Las redes ópticas son una tecnología que utiliza luz para transmitir datos entre dispositivos. Ofrece un gran ancho de banda y baja latencia y ha sido el estándar de facto para las comunicaciones de datos a larga distancia durante muchos años. La fibra óptica se utiliza para la mayoría de las comunicaciones de voz y datos de larga distancia en todo el mundo.
Las redes ópticas son importantes porque permiten la transmisión de datos de alta velocidad a largas distancias. Por ejemplo, la red óptica garantiza que los usuarios de Nueva York puedan acceder a los servidores de Nairobi tan rápido como lo permitan las leyes de la física.
La tecnología detrás de las redes ópticas se basa en el principio de reflexión interna total. Cuando la luz incide sobre la superficie de un medio como un cable de fibra óptica, parte de la luz es reflejada por la superficie. El ángulo en el que se refleja la luz depende de las propiedades del medio y del ángulo de incidencia (el ángulo en el que la luz incide en la superficie).
Si el ángulo de incidencia es mayor que el ángulo crítico, entonces toda la luz se refleja; esto se llama reflexión interna total. La reflexión interna total se puede utilizar para fabricar fibras ópticas, un tipo de vidrio o plástico que guía la luz a lo largo de su longitud.
A medida que la luz viaja a través de la fibra, sufre múltiples reflexiones internas totales, lo que hace que rebote en la pared de la fibra. Este efecto de rebote hace que la luz viaje a lo largo de la fibra en un patrón de zigzag.
Al controlar cuidadosamente las propiedades de la fibra, los ingenieros pueden controlar cuánta luz se refleja y qué distancia viaja antes de volver a reflejarse. Esto les permitió diseñar fibras ópticas que podían transmitir datos a largas distancias sin perder información.
Las redes ópticas constan de varios componentes: fibras ópticas, transceptores, amplificadores, multiplexores y conmutadores ópticos.
Fibra óptica
La fibra óptica es el medio que transporta la señal óptica. Está compuesto por una variedad de materiales, que incluyen:
①Núcleo: El centro que transporta la luz.
②Clad: Un material que rodea el núcleo y ayuda a mantener contenida la señal óptica.
③Revestimiento amortiguador: material que protege la fibra óptica de daños.
El núcleo y el revestimiento suelen estar hechos de vidrio, mientras que el revestimiento amortiguador suele ser de plástico.
Transceptor
Los transceptores son dispositivos que convierten señales eléctricas en señales ópticas y viceversa, normalmente implementados en la última milla de una conexión. Es la interfaz entre una red óptica y los dispositivos electrónicos que la utilizan, como computadoras y enrutadores.
Amplificador
Como su nombre indica, un amplificador es un dispositivo que amplifica las señales luminosas para que puedan recorrer largas distancias sin perder fuerza. Se colocan amplificadores a lo largo de la fibra a intervalos regulares para amplificar la señal.
multiplexor
Un multiplexor es simplemente un dispositivo que toma múltiples señales y las combina en una sola señal. Esto se hace asignando a cada señal una longitud de onda de luz diferente, lo que permite que el multiplexor envíe múltiples señales simultáneamente a lo largo de una sola fibra sin interferencias.
interruptor de luz
Un conmutador óptico es un dispositivo que enruta señales ópticas de una fibra a otra. Los conmutadores ópticos se utilizan para controlar el tráfico en redes ópticas y normalmente se utilizan en redes de alta capacidad.
Historia de las redes ópticas
La historia de las redes ópticas comenzó en la década de 1790, cuando el inventor francés Claude Chappe inventó el telégrafo de señales ópticas, uno de los primeros ejemplos de un sistema de comunicación óptica.
Casi un siglo después, en 1880, Alexander Graham Bell patentó el teléfono electroóptico, un sistema telefónico óptico. Si bien el fotófono fue innovador, el invento anterior del teléfono de Bell fue más práctico y tomó una forma tangible. Por tanto, Photophone nunca abandonó la etapa experimental.
Hasta la década de 1920, John Logie Baird en Inglaterra y Clarence W. Hansell sólo patentaron la idea de utilizar una serie de tubos huecos o varillas transparentes para transmitir imágenes para sistemas de televisión o fax.
En 1954, el científico holandés Abraham Van Heel y el científico británico Harold H. Hopkins publicaron artículos científicos sobre tractografía. Hopkins se centró en fibras sin revestimiento, mientras que Van Heel se centró sólo en haces de fibras revestidas simples: un revestimiento transparente con un índice de refracción más bajo alrededor de la fibra desnuda.
