Nedolgo nazaj se je počasi začel polletni odgovor za skupni razvoj Hengqina med Zhuhaijem in Macaom. Pozornost je pritegnilo eno od čezmejnih optičnih vlaken. Šla je skozi Zhuhai in Macao, da bi uresničila medsebojno povezavo računalniške moči in delitev virov od Macaa do Hengqina ter zgradila informacijski kanal. Šanghaj prav tako spodbuja projekt nadgradnje in preoblikovanja optičnega v bakreno komunikacijsko omrežje z vsemi vlakni, da bi zagotovil visokokakovosten gospodarski razvoj in boljše komunikacijske storitve za prebivalce.
S hitrim razvojem internetne tehnologije se povpraševanje uporabnikov po internetnem prometu iz dneva v dan povečuje, zato je postalo nujen problem, kako izboljšati zmogljivost komunikacije po optičnih vlaknih.
Odkar se je pojavila komunikacijska tehnologija z optičnimi vlakni, je prinesla velike spremembe na področju znanosti in tehnologije ter družbe. Kot pomembna uporaba laserske tehnologije je laserska informacijska tehnologija, ki jo predstavlja komunikacijska tehnologija optičnih vlaken, zgradila okvir sodobnega komunikacijskega omrežja in postala pomemben del prenosa informacij. Komunikacijska tehnologija z optičnimi vlakni je pomembna nosilna sila sedanjega internetnega sveta in je tudi ena osrednjih tehnologij informacijske dobe.
Z nenehnim pojavljanjem različnih nastajajočih tehnologij, kot so internet stvari, veliki podatki, navidezna resničnost, umetna inteligenca (AI), mobilne komunikacije pete generacije (5G) in druge tehnologije, so vse večje zahteve glede izmenjave in prenosa informacij. Po podatkih raziskave, ki jih je leta 2019 objavil Cisco, se bo svetovni letni promet IP povečal z 1,5ZB (1ZB=1021B) leta 2017 na 4,8ZB leta 2022, s skupno letno stopnjo rasti 26 %. Spričo trenda rasti visokega prometa je komunikacija po optičnih vlaknih kot najbolj hrbtenični del komunikacijskega omrežja pod velikim pritiskom posodobitve. Komunikacijski sistemi in omrežja z optičnimi vlakni visoke hitrosti in velike zmogljivosti bodo glavna smer razvoja komunikacijske tehnologije z optičnimi vlakni.
Zgodovina razvoja in status raziskav komunikacijske tehnologije z optičnimi vlakni
Prvi rubinski laser je bil razvit leta 1960, potem ko sta Arthur Showlow in Charles Townes leta 1958 odkrila, kako laserji delujejo. Nato je bil leta 1970 uspešno razvit prvi polprevodniški laser AlGaAs, ki lahko neprekinjeno deluje pri sobni temperaturi, leta 1977 pa ugotovljeno je bilo, da polprevodniški laser neprekinjeno deluje več deset tisoč ur v praktičnem okolju.
Zaenkrat imajo laserji predpogoje za komercialno komunikacijo z optičnimi vlakni. Že od začetka izuma laserja so izumitelji prepoznali njegovo pomembno potencialno uporabo na področju komuniciranja. Vendar pa obstajata dve očitni pomanjkljivosti laserske komunikacijske tehnologije: ena je, da bo zaradi divergence laserskega žarka izgubljena velika količina energije; drugo pa je, da nanj močno vpliva okolje uporabe, na primer uporaba v atmosferskem okolju bo močno podvržena spremembam vremenskih razmer. Zato je za lasersko komunikacijo zelo pomemben ustrezen optični valovod.
