técnica que permite que vários comprimentos de onda de luz sejam transmitidos em uma única fibra. WDM sob demanda é um tipo de WDM que permite capacidade sob demanda. Isto significa que a capacidade pode ser adicionada conforme necessário sem a instalação de nova fibra.
Redes ópticas em um mundo cada vez mais digital
As redes ópticas percorreram um longo caminho em sua história relativamente curta. De origem humilde, é agora uma parte essencial de muitas infraestruturas de rede de grande porte. É um pilar fundamental da Internet, revolucionando a forma como comunicamos e inaugurando uma era de avanço tecnológico sem precedentes.
À medida que tendências como o 5G amadurecem, parece que as redes ópticas estão preparadas para continuar a desempenhar um papel importante no nosso mundo cada vez mais digitalizado.
