Нещодавно повільно розгортався піврічний аркуш відповідей щодо спільного розвитку Hengqin між Чжухаєм і Макао. Привернуло увагу одне з транскордонних оптоволокон. Він пройшов через Чжухай і Макао, щоб реалізувати взаємозв’язок обчислювальної потужності та спільне використання ресурсів від Макао до Хенгкінь, а також створити інформаційний канал. Шанхай також просуває проект модернізації та перетворення повністю волоконної мережі зв’язку «оптична мережа в мідну» для забезпечення високоякісного економічного розвитку та кращих послуг зв’язку для жителів.
Зі швидким розвитком Інтернет-технологій попит користувачів на Інтернет-трафік зростає з кожним днем, тому як покращити пропускну здатність оптоволоконного зв’язку стало актуальною проблемою, яку потрібно вирішити.
З моменту появи волоконно-оптичних комунікаційних технологій вони спричинили серйозні зміни в галузі науки, техніки та суспільства. Будучи важливим застосуванням лазерної технології, лазерна інформаційна технологія, представлена технологією зв’язку з оптичним волокном, створила основу сучасної мережі зв’язку та стала важливою частиною передачі інформації. Оптоволоконна комунікаційна технологія є важливою несучою силою сучасного світу Інтернету, а також однією з основних технологій інформаційної ери.
З постійним появою різноманітних нових технологій, таких як Інтернет речей, великі дані, віртуальна реальність, штучний інтелект (AI), мобільний зв’язок п’ятого покоління (5G) та інші технології, до обміну та передачі інформації пред’являються все більші вимоги. Згідно з даними дослідження, оприлюдненими компанією Cisco у 2019 році, глобальний річний IP-трафік зросте з 1,5 ZB (1ZB=1021B) у 2017 році до 4,8 ZB у 2022 році, із загальним річним темпом зростання на 26%. Зіткнувшись із тенденцією зростання високого трафіку, оптоволоконний зв’язок, як найбільш магістральна частина комунікаційної мережі, перебуває під величезним тиском для оновлення. Високошвидкісні волоконно-оптичні системи та мережі зв’язку з великою пропускною здатністю стануть основним напрямком розвитку технології оптоволоконного зв’язку.
Історія розвитку та статус досліджень волоконно-оптичних комунікаційних технологій
Перший рубіновий лазер був розроблений у 1960 році після того, як у 1958 році Артур Шолоу та Чарльз Таунс відкрили принцип роботи лазерів. Потім, у 1970 році, був успішно розроблений перший напівпровідниковий лазер на AlGaAs, здатний безперервно працювати при кімнатній температурі, а в 1977 році Було реалізовано можливість безперервної роботи напівпровідникового лазера протягом десятків тисяч годин у практичному середовищі.
Поки що лазери мають передумови для комерційного оптоволоконного зв'язку. З самого початку винаходу лазера винахідники визнали його важливе потенційне застосування в галузі зв’язку. Однак у технології лазерного зв’язку є два очевидних недоліки: один полягає в тому, що велика кількість енергії буде втрачено через розбіжність лазерного променя; інший полягає в тому, що на нього сильно впливає середовище застосування, наприклад, застосування в атмосферному середовищі значною мірою залежатиме від змін погодних умов. Тому для лазерного зв'язку дуже важливий відповідний оптичний хвилевід.
Оптичне волокно, яке використовується для зв’язку, запропоноване доктором Као Кунгом, лауреатом Нобелівської премії з фізики, відповідає потребам технології лазерного зв’язку для хвилеводів. Він припустив, що втрати релеївського розсіювання скляного оптичного волокна можуть бути дуже низькими (менше 20 дБ/км), а втрати потужності в оптичному волокні в основному походять від поглинання світла домішками в скляних матеріалах, тому очищення матеріалу є ключовим. для зменшення втрат оптичного волокна Key, а також зазначив, що одномодове передавання є важливим для підтримки високої продуктивності зв’язку.
У 1970 році компанія Corning Glass Company розробила багатомодове оптичне волокно на основі кварцу з втратою близько 20 дБ/км згідно з пропозицією очищення доктора Као, що зробило оптичне волокно реальністю для засобів передачі даних. Після постійних досліджень і розробок втрати оптичних волокон на основі кварцу наблизилися до теоретичної межі. Наразі умови оптоволоконного зв'язку виконані повністю.
