Ne tako davno, list s odgovorima sredinom godine za zajednički razvoj Hengqina između Zhuhaija i Macaa polako se otvarao. Pažnju je privuklo jedno od prekograničnih optičkih vlakana. Prošlo je kroz Zhuhai i Macao kako bi se ostvarilo međusobno povezivanje računalne snage i dijeljenje resursa od Macaa do Hengqina te izgradio informacijski kanal. Šangaj također promiče projekt nadogradnje i transformacije "optičke u bakrenu stražnju" komunikacijsku mrežu sa svim vlaknima kako bi se osigurao visokokvalitetni gospodarski razvoj i bolje komunikacijske usluge za stanovnike.
S brzim razvojem internetske tehnologije, potražnja korisnika za internetskim prometom raste iz dana u dan, kako poboljšati kapacitet komunikacije optičkim vlaknima postalo je hitan problem koji treba riješiti.
Od kada se pojavila komunikacijska tehnologija optičkih vlakana, donijela je velike promjene u području znanosti i tehnologije te društva. Kao važna primjena laserske tehnologije, laserska informacijska tehnologija predstavljena komunikacijskom tehnologijom optičkih vlakana izgradila je okvir moderne komunikacijske mreže i postala važan dio prijenosa informacija. Komunikacijska tehnologija optičkih vlakana važna je nosiva snaga trenutnog internetskog svijeta, a također je i jedna od temeljnih tehnologija informacijskog doba.
Uz kontinuiranu pojavu različitih tehnologija u nastajanju kao što su Internet stvari, veliki podaci, virtualna stvarnost, umjetna inteligencija (AI), mobilne komunikacije pete generacije (5G) i druge tehnologije, postavljaju se sve veći zahtjevi za razmjenu i prijenos informacija. Prema podacima istraživanja koje je Cisco objavio 2019., globalni godišnji IP promet povećat će se s 1,5ZB (1ZB=1021B) u 2017. na 4,8ZB u 2022., sa ukupnom godišnjom stopom rasta od 26%. Suočena s trendom rasta velikog prometa, komunikacija optičkim vlaknima, kao najkističniji dio komunikacijske mreže, pod ogromnim je pritiskom nadogradnje. Komunikacijski sustavi i mreže optičkih vlakana velike brzine i velikog kapaciteta bit će glavni smjer razvoja komunikacijske tehnologije optičkih vlakana.
Povijest razvoja i status istraživanja komunikacijske tehnologije optičkih vlakana
Prvi rubinski laser razvijen je 1960. godine, nakon otkrića kako laseri rade od strane Arthura Showlowa i Charlesa Townesa 1958. godine. Zatim je 1970. godine uspješno razvijen prvi AlGaAs poluvodički laser koji može kontinuirano raditi na sobnoj temperaturi, a 1977. ostvareno je da poluvodički laser radi kontinuirano desetke tisuća sati u praktičnom okruženju.
Za sada laseri imaju preduvjete za komercijalnu komunikaciju optičkim vlaknima. Od početka izuma lasera, izumitelji su prepoznali njegovu važnu potencijalnu primjenu u području komunikacije. Međutim, postoje dva očita nedostatka u tehnologiji laserske komunikacije: jedan je da će se velika količina energije izgubiti zbog divergencije laserske zrake; drugi je da na njega uvelike utječe okruženje primjene, kao što je primjena u atmosferskom okruženju značajno podložna promjenama vremenskih uvjeta. Stoga je za lasersku komunikaciju vrlo važan odgovarajući optički valovod.
Optičko vlakno koje se koristi za komunikaciju koje je predložio dr. Kao Kung, dobitnik Nobelove nagrade za fiziku, zadovoljava potrebe laserske komunikacijske tehnologije za valovode. Predložio je da gubitak Rayleighovog raspršenja staklenih optičkih vlakana može biti vrlo nizak (manje od 20 dB/km), a gubitak snage u optičkim vlaknima uglavnom dolazi od apsorpcije svjetlosti nečistoćama u staklenim materijalima, tako da je pročišćavanje materijala ključ za smanjenje gubitka optičkih vlakana ključ, a također je istaknuo da je jednomodni prijenos važan za održavanje dobrih komunikacijskih performansi.
Godine 1970. tvrtka Corning Glass Company razvila je multimodno optičko vlakno na bazi kvarca s gubitkom od oko 20 dB/km prema prijedlozima pročišćavanja dr. Kaoa, čime je optičko vlakno postalo stvarnost za komunikacijske prijenosne medije. Nakon kontinuiranog istraživanja i razvoja, gubitak optičkih vlakana na bazi kvarca približio se teoretskoj granici. Do sada su uvjeti komunikacije optičkim vlaknima u potpunosti zadovoljeni.
Svi rani komunikacijski sustavi s optičkim vlaknima usvojili su metodu primanja izravne detekcije. Ovo je relativno jednostavna komunikacijska metoda optičkim vlaknima. PD je kvadratni detektor i može se detektirati samo intenzitet optičkog signala. Ova metoda primanja izravne detekcije nastavila se od prve generacije komunikacijske tehnologije optičkih vlakana u 1970-ima do ranih 1990-ih.
