光网络是一种利用光信号通过光纤电缆传输数据的技术。其包括一个组件系统，包括光学发射机、光学放大器和光纤基础设施，以促进长距离的高速通信。
这一技术支持以高带宽传输大量数据，与传统的铜缆网络相比，可以实现更快、更高效的通信。
光网络的主要组成部分
光纤网络的主要组成部分包括光纤电缆、光发射机、光放大器、光接收器、收发器、波长分复用(WDM)、光开关和路由器、光交叉连接(OXCS)和光加减复用器。
光纤电缆
光纤电缆是一种高容量传输介质，由玻璃或塑料制成，称为光纤。
这些光纤以最小的信号损耗和高数据传输速率长距离传输光信号。每根光纤的核心都包裹着一层包层材料，将光信号反射回核心以实现高效传输。
与传统的铜缆相比，光纤电缆具有抗电磁干扰和减少信号衰减的优点，在电信和网络应用中得到了广泛的应用。
光学发射机
光发射机将电信号转换成光信号，通过光纤电缆传输。其主要功能是调制光源，通常是激光二极管或发光二极管(LED)，以响应表示数据的电信号。
光学放大器
光放大器战略性地放置在光纤网络上，增强光信号，在较长的距离内保持信号强度。该组件补偿信号衰减，并允许距离信号传输，而无需昂贵和复杂的光电信号转换。
光学放大器的主要类型包括:
- 掺铒光纤放大器(EDFA)：EDFA采用掺铒光纤。当暴露在特定波长的光下时，光纤中的铒离子会吸收并重新发射光子，从而放大光信号。EDFA通常用于1550nm范围，是长距离通信的关键组件。
- 半导体光放大器(SOA)：SOA通过半导体材料放大光信号。输入的光信号在半导体内部诱导受激发射，导致信号改善。SOA专门用于短距离和访问网络场景。
- 拉曼放大器：拉曼放大器利用光纤中的拉曼散射效应。不同波长的泵浦光与光信号相互作用，传递能量并使其增强。这种类型的放大器是通用的，可以在各种波长下工作，包括常用的1550纳米范围。
光学接收器
在光链路的接收端，光接收器将输入的光信号转换回电信号。
收发器
收发器是一种多功能设备，其将光发射器和接收器的功能结合到一个单元中，促进光纤链路上的双向通信。它们将电信号转换成光信号进行传输，并将接收到的光信号转换回电信号。
波分复用(WDM)
波分复用(WDM)允许在一条光纤上同时传输多个数据流。WDM的基本原理是使用不同波长的光来承载独立的数据信号，支持数据容量的增加和光谱的有效利用。
WDM广泛应用于长途和城域光网络，为满足日益增长的高速、大容量数据传输需求提供了一种可扩展、经济高效的解决方案。
光学加减复用器
光学加减复用器(OADMS)是WDM光网络中的主要组成部分，提供了在网络节点上选择性地添加(注入)或减少(提取)特定波长光信号的能力。OADMS帮助优化网络中的数据流。
光交换机和路由器
光交换机和路由器都有助于开发先进的光网络，为高容量、低延迟和可扩展的通信系统提供解决方案，以满足现代数据传输不断变化的需求。
光交换机有选择地将光信号从一个输入端口路由到一个或多个输出端口。它们对于在光网络中建立通信路径非常重要。这些装置的工作原理是控制光信号的方向，而不把光信号转换成电信号。
另一方面，光路由器根据目的地址在网络层引导数据包。它们在光域工作，保持光信号的完整性，而不将其转换为电形式。
光学交叉连接(OXCS)
光交叉连接(oxc)通过选择性地将信号从输入光纤路由到所需的输出光纤，从而实现光连接的重新配置。通过简化波长特定路由和快速重新配置，OXCS有助于提高先进光通信系统的灵活性和低延迟特性。
光网络的工作原理
光网络的功能是利用光信号通过光纤电缆传输数据，创建一个快速通信框架。该过程包括光信号产生、光传输、数据编码、光传播、信号接收与集成、数据处理。
光信号生成
光网络首先将数据转换成光脉冲。这种转换通常使用激光源来实现，以确保信息的成功表示。
光传输
在这一阶段，系统通过光纤电缆发送携带数据的光脉冲。光在电缆的核心内传播，由于全内反射而从周围的包层反弹。这使得光以最小的损耗传播很远的距离。
数据编码
然后，数据被编码到光脉冲上，引入光的强度或波长的变化。这一流程根据业务应用需求量身定制，确保与光网络框架无缝融合。
光传播
