Nie tak dávno sa pomaly odvíjala poloročná odpoveďová tabuľka pre spoločný rozvoj Hengqinu medzi Ču-chaj a Macaom. Pozornosť vzbudilo jedno z cezhraničných optických vlákien. Prechádzalo cez Ču-chaj a Macao, aby sa dosiahlo prepojenie výpočtového výkonu a zdieľanie zdrojov z Macaa do Hengqinu a vybudoval sa informačný kanál. Šanghaj tiež podporuje projekt modernizácie a transformácie celovláknovej komunikačnej siete „z optického na medený spätný väzobný kanál“, aby sa zabezpečil vysokokvalitný hospodársky rozvoj a lepšie komunikačné služby pre obyvateľov.
S rýchlym rozvojom internetových technológií sa dopyt používateľov po internetovej prevádzke zo dňa na deň zvyšuje a naliehavým problémom, ktorý treba vyriešiť, je, ako zlepšiť kapacitu optickej komunikácie.
Od svojho vzniku priniesla technológia optickej komunikácie zásadné zmeny v oblasti vedy, techniky a spoločnosti. Ako dôležitá aplikácia laserovej technológie, laserová informačná technológia reprezentovaná technológiou optickej komunikácie, vybudovala rámec modernej komunikačnej siete a stala sa dôležitou súčasťou prenosu informácií. Technológia optickej komunikácie je dôležitou nosnou silou súčasného internetového sveta a je tiež jednou z kľúčových technológií informačného veku.
S neustálym objavovaním sa rôznych nových technológií, ako je internet vecí, veľké dáta, virtuálna realita, umelá inteligencia (AI), mobilná komunikácia piatej generácie (5G) a ďalšie technológie, sa kladú vyššie nároky na výmenu a prenos informácií. Podľa výskumných údajov zverejnených spoločnosťou Cisco v roku 2019 sa globálna ročná IP prevádzka zvýši z 1,5 ZB (1 ZB = 1021 B) v roku 2017 na 4,8 ZB v roku 2022, s kombinovanou ročnou mierou rastu 26 %. Tvárou v tvár rastovému trendu vysokej prevádzky je optická komunikácia ako najdôležitejšia časť komunikačnej siete pod obrovským tlakom na modernizáciu. Vysokorýchlostné, veľkokapacitné optické komunikačné systémy a siete budú hlavným smerom vývoja technológie optickej komunikácie.
História vývoja a stav výskumu technológie optickej komunikácie
Prvý rubínový laser bol vyvinutý v roku 1960 po objave fungovania laserov Arthurom Showlowom a Charlesom Townesom v roku 1958. Následne, v roku 1970, bol úspešne vyvinutý prvý polovodičový laser AlGaAs schopný nepretržitej prevádzky pri izbovej teplote a v roku 1977 bol polovodičový laser schopný nepretržite pracovať desiatky tisíc hodín v praktickom prostredí.
Lasery doteraz spĺňajú predpoklady pre komerčnú komunikáciu prostredníctvom optických vlákien. Od samého začiatku vynálezu laseru si vynálezcovia uvedomovali jeho dôležité potenciálne využitie v oblasti komunikácie. Technológia laserovej komunikácie má však dva zjavné nedostatky: jedným je, že v dôsledku divergencie laserového lúča sa stráca veľké množstvo energie; druhým je, že je výrazne ovplyvnená prostredím aplikácie, napríklad aplikácia v atmosférickom prostredí bude výrazne ovplyvňovaná zmenami poveternostných podmienok. Preto je pre laserovú komunikáciu veľmi dôležitý vhodný optický vlnovod.
Optické vlákno používané na komunikáciu, ktoré navrhol Dr. Kao Kung, nositeľ Nobelovej ceny za fyziku, spĺňa potreby laserovej komunikačnej technológie pre vlnovody. Predpokladal, že strata Rayleighovho rozptylu v sklenených optických vláknach môže byť veľmi nízka (menej ako 20 dB/km) a strata výkonu v optických vláknach pochádza hlavne z absorpcie svetla nečistotami v sklenených materiáloch, takže čistenie materiálu je kľúčom k zníženiu strát optických vlákien. Poukázal aj na to, že jednomódový prenos je dôležitý pre udržanie dobrého komunikačného výkonu.
V roku 1970 spoločnosť Corning Glass Company vyvinula podľa návrhu Dr. Kao na čistenie viacvidové optické vlákno na báze kremeňa so stratou približne 20 dB/km, čím sa optické vlákno stalo realitou pre komunikačné prenosové médiá. Po neustálom výskume a vývoji sa strata v optických vláknach na báze kremeňa priblížila k teoretickej hranici. Doteraz boli podmienky komunikácie cez optické vlákno plne splnené.
Všetky skoré systémy optickej komunikácie využívali metódu príjmu s priamou detekciou. Ide o relatívne jednoduchú metódu optickej komunikácie. PD je detektor so štvorcovým zákonom a detekovať možno iba intenzitu optického signálu. Táto metóda príjmu s priamou detekciou pokračovala od prvej generácie technológie optickej komunikácie v 70. rokoch 20. storočia až do začiatku 90. rokov 20. storočia.
