Rede óptica - Optical networking

Rede óptica é um meio de comunicação que usa sinais codificados em luz para transmitir informações em vários tipos de redes de telecomunicações. Isso inclui redes de área local (LAN) de alcance limitado ou redes de área ampla (WAN) , que cruzam áreas metropolitanas e regionais, bem como redes nacionais, internacionais e transoceânicas de longa distância. É uma forma de comunicação óptica que depende de amplificadores ópticos , lasers ou LEDs e multiplexação por divisão de onda (WDM) para transmitir grandes quantidades de dados, geralmente através de cabos de fibra óptica . Por ser capaz de atingir largura de banda extremamente alta , é uma tecnologia que permite a Internet e as redes de telecomunicações que transmitem a grande maioria de todas as informações humanas e máquina a máquina.

Tipos

Redes de fibra ótica

Artigo principal: comunicação de fibra óptica

As redes de fibra óptica mais comuns são as redes de comunicação , redes em malha ou redes em anel comumente usadas em sistemas metropolitanos, regionais, nacionais e internacionais. Outra variante das redes de fibra óptica é a rede óptica passiva , que usa divisores ópticos sem energia para conectar uma fibra a várias instalações para aplicações de última milha .

Redes ópticas de espaço livre

As redes ópticas de espaço livre usam muitos dos mesmos princípios de uma rede de fibra óptica, mas transmitem seus sinais através de um espaço aberto sem o uso de fibra. Várias constelações de satélites planejadas , como o Starlink da SpaceX, destinadas ao provisionamento global da Internet, usarão comunicação sem fio a laser para estabelecer redes de malha óptica entre satélites no espaço sideral. Redes ópticas aerotransportadas entre plataformas de alta altitude são planejadas como parte do Projeto Loon do Google e do Facebook Aquila com a mesma tecnologia.

As redes ópticas de espaço livre também podem ser usadas para configurar redes terrestres temporárias, por exemplo, para conectar LANs em um campus.

Componentes

Os componentes de um sistema de rede de fibra óptica incluem:

Transmissão média

Em seu início, a rede de telecomunicações dependia do cobre para transportar informações. Mas a largura de banda do cobre é limitada por suas características físicas - conforme a frequência do sinal aumenta para transportar mais dados, mais energia do sinal é perdida na forma de calor . Além disso, os sinais elétricos podem interferir uns com os outros quando os fios estão muito próximos uns dos outros, um problema conhecido como diafonia. Em 1940, o primeiro sistema de comunicação contava com cabo coaxial que operava a 3 MHz e podia transportar 300 conversas telefônicas ou um canal de televisão. Em 1975, o sistema coaxial mais avançado tinha uma taxa de bits de 274 Mbit / s, mas esses sistemas de alta frequência requerem um repetidor a aproximadamente cada quilômetro para fortalecer o sinal, tornando a operação dessa rede cara.

Ficou claro que as ondas de luz poderiam ter taxas de bits muito mais altas sem diafonia. Em 1957, Gordon Gould descreveu pela primeira vez o design do amplificador óptico e do laser que foi demonstrado em 1960 por Theodore Maiman . O laser é uma fonte de ondas de luz, mas um meio era necessário para transportar a luz através de uma rede. Em 1960, as fibras de vidro eram usadas para transmitir luz ao corpo para imagens médicas, mas tinham grande perda óptica - a luz era absorvida ao passar pelo vidro a uma taxa de 1 decibel por metro, um fenômeno conhecido como atenuação . Em 1964, Charles Kao mostrou que, para transmitir dados a longas distâncias, uma fibra de vidro não precisaria de perda superior a 20 dB por quilômetro. Um grande avanço veio em 1970, quando Donald B. Keck , Robert D. Maurer e Peter C. Schultz da Corning Incorporated projetaram uma fibra de vidro, feita de sílica fundida, com uma perda de apenas 16 dB / km. Sua fibra foi capaz de transportar 65.000 vezes mais informações do que o cobre.

O primeiro sistema de fibra óptica para tráfego telefônico ao vivo foi em 1977 em Long Beach, Califórnia, pela General Telephone and Electronics , com uma taxa de dados de 6 Mbit / s. Os primeiros sistemas usavam luz infravermelha em um comprimento de onda de 800 nm e podiam transmitir a até 45 Mbit / s com repetidores separados por aproximadamente 10 km. No início da década de 1980, foram introduzidos lasers e detectores que operavam a 1300 nm, onde a perda óptica é de 1 dB / km. Em 1987, eles estavam operando a 1,7 Gbit / s com espaçamento de repetidor de cerca de 50 km.

