Nie je to tak dávno, čo sa pomaly otváral polročný odpoveďový hárok pre spoločný rozvoj Hengqinu medzi Ču-chajom a Macaom. Pozornosť vzbudilo jedno z cezhraničných optických vlákien. Prešiel cez Zhuhai a Macao, aby sa zrealizovalo prepojenie výpočtovej sily a zdieľanie zdrojov z Macaa do Hengqinu a vybudoval sa informačný kanál. Šanghaj tiež podporuje projekt modernizácie a transformácie celovláknovej komunikačnej siete „optická do medenej zadnej časti“, aby sa zabezpečil vysokokvalitný ekonomický rozvoj a lepšie komunikačné služby pre obyvateľov.
S rýchlym rozvojom internetovej technológie sa dopyt používateľov po internetovej prevádzke každým dňom zvyšuje a ako zlepšiť kapacitu komunikácie s optickými vláknami sa stalo naliehavým problémom, ktorý treba vyriešiť.
Odkedy sa objavila komunikačná technológia s optickými vláknami, priniesla veľké zmeny v oblasti vedy a techniky a spoločnosti. Ako dôležitá aplikácia laserovej technológie, laserová informačná technológia reprezentovaná technológiou optických vlákien vybudovala rámec modernej komunikačnej siete a stala sa dôležitou súčasťou prenosu informácií. Komunikačná technológia optických vlákien je dôležitou nosnou silou súčasného sveta internetu 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, sú na výmenu a prenos informácií kladené vyššie nároky. Podľa výskumných údajov, ktoré spoločnosť Cisco zverejnila v roku 2019, sa celosvetová ročná IP prevádzka zvýši z 1,5 ZB (1 ZB = 1 021 B) v roku 2017 na 4,8 ZB v roku 2022 so zloženým ročným rastom o 26 %. Vzhľadom na rastúci trend vysokej prevádzky je komunikácia z optických vlákien ako najhlavnejšia časť komunikačnej siete pod obrovským tlakom na modernizáciu. Vysokorýchlostné, veľkokapacitné komunikačné systémy a siete z optických vlákien budú hlavným smerom vývoja komunikačných technológií s optickými vláknami.
História vývoja a stav výskumu komunikačnej technológie optických vlákien
Prvý rubínový laser bol vyvinutý v roku 1960 po objave, ako fungujú lasery Arthurom Showlowom a Charlesom Townesom v roku 1958. Potom, v roku 1970, bol úspešne vyvinutý prvý polovodičový laser AlGaAs schopný nepretržitej prevádzky pri izbovej teplote a v roku 1977, polovodičový laser bol realizovaný tak, aby nepretržite pracoval desiatky tisíc hodín v praktickom prostredí.
Lasery majú zatiaľ predpoklady na komerčnú komunikáciu optických vlákien. Od začiatku vynálezu lasera si vynálezcovia uvedomovali jeho dôležité potenciálne využitie v oblasti komunikácie. V laserovej komunikačnej technológii sú však dva zjavné nedostatky: jedným je, že sa stratí veľké množstvo energie v dôsledku divergencie laserového lúča; druhou je, že je značne ovplyvnená prostredím aplikácie, napríklad aplikácia v atmosférickom prostredí bude výrazne podliehať zmenám poveternostných podmienok. Pre laserovú komunikáciu je preto veľmi dôležitý vhodný optický vlnovod.
Optické vlákno používané na komunikáciu navrhnuté Dr. Kao Kungom, nositeľom Nobelovej ceny za fyziku, spĺňa potreby laserovej komunikačnej technológie pre vlnovody. Navrhol, že Rayleighova rozptylová strata skleneného optického vlákna môže byť veľmi nízka (menej ako 20 dB/km) a strata energie v optickom vlákne pochádza hlavne z absorpcie svetla nečistotami v sklenených materiáloch, takže čistenie materiálu je kľúčom. na zníženie straty optického vlákna Key, a tiež poukázal na to, že prenos v jednom režime je dôležitý na udržanie dobrého komunikačného výkonu.
V roku 1970 vyvinula spoločnosť Corning Glass Company multimódové optické vlákno na báze kremeňa so stratou asi 20 dB/km podľa návrhu Dr. Kao na čistenie, vďaka čomu sa optické vlákno stalo realitou pre komunikačné prenosové médiá. Po neustálom výskume a vývoji sa strata optických vlákien na báze kremeňa priblížila k teoretickému limitu. Podmienky komunikácie optických vlákien sú zatiaľ plne splnené.
Všetky skoré komunikačné systémy s optickými vláknami prijali metódu priamej detekcie. Ide o relatívne jednoduchý spôsob komunikácie s optickými vláknami. PD je detektor so štvorcovým zákonom a je možné detegovať iba intenzitu optického signálu. Tento spôsob príjmu priamej detekcie pokračoval od prvej generácie komunikačnej technológie s optickými vláknami v 70. rokoch 20. storočia do začiatku 90. rokov 20. storočia.