Aby sme zvýšili využitie spektra v rámci šírky pásma, musíme začať z dvoch hľadísk: jedným je použitie technológie na priblíženie sa k Shannonovej hranici, ale zvýšenie spektrálnej efektívnosti zvýšilo požiadavky na pomer telekomunikácií k šumu, čím sa znížila prenosová vzdialenosť; druhým je plné využitie fázy, prenosová kapacita polarizačného stavu sa využíva na prenos, čo je koherentný optický komunikačný systém druhej generácie.
Koherentný optický komunikačný systém druhej generácie využíva optický mixér na intradynovú detekciu a prijíma polarizačnú diverzitnú recepciu, to znamená, že na prijímacej strane sa signálne svetlo a svetlo lokálneho oscilátora rozložia na dva svetelné lúče, ktorých polarizačné stavy sú navzájom ortogonálne. Týmto spôsobom je možné dosiahnuť polarizačne necitlivý príjem. Okrem toho treba zdôrazniť, že v súčasnosti je možné pomocou technológie digitálneho spracovania signálu (DSP) dokončiť sledovanie frekvencie, obnovu fázy nosiča, vyrovnávanie, synchronizáciu, sledovanie polarizácie a demultiplexovanie na prijímacej strane, čo výrazne zjednodušuje hardvérový návrh prijímača a zlepšuje schopnosť obnovy signálu.
Niektoré výzvy a úvahy, ktorým čelí vývoj technológie optickej komunikácie
Akademické kruhy a priemysel v podstate dosiahli limit spektrálnej účinnosti optických komunikačných systémov vďaka aplikácii rôznych technológií. Ďalšie zvyšovanie prenosovej kapacity je možné dosiahnuť iba zvýšením šírky pásma systému B (lineárne zvyšujúca sa kapacita) alebo zvýšením pomeru signálu k šumu. Konkrétna diskusia je nasledovná.
1. Riešenie na zvýšenie vysielacieho výkonu
Keďže nelineárny efekt spôsobený prenosom vysokého výkonu je možné znížiť vhodným zvýšením efektívnej plochy prierezu vlákna, riešením na zvýšenie výkonu je použitie viacvidového vlákna namiesto jednomódového vlákna na prenos. Okrem toho je v súčasnosti najbežnejším riešením nelineárnych efektov použitie algoritmu digitálneho spätného šírenia (DBP), ale zlepšenie výkonu algoritmu povedie k zvýšeniu výpočtovej zložitosti. Nedávny výskum technológie strojového učenia v nelineárnej kompenzácii ukázal dobrú aplikačnú perspektívu, ktorá výrazne znižuje zložitosť algoritmu, takže návrh systému DBP môže byť v budúcnosti podporený strojovým učením.
2. Zvýšte šírku pásma optického zosilňovača
Zvýšenie šírky pásma môže prekonať obmedzenia frekvenčného rozsahu EDFA. Okrem pásma C a pásma L je možné do aplikačného rozsahu zahrnúť aj pásmo S a na zosilnenie je možné použiť zosilňovač SOA alebo Ramanov zosilňovač. Existujúce optické vlákno má však veľké straty vo frekvenčných pásmach iných ako pásmo S a je potrebné navrhnúť nový typ optického vlákna, aby sa znížili straty prenosu. Pre ostatné pásma je však komerčne dostupná technológia optického zosilnenia tiež výzvou.
3. Výskum optických vlákien s nízkymi stratami prenosu
Výskum vlákien s nízkymi stratami pri prenose je jednou z najdôležitejších otázok v tejto oblasti. Duté vlákno (HCF) má potenciál znížiť straty pri prenose, čo zníži časové oneskorenie prenosu vlákna a môže do značnej miery eliminovať nelineárny problém vlákna.
4. Výskum technológií súvisiacich s priestorovým multiplexovaním
Technológia priestorového multiplexovania je efektívnym riešením na zvýšenie kapacity jedného vlákna. Konkrétne sa na prenos používa viacjadrové optické vlákno, pričom kapacita jedného vlákna sa zdvojnásobí. Hlavnou otázkou v tomto ohľade je, či existuje optický zosilňovač s vyššou účinnosťou, inak môže byť ekvivalentom iba viacerým jednojadrovým optickým vláknam; použitím technológie módového multiplexovania vrátane lineárneho polarizačného režimu, OAM lúča založeného na fázovej singularite a valcového vektorového lúča založeného na polarizačnej singularite môže byť takáto technológia. Lúčový multiplex poskytuje nový stupeň slobody a zlepšuje kapacitu optických komunikačných systémov. Má široké možnosti uplatnenia v technológii optickej komunikácie, ale výskum súvisiacich optických zosilňovačov je tiež výzvou. Okrem toho si pozornosť zaslúži aj to, ako vyvážiť zložitosť systému spôsobenú diferenciálnym skupinovým oneskorením módu a technológiou digitálneho vyrovnávania s viacerými vstupmi a viacerými výstupmi.
