光网络是一种利用光在设备之间传输数据的技术。它提供高带宽和低延迟，多年来一直是长途数据通信的事实标准。光纤用于全球大部分长途语音和数据通信。

光网络的历史悠久，随着其服务和用例的扩展，使其更加灵活、智能和高效的趋势将继续增长。

光网络很重要，因为它允许长距离的高速数据传输。例如，光网络确保纽约用户可以在物理定律允许的范围内尽可能快地访问内罗毕服务器。

光网络背后的技术基于全内反射原理。当光照射到光缆等介质的表面时，一些光会被表面反射。光反射的角度取决于介质的特性和入射角（光照射到表面的角度）。

如果入射角大于临界角，那么所有的光都会被反射；这称为全内反射。全内反射可用于制造光纤，一种沿其长度引导光的玻璃或塑料。

当光穿过光纤时，它会经历多次全内反射，导致它从光纤壁反弹。这种反弹效应导致光以锯齿形图案沿着光纤的长度向下传播。

通过仔细控制光纤的特性，工程师可以控制反射的光量以及在再次反射之前传播的距离。这使他们能够设计出可以长距离传输数据而不会丢失任何信息的光纤。

光网络由几个组件组成：光纤、收发器、放大器、多路复用器和光开关。

光纤

光纤是承载光信号的介质。它由多种材料组成，包括：

核心：承载光的中心。

包层：围绕核心并有助于保持光信号包含的材料。

缓冲涂层：保护光纤免受损坏的材料。

纤芯和包层通常由玻璃制成，而缓冲涂层通常由塑料制成。

收发器

收发器是将电信号转换为光信号的设备，反之亦然，通常在连接的最后一英里处实现。它是光网络与使用它的电子设备（如计算机和路由器）之间的接口。

放大器

顾名思义，放大器是一种放大光信号的设备，因此它们可以长距离传播而不会失去强度。放大器以规则的间隔沿着光纤放置以增强信号。

多路复用器

多路复用器只是接收多个信号并将它们组合成单个信号的设备。这是通过为每个信号分配不同的光波长来完成的，允许多路复用器同时沿单根光纤发送多个信号而不会产生干扰。

光开关

光开关是一种将光信号从一根光纤路由到另一根光纤的设备。光交换机用于控制光网络中的流量，通常用于高容量网络。

光网络的历史

光网络的历史始于 1790 年代，当时法国发明家 Claude Chappe 发明了光信号电报，这是光通信系统最早的例子之一。

近一个世纪后的 1880 年，亚历山大·格雷厄姆·贝尔为光电电话申请了专利，这是一种光学电话系统。虽然 Photophone 是开创性的，但 Bell 的早期发明电话更实用，并且采用了有形的形式。因此，Photophone 从未离开实验阶段。

直到 1920 年代，英国的 John Logie Baird 和美国的 Clarence W. Hansell 才为使用空心管或透明棒阵列为电视或传真系统传输图像的想法申请了专利。

1954 年，荷兰科学家 Abraham Van Heel 和英国科学家 Harold H. Hopkins 各自发表了关于纤维束成像的科学论文。Hopkins 专注于非包层光纤，而 Van Heel 只专注于简单的包层光纤束——裸光纤周围具有较低折射率的透明包层。

这保护了光纤反射表面免受外部变形，并显着降低了光纤之间的干扰。成像束的发展是光纤发展的重要一步。保护光纤表面免受外部干扰允许通过光纤更准确地传输光信号。

到 1960 年，玻璃包层光纤的损耗约为每米 1 分贝 (dB)，适用于医学成像，但对于通信来说太高了。1961 年，美国光学公司的 Elias Snitzer 发表了一篇关于具有微小纤芯的光纤的理论描述，该纤芯可以仅通过一种波导模式传输光。

1964 年，高锟博士提出了每公里 10 或 20 dB 的光损失。该标准有助于提高远程通信系统的范围和可靠性。除了他在损失率方面的工作外，高博士还证明了需要一种更纯净的玻璃来帮助减少光损失。

1970 年夏天，康宁玻璃厂的一组研究人员开始试验一种称为熔融石英的新材料。这种物质以其极高的纯度、高熔点和低折射率而闻名。

该团队由 Robert Maurer、Donald Keck 和 Peter Schultz 组成，很快意识到熔融石英可用于制造一种称为“光波导纤维”的新型线材。这种光纤线可以承载比传统铜线多 65,000 倍的信息。此外，用于携带信息的光波可以在甚至一千英里外的目的地被解码。