Esto protege la superficie reflectante de la fibra de deformaciones externas y reduce significativamente la interferencia entre fibras. El desarrollo de haces de imágenes fue un paso importante en el desarrollo de las fibras ópticas. Proteger la superficie de la fibra de interferencias externas permite una transmisión más precisa de señales ópticas a través de la fibra.
En 1960, las fibras revestidas de vidrio tenían pérdidas de aproximadamente 1 decibelio (dB) por metro, lo que es adecuado para imágenes médicas, pero demasiado alto para las comunicaciones. En 1961, Elias Snitzer, de la Optical Company of America, publicó una descripción teórica de una fibra óptica con un núcleo diminuto que podía transmitir luz a través de un solo modo de guía de ondas.
En 1964, el Dr. Kao propuso una pérdida de luz de 10 o 20 dB por kilómetro. Esta norma ayuda a mejorar el alcance y la confiabilidad de los sistemas de telecomunicaciones. Además de su trabajo sobre las tasas de pérdida, el Dr. Gao demostró la necesidad de un vidrio más puro para ayudar a reducir la pérdida de luz.
En el verano de 1970, un grupo de investigadores de Corning Glass Works comenzó a experimentar con un nuevo material llamado sílice fundida. Esta sustancia es conocida por su pureza extremadamente alta, su alto punto de fusión y su bajo índice de refracción.
El equipo, formado por Robert Maurer, Donald Keck y Peter Schultz, pronto se dio cuenta de que la sílice fundida podía usarse para fabricar un nuevo tipo de cable llamado "fibra de guía de ondas óptica". Este cable de fibra óptica puede transportar 65000 veces más información que el cable de cobre tradicional. Además, las ondas de luz utilizadas para transportar información pueden decodificarse en destinos incluso a miles de kilómetros de distancia.
Este invento revolucionó las comunicaciones de larga distancia y allanó el camino para la tecnología de fibra óptica actual. El equipo resolvió el problema de pérdida de decibelios definido por el Dr. Gao y, en 1973, John MacChesney de los Laboratorios Bell mejoró el proceso de deposición química de vapor para la producción de fibra. Como resultado, se ha hecho posible la producción comercial de cables de fibra óptica.
En abril de 1977, General Telephone and Electronics Co. utilizó la red de fibra óptica por primera vez para comunicaciones telefónicas en tiempo real en Long Beach, California. En mayo de 1977, Bell Labs pronto hizo lo mismo y construyó un sistema de comunicación telefónica óptica que abarcaba 1,5 millas en el centro de Chicago. Cada par de fibras puede transmitir 672 canales de voz, equivalente a un circuito DS3.
A principios de la década de 1980, se diseñó la segunda generación de comunicaciones por fibra óptica para uso comercial, utilizando un láser semiconductor InGaAsP de 1,3-micra. Estos sistemas funcionaban a velocidades de bits de hasta 1,7 Gbps en 1987, con repetidores espaciados hasta 50 kilómetros entre sí.
Los sistemas utilizados en las redes de fibra óptica de tercera generación funcionan a 1,55 micras y tienen una pérdida de aproximadamente 0.2 dB por kilómetro.
Los sistemas de comunicación de fibra óptica de cuarta generación se basan en la amplificación óptica para reducir la cantidad de repetidores necesarios y en la multiplexación por división de longitud de onda (WDM) para aumentar la capacidad de datos.
En 2006, se logró una velocidad de bits de 14 terabits (Tb) por segundo en una línea de 160-kilómetros utilizando amplificadores ópticos. Para 2021, los científicos japoneses podrán transmitir 319 Tbps a lo largo de 3000 kilómetros utilizando un cable de fibra óptica de cuatro núcleos.
Si bien estos sistemas de comunicación por fibra óptica de cuarta generación tienen mucha más capacidad que las generaciones anteriores, el principio básico es el mismo: convertir señales eléctricas en pulsos ópticos, enviarlas a través de fibra óptica y luego convertirlas nuevamente en señales eléctricas en el receptor. fin.
Sin embargo, los componentes de cada generación se han vuelto más pequeños, más fiables y menos costosos. Como resultado, las comunicaciones por fibra óptica se han convertido en una parte cada vez más importante de nuestra infraestructura de telecomunicaciones global.