Kako bismo povećali iskorištenje spektra unutar širine pojasa, moramo krenuti od dva aspekta: jedan je koristiti tehnologiju za približavanje Shannonovoj granici, ali povećanje učinkovitosti spektra povećalo je zahtjeve za omjerom telekomunikacija i šuma, čime se smanjuje udaljenost prijenosa; drugi je da se u potpunosti iskoristi faza. Kapacitet prijenosa informacija stanja polarizacije koristi se za prijenos, što je druga generacija koherentnog optičkog komunikacijskog sustava.
Koherentni optički komunikacijski sustav druge generacije koristi optički mikser za intradinsku detekciju i usvaja primanje polarizacijske raznolikosti, to jest, na prijemnom kraju, svjetlo signala i svjetlo lokalnog oscilatora rastavljaju se u dvije zrake svjetlosti čija su polarizacijska stanja ortogonalna jedni drugima. Na taj način može se postići prijem neosjetljiv na polarizaciju. Nadalje, treba istaknuti da se u ovom trenutku praćenje frekvencije, oporavak faze nositelja, ekvilizacija, sinkronizacija, praćenje polarizacije i demultipleksiranje na prijemnom kraju mogu izvršiti tehnologijom digitalne obrade signala (DSP), koja uvelike pojednostavljuje hardver dizajn prijemnika i poboljšana sposobnost oporavka signala.
Neki izazovi i razmatranja s kojima se suočava razvoj komunikacijske tehnologije optičkih vlakana
Primjenom različitih tehnologija, akademski krugovi i industrija su u osnovi došli do granice spektralne učinkovitosti optičkog komunikacijskog sustava. Da bi se prijenosni kapacitet nastavio povećavati, to se može postići samo povećanjem propusnosti B sustava (linearno povećanje kapaciteta) ili povećanjem omjera signala i šuma. Konkretna rasprava je sljedeća.
1. Rješenje za povećanje snage prijenosa
Budući da se nelinearni učinak uzrokovan prijenosom velike snage može smanjiti pravilnim povećanjem efektivne površine poprečnog presjeka vlakna, rješenje je za povećanje snage koristiti malomodno vlakno umjesto jednomodnog vlakna za prijenos. Osim toga, trenutačno najčešće rješenje za nelinearne učinke je korištenje algoritma digitalnog širenja unazad (DBP), ali poboljšanje performansi algoritma dovest će do povećanja računske složenosti. Nedavno je istraživanje tehnologije strojnog učenja u nelinearnoj kompenzaciji pokazalo dobru perspektivu primjene, što uvelike smanjuje složenost algoritma, tako da dizajn DBP sustava može biti potpomognut strojnim učenjem u budućnosti.
2. Povećajte propusnost optičkog pojačala
Povećanje propusnosti može probiti ograničenje frekvencijskog raspona EDFA. Osim C-pojasa i L-pojasa, S-pojas se također može uključiti u raspon primjene, a za pojačanje se može koristiti SOA ili Ramanovo pojačalo. Međutim, postojeća optička vlakna imaju velike gubitke u frekvencijskim pojasima osim S-pojasa, te je potrebno dizajnirati novu vrstu optičkih vlakana kako bi se smanjili gubici prijenosa. Ali za ostale bendove, komercijalno dostupna tehnologija optičkog pojačanja također predstavlja izazov.
3. Istraživanje optičkih vlakana s malim gubicima u prijenosu
Istraživanje vlakana s niskim gubitkom prijenosa jedno je od najkritičnijih pitanja u ovom području. Šuplje vlakno s jezgrom (HCF) ima mogućnost manjeg gubitka prijenosa, što će smanjiti vremensko kašnjenje prijenosa vlakana i može u velikoj mjeri eliminirati nelinearni problem vlakana.
4. Istraživanje tehnologija povezanih s multipleksiranjem prostorne podjele
Tehnologija multipleksiranja po prostoru učinkovito je rješenje za povećanje kapaciteta jednog vlakna. Naime, za prijenos se koristi višejezgreno optičko vlakno, a kapacitet jednog vlakna se udvostručuje. Ključno pitanje u tom smislu je postoji li optičko pojačalo veće učinkovitosti. , inače može biti ekvivalentan samo višestrukim jednojezgrenim optičkim vlaknima; upotrebom tehnologije multipleksiranja s podjelom načina, uključujući način linearne polarizacije, OAM zrake temeljene na faznoj singularnosti i cilindrične vektorske zrake temeljene na polarizacijskoj singularnosti, takva se tehnologija može Multipleksiranje zraka pruža novi stupanj slobode i poboljšava kapacitet optičkih komunikacijskih sustava. Ima široke izglede za primjenu u komunikacijskoj tehnologiji optičkih vlakana, ali istraživanje srodnih optičkih pojačala također predstavlja izazov. Osim toga, kako uravnotežiti složenost sustava uzrokovanu grupnim kašnjenjem diferencijalnog načina i tehnologijom digitalnog izjednačavanja s više ulaza i više izlaza također je vrijedno pažnje.