这项发明彻底改变了长距离通信，并为今天的光纤技术铺平了道路。该团队解决了高博士定义的分贝损失问题，1973 年，John MacChesney 在贝尔实验室改进了用于纤维生产的化学气相沉积工艺。结果，光纤电缆的商业化生产成为可能。

1977 年 4 月，通用电话和电子公司首次利用光纤网络在加利福尼亚长滩进行实时电话通信。1977 年 5 月，贝尔实验室很快效仿，在芝加哥市中心地区建立了一个跨越 1.5 英里的光电话通信系统。每对光纤可以传输672个语音通道，相当于一个DS3电路。

1980 年代初，第二代光纤通信专为商业用途而设计，采用 1.3 微米 InGaAsP半导体激光器。这些系统在 1987 年以高达 1.7 Gbps 的比特率运行，中继器间距高达 50 公里。

第三代光纤网络使用的系统工作在 1.55 微米，每公里损耗约为 0.2 dB。

第四代光纤通信系统依靠光放大来减少所需的中继器数量，并依靠波分复用 (WDM) 来增加数据容量。

2006 年，使用光放大器在一条 160 公里的线路上达到了每秒 14 太比特 (Tb) 的比特率。截至 2021 年， 日本科学家能够使用四芯光缆在 3,000 公里内传输 319 Tbps。

虽然这些第四代光纤通信系统的容量比前几代要大很多，但基本原理是一样的：将电信号转换成光脉冲，通过光纤发送，然后再转换回电信号在接收端。

然而，每一代产品的组成部分都变得更小、更可靠、更便宜。因此，光纤通信已成为我们全球电信基础设施中越来越重要的一部分。

光网络的主要趋势

专注于网络边缘

光网络边缘是流量进出网络的地方。为了满足基于云的应用需求，光网络正在向终端用户靠拢。这允许更低的延迟和更一致的性能。

层加密

随着网络攻击变得越来越普遍，动态数据保护将继续成为主要问题。SASE（安全访问服务边缘），在服务端点使用云原生安全功能，最近越来越受到关注。端点保护可能会使连接网络上的安全控制变得不必要。

尽管这可能不会消除对加密的需求，但它将保护敏感数据和应用程序。如果没有单一的安全控制，第 1 层的保护会变得越来越棘手。

我们可以通过加密控制、管理和用户流量来更好地保护我们的资源。这使得黑客几乎不可能侵入系统，从而大大降低了成功进行网络攻击的机会。随着企业越来越依赖数据和连接，强大的安全解决方案只会变得更加明显。

开放光网络

开放式光网络是一种使用标准、开放式接口以允许集成不同供应商设备的光网络。这为光网络组件提供了更多选择和灵活性。此外，它还可以在新功能和服务可用时更轻松地添加它们。

光谱服务的增长

随着数据流量的不断增长，对更高带宽和容量的需求也在不断增加。光谱服务通过使用光谱来增加现有光纤网络的容量来提供这一点。这些服务越来越受欢迎，因为它们提供了一种经济高效的方式来满足不断增长的数据需求。

更多户外部署

随着对更高带宽和容量需求的增长，街道机柜中的户外部署变得越来越普遍。室外光纤可以直接运行到用户位置，提供更直接的连接和更低的延迟。

紧凑的模块化

随着光网络的不断发展，对更小、更紧凑的组件的需求变得越来越明显。这是因为数据中心环境中的空间通常是有限的。紧凑的模块化光学元件提供了一种节省空间的方法，同时仍然提供高性能。

光网络的未来发展

智能光网络

智能光网络是使用人工智能(AI) 优化性能的光网络。人工智能可用于自动识别和纠正网络中的问题。这允许更有效和更可靠的网络。

此外，人工智能可用于预测未来的交通模式和需求。这些信息可用于提前配置容量，确保网络能够满足未来的需求。

灵活的网格架构

灵活的网格架构正变得越来越流行，因为它们提供了一种增加现有光纤容量的方法。灵活的网格允许在单根光纤上复用不同波长的光。这样可以在每根光纤上承载更多数据，从而提高网络容量。

按需波分复用

波分复用是一种允许在单根光纤上传输多种波长的光的技术。按需 WDM 是一种允许按需提供容量的 WDM。这意味着可以根据需要增加容量，而无需安装新的光纤。

日益数字化世界中的光网络

光网络在其相对较短的历史中已经走过了漫长的道路。从不起眼的开始，它现在已成为许多大型网络基础设施的重要组成部分。它是互联网的关键支柱，彻底改变了我们的沟通方式，并开创了一个前所未有的技术进步时代。

随着 5G 等趋势的成熟，光网络似乎有望继续在我们日益数字化的世界中发挥重要作用。

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