Aby sme zvýšili využitie spektra v rámci šírky pásma, musíme začať z dvoch aspektov: jedným je použiť technológiu na priblíženie sa k Shannonovmu limitu, ale zvýšenie účinnosti spektra zvýšilo požiadavky na pomer telekomunikácií k šumu, čím sa znížil prenosová vzdialenosť; druhým je plné využitie fázy, Na prenos sa využíva informačná kapacita polarizačného stavu, čo je koherentný optický komunikačný systém druhej generácie.
Druhá generácia koherentného optického komunikačného systému využíva optický mixér na intradynovú detekciu a prijíma polarizačný diverzitný príjem, to znamená, že na prijímacom konci sa signálne svetlo a svetlo lokálneho oscilátora rozložia na dva lúče svetla, ktorých stavy polarizácie sú ortogonálne. navzájom. Týmto spôsobom možno dosiahnuť príjem necitlivý na polarizáciu. Okrem toho je potrebné zdôrazniť, že sledovanie frekvencie, obnova nosnej fázy, ekvalizácia, synchronizácia, sledovanie polarizácie a demultiplexovanie na prijímacom konci môžu byť dokončené technológiou digitálneho spracovania signálu (DSP), ktorá výrazne zjednodušuje hardvér. dizajn prijímača a vylepšená schopnosť obnovy signálu.
Niektoré výzvy a úvahy, ktorým čelí vývoj komunikačnej technológie s optickými vláknami
Aplikáciou rôznych technológií sa akademické kruhy a priemysel v podstate dostali na hranicu spektrálnej účinnosti optického komunikačného systému. Pokračovať v zvyšovaní prenosovej kapacity je možné dosiahnuť len zvýšením šírky pásma systému B (lineárne zvyšovanie kapacity) alebo zvýšením pomeru signálu k šumu. Konkrétna diskusia je nasledovná.
1. Riešenie na zvýšenie vysielacieho výkonu
Keďže nelineárny efekt spôsobený prenosom vysokého výkonu možno znížiť správnym zväčšením efektívnej plochy prierezu vlákna, je riešením na zvýšenie výkonu použiť na prenos vlákno s niekoľkými režimami namiesto vlákna s jedným režimom. Okrem toho je súčasným najbežnejším riešením nelineárnych efektov použitie algoritmu digitálneho spätného šírenia (DBP), ale zlepšenie výkonu algoritmu povedie k zvýšeniu výpočtovej zložitosti. Nedávno výskum technológie strojového učenia v nelineárnej kompenzácii ukázal dobrú perspektívu aplikácie, čo výrazne znižuje zložitosť algoritmu, takže pri návrhu systému DBP môže v budúcnosti pomôcť strojové učenie.
2. Zvýšte šírku pásma optického zosilňovača
Zvýšenie šírky pásma môže prelomiť obmedzenie frekvenčného rozsahu EDFA. Okrem C-pásma a L-pásma možno do aplikačného rozsahu zaradiť aj S-pásmo a na zosilnenie použiť SOA alebo Ramanov zosilňovač. Existujúce optické vlákno má však veľkú stratu v iných frekvenčných pásmach ako v pásme S a je potrebné navrhnúť nový typ optického vlákna na zníženie prenosových strát. Ale pre zvyšok pásiem je výzvou aj komerčne dostupná technológia optického zosilnenia.
3. Výskum optických vlákien s nízkou prenosovou stratou
Výskum vlákna s nízkou prenosovou stratou je jednou z najdôležitejších otázok v tejto oblasti. Duté jadrové vlákno (HCF) má možnosť nižšej prenosovej straty, čo zníži časové oneskorenie prenosu vlákna a môže do značnej miery eliminovať nelineárny problém vlákna.
4. Výskum technológií súvisiacich s multiplexovaním s delením vesmíru
Technológia Space-division multiplexing je efektívnym riešením na zvýšenie kapacity jedného vlákna. Konkrétne sa na prenos používa viacjadrové optické vlákno a kapacita jedného vlákna sa zdvojnásobí. Hlavnou otázkou v tomto ohľade je, či existuje optický zosilňovač s vyššou účinnosťou. , inak môže byť ekvivalentný iba viacerým jednojadrovým optickým vláknam; pomocou technológie multiplexovania s delením režimov vrátane režimu lineárnej polarizácie, lúča OAM založeného na fázovej singularite a cylindrického vektorového lúča založeného na singularite polarizácie môže byť takáto technológia multiplexovanie lúčov poskytuje nový stupeň voľnosti a zlepšuje kapacitu optických komunikačných systémov. Má široké uplatnenie v komunikačnej technológii optických vlákien, ale výzvou je aj výskum súvisiacich optických zosilňovačov. Pozornosť si okrem toho zaslúži aj to, ako vyvážiť zložitosť systému spôsobenú skupinovým oneskorením diferenciálneho režimu a technológiou digitálnej ekvalizácie s viacerými vstupmi a viacerými výstupmi.
