Нещодавно повільно розгортався відповідний лист на півріччя щодо спільного розвитку Хенціня між Чжухаєм та Макао. Одне з транскордонних оптичних волокон привернуло увагу. Воно проходило через Чжухай та Макао для реалізації взаємозв'язку обчислювальної потужності та спільного використання ресурсів між Макао та Хенцінем, а також для будівництва інформаційного каналу. Шанхай також просуває проект модернізації та трансформації повністю оптоволоконної комунікаційної мережі "з оптичного на мідний кабель" для забезпечення високоякісного економічного розвитку та покращення комунікаційних послуг для мешканців.
Зі швидким розвитком інтернет-технологій попит користувачів на інтернет-трафік зростає з кожним днем, тому підвищення пропускної здатності волоконно-оптичного зв'язку стало нагальною проблемою, яку необхідно вирішити.
З моменту появи технології волоконно-оптичного зв'язку відбулися значні зміни в галузі науки, техніки та суспільства. Як важливе застосування лазерної технології, лазерна інформаційна технологія, представлена технологією волоконно-оптичного зв'язку, побудувала основу сучасної комунікаційної мережі та стала важливою частиною передачі інформації. Технологія волоконно-оптичного зв'язку є важливою несучою силою сучасного світу Інтернету, а також однією з основних технологій інформаційної епохи.
Зі постійною появою різних нових технологій, таких як Інтернет речей, великі дані, віртуальна реальність, штучний інтелект (ШІ), мобільний зв'язок п'ятого покоління (5G) та інші технології, висуваються підвищені вимоги до обміну та передачі інформації. Згідно з дослідницькими даними, опублікованими Cisco у 2019 році, світовий річний IP-трафік зросте з 1,5 ЗБ (1 ЗБ = 1021 Б) у 2017 році до 4,8 ЗБ у 2022 році, зі сукупним річним темпом зростання 26%. Зіткнувшись із тенденцією зростання високого трафіку, волоконно-оптичний зв'язок, як найважливіша частина комунікаційної мережі, перебуває під величезним тиском щодо модернізації. Високошвидкісні системи та мережі оптичного волоконного зв'язку великої ємності будуть основним напрямком розвитку технології волоконно-оптичного зв'язку.
Історія розвитку та стан досліджень технології волоконно-оптичного зв'язку
Перший рубіновий лазер був розроблений у 1960 році, після того, як Артур Шоулоу та Чарльз Таунс у 1958 році відкрили принцип роботи лазерів. Потім, у 1970 році, був успішно розроблений перший напівпровідниковий лазер на основі AlGaAs, здатний безперервно працювати за кімнатної температури, а в 1977 році напівпровідниковий лазер був реалізований для безперервної роботи протягом десятків тисяч годин у практичних умовах.
Наразі лазери мають передумови для комерційного волоконно-оптичного зв'язку. З самого початку винаходу лазера винахідники усвідомлювали його важливий потенціал застосування в галузі зв'язку. Однак, технології лазерного зв'язку мають два очевидні недоліки: перший полягає в тому, що велика кількість енергії втрачається через розбіжність лазерного променя; інший полягає в тому, що на неї значно впливає середовище застосування, наприклад, застосування в атмосферному середовищі буде значною мірою схильне до змін погодних умов. Тому для лазерного зв'язку дуже важливий відповідний оптичний хвилевід.
Оптичне волокно, що використовується для зв'язку, запропоноване доктором Као Кунгом, лауреатом Нобелівської премії з фізики, відповідає потребам лазерної комунікаційної технології для хвилеводів. Він припустив, що втрати релеївського розсіювання у скляному оптичному волокні можуть бути дуже низькими (менше 20 дБ/км), а втрати потужності в оптичному волокні в основному пов'язані з поглинанням світла домішками у скляних матеріалах, тому очищення матеріалу є ключем до зменшення втрат в оптичному волокні, а також зазначив, що одномодова передача важлива для підтримки хорошої продуктивності зв'язку.
У 1970 році компанія Corning Glass розробила багатомодове оптичне волокно на основі кварцу з втратами близько 20 дБ/км, згідно з пропозицією доктора Као щодо очищення, що зробило оптичне волокно реальністю для засобів передачі зв'язку. Після постійних досліджень і розробок втрати в оптичних волокнах на основі кварцу наблизилися до теоретичної межі. Наразі умови волоконно-оптичного зв'язку повністю задоволені.
