Неотдавна листът с отговори в средата на годината за съвместното разработване на Hengqin между Джухай и Макао бавно се разгръщаше. Едно от трансграничните оптични влакна привлече вниманието. Той премина през Джухай и Макао, за да реализира взаимно свързване на изчислителна мощност и споделяне на ресурси от Макао до Хенгцин и да изгради информационен канал. Шанхай също така популяризира проекта за надграждане и трансформация на изцяло влакнеста комуникационна мрежа „оптичен към меден гръб“, за да осигури висококачествено икономическо развитие и по-добри комуникационни услуги за жителите.
С бързото развитие на интернет технологията търсенето на интернет трафик от страна на потребителите се увеличава с всеки изминал ден, как да се подобри капацитетът на комуникацията с оптични влакна се превърна в неотложен проблем за решаване.
От появата на комуникационната технология с оптични влакна, тя доведе до големи промени в областта на науката и технологиите и обществото. Като важно приложение на лазерната технология, лазерната информационна технология, представена от комуникационна технология с оптични влакна, изгради рамката на съвременната комуникационна мрежа и се превърна във важна част от предаването на информация. Комуникационната технология с оптични влакна е важна носеща сила на настоящия интернет свят и е също така една от основните технологии на информационната ера.
С непрекъснатото появяване на различни нововъзникващи технологии като интернет на нещата, големи данни, виртуална реалност, изкуствен интелект (AI), мобилни комуникации от пето поколение (5G) и други технологии, се поставят по-високи изисквания към обмена и предаването на информация. Според данни от проучване, публикувано от Cisco през 2019 г., глобалният годишен IP трафик ще се увеличи от 1,5ZB (1ZB=1021B) през 2017 г. до 4,8ZB през 2022 г., с общ годишен темп на растеж от 26%. Изправена пред тенденцията за растеж на висок трафик, комуникацията с оптични влакна, като най-основната част от комуникационната мрежа, е под огромен натиск за надграждане. Високоскоростните оптични комуникационни системи и мрежи с голям капацитет ще бъдат основната посока на развитие на оптичните комуникационни технологии.
История на развитието и изследователски статус на комуникационната технология с оптични влакна
Първият рубинен лазер е разработен през 1960 г., след откриването на начина на работа на лазерите от Артър Шолоу и Чарлз Таунс през 1958 г. След това, през 1970 г., първият AlGaAs полупроводников лазер, способен да работи непрекъснато при стайна температура, е успешно разработен, а през 1977 г. полупроводниковият лазер е реализиран да работи непрекъснато в продължение на десетки хиляди часове в практическа среда.
Засега лазерите имат предпоставки за комерсиална комуникация с оптични влакна. От началото на изобретяването на лазера, изобретателите разпознаха важното му потенциално приложение в областта на комуникацията. Има обаче два очевидни недостатъка в лазерната комуникационна технология: единият е, че голямо количество енергия ще бъде загубено поради разминаването на лазерния лъч; другото е, че е силно повлияно от средата на приложение, като например приложението в атмосферната среда ще бъде значително подложено на промени в метеорологичните условия. Следователно за лазерната комуникация е много важен подходящ оптичен вълновод.
Оптичното влакно, използвано за комуникация, предложено от д-р Као Кунг, носител на Нобелова награда по физика, отговаря на нуждите на лазерната комуникационна технология за вълноводи. Той предложи загубата на Rayleigh разсейване на стъклените оптични влакна може да бъде много ниска (по-малко от 20 dB/km), а загубата на мощност в оптичните влакна идва главно от абсорбцията на светлина от примеси в стъклените материали, така че пречистването на материала е ключът за намаляване на загубата на оптични влакна Key, и също така посочи, че едномодовото предаване е важно за поддържане на добра комуникационна производителност.
През 1970 г. Corning Glass Company разработи базирано на кварц многомодово оптично влакно със загуба от около 20dB/km според предложението за пречистване на д-р Као, превръщайки оптичното влакно в реалност за медии за комуникационно предаване. След непрекъснати изследвания и разработки загубата на оптични влакна на базата на кварц се доближи до теоретичната граница. Досега условията за комуникация по оптични влакна са напълно изпълнени.
Ранните комуникационни системи с оптични влакна са възприели метода на получаване на директно откриване. Това е сравнително прост метод за комуникация с оптични влакна. PD е детектор с квадратичен закон и може да бъде открит само интензитетът на оптичния сигнал. Този метод на директно откриване на приемане продължава от първото поколение комуникационна технология с оптични влакна през 70-те до началото на 90-те години.
