Nie tak dawno temu powoli rozwijał się półroczny arkusz odpowiedzi dotyczący wspólnego rozwoju Hengqin między Zhuhai i Makau. Uwagę przykuł jeden z transgranicznych światłowodów. Przeszedł przez Zhuhai i Makao, aby zrealizować wzajemne połączenia mocy obliczeniowej i współdzielenie zasobów z Makau do Hengqin oraz zbudować kanał informacyjny. Szanghaj promuje także projekt modernizacji i transformacji całkowicie światłowodowej sieci komunikacyjnej typu „optyczna na miedzianą”, aby zapewnić mieszkańcom wysokiej jakości rozwój gospodarczy i lepsze usługi komunikacyjne.
Wraz z szybkim rozwojem technologii internetowej zapotrzebowanie użytkowników na ruch internetowy rośnie z dnia na dzień, a jak poprawić przepustowość komunikacji światłowodowej stało się pilnym problemem do rozwiązania.
Od czasu pojawienia się technologii komunikacji światłowodowej przyniosła ona poważne zmiany w nauce, technologii i społeczeństwie. Jako ważne zastosowanie technologii laserowej, laserowa technologia informacyjna reprezentowana przez technologię komunikacji światłowodowej zbudowała ramy nowoczesnej sieci komunikacyjnej i stała się ważną częścią transmisji informacji. Technologia komunikacji światłowodowej jest ważną siłą napędową obecnego świata Internetu, a także jedną z podstawowych technologii ery informacyjnej.
Wraz z ciągłym pojawianiem się różnych nowych technologii, takich jak Internet przedmiotów, duże zbiory danych, rzeczywistość wirtualna, sztuczna inteligencja (AI), komunikacja mobilna piątej generacji (5G) i inne technologie, wymianie i transmisji informacji stawiane są wyższe wymagania. Według danych badawczych opublikowanych przez Cisco w 2019 r., globalny roczny ruch IP wzrośnie z 1,5ZB (1ZB=1021B) w 2017 r. do 4,8ZB w 2022 r., przy łącznej rocznej stopie wzrostu wynoszącej 26%. W obliczu tendencji wzrostowej dużego ruchu, komunikacja światłowodowa, jako najbardziej podstawowa część sieci komunikacyjnej, podlega ogromnej presji modernizacji. Szybkie systemy i sieci komunikacji światłowodowej o dużej przepustowości będą głównym kierunkiem rozwoju technologii komunikacji światłowodowej.
Historia rozwoju i stan badań technologii komunikacji światłowodowej
Pierwszy laser rubinowy opracowano w 1960 r. po odkryciu sposobu działania laserów przez Arthura Showlowa i Charlesa Townesa w 1958 r. Następnie, w 1970 r., pomyślnie opracowano pierwszy laser półprzewodnikowy AlGaAs zdolny do ciągłej pracy w temperaturze pokojowej, a w 1977 r. Stwierdzono, że laser półprzewodnikowy może pracować nieprzerwanie przez dziesiątki tysięcy godzin w praktycznym środowisku.
Jak dotąd lasery spełniają wymagania komercyjnej komunikacji światłowodowej. Od początku wynalezienia lasera wynalazcy dostrzegali jego ważne potencjalne zastosowanie w dziedzinie komunikacji. Istnieją jednak dwie oczywiste wady technologii komunikacji laserowej: jedna polega na tym, że duża ilość energii zostanie utracona z powodu rozbieżności wiązki laserowej; drugim jest to, że duży wpływ ma na to środowisko aplikacji, np. aplikacja w środowisku atmosferycznym będzie w znacznym stopniu poddana zmianom warunków pogodowych. Dlatego w komunikacji laserowej bardzo ważny jest odpowiedni falowód optyczny.
