광 네트워킹은 빛을 사용하여 장치 간에 데이터를 전송하는 기술입니다. 이는 높은 대역폭과 낮은 대기 시간을 제공하며 수년 동안 장거리 데이터 통신의 사실상 표준이었습니다. 광섬유는 전 세계 대부분의 장거리 음성 및 데이터 통신에 사용됩니다.
광 네트워킹은 장거리에 걸쳐 고속 데이터 전송을 가능하게 하기 때문에 중요합니다. 예를 들어, 광 네트워크는 뉴욕의 사용자가 물리 법칙이 허용하는 한 빨리 나이로비의 서버에 액세스할 수 있도록 보장합니다.
광 네트워킹의 기본 기술은 내부 전반사 원리를 기반으로 합니다. 빛이 광섬유 케이블과 같은 매체의 표면에 닿으면 빛의 일부가 표면에서 반사됩니다. 빛이 반사되는 각도는 매질의 특성과 입사각(빛이 표면에 닿는 각도)에 따라 달라집니다.
입사각이 임계각보다 크면 모든 빛이 반사됩니다. 이것을 내부 전반사라고 합니다. 내부 전반사는 길이를 따라 빛을 안내하는 유리 또는 플라스틱의 일종인 광섬유를 만드는 데 사용될 수 있습니다.
빛이 광섬유를 통과하면서 여러 번의 내부 전반사를 거쳐 광섬유 벽에서 반사됩니다. 이 바운스 효과로 인해 빛이 지그재그 패턴으로 섬유 길이를 따라 이동하게 됩니다.
엔지니어는 섬유의 특성을 신중하게 제어함으로써 반사되는 빛의 양과 다시 반사되기 전에 이동하는 거리를 제어할 수 있습니다. 이를 통해 정보 손실 없이 장거리 데이터를 전송할 수 있는 광섬유를 설계할 수 있었습니다.
광 네트워크는 광섬유, 트랜시버, 증폭기, 멀티플렉서 및 광 스위치 등 여러 구성 요소로 구성됩니다.
광섬유
광섬유는 광신호를 전달하는 매체이다. 다음을 포함한 다양한 재료로 구성됩니다.
①핵심: 빛을 전달하는 중심.
②클래드(Clad) : 코어를 둘러싸며 광신호를 억제하는데 도움을 주는 소재.
③버퍼 코팅 : 광섬유가 손상되지 않도록 보호하는 물질입니다.
코어와 클래딩은 일반적으로 유리로 만들어지며 완충 코팅은 일반적으로 플라스틱으로 만들어집니다.
트랜시버
트랜시버는 전기 신호를 광 신호로 또는 그 반대로 변환하는 장치로, 일반적으로 연결의 마지막 마일에 구현됩니다. 이는 광 네트워크와 이를 사용하는 컴퓨터 및 라우터와 같은 전자 장치 간의 인터페이스입니다.
증폭기
이름에서 알 수 있듯이, 증폭기는 빛의 신호를 증폭시켜 힘을 잃지 않고 장거리를 이동할 수 있게 해주는 장치입니다. 증폭기는 신호를 증폭시키기 위해 일정한 간격으로 광섬유를 따라 배치됩니다.
멀티플렉서
멀티플렉서는 여러 신호를 가져와 단일 신호로 결합하는 장치일 뿐입니다. 이는 각 신호에 서로 다른 빛의 파장을 할당하여 수행되므로 멀티플렉서가 간섭 없이 단일 광섬유를 따라 여러 신호를 동시에 보낼 수 있습니다.
전등 스위치
광 스위치는 한 광섬유에서 다른 광섬유로 광 신호를 라우팅하는 장치입니다. 광 스위치는 광 네트워크에서 트래픽을 제어하는 데 사용되며 일반적으로 고용량 네트워크에 사용됩니다.
광 네트워킹의 역사
광 네트워킹의 역사는 1790년대 프랑스 발명가 Claude Chappe가 광통신 시스템의 초기 사례 중 하나인 광신호 전신을 발명하면서 시작되었습니다.
거의 100년 후인 1880년에 알렉산더 그레이엄 벨(Alexander Graham Bell)은 광 전화 시스템인 전기 광학 전화에 대한 특허를 받았습니다. Photophone은 획기적이었지만 Bell의 초기 전화기 발명은 더욱 실용적이었으며 실질적인 형태를 취했습니다. 따라서 Photophone은 실험 단계를 벗어나지 않았습니다.
1920년대까지 영국의 John Logie Baird와 Clarence W. Hansell은 텔레비전이나 팩스 시스템에 이미지를 전송하기 위해 속이 빈 튜브나 투명 막대 배열을 사용하는 아이디어에 대해서만 특허를 냈습니다.
1954년에 네덜란드 과학자 Abraham Van Heel과 영국 과학자 Harold H. Hopkins는 각각 전도지에 관한 과학 논문을 발표했습니다. Hopkins는 비클래드 섬유에 초점을 맞춘 반면 Van Heel은 단순 클래드 섬유 다발(나선 섬유 주변의 굴절률이 더 낮은 투명 클래딩)에만 중점을 두었습니다.