Perspektívy rozvoja technológie optickej komunikácie
Technológia optickej komunikácie sa vyvinula od pôvodného nízkorýchlostného prenosu až po súčasný vysokorýchlostný prenos a stala sa jednou z nosných technológií podporujúcich informačnú spoločnosť a vytvorila obrovskú disciplínu a sociálnu oblasť. V budúcnosti, s rastúcim dopytom spoločnosti po prenose informácií, sa optické komunikačné systémy a sieťové technológie budú vyvíjať smerom k ultraveľkej kapacite, inteligencii a integrácii. Popri zlepšovaní prenosového výkonu budú naďalej znižovať náklady, slúžiť živobytiu ľudí a pomáhať krajine budovať informačnú spoločnosť. Dôležitú úlohu zohráva CeiTa. CeiTa spolupracuje s mnohými organizáciami zaoberajúcimi sa prírodnými katastrofami, ktoré dokážu predpovedať regionálne bezpečnostné varovania, ako sú zemetrasenia, povodne a cunami. Stačí sa pripojiť k ONU CeiTa. V prípade prírodnej katastrofy vydá zemetrasná stanica včasné varovanie. Terminál pod ONU Alerts bude synchronizovaný.
(1) Inteligentná optická sieť
V porovnaní s bezdrôtovým komunikačným systémom sú optické komunikačné systémy a inteligentné optické siete stále v počiatočnom štádiu, čo sa týka konfigurácie siete, údržby siete a diagnostiky porúch, a stupeň inteligencie je nedostatočný. Vzhľadom na obrovskú kapacitu jedného vlákna bude mať akékoľvek zlyhanie vlákna veľký vplyv na ekonomiku a spoločnosť. Preto je monitorovanie sieťových parametrov veľmi dôležité pre vývoj budúcich inteligentných sietí. Medzi smery výskumu, ktorým je potrebné v tomto aspekte v budúcnosti venovať pozornosť, patria: systémy monitorovania systémových parametrov založené na zjednodušenej koherentnej technológii a strojovom učení, technológie monitorovania fyzikálnych veličín založenej na analýze koherentného signálu a fázovo citlivej optickej reflexii v časovej doméne.
(2) Integrovaná technológia a systém
Hlavným účelom integrácie zariadení je zníženie nákladov. V technológii optickej komunikácie je možné dosiahnuť vysokorýchlostný prenos signálov na krátke vzdialenosti prostredníctvom kontinuálnej regenerácie signálu. Avšak kvôli problémom s obnovou fázového a polarizačného stavu je integrácia koherentných systémov stále relatívne náročná. Okrem toho, ak sa podarí realizovať rozsiahly integrovaný opticko-elektrooptický systém, výrazne sa zlepší aj kapacita systému. Avšak kvôli faktorom, ako je nízka technická účinnosť, vysoká zložitosť a náročnosť integrácie, nie je možné v oblasti optickej komunikácie a spracovateľskej technológie široko propagovať plne optické signály, ako napríklad plne optické 2R (opätovné zosilnenie, pretvarovanie), 3R (opätovné zosilnenie, prečasovanie a pretvarovanie). Preto sú z hľadiska integračnej technológie a systémov budúce smery výskumu nasledovné: Hoci je existujúci výskum systémov priestorového multiplexovania relatívne bohatý, kľúčové komponenty systémov priestorového multiplexovania ešte nedosiahli technologický prelom v akademickej sfére a priemysle a je potrebné ďalšie posilnenie. Výskum, ako sú integrované lasery a modulátory, dvojrozmerné integrované prijímače, vysoko energeticky účinné integrované optické zosilňovače atď.; nové typy optických vlákien môžu výrazne rozšíriť šírku pásma systému, ale stále je potrebný ďalší výskum, aby sa zabezpečilo, že ich komplexný výkon a výrobné procesy dosiahnu existujúcu úroveň jednomódových vlákien; štúdium rôznych zariadení, ktoré je možné použiť s novým vláknom v komunikačnom spojení.
(3) Optické komunikačné zariadenia
V oblasti optických komunikačných zariadení dosiahol výskum a vývoj kremíkových fotonických zariadení prvé výsledky. V súčasnosti sa však domáci výskum zakladá najmä na pasívnych zariadeniach a výskum aktívnych zariadení je relatívne slabý. Pokiaľ ide o optické komunikačné zariadenia, budúce smery výskumu zahŕňajú: integračný výskum aktívnych zariadení a kremíkových optických zariadení; výskum integračnej technológie nekremíkových optických zariadení, ako napríklad výskum integračnej technológie materiálov a substrátov III-V; ďalší vývoj výskumu a vývoja nových zariadení. Následné aktivity, ako napríklad integrovaný optický vlnovod na báze niobátu lítia s výhodami vysokej rýchlosti a nízkej spotreby energie.
Čas uverejnenia: 03.08.2023