Światłowód używany do komunikacji zaproponowany przez dra Kao Kunga, laureata Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki, spełnia wymagania technologii komunikacji laserowej dla falowodów. Zaproponował, że strata rozpraszania Rayleigha w szklanym światłowodzie może być bardzo niska (poniżej 20 dB/km), a strata mocy w światłowodzie wynika głównie z absorpcji światła przez zanieczyszczenia w materiałach szklanych, dlatego kluczem jest oczyszczanie materiału do ograniczenia strat w światłowodzie, a także zwrócił uwagę, że transmisja jednomodowa jest ważna dla utrzymania dobrej wydajności komunikacji.
W 1970 roku firma Corning Glass Company opracowała wielomodowy światłowód na bazie kwarcu, charakteryzujący się stratą około 20 dB/km, zgodnie z sugestią dr Kao dotyczącą oczyszczania, dzięki czemu światłowód stał się rzeczywistością w komunikacyjnych mediach transmisyjnych. W wyniku ciągłych badań i rozwoju straty w światłowodach kwarcowych osiągnęły teoretyczną granicę. Jak dotąd warunki komunikacji światłowodowej zostały w pełni spełnione.
Wszystkie wczesne systemy komunikacji światłowodowej przyjęły odbiorczą metodę bezpośredniego wykrywania. Jest to stosunkowo prosta metoda komunikacji światłowodowej. PD jest detektorem prawa kwadratowego i można wykryć jedynie intensywność sygnału optycznego. Ta metoda odbioru bezpośredniego wykrywania była kontynuowana od pierwszej generacji technologii komunikacji światłowodowej w latach 70. XX wieku do początku lat 90. XX wieku.
Aby zwiększyć wykorzystanie widma w obrębie pasma, musimy zacząć od dwóch aspektów: jednym jest wykorzystanie technologii w celu zbliżenia się do granicy Shannona, ale wzrost wydajności widma zwiększył wymagania dotyczące stosunku telekomunikacji do szumu, zmniejszając w ten sposób odległość transmisji; drugim jest pełne wykorzystanie fazy. Do transmisji wykorzystywana jest zdolność przenoszenia informacji o stanie polaryzacji, co stanowi spójny system komunikacji optycznej drugiej generacji.
System spójnej komunikacji optycznej drugiej generacji wykorzystuje mikser optyczny do wykrywania intradyny i przyjmuje odbiór różnorodności polaryzacji, co oznacza, że po stronie odbiorczej światło sygnalizacyjne i światło lokalnego oscylatora są rozkładane na dwie wiązki światła, których stany polaryzacji są ortogonalne do siebie. W ten sposób można uzyskać odbiór niewrażliwy na polaryzację. Ponadto należy zauważyć, że obecnie śledzenie częstotliwości, odzyskiwanie fazy nośnej, wyrównywanie, synchronizacja, śledzenie polaryzacji i demultipleksacja po stronie odbiorczej mogą być realizowane za pomocą technologii cyfrowego przetwarzania sygnału (DSP), co znacznie upraszcza sprzęt konstrukcja odbiornika i ulepszona zdolność odzyskiwania sygnału.
Niektóre wyzwania i rozważania stojące przed rozwojem technologii komunikacji światłowodowej
Dzięki zastosowaniu różnych technologii środowisko akademickie i przemysł osiągnęły w zasadzie granicę wydajności widmowej systemu komunikacji światłowodowej. Dalsze zwiększanie wydajności transmisji można osiągnąć jedynie poprzez zwiększenie szerokości pasma systemu B (liniowe zwiększenie przepustowości) lub zwiększenie stosunku sygnału do szumu. Konkretna dyskusja wygląda następująco.
1. Rozwiązanie zwiększające moc nadawania
Ponieważ efekt nieliniowy wywołany transmisją dużych mocy można ograniczyć poprzez odpowiednie zwiększenie efektywnej powierzchni przekroju światłowodu, rozwiązaniem zwiększającym moc jest zastosowanie do transmisji światłowodu wielomodowego zamiast jednomodowego. Ponadto obecnie najpowszechniejszym rozwiązaniem efektów nieliniowych jest zastosowanie algorytmu cyfrowej propagacji wstecznej (DBP), ale poprawa wydajności algorytmu doprowadzi do wzrostu złożoności obliczeniowej. Ostatnio badania nad technologią uczenia maszynowego w kompensacji nieliniowej wykazały dobre perspektywy aplikacyjne, co znacznie zmniejsza złożoność algorytmu, dzięki czemu projektowanie systemu DBP będzie mogło w przyszłości być wspomagane przez uczenie maszynowe.