Optična vlakna, uporabljena za komunikacijo, ki jih je predlagal dr. Kao Kung, Nobelov nagrajenec za fiziko, izpolnjujejo potrebe laserske komunikacijske tehnologije za valovode. Predlagal je, da je lahko izguba Rayleighovega sipanja steklenih optičnih vlaken zelo nizka (manj kot 20 dB/km), izguba moči v optičnih vlaknih pa v glavnem izhaja iz absorpcije svetlobe zaradi nečistoč v steklenih materialih, zato je čiščenje materiala ključno. za zmanjšanje izgube optičnih vlaken Key, in tudi poudaril, da je enosmerni prenos pomemben za ohranjanje dobre komunikacijske učinkovitosti.
Leta 1970 je podjetje Corning Glass Company razvilo multimodno optično vlakno na osnovi kvarca z izgubo okoli 20 dB/km v skladu s predlogom čiščenja dr. Kaoa, s čimer je optično vlakno postalo resničnost za medije za komunikacijski prenos. Po nenehnih raziskavah in razvoju se je izguba optičnih vlaken na osnovi kremena približala teoretični meji. Doslej so bili pogoji komunikacije po optičnih vlaknih v celoti izpolnjeni.
Vsi zgodnji komunikacijski sistemi z optičnimi vlakni so sprejeli sprejemno metodo neposrednega zaznavanja. To je razmeroma preprost način komunikacije z optičnimi vlakni. PD je kvadratni detektor in zaznati je mogoče samo jakost optičnega signala. Ta metoda sprejemanja z neposrednim zaznavanjem se je nadaljevala od prve generacije komunikacijske tehnologije z optičnimi vlakni v sedemdesetih do zgodnjih devetdesetih let prejšnjega stoletja.
Za povečanje izkoriščenosti spektra znotraj pasovne širine moramo izhajati iz dveh vidikov: prvi je uporaba tehnologije za približevanje Shannonovi meji, vendar je povečanje učinkovitosti spektra povečalo zahteve za razmerje med telekomunikacijami in šumom, s čimer se zmanjša razdalja prenosa; drugi je v celoti izkoristiti fazo. Nosilna zmogljivost polarizacijskega stanja se uporablja za prenos, kar je druga generacija koherentnega optičnega komunikacijskega sistema.
Druga generacija koherentnega optičnega komunikacijskega sistema uporablja optični mešalnik za intradinsko detekcijo in sprejema polarizacijski različni sprejem, to pomeni, da se na sprejemnem koncu signalna svetloba in svetloba lokalnega oscilatorja razgradita v dva svetlobna žarka, katerih polarizacijski stanji sta pravokotni drug drugemu. Na ta način je mogoče doseči sprejem, neobčutljiv na polarizacijo. Poleg tega je treba poudariti, da je trenutno mogoče sledenje frekvenci, obnovitev nosilne faze, izenačevanje, sinhronizacijo, polarizacijsko sledenje in demultipleksiranje na sprejemnem koncu dokončati s tehnologijo digitalne obdelave signalov (DSP), ki močno poenostavlja strojno opremo. zasnova sprejemnika in izboljšana zmožnost obnovitve signala.
Nekateri izzivi in premisleki, s katerimi se sooča razvoj komunikacijske tehnologije z optičnimi vlakni
Z uporabo različnih tehnologij so akademski krogi in industrija v bistvu dosegli mejo spektralne učinkovitosti optičnega komunikacijskega sistema. Nadaljnje povečevanje prenosne zmogljivosti je mogoče doseči le s povečanjem sistemske pasovne širine B (linearno naraščajoča zmogljivost) ali povečanjem razmerja signal/šum. Posebna razprava je naslednja.
1. Rešitev za povečanje oddajne moči
Ker je mogoče nelinearni učinek, ki ga povzroči visokozmogljivi prenos, zmanjšati s pravilnim povečanjem efektivne površine prereza vlakna, je rešitev za povečanje moči uporaba malomodnega vlakna namesto enomodnega za prenos. Poleg tega je trenutno najpogostejša rešitev za nelinearne učinke uporaba algoritma za digitalno povratno širjenje (DBP), vendar bo izboljšanje zmogljivosti algoritma povzročilo povečanje računske kompleksnosti. Nedavno so raziskave tehnologije strojnega učenja pri nelinearni kompenzaciji pokazale dobro možnost uporabe, ki močno zmanjša kompleksnost algoritma, tako da bo lahko strojno učenje v prihodnosti pomagalo pri načrtovanju sistema DBP.