이는 섬유 반사 표면을 외부 변형으로부터 보호하고 섬유 사이의 간섭을 크게 줄입니다. 이미징 빔의 개발은 광섬유 개발의 중요한 단계였습니다. 외부 간섭으로부터 광섬유 표면을 보호하면 광섬유를 통해 광신호를 보다 정확하게 전송할 수 있습니다.
1960년까지 유리 피복 섬유의 손실은 미터당 약 1데시벨(dB)로 의료 영상에는 적합했지만 통신에는 너무 높았습니다. 1961년 미국 광학 회사의 엘리아스 스니처(Elias Snitzer)는 단 하나의 도파관 모드를 통해서만 빛을 전송할 수 있는 작은 코어를 가진 광섬유에 대한 이론적 설명을 발표했습니다.
1964년에 Kao 박사는 킬로미터당 10~20dB의 빛 손실을 제안했습니다. 이 표준은 통신 시스템의 범위와 신뢰성을 향상시키는 데 도움이 됩니다. 손실률에 대한 연구 외에도 Gao 박사는 빛 손실을 줄이는 데 도움이 되는 더 순수한 유리의 필요성을 보여주었습니다.
1970년 여름, Corning Glass Works의 연구원 그룹은 용융 실리카라는 새로운 재료를 실험하기 시작했습니다. 이 물질은 순도가 매우 높고 녹는점이 높으며 굴절률이 낮은 것으로 알려져 있습니다.
Robert Maurer, Donald Keck 및 Peter Schultz로 구성된 팀은 용융 실리카를 사용하여 "광학 도파관 섬유"라고 불리는 새로운 유형의 와이어를 만들 수 있다는 사실을 곧 깨달았습니다. 이 광섬유선은 기존 구리선보다 65000배 더 많은 정보를 전달할 수 있습니다. 더욱이, 정보를 전달하는 데 사용되는 광파는 수천 마일 떨어진 목적지에서도 해독될 수 있습니다.
이 발명은 장거리 통신에 혁명을 일으켰고 오늘날의 광섬유 기술의 길을 열었습니다. 팀은 Gao 박사가 정의한 데시벨 손실 문제를 해결했으며 1973년 Bell Laboratories의 John MacChesney는 섬유 생산을 위한 화학 기상 증착 공정을 개선했습니다. 이에 따라 광섬유 케이블의 상업생산이 가능해졌다.
1977년 4월, General Telephone and Electronics Co.는 캘리포니아 롱비치에서 실시간 전화 통신을 위해 처음으로 광섬유 네트워크를 사용했습니다. 1977년 5월 Bell Labs는 곧 뒤를 이어 시카고 시내 지역에 1.5마일에 걸쳐 광전화 통신 시스템을 구축했습니다. 각 광섬유 쌍은 DS3 회로에 해당하는 672개의 음성 채널을 전송할 수 있습니다.
1980년대 초, 1.3-미크론 InGaAsP 반도체 레이저를 사용하는 2세대 광섬유 통신이 상업용으로 설계되었습니다. 이 시스템은 1987년에 최대 50km 떨어진 중계기를 사용하여 1.7Gbps의 높은 비트 전송률로 작동했습니다.
3세대 광섬유 네트워크에 사용되는 시스템은 1.55미크론에서 작동하며 킬로미터당 약 0.2dB의 손실을 갖습니다.
4세대 광섬유 통신 시스템은 필요한 중계기 수를 줄이기 위해 광 증폭을 사용하고 데이터 용량을 늘리기 위해 WDM(파장 분할 다중화)을 사용합니다.
2006년에는 광 증폭기를 사용하여 160-킬로미터 라인에서 초당 14테라비트(Tb)의 비트 전송률을 달성했습니다. 2021년까지 일본 과학자들은 4코어 광섬유 케이블을 사용하여 3,000km에 걸쳐 319Tbps를 전송할 수 있게 될 것입니다.
이러한 4세대 광섬유 통신 시스템은 이전 세대보다 훨씬 더 많은 용량을 가지고 있지만 기본 원리는 동일합니다. 전기 신호를 광 펄스로 변환하고 광섬유를 통해 전송한 다음 수신에서 다시 전기 신호로 변환합니다. 끝.
그러나 각 세대의 구성 요소는 더 작고, 더 안정적이며, 더 저렴해졌습니다. 결과적으로 광섬유 통신은 글로벌 통신 인프라에서 점점 더 중요한 부분이 되었습니다.
광 네트워킹의 주요 동향
네트워크 에지에 집중
광 네트워크 에지는 트래픽이 네트워크 안팎으로 흐르는 곳입니다. 클라우드 기반 애플리케이션의 요구 사항을 충족하기 위해 광 네트워크가 최종 사용자에게 더 가까이 다가가고 있습니다. 이를 통해 대기 시간을 줄이고 성능을 더욱 일관되게 유지할 수 있습니다.