Amplificação Ótica

A capacidade das redes de fibra ótica aumentou em parte devido a melhorias nos componentes, como amplificadores óticos e filtros óticos que podem separar ondas de luz em frequências com menos de 50 GHz de diferença, encaixando mais canais em uma fibra. O amplificador óptico dopado com érbio (EDFA) foi desenvolvido por David Payne na Universidade de Southampton em 1986 usando átomos de érbio de terras raras que são distribuídos através de um comprimento de fibra óptica. Uma bomba de laser excita os átomos, que emitem luz, aumentando assim o sinal óptico. À medida que a mudança de paradigma no projeto de rede prosseguia, uma ampla gama de amplificadores surgiu porque a maioria dos sistemas de comunicação óptica usava amplificadores de fibra óptica. Os amplificadores dopados com érbio eram os meios mais comumente usados ​​para suportar sistemas de multiplexação por divisão de comprimento de onda densa. Na verdade, os EDFAs eram tão predominantes que, à medida que o WDM se tornava a tecnologia preferida nas redes ópticas, o amplificador de érbio se tornava "o amplificador óptico preferido para as aplicações WDM". Hoje, EDFAs e amplificadores ópticos híbridos são considerados os componentes mais importantes de redes e sistemas de multiplexação por divisão de onda.  

Wavelength Division Multiplexing

Usando amplificadores ópticos, a capacidade das fibras de transportar informações aumentou drasticamente com a introdução da multiplexação por divisão de comprimento de onda (WDM) no início dos anos 1990. O Bell Labs da AT&T desenvolveu um processo WDM no qual um prisma divide a luz em diferentes comprimentos de onda, que podem viajar através de uma fibra simultaneamente. O comprimento de onda de pico de cada feixe é espaçado o suficiente para que os feixes sejam distinguíveis uns dos outros, criando vários canais dentro de uma única fibra. Os primeiros sistemas WDM tinham apenas dois ou quatro canais - a AT&T, por exemplo, implantou um sistema oceânico de longa distância de 4 canais em 1995. Os amplificadores dopados com érbio dos quais eles dependem, no entanto, não amplificaram os sinais uniformemente em seu ganho espectral região. Durante a regeneração do sinal, pequenas discrepâncias em várias frequências introduziram um nível de ruído intolerável, tornando o WDM com mais de 4 canais impraticável para comunicações de fibra de alta capacidade.

Para resolver esta limitação, Optelecom , Inc. e Geral Instruments Corp . desenvolveram componentes para aumentar a largura de banda da fibra com muito mais canais. A Optelecom e seu chefe de Light Optics, o engenheiro David Huber e Kevin Kimberlin co-fundaram a Ciena Corp em 1992 para projetar e comercializar sistemas de telecomunicações ópticas, com o objetivo de expandir a capacidade dos sistemas de cabo para 50.000 canais. A Ciena desenvolveu o amplificador óptico de estágio duplo capaz de transmitir dados com ganho uniforme em vários comprimentos de onda e, com isso, em junho de 1996, lançou o primeiro sistema WDM denso comercial. Esse sistema de 16 canais, com capacidade total de 40 Gbit / s, foi implantado na rede Sprint , a maior operadora de tráfego de internet do mundo na época. Essa primeira aplicação de amplificação totalmente óptica em redes públicas foi vista pelos analistas como o prenúncio de uma mudança permanente no design da rede, pela qual Sprint e Ciena receberiam grande parte do crédito. Especialistas em comunicação óptica avançada citam a introdução do WDM como o verdadeiro começo das redes ópticas.

Capacidade

A densidade dos caminhos de luz do WDM foi a chave para a expansão massiva da capacidade da fibra óptica que permitiu o crescimento da Internet na década de 1990. Desde a década de 1990, a contagem de canais e a capacidade de sistemas WDM densos aumentaram substancialmente, com sistemas comerciais capazes de transmitir perto de 1 Tbit / s de tráfego a 100 Gbit / s em cada comprimento de onda. Em 2010, pesquisadores da AT&T relataram um sistema experimental com 640 canais operando a 107 Gbit / s, para uma transmissão total de 64 Tbit / s. Em 2018, a Telstra da Austrália implantou um sistema ao vivo que permite a transmissão de 30,4 Tbit / s por par de fibra em um espectro de 61,5 GHz, equivalente a 1,2 milhão de vídeos Ultra HD 4K sendo transmitidos simultaneamente. Como resultado dessa capacidade de transportar grandes volumes de tráfego, o WDM se tornou a base comum de quase todas as redes de comunicação globais e, portanto, a base da Internet hoje. A demanda por largura de banda é impulsionada principalmente pelo tráfego de protocolo da Internet (IP) de serviços de vídeo, telemedicina, rede social, uso de telefone celular e computação baseada em nuvem. Ao mesmo tempo, o tráfego máquina-a-máquina, IoT e da comunidade científica requerem suporte para a troca em grande escala de arquivos de dados. De acordo com o Cisco Visual Networking Index, o tráfego IP global será superior a 150.700 Gbits por segundo em 2022. Desse total, o conteúdo de vídeo será igual a 82% de todo o tráfego IP, todo transmitido por rede óptica.

Padrões e protocolos

Synchronous Optical Networking (SONET) e Synchronous Digital Hierarchy (SDH) evoluíram como os protocolos mais comumente usados ​​para redes ópticas. O protocolo Optical Transport Network (OTN) foi desenvolvido pela International Telecommunication Union como um sucessor e permite a interoperabilidade em toda a rede, conforme descrito pela Recomendação G.709 . Ambos os protocolos permitem a entrega de uma variedade de protocolos, como Modo de transferência assíncrona (ATM) , Ethernet , TCP / IP e outros.

Referências