Ранні системи волоконно-оптичного зв'язку використовували метод прийому з прямим детектуванням. Це відносно простий метод волоконно-оптичного зв'язку. Частота діоксиду чорного кольору (PD) є квадратичним детектором, і може бути виявлена лише інтенсивність оптичного сигналу. Цей метод прийому з прямим детектуванням продовжував використовуватися з першого покоління технології волоконно-оптичного зв'язку в 1970-х до початку 1990-х років.
Щоб збільшити використання спектру в межах пропускної здатності, нам потрібно почати з двох аспектів: перший - використовувати технологію для наближення до межі Шеннона, але збільшення ефективності використання спектру збільшило вимоги до співвідношення телекомунікацій до шуму, тим самим зменшуючи дальність передачі; інший - повне використання фази, тобто інформаційна ємність поляризаційного стану використовується для передачі, що є когерентною оптичною системою зв'язку другого покоління.
Когерентна оптична система зв'язку другого покоління використовує оптичний змішувач для внутрішньодинного виявлення та приймає поляризаційне рознесення, тобто на приймальному кінці сигнальне світло та світло гетеродина розкладаються на два промені світла, стани поляризації яких ортогональні один одному. Таким чином, можна досягти поляризаційно-нечутливого прийому. Крім того, слід зазначити, що в цей час відстеження частоти, відновлення фази несучої, вирівнювання, синхронізація, відстеження поляризації та демультиплексування на приймальному кінці можуть бути виконані за допомогою технології цифрової обробки сигналів (DSP), що значно спрощує апаратну конструкцію приймача та покращує можливості відновлення сигналу.
Деякі проблеми та міркування, що стоять перед розвитком технології волоконно-оптичного зв'язку
Завдяки застосуванню різних технологій, академічні кола та промисловість фактично досягли межі спектральної ефективності волоконно-оптичних систем зв'язку. Подальше збільшення пропускної здатності передачі може бути досягнуто лише шляхом збільшення пропускної здатності системи B (лінійно зростаючої пропускної здатності) або збільшення співвідношення сигнал/шум. Конкретне обговорення полягає в наступному.
1. Рішення для збільшення потужності передачі
Оскільки нелінійний ефект, спричинений передачею високої потужності, можна зменшити шляхом належного збільшення ефективної площі поперечного перерізу волокна, рішенням для збільшення потужності є використання маломодового волокна замість одномодового для передачі. Крім того, найпоширенішим наразі рішенням нелінійних ефектів є використання алгоритму цифрового зворотного поширення (DBP), але покращення продуктивності алгоритму призведе до збільшення обчислювальної складності. Нещодавні дослідження технології машинного навчання в галузі нелінійної компенсації показали хороші перспективи застосування, що значно зменшує складність алгоритму, тому машинне навчання може бути використане в майбутньому для розробки системи DBP.
2. Збільшення пропускної здатності оптичного підсилювача
Збільшення пропускної здатності може подолати обмеження частотного діапазону EDFA. Окрім C-діапазону та L-діапазону, S-діапазон також може бути включений до діапазону застосування, а для посилення можна використовувати SOA або підсилювач Рамана. Однак існуюче оптичне волокно має великі втрати в діапазонах частот, відмінних від S-діапазону, і необхідно розробити новий тип оптичного волокна для зменшення втрат передачі. Але для решти діапазонів комерційно доступна технологія оптичного посилення також є проблемою.
3. Дослідження оптичного волокна з низькими втратами при передачі
Дослідження оптоволокна з низькими втратами при передачі є одним з найважливіших питань у цій галузі. Порожнисте волокно (HCF) має потенціал для зниження втрат при передачі, що зменшить затримку передачі волокон та може значною мірою усунути проблему нелінійності оптоволокна.
4. Дослідження технологій, пов'язаних з просторовим мультиплексуванням
Технологія просторового мультиплексування (ПРМ) є ефективним рішенням для збільшення ємності одного волокна. Зокрема, для передачі використовується багатожильне оптичне волокно, що подвоює ємність одного волокна. Основне питання в цьому відношенні полягає в тому, чи існує оптичний підсилювач з вищою ефективністю, інакше він може бути еквівалентний лише кільком одножильним оптичним волокнам; використання технології просторового мультиплексування, включаючи лінійну поляризацію, промінь OAM на основі фазової сингулярності та циліндричний векторний промінь на основі поляризаційної сингулярності, може бути таким. Проміневе мультиплексування забезпечує новий ступінь свободи та покращує ємність оптичних комунікаційних систем. Воно має широкі перспективи застосування в технології волоконно-оптичного зв'язку, але дослідження пов'язаних оптичних підсилювачів також є проблемою. Крім того, варто також звернути увагу на те, як збалансувати складність системи, спричинену диференціальною груповою затримкою мод та технологією цифрового вирівнювання з кількома входами та кількома виходами.