За да увеличим използването на спектъра в рамките на честотната лента, трябва да започнем от два аспекта: единият е да използваме технология за приближаване на границата на Шанън, но увеличаването на ефективността на спектъра увеличи изискванията за съотношението телекомуникация към шум, като по този начин намали разстояние на предаване; другото е да се използва пълноценно фазата. Капацитетът за носене на информация на поляризационното състояние се използва за предаване, което е второ поколение кохерентна оптична комуникационна система.
Кохерентната оптична комуникационна система от второ поколение използва оптичен миксер за интрадинално откриване и възприема приемане с поляризационно разнообразие, т.е. в приемащия край сигналната светлина и светлината на локалния осцилатор се разлагат на два лъча светлина, чиито поляризационни състояния са ортогонални един към друг. По този начин може да се постигне нечувствително към поляризация приемане. Освен това трябва да се отбележи, че понастоящем проследяването на честотата, възстановяването на фазата на носещата линия, изравняването, синхронизирането, поляризационното проследяване и демултиплексирането в приемащия край могат да бъдат завършени чрез технология за цифрова обработка на сигнала (DSP), което значително опростява хардуера дизайн на приемника и подобрена способност за възстановяване на сигнала.
Някои предизвикателства и съображения пред развитието на комуникационната технология с оптични влакна
Чрез прилагането на различни технологии академичните среди и индустрията в общи линии достигнаха границата на спектралната ефективност на комуникационната система с оптични влакна. За да продължите да увеличавате капацитета на предаване, това може да бъде постигнато само чрез увеличаване на честотната лента B на системата (линейно нарастващ капацитет) или увеличаване на съотношението сигнал/шум. Конкретната дискусия е следната.
1. Решение за увеличаване на предавателната мощност
Тъй като нелинейният ефект, причинен от предаване с висока мощност, може да бъде намален чрез правилно увеличаване на ефективната площ на напречното сечение на влакното, решение за увеличаване на мощността е използването на няколко режима на влакно вместо едномодово влакно за предаване. В допълнение, настоящото най-разпространено решение за нелинейни ефекти е използването на алгоритъма за цифрово обратно разпространение (DBP), но подобряването на производителността на алгоритъма ще доведе до увеличаване на изчислителната сложност. Наскоро изследванията на технологията за машинно обучение при нелинейна компенсация показаха добра перспектива за приложение, което значително намалява сложността на алгоритъма, така че проектирането на DBP система може да бъде подпомогнато от машинно обучение в бъдеще.
2. Увеличете честотната лента на оптичния усилвател
Увеличаването на честотната лента може да пробие ограничението на честотния диапазон на EDFA. В допълнение към C-обхвата и L-обхвата, S-обхватът също може да бъде включен в диапазона на приложение, а SOA или Raman усилвателят може да се използва за усилване. Съществуващото оптично влакно обаче има големи загуби в честотни ленти, различни от S-обхвата, и е необходимо да се проектира нов тип оптично влакно, за да се намалят загубите при предаване. Но за останалите ленти достъпната в търговската мрежа технология за оптично усилване също е предизвикателство.
3. Изследване на оптични влакна с ниски загуби при предаване
Изследването на влакна с ниски загуби на предаване е един от най-критичните въпроси в тази област. Влакното с куха сърцевина (HCF) има възможност за по-ниски загуби при предаване, което ще намали забавянето на предаването на влакна и може да елиминира нелинейния проблем на влакното до голяма степен.
4. Изследване на технологии, свързани с мултиплексиране с космическо разделяне
Технологията за мултиплексиране с пространствено разделяне е ефективно решение за увеличаване на капацитета на едно влакно. По-конкретно, за предаване се използва многоядрено оптично влакно, а капацитетът на едно влакно се удвоява. Основният въпрос в това отношение е дали има по-високо ефективен оптичен усилвател. , в противен случай може да бъде еквивалентен само на множество едноядрени оптични влакна; използвайки технология за мултиплексиране с разделяне на режими, включително режим на линейна поляризация, OAM лъч, базиран на фазова сингулярност и цилиндричен векторен лъч, базиран на поляризационна сингулярност, такава технология може да бъде Мултиплексирането на лъч осигурява нова степен на свобода и подобрява капацитета на оптичните комуникационни системи. Той има широки перспективи за приложение в комуникационните технологии с оптични влакна, но изследването на свързани оптични усилватели също е предизвикателство. Освен това заслужава внимание как да се балансира сложността на системата, причинена от групово забавяне на диференциалния режим и технологията за цифрово изравняване с множество входове и множество изходи.
