光ネットワーク

光ネットワークは、光に符号化された信号を用いて様々な種類の電気通信ネットワークで情報を伝送する通信手段です。これには、都市圏や地域を横断する限定範囲のローカルエリアネットワーク（LAN）やワイドエリアネットワーク（WAN）、さらには長距離の国内、国際、大洋横断ネットワークなどが含まれます。光ネットワークは、光増幅器、レーザー、LED、波長分割多重（WDM）を利用して、一般的に光ファイバーケーブルを介して大量のデータを伝送する光通信の一形態です。極めて高い帯域幅を実現できるため、インターネットや、人間と機械間の情報の大部分を伝送する電気通信ネットワークにとって不可欠な技術となっています。

光ファイバーネットワークシステムの構成要素は以下のとおりです。

• 光ファイバー。マルチモードまたはシングルモード。
• レーザーまたはLED光源。
• マルチプレクサ／デマルチプレクサは、mux/demux、フィルタ、プリズムとも呼ばれます。これには、光アド／ドロップマルチプレクサ（OADM）と再構成可能光アド／ドロップマルチプレクサ（ROADM）が含まれます。
• 光スイッチは、光電変換を経ずにポート間で光を誘導します。
• 光スプリッターは、信号を複数の光ファイバー経路に送信するために使用されます。
• 循環装置。OADMなどの他のコンポーネントを接続するために使用されます。
• 光増幅器
• 波形分割多重器

通信ネットワークは当初、情報の伝送に銅線を使用していた。しかし、銅線の帯域幅は物理的特性によって制限される。より多くのデータを伝送するために信号の周波数が高くなると、信号のエネルギーの多くが熱として失われる。さらに、電線が近すぎると電気信号が互いに干渉し合うことがあり、これはクロストークと呼ばれる問題である。1940年、最初の通信システムは3MHzで動作する同軸ケーブル を使用し、300件の電話会話または1つのテレビチャンネルを伝送できた。1975年までに、最も先進的な同軸システムは274Mbit  /sのビットレートを実現したが、このような高周波システムでは信号を強化するために約1キロメートルごとに中継器が必要となり、ネットワークの運用コストが高くなる。

光波はクロストークなしではるかに高いビットレートを実現できることは明らかでした。1957年、ゴードン・グールドは光増幅器の設計を初めて説明し、 1960年にセオドア・メイマンによって実証されたレーザーも説明しました。レーザーは光波の光源ですが、ネットワークを通して光を伝送するための媒体が必要でした。1960年当時、医療画像診断のために光を体内に伝送するのにガラスファイバーが使用されていましたが、光損失が大きく、光がガラスを通過する際に1メートルあたり1デシベルの割合で吸収されるという減衰現象がありました。1964年、チャールズ・カオは、長距離のデータ伝送には、ガラスファイバーの損失が1キロメートルあたり20 dB以下でなければならないことを示しました。1970年、コーニング社のドナルド・B・ケック、ロバート・D・マウラー、ピーター・C・シュルツが、溶融石英製の損失がわずか16 dB/kmのガラスファイバーを設計し、画期的な進歩を遂げました。彼らの開発した光ファイバーは、銅線よりも6万5000倍もの情報を伝送することができた。  

電話の生通信に初めて光ファイバーシステムが導入されたのは1977年、カリフォルニア州ロングビーチでゼネラル・テレフォン・アンド・エレクトロニクス社によってで、データレートは6  Mbit/sでした。初期のシステムは波長800 nmの赤外線を使用し 、 中継器を約10 km間隔で配置して最大45 Mbit/sの速度で送信できました 。1980年代初頭には、 光損失が1 dB/kmである1300 nmで動作するレーザーと検出器が導入されました。1987年までに、中継器の間隔が約50 kmで 1.7 Gbit/sの速度で動作するようになりました。 ^{[ 4 ]}  

光ファイバーネットワークの容量は、光増幅器や光フィルタなどのコンポーネントの改良により増加しており、これらのコンポーネントは光波を50GHz未満の周波数 差で分離し、より多くのチャネルをファイバーに収めることができる。エルビウム添加光増幅器（EDFA）は、1986年にサウサンプトン大学のデイビッド・ペインによって、光ファイバーの長さに沿って分布する希土類元素エルビウムの原子を使用して開発された。ポンプレーザーが原子を励起し、原子が光を放出することで光信号が増幅される。ネットワーク設計のパラダイムシフトが進むにつれて、ほとんどの光通信システムが光ファイバー増幅器を使用していたため、幅広い増幅器が登場した。^{[ 5 ]}エルビウム添加増幅器は、高密度波長分割多重システムをサポートする最も一般的な手段であった。^{[ 6 ]}実際、EDFAは非常に普及していたため、WDMが光ネットワークで選択される技術になると、エルビウム増幅器は「WDMアプリケーションで選択される光増幅器」となった。^{[ 7 ]}今日、EDFAとハイブリッド光増幅器は、波長分割多重システムおよびネットワークの最も重要なコンポーネントと考えられています。^{[ 8 ]}  