Перспективи розвитку технології волоконно-оптичного зв'язку
Технологія волоконно-оптичного зв'язку пройшла шлях від початкової низькошвидкісної передачі до сучасної високошвидкісної передачі та стала однією з основних технологій підтримки інформаційного суспільства, сформувавши величезну дисципліну та соціальну сферу. У майбутньому, оскільки попит суспільства на передачу інформації продовжує зростати, системи волоконно-оптичного зв'язку та мережеві технології розвиватимуться в напрямку надвеликої ємності, інтелекту та інтеграції. Покращуючи продуктивність передачі, вони продовжуватимуть знижувати витрати, служитимуть засобам існування людей і допомагатимуть країні будувати інформаційне суспільство. CeiTa співпрацює з низкою організацій, що займаються стихійними лихами, які можуть прогнозувати регіональні попередження про безпеку, такі як землетруси, повені та цунамі. Потрібно лише підключитися до ONU CeiTa. У разі стихійного лиха сейсмостанція видасть раннє попередження. Термінал під оповіщенням ONU буде синхронізовано.
(1) Інтелектуальна оптична мережа
Порівняно з бездротовою системою зв'язку, оптична система зв'язку та мережа інтелектуальної оптичної мережі все ще перебувають на початковій стадії з точки зору конфігурації мережі, обслуговування мережі та діагностики несправностей, а рівень інтелекту є недостатнім. Через величезну ємність одного волокна, виникнення будь-якого відмови волокна матиме великий вплив на економіку та суспільство. Тому моніторинг параметрів мережі є дуже важливим для розвитку майбутніх інтелектуальних мереж. Напрямки досліджень, на які необхідно звернути увагу в цьому аспекті в майбутньому, включають: систему моніторингу параметрів системи на основі спрощеної когерентної технології та машинного навчання, технологію моніторингу фізичних величин на основі когерентного аналізу сигналів та фазочутливого оптичного відбиття в часовій області.
(2) Інтегрована технологія та система
Основною метою інтеграції пристроїв є зниження витрат. У технології волоконно-оптичного зв'язку високошвидкісна передача сигналів на короткі відстані може бути реалізована за допомогою безперервної регенерації сигналу. Однак через проблеми відновлення фазового та поляризаційного стану інтеграція когерентних систем все ще є відносно складною. Крім того, якщо можна реалізувати великомасштабну інтегровану оптико-електрооптичну систему, пропускна здатність системи також значно покращиться. Однак через такі фактори, як низька технічна ефективність, висока складність та труднощі інтеграції, неможливо широко просувати повністю оптичні сигнали, такі як повністю оптичні 2R (повторне посилення, переформування), 3R (повторне посилення, пересинхронізація та переформування) в галузі технології обробки оптичного зв'язку. Тому, з точки зору технології та систем інтеграції, майбутні напрямки досліджень такі: Хоча існуючі дослідження систем просторового мультиплексування є відносно багатими, ключові компоненти систем просторового мультиплексування ще не досягли технологічних проривів в академічних колах та промисловості, і необхідне подальше зміцнення. Дослідження, такі як інтегровані лазери та модулятори, двовимірні інтегровані приймачі, високоенергоефективні інтегровані оптичні підсилювачі тощо; нові типи оптичних волокон можуть значно розширити пропускну здатність системи, але все ще потрібні подальші дослідження, щоб гарантувати, що їх комплексна продуктивність та виробничі процеси можуть досягти існуючого рівня одномодового волокна; вивчення різних пристроїв, які можна використовувати з новим волокном у каналі зв'язку.
(3) Пристрої оптичного зв'язку
У сфері оптичних комунікаційних пристроїв дослідження та розробки кремнієвих фотонних пристроїв досягли перших результатів. Однак наразі вітчизняні дослідження в основному базуються на пасивних пристроях, а дослідження активних пристроїв є відносно слабкими. Що стосується оптичних комунікаційних пристроїв, то майбутні напрямки досліджень включають: дослідження інтеграції активних пристроїв та кремнієвих оптичних пристроїв; дослідження технології інтеграції некремнієвих оптичних пристроїв, таких як дослідження технології інтеграції матеріалів III-V групи та підкладок; подальший розвиток досліджень та розробок нових пристроїв. Подальші дослідження, такі як інтегрований оптичний хвилевід на основі ніобату літію з перевагами високої швидкості та низького енергоспоживання.
Час публікації: 03 серпня 2023 р.