Ранні оптоволоконні системи зв’язку приймали метод прямого виявлення. Це відносно простий метод зв'язку по оптоволокну. PD є квадратичним детектором, і можна визначити лише інтенсивність оптичного сигналу. Цей метод прийому з прямим виявленням продовжувався з першого покоління технології оптоволоконного зв’язку в 1970-х до початку 1990-х років.
Щоб підвищити використання спектра в межах смуги пропускання, нам потрібно виходити з двох аспектів: один полягає в тому, щоб використовувати технологію для наближення до межі Шеннона, але підвищення ефективності використання спектру збільшило вимоги до співвідношення телекомунікацій до шуму, тим самим зменшивши відстань передачі; інший полягає в повному використанні фази. Інформаційна пропускна здатність стану поляризації використовується для передачі, що є когерентною оптичною системою зв’язку другого покоління.
Система когерентного оптичного зв’язку другого покоління використовує оптичний змішувач для внутрішньодинного детектування та приймає поляризаційний рознесений прийом, тобто на приймальному кінці сигнальне світло та світло гетеродина розкладаються на два пучки світла, стани поляризації яких ортогональні. один одному. Таким чином можна досягти поляризаційно-нечутливого прийому. Крім того, слід зазначити, що в даний час відстеження частоти, відновлення фази несучої, вирівнювання, синхронізація, відстеження поляризації та демультиплексування на приймальному кінці можуть бути виконані за допомогою технології цифрової обробки сигналу (DSP), яка значно спрощує апаратне забезпечення. конструкція приймача та покращена здатність відновлення сигналу.
Деякі виклики та міркування, що стоять перед розробкою волоконно-оптичних комунікаційних технологій
Завдяки застосуванню різних технологій наукові кола та промисловість досягли межі спектральної ефективності волоконно-оптичної системи зв’язку. Щоб продовжувати збільшувати пропускну здатність передачі, цього можна досягти лише шляхом збільшення смуги пропускання B системи (лінійне збільшення пропускної здатності) або збільшення відношення сигнал/шум. Конкретна дискусія полягає в наступному.
1. Рішення для збільшення потужності передачі
Оскільки нелінійний ефект, викликаний високою потужністю передачі, можна зменшити шляхом належного збільшення ефективної площі поперечного перерізу волокна, рішенням для збільшення потужності є використання маломодового волокна замість одномодового волокна для передачі. Крім того, наразі найпоширенішим рішенням нелінійних ефектів є використання алгоритму цифрового зворотного поширення (DBP), але покращення продуктивності алгоритму призведе до збільшення обчислювальної складності. Нещодавно дослідження технології машинного навчання в області нелінійної компенсації показали гарну перспективу застосування, що значно зменшує складність алгоритму, тому машинне навчання в майбутньому може сприяти розробці системи DBP.
2. Збільшити смугу пропускання оптичного підсилювача
Збільшення смуги пропускання може пробити обмеження частотного діапазону EDFA. На додаток до C-діапазону та L-діапазону, S-діапазон також може бути включений до діапазону застосування, а для підсилення можна використовувати підсилювач SOA або Raman. Однак існуюче оптичне волокно має великі втрати в діапазонах частот, відмінних від S-діапазону, і необхідно розробити новий тип оптичного волокна, щоб зменшити втрати при передачі. Але для решти діапазонів комерційно доступна технологія оптичного підсилення також є проблемою.
3. Дослідження оптичного волокна з низькими втратами передачі
Дослідження оптоволокна з низькими втратами передачі є одним із найважливіших питань у цій галузі. Оптоволокно з порожнистим сердечником (HCF) має можливість менших втрат при передачі, що зменшить час затримки передачі волокна та може значною мірою усунути нелінійну проблему волокна.
4. Дослідження пов'язаних з космічним мультиплексуванням технологій
Технологія просторового мультиплексування є ефективним рішенням для збільшення пропускної здатності одного волокна. Зокрема, для передачі використовується багатожильне оптичне волокно, а пропускна здатність одного волокна подвоюється. Основне питання в цьому відношенні полягає в тому, чи існує більш ефективний оптичний підсилювач. , інакше це може бути еквівалентним лише кільком одножильним оптичним волокнам; Використовуючи технологію мультиплексування з поділом мод, включаючи режим лінійної поляризації, промінь OAM на основі сингулярності фази та циліндричний векторний промінь на основі сингулярності поляризації, така технологія може бути Мультиплексування променів забезпечує новий ступінь свободи та покращує пропускну здатність систем оптичного зв’язку. Він має широкі перспективи застосування в волоконно-оптичних комунікаційних технологіях, але дослідження відповідних оптичних підсилювачів також є проблемою. Крім того, заслуговує на увагу те, як збалансувати складність системи, спричинену груповою затримкою в диференціальному режимі та технологією цифрового вирівнювання з кількома входами та кількома виходами.