레이어 암호화
사이버 공격이 더욱 일반화됨에 따라 이동 중인 데이터 보호는 계속해서 주요 관심사가 될 것입니다. 최근 서비스 엔드포인트에서 클라우드 기반 보안 기능을 사용하는 SASE(Secure Access Service Edge)가 주목을 받고 있습니다. 엔드포인트 보호는 연결된 네트워크에 대한 보안 제어를 불필요하게 만듭니다.
이렇게 하면 암호화의 필요성이 제거되지는 않지만 민감한 데이터와 애플리케이션을 보호할 수 있습니다. 단일 보안 제어가 없으면 레이어 1 보호가 점점 까다로워집니다.
제어, 관리, 사용자 트래픽을 암호화하여 리소스를 더 효과적으로 보호할 수 있습니다. 이로 인해 해커가 시스템에 침입하는 것이 거의 불가능해지며 사이버 공격이 성공할 가능성이 크게 줄어듭니다. 기업이 데이터와 연결에 대한 의존도가 높아짐에 따라 강력한 보안 솔루션이 더욱 분명해질 것입니다.
개방형 광 네트워크
개방형 광 네트워크는 표준 개방형 인터페이스를 사용하여 다양한 공급업체의 장비를 통합할 수 있는 광 네트워크입니다. 이는 광 네트워크 구성 요소에 대한 더 많은 선택권과 유연성을 제공합니다. 또한 새로운 기능과 서비스가 출시되면 추가하기가 더 쉬워집니다.
스펙트럼 서비스의 성장
데이터 트래픽이 지속적으로 증가함에 따라 더 높은 대역폭과 용량에 대한 필요성도 커지고 있습니다. 스펙트럼 서비스는 스펙트럼을 사용하여 기존 광섬유 네트워크의 용량을 늘려 이를 제공합니다. 이러한 서비스는 증가하는 데이터 수요를 충족할 수 있는 비용 효율적인 방법을 제공하기 때문에 인기가 높아지고 있습니다.
더 많은 실외 배포
더 높은 대역폭과 용량에 대한 수요가 증가함에 따라 거리 캐비닛의 실외 배포가 점점 일반화되고 있습니다. 실외 광섬유는 고객 위치로 직접 연결될 수 있어 보다 직접적인 연결과 낮은 대기 시간을 제공합니다.
컴팩트 및 모듈레이터
광 네트워크가 계속 발전함에 따라 더 작고 컴팩트한 구성 요소에 대한 필요성이 점점 더 분명해지고 있습니다. 이는 데이터 센터 환경의 공간이 제한되는 경우가 많기 때문입니다. 소형 모듈식 광학 장치는 고성능을 제공하면서도 공간 절약형 접근 방식을 제공합니다.
광 네트워킹의 미래
지능형 광 네트워크
지능형 광네트워크는 인공지능(AI)을 활용해 성능을 최적화하는 광네트워크다. 인공 지능을 사용하여 네트워크의 문제를 자동으로 식별하고 수정할 수 있습니다. 이를 통해 보다 효율적이고 안정적인 네트워크가 가능해집니다.
또한 AI를 사용하여 미래의 교통 패턴과 수요를 예측할 수 있습니다. 이 정보는 사전에 용량을 프로비저닝하는 데 사용될 수 있으므로 네트워크가 향후 수요를 충족할 수 있습니다.
유연한 그리드 아키텍처
유연한 메시 아키텍처는 기존 광섬유의 용량을 늘릴 수 있는 방법을 제공하기 때문에 점점 더 대중화되고 있습니다. 유연한 그리드를 사용하면 단일 광섬유에서 다양한 파장의 빛을 다중화할 수 있습니다. 이를 통해 각 광섬유에 더 많은 데이터를 전송할 수 있어 네트워크 용량이 늘어납니다.
주문형 파장 분할 다중화
파장 분할 다중화(Wavelength Division Multiplexing)는 단일 광섬유에서 여러 파장의 빛을 전송할 수 있는 기술입니다. 주문형 WDM은 주문형 용량을 허용하는 WDM 유형입니다. 이는 새로운 광케이블을 설치하지 않고도 필요에 따라 용량을 추가할 수 있음을 의미합니다.
점점 더 디지털화되는 세계의 광 네트워킹
광 네트워킹은 상대적으로 짧은 역사 속에서 많은 발전을 이루었습니다. 처음에는 미약하게 시작되었지만 이제는 많은 대규모 네트워크 인프라의 필수 부분이 되었습니다. 인터넷은 우리가 소통하는 방식에 혁명을 일으키고 전례 없는 기술 발전의 시대를 여는 인터넷의 핵심 기둥입니다.
5G와 같은 추세가 성숙해짐에 따라 광 네트워크는 점점 더 디지털화되는 세상에서 계속해서 중요한 역할을 할 준비가 되어 있는 것으로 보입니다.