2. Povečajte pasovno širino optičnega ojačevalnika
Povečanje pasovne širine lahko preseže omejitev frekvenčnega območja EDFA. Poleg C-pasu in L-pasu lahko v obseg uporabe vključite tudi S-pas, za ojačanje pa lahko uporabite SOA ali Ramanov ojačevalnik. Vendar ima obstoječa optična vlakna velike izgube v frekvenčnih pasovih, razen v S-pasu, zato je treba oblikovati novo vrsto optičnih vlaken, da se zmanjšajo izgube pri prenosu. Toda za ostale pasove je komercialno dostopna tehnologija optičnega ojačanja prav tako izziv.
3. Raziskave optičnih vlaken z nizkimi izgubami pri prenosu
Raziskava vlaken z nizkimi izgubami pri prenosu je eno najbolj kritičnih vprašanj na tem področju. Votla vlakna (HCF) imajo možnost manjše izgube prenosa, kar bo zmanjšalo časovno zakasnitev prenosa vlaken in lahko v veliki meri odpravi nelinearni problem vlaken.
4. Raziskave tehnologij, povezanih z multipleksiranjem prostorske delitve
Tehnologija multipleksiranja s prostorsko delitvijo je učinkovita rešitev za povečanje zmogljivosti posameznega vlakna. Natančneje, za prenos se uporablja večjedrno optično vlakno, zmogljivost posameznega vlakna pa se podvoji. Ključno vprašanje v zvezi s tem je, ali obstaja optični ojačevalnik z višjim izkoristkom. , sicer je lahko enakovreden le več enojedrnim optičnim vlaknom; z uporabo tehnologije multipleksiranja z razdelitvijo na načine, vključno z linearnim polarizacijskim načinom, žarkom OAM, ki temelji na fazni singularnosti, in cilindričnim vektorskim žarkom, ki temelji na polarizacijski singularnosti, lahko takšno tehnologijo Multipleksiranje žarkov zagotavlja novo stopnjo svobode in izboljša zmogljivost optičnih komunikacijskih sistemov. Ima široke možnosti uporabe v komunikacijski tehnologiji z optičnimi vlakni, izziv pa je tudi raziskovanje sorodnih optičnih ojačevalnikov. Poleg tega je vredno pozornosti tudi, kako uravnotežiti kompleksnost sistema, ki jo povzroča skupinska zakasnitev diferencialnega načina in tehnologija digitalnega izenačevanja z več vhodi in izhodi.
Obeti za razvoj komunikacijske tehnologije z optičnimi vlakni
Komunikacijska tehnologija z optičnimi vlakni se je razvila od začetnega nizkohitrostnega prenosa do trenutnega hitrega prenosa in je postala ena od hrbteničnih tehnologij, ki podpirajo informacijsko družbo, in je oblikovala ogromno disciplino in družbeno polje. V prihodnosti, ko bo družbeno povpraševanje po prenosu informacij še naprej naraščalo, se bodo komunikacijski sistemi z optičnimi vlakni in omrežne tehnologije razvijali v smeri izjemno velike zmogljivosti, inteligence in integracije. Medtem ko izboljšujejo zmogljivost prenosa, bodo še naprej zmanjševali stroške in služili ljudem za preživetje ter pomagali državi graditi informacije. družba igra pomembno vlogo. CeiTa je sodelovala s številnimi organizacijami za naravne nesreče, ki lahko napovejo regionalna varnostna opozorila, kot so potresi, poplave in cunamiji. Povezati ga je treba le z ONU CeiTa. Ko pride do naravne nesreče, bo potresna postaja izdala zgodnje opozorilo. Terminal pod opozorili ONU bo sinhroniziran.