Перспективи розвитку волоконно-оптичних комунікаційних технологій
Технологія оптичного волокна зв’язку розвинулась від початкової низькошвидкісної передачі до поточної високошвидкісної передачі та стала однією з основних технологій, що підтримують інформаційне суспільство, і сформувала величезну дисципліну та соціальне поле. У майбутньому, оскільки попит суспільства на передачу інформації продовжує зростати, волоконно-оптичні системи зв’язку та мережеві технології розвиватимуться до надвеликої ємності, інтелекту та інтеграції. Покращуючи продуктивність передачі, вони продовжуватимуть знижувати витрати та служити людям для існування та допомагати країні створювати інформацію. суспільство відіграє важливу роль. CeiTa співпрацює з низкою організацій із стихійних лих, які можуть прогнозувати регіональні попередження про безпеку, такі як землетруси, повені та цунамі. Його потрібно лише підключити до ONU CeiTa. Коли станеться стихійне лихо, станція землетрусів видасть раннє попередження. Термінал під повідомленнями ONU буде синхронізовано.
(1) Інтелектуальна оптична мережа
У порівнянні з системою бездротового зв’язку система оптичного зв’язку та мережа інтелектуальної оптичної мережі все ще знаходяться на початковій стадії щодо конфігурації мережі, обслуговування мережі та діагностики несправностей, а ступінь інтелекту недостатній. Через величезну пропускну здатність одного волокна поява будь-якого збою волокна матиме великий вплив на економіку та суспільство. Тому моніторинг параметрів мережі є дуже важливим для розвитку майбутніх інтелектуальних мереж. До напрямів досліджень, яким необхідно приділити увагу в цьому аспекті в майбутньому, належать: система моніторингу параметрів системи на основі спрощеної когерентної технології та машинного навчання, технологія моніторингу фізичних величин на основі когерентного аналізу сигналу та фазочутливого оптичного відбиття у часовій області.
(2) Інтегрована технологія та система
Основною метою інтеграції пристрою є зниження витрат. У технології оптоволоконного зв'язку високошвидкісна передача сигналів на короткі відстані може бути реалізована шляхом безперервної регенерації сигналу. Однак через проблеми відновлення стану фази та поляризації інтеграція когерентних систем все ще є відносно важкою. Крім того, якщо вдасться реалізувати великомасштабну інтегровану оптико-електро-оптичну систему, потужність системи також буде значно покращена. Однак через такі фактори, як низька технічна ефективність, висока складність і складність інтеграції, неможливо широко просувати повністю оптичні сигнали, такі як повністю оптичні 2R (повторне посилення, зміна форми), 3R (повторне посилення). , повторне визначення часу та переформатування) у сфері оптичних комунікацій. технологія обробки. Таким чином, з точки зору технологій інтеграції та систем, майбутні напрямки досліджень такі: хоча існуючі дослідження систем мультиплексування з просторовим розділенням є відносно багатими, ключові компоненти систем мультиплексування з просторовим розділенням ще не досягли технологічного прориву в наукових колах та промисловості, і потребує подальшого 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 необхідні подальші дослідження, щоб переконатися, що їх всеосяжна продуктивність і виробничі процеси можуть досягти існуючого одномодового рівня волокна; вивчити різні пристрої, які можна використовувати з новим волокном у лінії зв’язку.
(3) Пристрої оптичного зв'язку
У пристроях оптичного зв’язку дослідження та розробка кремнієвих фотонних пристроїв досягли початкових результатів. Однак наразі вітчизняні пов’язані дослідження в основному базуються на пасивних пристроях, а дослідження активних пристроїв відносно слабкі. З точки зору пристроїв оптичного зв'язку майбутні напрями досліджень включають: дослідження інтеграції активних пристроїв і кремнієвих оптичних пристроїв; дослідження технології інтеграції некремнієвих оптичних пристроїв, наприклад дослідження технології інтеграції III-V матеріалів і підкладок; подальший розвиток досліджень і розробок нових пристроїв. Подальші дії, такі як інтегрований оптичний хвилевід з ніобату літію з перевагами високої швидкості та низького енергоспоживання.
Час публікації: 3 серпня 2023 р
