光ネットワーキングは、光を使用してデバイス間でデータを送信するテクノロジーです。高帯域幅と低遅延を実現し、長年にわたり長距離データ通信の事実上の標準となってきました。光ファイバーは、世界中のほとんどの長距離音声通信とデータ通信に使用されています。
光ネットワークは長距離にわたる高速データ伝送を可能にするため重要です。たとえば、光ネットワークにより、ニューヨークのユーザーは物理法則が許す限りの速さでナイロビのサーバーにアクセスできるようになります。
光ネットワークの背後にあるテクノロジーは、全反射の原理に基づいています。光が光ファイバーケーブルなどの媒体の表面に当たると、光の一部が表面で反射されます。光が反射される角度は、媒体の特性と入射角 (光が表面に当たる角度) によって異なります。
入射角が臨界角より大きい場合、すべての光が反射されます。これは全内部反射と呼ばれます。全反射は、長さに沿って光を導くガラスまたはプラスチックの一種である光ファイバーの製造に使用できます。
光がファイバーを通過する際、複数回の内部全反射が起こり、ファイバーの壁で反射します。この反射効果により、光はジグザグ パターンでファイバーの長さに沿って進みます。
ファイバーの特性を注意深く制御することで、エンジニアは光がどのくらい反射されるか、また再反射されるまでにどのくらいの距離を進むかを制御できます。これにより、情報を失わずに長距離にわたってデータを送信できる光ファイバーを設計できるようになりました。
光ネットワークは、光ファイバー、トランシーバー、増幅器、マルチプレクサー、光スイッチなどのいくつかのコンポーネントで構成されています。
光ファイバー
光ファイバーは光信号を伝送する媒体です。これは、次のようなさまざまな素材で構成されています。
①コア：光を伝える中心。
②クラッド: コアを取り囲み、光信号を閉じ込めるのに役立つ材料。
③バッファーコーティング：光ファイバーを損傷から保護する素材です。
コアとクラッドは通常ガラスで作られ、バッファー コーティングは通常プラスチックで作られます。
トランシーバー
トランシーバーは、電気信号を光信号に、またはその逆に変換するデバイスで、通常は接続のラストマイルに実装されます。これは、光ネットワークと、それを使用するコンピュータやルーターなどの電子デバイスの間のインターフェイスです。
増幅器
名前が示すように、増幅器は光信号を増幅して、強度を失うことなく長距離を伝送できるようにする装置です。増幅器は信号を増強するためにファイバーに沿って一定の間隔で配置されます。
マルチプレクサ
マルチプレクサは、複数の信号を受け取り、それらを単一の信号に結合する単なるデバイスです。これは、各信号に異なる光の波長を割り当てることで行われ、マルチプレクサが単一のファイバーに沿って複数の信号を干渉なく同時に送信できるようにします。
ライトスイッチ
光スイッチは、光信号をあるファイバーから別のファイバーにルーティングするデバイスです。光スイッチは、光ネットワーク内のトラフィックを制御するために使用され、通常は大容量ネットワークで使用されます。
光ネットワークの歴史
光ネットワークの歴史は、フランスの発明家クロード・シャペが光通信システムの最も初期の例の 1 つである光信号電信を発明した 1790 年代に始まりました。
ほぼ 1 世紀後の 1880 年に、アレクサンダー グラハム ベルは光電話システムである電気光電話の特許を取得しました。フォトフォンは画期的なものでしたが、ベルが以前に発明した電話はより実用的で、具体的な形をとりました。したがって、Photophone は実験段階を離れることはありませんでした。
1920年代まで、イギリスのジョン・ロジー・ベアードとクラレンス・W・ハンセルは、テレビやファックスシステム用の画像を送信するために中空チューブや透明なロッドの配列を使用するというアイデアのみを特許取得していました。
1954 年、オランダの科学者アブラハム ヴァン ヒールとイギリスの科学者ハロルド H. ホプキンスは、それぞれトラクトグラフィーに関する科学論文を発表しました。ホプキンスはクラッドのないファイバーに焦点を当てましたが、ヴァン・ヒールは単純なクラッドファイバー束、つまり裸のファイバーの周囲の屈折率が低い透明なクラッドのみに焦点を当てました。