Перспективи за развитие на комуникационната технология с оптични влакна
Комуникационната технология с оптични влакна се разви от първоначалното нискоскоростно предаване до сегашното високоскоростно предаване и се превърна в една от основните технологии, поддържащи информационното общество, и формира огромна дисциплина и социално поле. В бъдеще, тъй като търсенето на обществото за предаване на информация продължава да нараства, комуникационните системи с оптични влакна и мрежовите технологии ще се развият към свръхголям капацитет, интелигентност и интеграция. Докато подобряват ефективността на предаването, те ще продължат да намаляват разходите и да обслужват прехраната на хората и да помагат на страната да изгражда информация. обществото играе важна роля. CeiTa си сътрудничи с редица организации за природни бедствия, които могат да предскажат регионални предупреждения за безопасност като земетресения, наводнения и цунами. Трябва само да бъде свързан към ONU на CeiTa. Когато възникне природно бедствие, станцията за земетресения ще издаде ранно предупреждение. Терминалът под предупрежденията на ONU ще бъде синхронизиран.
(1) Интелигентна оптична мрежа
В сравнение с безжичната комуникационна система, оптичната комуникационна система и мрежата на интелигентната оптична мрежа са все още в начален етап по отношение на мрежова конфигурация, поддръжка на мрежата и диагностика на неизправности, а степента на интелигентност е недостатъчна. Поради огромния капацитет на едно влакно, появата на повреда на влакното ще има голямо въздействие върху икономиката и обществото. Следователно мониторингът на мрежовите параметри е много важен за развитието на бъдещи интелигентни мрежи. Изследователските посоки, на които трябва да се обърне внимание в този аспект в бъдеще, включват: система за мониторинг на параметрите на системата, базирана на опростена кохерентна технология и машинно обучение, технология за мониторинг на физическо количество, базирана на кохерентен анализ на сигнала и фазово-чувствително оптично отражение във времеви домейн.
(2) Интегрирана технология и система
Основната цел на интегрирането на устройството е намаляване на разходите. В комуникационната технология с оптични влакна високоскоростното предаване на сигнали на къси разстояния може да се реализира чрез непрекъснато регенериране на сигнала. Въпреки това, поради проблемите с възстановяването на състоянието на фазата и поляризацията, интегрирането на кохерентни системи все още е относително трудно. Освен това, ако може да се реализира широкомащабна интегрирана оптично-електрическо-оптична система, капацитетът на системата също ще бъде значително подобрен. Въпреки това, поради фактори като ниска техническа ефективност, висока сложност и трудности при интегрирането, е невъзможно да се популяризират широко изцяло оптични сигнали като изцяло оптични 2R (повторно усилване, преоформяне), 3R (повторно усилване , повторно синхронизиране и преоформяне) в областта на оптичните комуникации. технология на обработка. Следователно, по отношение на интеграционните технологии и системи, бъдещите изследователски посоки са следните: Въпреки че съществуващите изследвания на мултиплексиращите системи с космическо разделяне са относително богати, ключовите компоненти на мултиплексните системи с космическо разделяне все още не са постигнали технологични пробиви в академичните среди и индустрията, и е необходимо допълнително укрепване. Изследвания, като интегрирани лазери и модулатори, двуизмерни интегрирани приемници, високоенергийноефективни интегрирани оптични усилватели и др.; новите видове оптични влакна могат значително да разширят честотната лента на системата, но все още са необходими допълнителни изследвания, за да се гарантира, че тяхната цялостна производителност и производствени процеси могат да достигнат съществуващото ниво на единичен режим на влакно; проучете различни устройства, които могат да се използват с новото влакно в комуникационната връзка.
(3) Оптични комуникационни устройства
В оптичните комуникационни устройства изследванията и развитието на силициеви фотонни устройства постигнаха първоначални резултати. Понастоящем обаче изследванията, свързани с вътрешния пазар, се основават главно на пасивни устройства, а изследванията на активните устройства са относително слаби. По отношение на оптичните комуникационни устройства бъдещите изследователски направления включват: интеграционни изследвания на активни устройства и силициеви оптични устройства; изследвания върху технологията за интегриране на несилициеви оптични устройства, като изследване на технологията за интегриране на III-V материали и субстрати; по-нататъшно развитие на изследвания и разработки на нови устройства. Последващи действия, като интегриран оптичен вълновод от литиев ниобат с предимствата на висока скорост и ниска консумация на енергия.
Време на публикуване: 3 август 2023 г