Tendencias clave en redes ópticas
Centrarse en el borde de la red
El borde de la red óptica es donde el tráfico entra y sale de la red. Para satisfacer las demandas de las aplicaciones basadas en la nube, las redes ópticas se están acercando a los usuarios finales. Esto permite una latencia más baja y un rendimiento más consistente.
Cifrado de capa
A medida que los ciberataques se vuelvan más comunes, la protección de datos en movimiento seguirá siendo una preocupación importante. SASE (Secure Access Service Edge), el uso de funciones de seguridad nativas de la nube en los puntos finales de servicio, ha ganado fuerza recientemente. La protección de endpoints puede hacer que los controles de seguridad en las redes conectadas sean innecesarios.
Si bien es posible que esto no elimine la necesidad de cifrado, protegerá los datos y las aplicaciones confidenciales. Sin un único control de seguridad, la protección de capa 1 se vuelve cada vez más complicada.
Podemos proteger mejor nuestros recursos cifrando el control, la gestión y el tráfico de usuarios. Esto hace que sea casi imposible para los piratas informáticos ingresar al sistema, lo que reduce en gran medida las posibilidades de un ciberataque exitoso. A medida que las empresas se vuelvan más dependientes de los datos y la conectividad, las soluciones de seguridad sólidas serán cada vez más evidentes.
Red óptica abierta
Una red óptica abierta es una red óptica que utiliza interfaces abiertas estándar para permitir la integración de equipos de diferentes proveedores. Esto proporciona más opciones y flexibilidad para los componentes de la red óptica. Además, facilita la adición de nuevas funciones y servicios a medida que estén disponibles.
Crecimiento de los servicios de espectro
A medida que el tráfico de datos continúa creciendo, también aumenta la necesidad de mayor ancho de banda y capacidad. Los servicios espectrales proporcionan esto mediante el uso del espectro para aumentar la capacidad de las redes de fibra óptica existentes. Estos servicios están ganando popularidad porque proporcionan una forma rentable de satisfacer las crecientes demandas de datos.
Más implementaciones en exteriores
Las implementaciones en exteriores en gabinetes de calle se están volviendo más comunes a medida que crece la demanda de mayor ancho de banda y capacidad. La fibra exterior puede llegar directamente a la ubicación del cliente, lo que proporciona una conexión más directa y una latencia más baja.
Compacto y Modulador
A medida que las redes ópticas continúan evolucionando, la necesidad de componentes más pequeños y compactos se vuelve cada vez más evidente. Esto se debe a que el espacio en el entorno de un centro de datos suele ser limitado. La óptica modular compacta ofrece un enfoque que ahorra espacio y al mismo tiempo ofrece un alto rendimiento.
El futuro de las redes ópticas
Red óptica inteligente
Las redes ópticas inteligentes son redes ópticas que utilizan inteligencia artificial (IA) para optimizar el rendimiento. La inteligencia artificial se puede utilizar para identificar y corregir automáticamente problemas en la red. Esto permite una red más eficiente y confiable.
Además, la IA se puede utilizar para predecir patrones y demandas de tráfico futuros. Esta información se puede utilizar para aprovisionar capacidad por adelantado, asegurando que la red pueda satisfacer demandas futuras.
Arquitectura de red flexible
Las arquitecturas de malla flexible son cada vez más populares porque proporcionan una forma de aumentar la capacidad de las fibras existentes. La rejilla flexible permite multiplexar diferentes longitudes de onda de luz en una sola fibra. Esto permite transportar más datos en cada fibra, aumentando la capacidad de la red.
Multiplexación por división de longitud de onda bajo demanda
La multiplexación por división de longitud de onda es una técnica que permite transmitir múltiples longitudes de onda de luz en una sola fibra. WDM bajo demanda es un tipo de WDM que permite capacidad bajo demanda. Esto significa que se puede agregar capacidad según sea necesario sin instalar fibra nueva.
Redes ópticas en un mundo cada vez más digital
Las redes ópticas han recorrido un largo camino en su relativamente corta historia. Desde sus humildes comienzos, ahora es una parte esencial de muchas grandes infraestructuras de red. Es un pilar clave de Internet, que revoluciona la forma en que nos comunicamos y marca el comienzo de una era de avances tecnológicos sin precedentes.
A medida que tendencias como 5G maduran, parece que las redes ópticas están preparadas para seguir desempeñando un papel importante en nuestro mundo cada vez más digitalizado.