光増幅器を使用することで、 1990年代初頭に波長分割多重（WDM）が導入されたことで、光ファイバーの情報伝送容量は劇的に増加しました。AT&Tのベル研究所は、プリズムで光を異なる波長に分割し、それらを同時に光ファイバー内を伝搬させるWDMプロセスを開発しました。各ビームのピーク波長は十分に離れているため、ビーム同士を区別でき、1本の光ファイバー内に複数のチャネルが作成されます。初期のWDMシステムは2つまたは4つのチャネルしかありませんでした。たとえば、AT&Tは1995年に4チャネルの海洋長距離システムを展開しました。^{[ 9 ]}しかし、これらのシステムが依存するエルビウム添加増幅器は、スペクトル利得領域全体で信号を均一に増幅しませんでした。信号再生中に、さまざまな周波数のわずかなずれが許容できないレベルのノイズを引き起こし、4チャネルを超えるWDMは高容量光ファイバー通信には実用的ではありませんでした。

この制限に対処するため、Optelecom , Inc. とGeneral Instruments Corp. は、より多くのチャネルでファイバーの帯域幅を増やすコンポーネントを開発しました。Optelecom と、同社の光光学部門責任者であるエンジニアの David Huber とKevin Kimberlin は、1992 年にCiena Corp を共同設立し、ケーブルシステムの容量を 50,000 チャネルに拡張することを目的とした光通信システムの設計と商用化を行いました。^{[ 10 ] [ 11 ]} Ciena は、複数の波長で均一なゲインでデータを送信できる 2 段光増幅器を開発し、1996 年 6 月に、最初の商用高密度 WDM システムを発表しました。合計容量 40  Gbit/sの 16 チャネル システム^{[ 12 ]}は、当時世界最大のインターネット トラフィック キャリアであるSprintネットワークに展開されました。 ^{[ 13 ]}公共ネットワークにおける全光増幅の最初の応用^{[ 14 ]}は、アナリストによって、ネットワーク設計の恒久的な変化の前兆と見なされ、その功績の多くはスプリントとシエナに帰せられることになる。 ^{[ 15 ]}高度な光通信の専門家は、WDM の導入を光ネットワークの真の始まりとして挙げている。^{[ 16 ]}

WDMによる光路の密度は、1990年代のインターネットの成長を可能にした光ファイバー 容量の大幅な拡張の鍵でした。1990年代以降、高密度WDMシステムのチャネル数と容量は大幅に増加し、商用システムでは各波長で100 Gbit/sで1 Tbit/s近いトラフィックを送信できるようになりました 。^{[ 17 ]} 2010年、AT&Tの研究者は、107  Gbit/sで動作する640チャネルの実験システムを報告し、合計伝送量は64  Tbit/sでした。^{[ 18 ]}  2018年、オーストラリアのTelstraは、 61.5 GHzスペクトルでファイバーペアあたり30.4 Tbit/sの伝送を可能にするライブシステムを展開しました。これは 、120万本の4K Ultra HDビデオを同時にストリーミングすることに相当します。^{[ 19 ]}大量のトラフィックを伝送できるこの能力により、WDM はほぼすべてのグローバル通信ネットワークの共通基盤となり、今日のインターネットの基盤となっています。^{[ 20 ] [ 21 ]}帯域幅の需要は、主にビデオ サービス、遠隔医療、ソーシャル ネットワーキング、携帯電話の使用、クラウド ベースのコンピューティングからのインターネット プロトコル(IP) トラフィックによって促進されています。同時に、マシン ツー マシン、IoT、科学コミュニティのトラフィックは、大規模なデータ ファイル交換のサポートを必要としています。Cisco Visual Networking Index によると、2022 年のグローバル IP トラフィックは 1 秒あたり 150,700 ギガビットを超える見込みです。そのうち、ビデオ コンテンツはすべての IP トラフィックの 82% を占め、すべて光ネットワークによって伝送されます。^{[ 22 ]}

光ネットワークで最も一般的に使用されているプロトコルとして、SONET（同期光ネットワーク）とSDH（同期デジタル階層）が発展してきました。国際電気通信連合（ITU）は、これらのプロトコルの後継としてOTN（光伝送ネットワーク）プロトコルを開発し、勧告G.709で説明されているように、ネットワーク全体での相互運用性を実現しています。これらのプロトコルはいずれも、ATM（非同期転送モード）、イーサネット、TCP/IPなど、さまざまなプロトコルの伝送を可能にします。