これにより、ファイバーの反射面が外部変形から保護され、ファイバー間の干渉が大幅に軽減されます。画像ビームの開発は、光ファイバーの開発における重要なステップでした。外部干渉からファイバー表面を保護することで、ファイバーを介した光信号のより正確な伝送が可能になります。
1960 年までに、ガラス クラッド ファイバーの損失は 1 メートルあたり約 1 デシベル (dB) で、医療画像処理には適していましたが、通信には高すぎました。 1961 年、米国オプティカル カンパニーのエリアス スニッツァーは、1 つの導波モードのみで光を伝送できる小さなコアを備えた光ファイバーの理論的説明を発表しました。
1964 年に、Kao 博士は、1 キロメートルあたり 10 または 20 dB の光損失を提案しました。この規格は、通信システムの範囲と信頼性の向上に役立ちます。 Gao 博士は、損失率に関する研究に加えて、光損失を減らすためにより純粋なガラスの必要性を実証しました。
1970 年の夏、コーニング ガラス工場の研究者グループは、溶融シリカと呼ばれる新しい材料の実験を開始しました。この物質は、非常に純度が高く、融点が高く、屈折率が低いことで知られています。
Robert Maurer、Donald Keck、Peter Schultz からなるチームは、すぐに溶融シリカを「光導波路ファイバー」と呼ばれる新しいタイプのワイヤーの製造に使用できることに気づきました。この光ファイバー ワイヤーは、従来の銅線の 65,000 倍の情報を伝送できます。さらに、情報の伝達に使用される光波は、千マイル離れた目的地でも解読できます。
この発明は長距離通信に革命をもたらし、今日の光ファイバー技術への道を切り開きました。チームはガオ博士が定義したデシベル損失の問題を解決し、1973 年にベル研究所のジョン・マクチェズニーは繊維製造のための化学蒸着プロセスを改良しました。その結果、光ファイバーケーブルの商業生産が可能となりました。
1977 年 4 月、General Telephone and Electronics Co. は、カリフォルニア州ロングビーチでリアルタイム電話通信に初めて光ファイバー ネットワークを使用しました。 1977 年 5 月、ベル研究所もすぐにこれに続き、シカゴのダウンタウンに 2.5 マイルにわたる光電話通信システムを構築しました。ファイバーの各ペアは、DS3 回線に相当する 672 の音声チャネルを送信できます。
1980 年代初頭、1.3- ミクロンの InGaAsP 半導体レーザーを使用した第 2 世代の光ファイバー通信が商用目的で設計されました。これらのシステムは、1987 年には 1.7 Gbps という高いビット レートで動作し、中継器の間隔は最大 50 キロメートルでした。
第 3 世代の光ファイバー ネットワークで使用されるシステムは 1.55 ミクロンで動作し、1 キロメートルあたり約 0.2 dB の損失があります。
第 4 世代の光ファイバー通信システムは、光増幅を利用して必要な中継器の数を減らし、波長分割多重 (WDM) を利用してデータ容量を増加します。
2006 年には、光増幅器を使用して 160- キロメートルの回線で 14 テラビット (Tb)/秒のビット レートが達成されました。 2021 年までに、日本の科学者は 4 芯光ファイバー ケーブルを使用して 3,{6}} キロメートルにわたって 319 Tbps の伝送が可能になる予定です。
これらの第 4 世代光ファイバー通信システムは、前世代よりもはるかに大容量ですが、基本原理は同じです。電気信号を光パルスに変換し、光ファイバーで送信し、受信側で電気信号に変換します。終わり。
ただし、各世代のコンポーネントは小型化、信頼性の向上、低価格化が進んでいます。その結果、光ファイバー通信は、世界的な電気通信インフラストラクチャにおいてますます重要な部分となっています。
光ネットワークの主な傾向
ネットワークエッジに注目
光ネットワーク エッジは、トラフィックがネットワークに出入りする場所です。クラウドベースのアプリケーションの需要を満たすために、光ネットワークはエンドユーザーに近づきつつあります。これにより、レイテンシが低くなり、より安定したパフォーマンスが得られます。