(1) Inteligentno optično omrežje
V primerjavi z brezžičnim komunikacijskim sistemom sta optični komunikacijski sistem in omrežje inteligentnega optičnega omrežja še vedno v začetni fazi glede konfiguracije omrežja, vzdrževanja omrežja in diagnoze napak, stopnja inteligence pa je nezadostna. Zaradi velike zmogljivosti enega samega vlakna bo imela vsaka okvara vlakna velik vpliv na gospodarstvo in družbo. Zato je spremljanje omrežnih parametrov zelo pomembno za razvoj prihodnjih inteligentnih omrežij. Raziskovalne smeri, ki jim je treba v prihodnje posvetiti pozornost s tega vidika, vključujejo: sistem za spremljanje parametrov sistema, ki temelji na poenostavljeni koherentni tehnologiji in strojnem učenju, tehnologijo za spremljanje fizikalnih količin, ki temelji na koherentni analizi signalov in fazno občutljivem optičnem časovnem odboju.
(2) Integrirana tehnologija in sistem
Glavni namen integracije naprav je znižanje stroškov. V komunikacijski tehnologiji z optičnimi vlakni je prenos signalov visoke hitrosti na kratke razdalje mogoče realizirati z neprekinjeno regeneracijo signala. Vendar pa je zaradi problemov obnovitve faznega in polarizacijskega stanja integracija koherentnih sistemov še vedno relativno težavna. Poleg tega, če je mogoče realizirati obsežen integriran optično-električni-optični sistem, se bo tudi zmogljivost sistema znatno izboljšala. Vendar je zaradi dejavnikov, kot so nizka tehnična učinkovitost, visoka kompleksnost in težave pri integraciji, nemogoče na široko promovirati popolnoma optične signale, kot so popolnoma optični 2R (ponovno ojačanje, preoblikovanje), 3R (ponovno ojačanje). , ponovno merjenje časa in preoblikovanje) na področju optičnih komunikacij. tehnologija obdelave. Zato so z vidika integracijske tehnologije in sistemov prihodnje raziskovalne usmeritve naslednje: Čeprav so obstoječe raziskave sistemov za multipleksiranje s prostorsko razdelitvijo razmeroma bogate, ključne komponente sistemov za multipleksiranje s prostorsko razdelitvijo še niso dosegle tehnološkega preboja v akademskem svetu in industriji, in potrebna je nadaljnja krepitev. Raziskave, kot so integrirani laserji in modulatorji, dvodimenzionalni integrirani sprejemniki, integrirani optični ojačevalniki z visoko energetsko učinkovitostjo itd.; nove vrste optičnih vlaken lahko znatno razširijo sistemsko pasovno širino, vendar so še vedno potrebne nadaljnje raziskave, da se zagotovi, da lahko njihova celovita zmogljivost in proizvodni procesi dosežejo obstoječo raven enotnega načina vlaken; preučite različne naprave, ki jih je mogoče uporabiti z novim vlaknom v komunikacijski povezavi.
(3) Optične komunikacijske naprave
V optičnih komunikacijskih napravah so raziskave in razvoj silicijevih fotonskih naprav dosegle začetne rezultate. Vendar pa trenutno domače povezane raziskave temeljijo predvsem na pasivnih napravah, raziskave aktivnih naprav pa so relativno šibke. Na področju optičnih komunikacijskih naprav so prihodnje raziskovalne usmeritve: raziskave integracije aktivnih naprav in silicijevih optičnih naprav; raziskave integracijske tehnologije nesilicijevih optičnih naprav, kot so raziskave integracijske tehnologije III-V materialov in substratov; nadaljnji razvoj raziskav in razvoja novih naprav. Nadaljevanje, kot je vgrajen optični valovod iz litijevega niobata s prednostmi visoke hitrosti in nizke porabe energije.
Čas objave: 3. avgust 2023