Perspektívy rozvoja komunikačnej technológie optických vlákien
Komunikačná technológia optických vlákien sa vyvinula z počiatočného nízkorýchlostného prenosu na súčasný vysokorýchlostný prenos a stala sa jednou z nosných technológií podporujúcich informačnú spoločnosť a vytvorila obrovskú disciplínu a sociálne pole. V budúcnosti, keď sa dopyt spoločnosti po prenose informácií neustále zvyšuje, komunikačné systémy s optickými vláknami a sieťové technológie sa budú vyvíjať smerom k ultra veľkej kapacite, inteligencii a integrácii. Pri zlepšovaní prenosového výkonu budú naďalej znižovať náklady a slúžiť ľuďom na živobytie a pomáhať krajine budovať informácie. spoločnosť zohráva dôležitú úlohu. CeiTa spolupracovala s množstvom organizácií pre prírodné katastrofy, ktoré dokážu predpovedať regionálne bezpečnostné varovania, ako sú zemetrasenia, záplavy a cunami. Stačí ho pripojiť k ONU CeiTa. Keď dôjde k prírodnej katastrofe, stanica pre zemetrasenie vydá včasné varovanie. Terminál pod výstrahami ONU bude synchronizovaný.
(1) Inteligentná optická sieť
V porovnaní s bezdrôtovým komunikačným systémom je optický komunikačný systém a sieť inteligentnej optickej siete stále v počiatočnom štádiu z hľadiska konfigurácie siete, údržby siete a diagnostiky porúch a stupeň inteligencie je nedostatočný. Vzhľadom na obrovskú kapacitu jedného vlákna bude mať výskyt akéhokoľvek zlyhania vlákna veľký dopad na ekonomiku a spoločnosť. Preto je sledovanie parametrov siete veľmi dôležité pre rozvoj budúcich inteligentných sietí. Medzi smery výskumu, ktorým je potrebné v tomto aspekte v budúcnosti venovať pozornosť, patrí: systém monitorovania parametrov systému založený na zjednodušenej koherentnej technológii a strojovom učení, technológia monitorovania fyzikálnych veličín na báze koherentnej analýzy signálov a fázovo citlivá optická reflexia v časovej oblasti.
(2) Integrovaná technológia a systém
Hlavným účelom integrácie zariadení je zníženie nákladov. V komunikačnej technológii s optickými vláknami môže byť vysokorýchlostný prenos signálov na krátku vzdialenosť realizovaný nepretržitou regeneráciou signálu. Avšak kvôli problémom s fázovým a polarizačným obnovením stavu je integrácia koherentných systémov stále pomerne náročná. Okrem toho, ak sa podarí realizovať rozsiahly integrovaný opticko-elektricko-optický systém, výrazne sa zlepší aj kapacita systému. Avšak kvôli faktorom, ako je nízka technická efektívnosť, vysoká zložitosť a ťažkosti s integráciou, nie je možné široko propagovať celooptické signály, ako je napríklad plne optické 2R (opätovné zosilnenie, pretvarovanie), 3R (opätovné zosilnenie). , re-timing a re-shaping) v oblasti optických komunikácií. technológie spracovania. Z hľadiska integračnej technológie a systémov sú preto budúce smery výskumu nasledovné: Hoci existujúci výskum systémov multiplexovania s vesmírnym delením je pomerne bohatý, kľúčové komponenty systémov multiplexovania s vesmírnym delením ešte nedosiahli technologický prelom v akademickej obci a priemysle, a je potrebné ďalšie posilnenie. Výskum, ako sú integrované lasery a modulátory, dvojrozmerné integrované prijímače, vysokoenergetické 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 môžu dosiahnuť existujúcu úroveň vlákna s jedným režimom; študovať rôzne zariadenia, ktoré možno použiť s novým vláknom v komunikačnom spojení.
(3) Optické komunikačné zariadenia
V optických komunikačných zariadeniach dosiahol výskum a vývoj kremíkových fotonických zariadení prvé výsledky. V súčasnosti je však domáci výskum založený 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 je výskum integračnej technológie III-V materiálov a substrátov; ďalší rozvoj výskumu a vývoja nových zariadení. Následné, ako je integrovaný lítium-niobátový optický vlnovod s výhodami vysokej rýchlosti a nízkej spotreby energie.
Čas uverejnenia: august-03-2023