光脉冲通过光纤电缆传播，在网络内提供高速可靠的连接。这使得重要信息在不同地点之间的传输更加迅速和安全。
信号接收和集成
在网络的接收端，感光设备，如光电二极管，检测入射光信号。然后光电二极管将这些光脉冲转换回电信号，提高光网络的集成度。
数据处理
电信号经过电子设备的进一步处理和解释。这一阶段包括解码、纠错和其他保证数据传输准确性所必需的操作。处理后的数据用于各种操作，支持关键功能，如通信、协作和数据驱动的决策。
8种类型的光网络
有许多不同类型的光网络服务于不同的目的。最常用的是网状网络、无源光网络(PON)、自由空间光通信网络(FSO)、波分复用(WDM)网络、同步光网络(SONET)和同步数字层次网络(SDH)、光传输网络(OTN)、光纤到户(FTTH)/光纤到户(FTTP)和光交叉连接(OXC)。
1、网状网络
光网状网络通过多条光纤链路将节点互连起来。这提供了冗余，并允许在链路故障的情况下动态重路由流量，增强了网络的可靠性。
• 典型应用：通常用于大规模的关键任务应用，其中网络弹性和冗余是必不可少的，例如在数据中心或核心骨干网络中。
2、无源光网络(PON)
PON是一种光纤网络架构，其将光缆和信号传递给终端用户。其使用无动力光分离器将信号分配给多个用户，使其成为被动的。
• 典型应用：“最后一英里”连接，为住宅和商业用户提供高速宽带接入。
3、自由空间光通信(FSO)
FSO利用自由空间在两点之间传输光学信号。
• 典型应用：在不现实或难以铺设光纤的环境中进行高速通信，例如城市地区或军事目的。
4、波分复用(WDM)
WDM对每个信号使用不同波长的光，从而增加数据容量。波分复用的子类型包括粗波分复用(CWDM)和密集波分复用(DWDM)。
• 典型应用：CWDM用于短距离城域网，DWDM用于长距离、大容量通信。
5、同步光网络(SONET)/同步数字层次(SDH)
SONET和SDH是使用光纤电缆远距离传输大量数据的标准化协议。北美更常用SONET，而国际工业则使用SDH。
• 典型应用：SONET和SDH是为高速、长距离的语音、数据和视频传输而设计的。它们提供了一个同步和可靠的运输基础设施,用于电信基础和载波网络。
6、光传输网络(OTN)
OTN在通信网络的光层传输数字信号。其具有错误检测、性能监控和故障管理等功能。
• 典型应用：与WDM一起使用，以最大限度地提高长途传输的弹性。
7、光纤到户(FTTH)/光纤到户(FTTP)
FTTH和FTTP是指将光纤直接部署到住宅或商业场所，提供高速互联网接入。
• 典型应用：FTTH和FTTP支持带宽密集型应用，如视频流、在线游戏和其他宽带服务。
8、光学交叉连接(OXC)
OXC使光信号的交换更容易，而不需要将光信号转换为电信号。
• 典型应用：主要用于电信运营商在大型光网络中进行流量管理。
当今光网络的使用
如今，许多行业和领域都在使用光网络进行高速高效的数据传输。其中包括电信、医疗保健、金融机构、数据中心、互联网服务提供商(isp)、企业网络、5G网络、视频流服务和云计算。
电信
光网络是电话和互联网系统的基础。如今，光网络仍然是电信的关键，连接蜂窝站点，通过动态流量重路由确保高可用性，并在城域网和长途网络中实现高速宽带。
医疗保健
对于医疗保健，光网络保证了医疗数据的快速和安全传输，加快了远程诊断和远程医疗服务。
金融机构
金融机构利用这一技术进行快速、安全的数据传输，这对于高频交易和无缝连接分支机构等活动是必不可少的。
数据中心
数据中心的光网络连接服务器和存储单元，为可靠的数据通信提供高带宽和低延迟的基础设施。
互联网服务供应商
互联网服务供应商利用光网络提供宽带服务，使用光纤连接更快地接入互联网。
企业网络
大型企业利用内部光网络连接办公室和数据中心，在其基础设施内保持高速和可扩展的通信。
移动网络(5G)
对于5G移动网络，光网络允许提高数据速率和低延迟要求。光纤连接将5G蜂窝站点连接到核心网络，为各种应用带来带宽。
视频流媒体服务
光网络可以实现流畅的数据传输，通过流媒体平台提供高质量的视频内容，从而获得更积极的观看体验。
云计算
云服务供应商依靠光网络连接数据中心，以提供可扩展的高性能云服务。
光网络的历史