2. Zwiększ szerokość pasma wzmacniacza optycznego
Zwiększenie szerokości pasma może przełamać ograniczenie zakresu częstotliwości EDFA. Oprócz pasma C i pasma L, zakres zastosowań może obejmować również pasmo S, a do wzmocnienia można wykorzystać wzmacniacz SOA lub Ramana. Jednakże istniejący światłowód charakteryzuje się dużymi stratami w pasmach częstotliwości innych niż pasmo S i konieczne jest zaprojektowanie nowego typu światłowodu, aby zmniejszyć straty w transmisji. Jednak dla pozostałych pasm wyzwaniem jest także dostępna na rynku technologia wzmocnienia optycznego.
3. Badania nad światłowodem o niskich stratach transmisyjnych
Badania nad światłowodami o niskich stratach w transmisji są jednym z najważniejszych zagadnień w tej dziedzinie. Światłowód z pustym rdzeniem (HCF) ma możliwość niższych strat transmisji, co zmniejszy opóźnienie czasowe transmisji światłowodu i może w dużym stopniu wyeliminować problem nieliniowości światłowodu.
4. Badania nad technologiami związanymi z multipleksacją podziału przestrzeni
Technologia multipleksowania z podziałem przestrzeni jest skutecznym rozwiązaniem zwiększającym przepustowość pojedynczego włókna. W szczególności do transmisji wykorzystywany jest wielordzeniowy światłowód, a przepustowość pojedynczego światłowodu jest podwojona. Podstawową kwestią w tym względzie jest to, czy istnieje wzmacniacz optyczny o wyższej wydajności. w przeciwnym razie może to być odpowiednik tylko wielu jednordzeniowych włókien optycznych; wykorzystując technologię multipleksowania z podziałem modów, w tym tryb polaryzacji liniowej, wiązkę OAM opartą na osobliwości fazowej i cylindryczną wiązkę wektorową opartą na osobliwości polaryzacji, taką technologię można zastosować. Multipleksowanie wiązek zapewnia nowy stopień swobody i poprawia wydajność optycznych systemów komunikacyjnych. Ma szerokie perspektywy zastosowania w technologii komunikacji światłowodowej, ale badania nad powiązanymi wzmacniaczami optycznymi również stanowią wyzwanie. Ponadto na uwagę zasługuje również sposób zrównoważenia złożoności systemu spowodowanej opóźnieniem grupy trybów różnicowych i technologią cyfrowej korekcji z wieloma wejściami i wieloma wyjściami.
Perspektywy rozwoju technologii komunikacji światłowodowej
Technologia komunikacji światłowodowej rozwinęła się od początkowej transmisji o niskiej prędkości do obecnej transmisji o dużej prędkości i stała się jedną z technologii szkieletowych wspierających społeczeństwo informacyjne, tworząc ogromną dyscyplinę i pole społeczne. W przyszłości, wraz ze wzrostem zapotrzebowania społeczeństwa na transmisję informacji, systemy komunikacji światłowodowej i technologie sieciowe będą ewoluować w kierunku bardzo dużej pojemności, inteligencji i integracji. Poprawiając wydajność transmisji, będą one w dalszym ciągu obniżać koszty i zapewniać ludziom środki do życia oraz pomagać krajowi w gromadzeniu informacji. społeczeństwo odgrywa ważną rolę. CeiTa współpracowała z wieloma organizacjami zajmującymi się klęskami żywiołowymi, które mogą przewidzieć regionalne ostrzeżenia dotyczące bezpieczeństwa, takie jak trzęsienia ziemi, powodzie i tsunami. Wymaga jedynie podłączenia do ONU CeiTa. W przypadku wystąpienia klęski żywiołowej stacja ds. trzęsień ziemi wyda wczesne ostrzeżenie. Terminal objęty alertami ONU zostanie zsynchronizowany.