レイヤ暗号化
サイバー攻撃がより一般的になるにつれて、稼働中のデータ保護は引き続き大きな懸念事項となります。 SASE (Secure Access Service Edge) は、サービス エンドポイントでクラウドネイティブのセキュリティ機能を使用するもので、最近注目を集めています。エンドポイント保護により、接続されたネットワーク上のセキュリティ制御が不要になります。
これにより暗号化の必要性がなくなるわけではありませんが、機密データとアプリケーションは保護されます。単一のセキュリティ制御がなければ、レイヤー 1 の保護はますます困難になります。
制御、管理、ユーザーのトラフィックを暗号化することで、リソースをより適切に保護できます。これにより、ハッカーがシステムに侵入することがほぼ不可能になり、サイバー攻撃が成功する可能性が大幅に減少します。ビジネスがデータと接続への依存度を高めるにつれて、堅牢なセキュリティ ソリューションがますます明らかになってきます。
オープン光ネットワーク
オープン光ネットワークは、標準のオープン インターフェイスを使用して、さまざまなベンダーの機器の統合を可能にする光ネットワークです。これにより、光ネットワーク コンポーネントの選択肢と柔軟性が向上します。さらに、新しい機能やサービスが利用可能になったときに、簡単に追加できるようになります。
スペクトルサービスの成長
データ トラフィックが増加し続けるにつれて、より高い帯域幅と容量の必要性も高まっています。スペクトル サービスは、スペクトルを使用して既存の光ファイバー ネットワークの容量を増やすことでこれを提供します。これらのサービスは、増大するデータ需要に応える費用対効果の高い方法を提供するため、人気が高まっています。
より多くの屋外展開
より高い帯域幅と容量に対する需要が高まるにつれて、屋外の街頭キャビネットに導入することがより一般的になってきています。屋外ファイバーは顧客の場所に直接接続できるため、より直接的な接続と低い遅延が実現します。
コンパクトかつ変調器
光ネットワークが進化し続けるにつれて、より小型でコンパクトなコンポーネントの必要性がますます明らかになってきています。これは、データセンター環境のスペースが限られていることが多いためです。コンパクトなモジュラー光学系は、高性能を実現しながら省スペースのアプローチを提供します。
光ネットワークの未来
インテリジェント光ネットワーク
インテリジェント光ネットワークは、人工知能 (AI) を使用してパフォーマンスを最適化する光ネットワークです。人工知能を使用すると、ネットワーク内の問題を自動的に特定して修正できます。これにより、より効率的で信頼性の高いネットワークが実現します。
さらに、AI を使用して将来の交通パターンと需要を予測することもできます。この情報を使用して事前に容量をプロビジョニングし、ネットワークが将来の需要に確実に対応できるようにすることができます。
柔軟なグリッドアーキテクチャ
フレキシブル メッシュ アーキテクチャは、既存のファイバーの容量を増やす方法を提供するため、ますます人気が高まっています。柔軟なグリッドにより、単一のファイバー上で異なる波長の光を多重化できます。これにより、各ファイバーでより多くのデータを伝送できるようになり、ネットワーク容量が増加します。
オンデマンドの波長分割多重化
波長分割多重化は、複数の波長の光を 1 本のファイバーで伝送できるようにする技術です。オンデマンド WDM は、オンデマンドで容量を実現できる WDM の一種です。これは、新しいファイバーを設置することなく、必要に応じて容量を追加できることを意味します。
デジタル化が進む世界における光ネットワーク
光ネットワークは、比較的短い歴史の中で大きな進歩を遂げてきました。当初は小規模でしたが、今では多くの大規模なネットワーク インフラストラクチャの不可欠な部分となっています。これはインターネットの重要な柱であり、コミュニケーション方法に革命をもたらし、前例のない技術進歩の時代をもたらします。
5G などのトレンドが成熟するにつれて、光ネットワークはますますデジタル化が進む世界において引き続き重要な役割を果たしていく態勢が整っているようです。