Izgledi za razvoj komunikacijske tehnologije optičkih vlakana
Komunikacijska tehnologija optičkih vlakana razvila se od početnog prijenosa male brzine do sadašnjeg prijenosa velike brzine i postala je jedna od okosnica tehnologija koje podupiru informacijsko društvo te je formirala golemu disciplinu i društveno polje. U budućnosti, kako potražnja društva za prijenosom informacija bude sve veća, komunikacijski sustavi s optičkim vlaknima i mrežne tehnologije razvijat će se prema ultra-velikom kapacitetu, inteligenciji i integraciji. Dok poboljšavaju performanse prijenosa, oni će nastaviti smanjivati troškove i služiti ljudima za život i pomoći zemlji u izgradnji informacija. društvo igra važnu ulogu. CeiTa je surađivala s nizom organizacija za prirodne katastrofe, koje mogu predvidjeti regionalna sigurnosna upozorenja poput potresa, poplava i tsunamija. Potrebno ga je samo spojiti na ONU CeiTa. Kada se dogodi prirodna katastrofa, postaja za potrese izdat će rano upozorenje. Terminal pod ONU upozorenjima bit će sinkroniziran.
(1) Inteligentna optička mreža
U usporedbi s bežičnim komunikacijskim sustavom, optički komunikacijski sustav i mreža inteligentne optičke mreže još su u početnoj fazi u pogledu konfiguracije mreže, održavanja mreže i dijagnostike kvarova, a stupanj inteligencije je nedovoljan. Zbog ogromnog kapaciteta jednog vlakna, pojava bilo kakvog kvara vlakna imat će veliki utjecaj na gospodarstvo i društvo. Stoga je praćenje mrežnih parametara vrlo važno za razvoj budućih inteligentnih mreža. Istraživački pravci na koje treba obratiti pozornost u ovom aspektu u budućnosti uključuju: sustav praćenja parametara sustava temeljen na pojednostavljenoj koherentnoj tehnologiji i strojnom učenju, tehnologiju nadzora fizičke veličine temeljen na koherentnoj analizi signala i fazno osjetljivoj optičkoj refleksiji u vremenskoj domeni.
(2) Integrirana tehnologija i sustav
Temeljna svrha integracije uređaja je smanjenje troškova. U komunikacijskoj tehnologiji optičkih vlakana, prijenos signala velike brzine na kratke udaljenosti može se ostvariti kontinuiranom regeneracijom signala. Međutim, zbog problema povratka stanja faze i polarizacije, integracija koherentnih sustava još uvijek je relativno teška. Osim toga, ako se može realizirati integrirani optičko-električni-optički sustav velikih razmjera, kapacitet sustava također će se značajno poboljšati. Međutim, zbog čimbenika kao što su niska tehnička učinkovitost, velika složenost i poteškoće u integraciji, nemoguće je široko promovirati potpuno optičke signale kao što su potpuno optički 2R (ponovno pojačanje, ponovno oblikovanje), 3R (ponovno pojačanje) , ponovno mjerenje vremena i ponovno oblikovanje) u području optičkih komunikacija. tehnologija obrade. Stoga, u smislu integracijske tehnologije i sustava, budući pravci istraživanja su sljedeći: Iako su postojeća istraživanja o sustavima multipleksiranja s prostornom podjelom relativno bogata, ključne komponente sustava za multipleksiranje s prostornom podjelom još nisu postigle tehnološki iskorak u akademskoj zajednici i industriji, te je potrebno daljnje jačanje. Istraživanja, kao što su integrirani laseri i modulatori, dvodimenzionalni integrirani prijamnici, integrirana optička pojačala visoke energetske učinkovitosti, itd.; nove vrste optičkih vlakana mogu značajno proširiti propusnost sustava, ali potrebna su daljnja istraživanja kako bi se osiguralo da njihova sveobuhvatna izvedba i proizvodni procesi mogu doseći postojeću razinu vlakana s jednim modom; proučiti različite uređaje koji se mogu koristiti s novim vlaknom u komunikacijskoj vezi.
(3) Optički komunikacijski uređaji
U optičkim komunikacijskim uređajima, istraživanje i razvoj silicijevih fotonskih uređaja postiglo je početne rezultate. Međutim, trenutačno se domaća istraživanja uglavnom temelje na pasivnim uređajima, a istraživanja aktivnih uređaja relativno su slaba. Što se tiče optičkih komunikacijskih uređaja, budući pravci istraživanja uključuju: istraživanje integracije aktivnih uređaja i silicijevih optičkih uređaja; istraživanje tehnologije integracije optičkih uređaja koji nisu silicij, kao što je istraživanje tehnologije integracije III-V materijala i supstrata; daljnji razvoj istraživanja i razvoja novih uređaja. Praćenje, kao što je integrirani optički valovod litij niobata s prednostima velike brzine i niske potrošnje energije.
Vrijeme objave: 3. kolovoza 2023