(1) Inteligentna sieć optyczna
W porównaniu z systemem komunikacji bezprzewodowej, system komunikacji optycznej i sieć inteligentnej sieci optycznej znajdują się wciąż w początkowej fazie pod względem konfiguracji sieci, konserwacji sieci i diagnostyki usterek, a stopień inteligencji jest niewystarczający. Ze względu na ogromną pojemność pojedynczego włókna, wystąpienie jakiejkolwiek awarii światłowodu będzie miało ogromny wpływ na gospodarkę i społeczeństwo. Dlatego monitorowanie parametrów sieci jest bardzo ważne dla rozwoju przyszłych inteligentnych sieci. Kierunki badań, na które należy w przyszłości zwrócić uwagę w tym aspekcie, to: system monitorowania parametrów systemu oparty na uproszczonej technologii koherentnej i uczeniu maszynowym, technologia monitorowania wielkości fizycznych oparta na analizie spójnego sygnału oraz fazowo czułym optycznym odbiciu w dziedzinie czasu.
(2) Zintegrowana technologia i system
Podstawowym celem integracji urządzeń jest redukcja kosztów. W technologii komunikacji światłowodowej szybką transmisję sygnałów na małe odległości można zrealizować poprzez ciągłą regenerację sygnału. Jednakże, ze względu na problemy z odtworzeniem stanu fazowego i polaryzacji, integracja spójnych układów jest w dalszym ciągu stosunkowo trudna. Ponadto, jeśli uda się zrealizować zintegrowany system optyczno-elektryczno-optyczny na dużą skalę, wydajność systemu również ulegnie znacznej poprawie. Jednak ze względu na takie czynniki, jak niska wydajność techniczna, duża złożoność i trudności w integracji, niemożliwe jest szerokie promowanie sygnałów w pełni optycznych, takich jak w pełni optyczne 2R (ponowne wzmocnienie, ponowne kształtowanie), 3R (ponowne wzmocnienie , zmiana czasu i ponowne kształtowanie) w dziedzinie komunikacji optycznej. technologia przetwarzania. Dlatego też w zakresie technologii i systemów integracji przyszłe kierunki badań są następujące: Chociaż istniejące badania nad systemami multipleksowania z podziałem przestrzeni są stosunkowo bogate, kluczowe elementy systemów multipleksowania z podziałem przestrzeni nie osiągnęły jeszcze przełomu technologicznego w środowisku akademickim i przemyśle, i konieczne jest dalsze wzmocnienie. Badania, takie jak zintegrowane lasery i modulatory, zintegrowane odbiorniki dwuwymiarowe, zintegrowane wzmacniacze optyczne o wysokiej efektywności energetycznej itp.; nowe typy włókien optycznych mogą znacznie zwiększyć przepustowość systemu, jednak nadal potrzebne są dalsze badania, aby zapewnić, że ich kompleksowe działanie i procesy produkcyjne osiągną istniejący poziom światłowodu jednomodowego; przestudiować różne urządzenia, które można zastosować z nowym światłowodem w łączu komunikacyjnym.
(3) Optyczne urządzenia komunikacyjne
W zakresie optycznych urządzeń komunikacyjnych badania i rozwój krzemowych urządzeń fotonicznych przyniosły wstępne wyniki. Jednak obecnie badania krajowe opierają się głównie na urządzeniach pasywnych, a badania nad urządzeniami aktywnymi są stosunkowo słabe. W zakresie optycznych urządzeń komunikacyjnych przyszłe kierunki badań obejmują: badania integracyjne urządzeń aktywnych i krzemowych urządzeń optycznych; badania nad technologią integracji niekrzemowych urządzeń optycznych, takie jak badania nad technologią integracji materiałów i podłoży III-V; dalszy rozwój badań i rozwoju nowych urządzeń. Kontynuacja, taka jak zintegrowany falowód optyczny z niobianu litu z zaletami dużej prędkości i niskiego zużycia energii.
Czas publikacji: 03 sierpnia 2023 r