几家光网络企业和杰出人士的共同努力，极大地塑造了当今所知道的光网络格局。
- 1792年：法国发明家Claude Chappe发明了光信号电报，这是最早的光通信系统之一。
- 1880年：Alexander Graham Bell为光电话系统申请了专利。然而，其的第一项发明——电话，被认为是更实用的。
- 1965年：德国物理学家Manfred Börner在乌尔姆的Telefunken研究实验室演示了第一个工作的光纤数据传输系统。
- 1966年：Sir Charles K.Kao和George A.Hockham提出，由超纯玻璃制成的光纤可以在不完全丢失信号的情况下传输数公里的距离。
- 1977年：通用电话和电子企业测试并部署了世界上第一个用于长途通信的商用光纤网络。
- 1988-1992年：SONET/SDH标准的出现。
- 1996年：首个商用16通道DWDM系统由Ciena推出。
- 20世纪90年代：组织开始在企业局域网(LANs)中使用光纤连接以太网交换机和IP路由器。
快速扩展光网络，以支持互联网繁荣带来的日益增长的需求。
组织开始使用光学放大来减少对中继器的需求，更多的企业实施WDM来提高数据容量。这标志着光网络的开始，因为WDM成为扩展光纤系统带宽的首选技术。
- 2000年：互联网泡沫的破灭导致了光网络行业的衰退。
- 2009年：软件定义网络(SDN)这个术语在麻省理工学院的一篇评论文章中首次提出。
- 2012年：网络功能虚拟化(NFV)在OpenFlow世界大会上，首次被欧洲电信标准协会(ETSI)提出，该协会由AT&T、中国移动、英国电信集团、德国电信等服务提供商组成。
- 现状：5G于2020年开始投入使用。
光子技术的研究和发展仍在继续。光子学解决方案具有更可靠的激光能力，并且可以以历史性的速度传输光，使设备制造商能够解锁更广泛的应用并准备下一代产品。
光网络发展趋势
5G融合、弹性光网络、光网络安全、数据中心互联、绿色组网等光网络发展趋势凸显了光网络技术的不断演进，以满足新技术和新应用的需求。
5G集成
光网络能够提供高速、低延迟的连接，以满足5G应用的数据需求。5G集成可确保您在流媒体，游戏以及增强现实(AR)和虚拟现实(VR)等新兴技术等活动中获得快速可靠的连接。
相干光学的进步
相干光学技术的不断进步有助于实现更高的数据速率、更长的传输距离和光网络容量的增加。这对于适应不断增长的数据流量和支持需要高带宽的应用至关重要。
边缘计算
光网络与边缘计算的集成减少了延迟，提高了需要实时处理的应用和服务的性能。这对于需要实时响应的应用和服务而言是必不可少的，比如自动驾驶汽车、远程医疗程序和工业自动化。
软件定义网络(SDN)和网络功能虚拟化(NFV)
在光网络中采用SDN和NFV，可以获得更好的灵活性、可扩展性和资源的有效利用。这使得运营商可以动态分配资源，优化网络性能，并快速响应不断变化的需求，从而提高整体网络效率。
弹性光网络
弹性光网络允许根据业务需求动态调整光信道的频谱和容量。这促进了资源的最佳使用，并最大限度地减少了高峰使用期间的拥塞风险。
光网络安全
重点加强光网络的安全性，包括加密技术，对于保护敏感数据和通信非常重要。随着网络威胁变得越来越复杂，保护其网络变得至关重要，特别是在传输敏感信息时。
数据中心的光互连
云计算、大数据处理和人工智能应用的需求推动了数据中心对高速光互连的需求不断增长。光互连具有在数据中心环境中处理大量数据的带宽。
绿色网络
使光网络更加节能和环保的努力符合更广泛的可持续发展目标。绿色网络实践在减少电信基础设施对环境的影响方面发挥着关键作用，使其从长远来看更具可持续性。
总结：光网络将继续存在
光网络的发展在塑造计算机网络的历史上起到了重要的作用。随着计算机网络的发展，对更快的数据传输方式的需求不断增长，光网络提供了一种解决方案。通过使用光进行数据传输，这项技术使现今使用的高速网络得以建立。
随着光纤网络的发展，其所做的不仅仅是提供更快的互联网速度。例如，光网络安全可以保护其组织免受新出现的网络威胁，而绿色网络等趋势可以使电信基础设施随着时间的推移更具可持续性。
