Niedawno powoli rozwijano arkusz odpowiedzi na pytania z połowy roku dla wspólnego rozwoju Hengqin między Zhuhai i Makau. Jedno z transgranicznych włókien optycznych przyciągnęło uwagę. Przechodziło przez Zhuhai i Makau, aby zrealizować połączenie mocy obliczeniowej i współdzielenie zasobów z Makau do Hengqin oraz zbudować kanał informacyjny. Szanghaj promuje również projekt modernizacji i transformacji sieci komunikacyjnej „optycznej do miedzianej” opartej na światłowodach, aby zapewnić wysokiej jakości rozwój gospodarczy i lepsze usługi komunikacyjne dla mieszkańców.
Szybki rozwój technologii internetowej powoduje, że zapotrzebowanie użytkowników na ruch internetowy rośnie z dnia na dzień. Pilnym problemem do rozwiązania stało się zwiększenie przepustowości komunikacji światłowodowej.
Od czasu pojawienia się technologii komunikacji światłowodowej, przyniosła ona duże zmiany w dziedzinie nauki, technologii i społeczeństwa. Jako ważne zastosowanie technologii laserowej, technologia informacji laserowej reprezentowana przez technologię komunikacji światłowodowej zbudowała ramy nowoczesnej sieci komunikacyjnej i stała się ważną częścią transmisji informacji. Technologia komunikacji światłowodowej jest ważną siłą nośną obecnego świata Internetu i jest również jedną z podstawowych technologii ery informacji.
Wraz z ciągłym pojawianiem się różnych nowych technologii, takich jak Internet rzeczy, duże zbiory danych, rzeczywistość wirtualna, sztuczna inteligencja (AI), komunikacja mobilna piątej generacji (5G) i inne technologie, rosną wymagania dotyczące wymiany i transmisji informacji. Według danych badawczych opublikowanych przez Cisco w 2019 r. globalny roczny ruch IP wzrośnie z 1,5 ZB (1 ZB = 1021 B) w 2017 r. do 4,8 ZB w 2022 r., przy skumulowanej rocznej stopie wzrostu wynoszącej 26%. W obliczu trendu wzrostu dużego ruchu, komunikacja światłowodowa, jako najważniejsza część sieci komunikacyjnej, jest pod ogromną presją modernizacji. Szybkie, dużej pojemności systemy i sieci komunikacji światłowodowej będą głównym kierunkiem rozwoju technologii komunikacji światłowodowej.
Historia rozwoju i stan badań nad technologią komunikacji światłowodowej
Pierwszy laser rubinowy opracowano w 1960 roku, po odkryciu działania laserów przez Arthura Showlowa i Charlesa Townesa w 1958 roku. Następnie, w 1970 roku, opracowano pierwszy laser półprzewodnikowy AlGaAs zdolny do ciągłej pracy w temperaturze pokojowej, a w 1977 roku odkryto, że laser półprzewodnikowy może pracować nieprzerwanie przez dziesiątki tysięcy godzin w warunkach praktycznych.
Jak dotąd lasery mają warunki wstępne do komercyjnej komunikacji światłowodowej. Od początku wynalezienia lasera, wynalazcy rozpoznali jego ważne potencjalne zastosowanie w dziedzinie komunikacji. Istnieją jednak dwie oczywiste wady w technologii komunikacji laserowej: jedna polega na tym, że duża ilość energii zostanie utracona z powodu rozbieżności wiązki laserowej; druga polega na tym, że jest ona w dużym stopniu zależna od środowiska aplikacji, takiego jak aplikacja w środowisku atmosferycznym, która będzie znacząco podlegać zmianom warunków pogodowych. Dlatego w przypadku komunikacji laserowej odpowiedni falowód optyczny jest bardzo ważny.
Światłowód używany do komunikacji zaproponowany przez dr Kao Kunga, laureata Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki, spełnia potrzeby technologii komunikacji laserowej dla falowodów. Zaproponował, że strata rozpraszania Rayleigha światłowodu szklanego może być bardzo niska (mniej niż 20 dB/km), a strata mocy w światłowodzie pochodzi głównie z pochłaniania światła przez zanieczyszczenia w materiałach szklanych, więc oczyszczanie materiału jest kluczem do zmniejszenia strat światłowodu Key, a także wskazał, że transmisja jednomodowa jest ważna dla utrzymania dobrej wydajności komunikacji.
W 1970 roku firma Corning Glass Company opracowała wielomodowy światłowód kwarcowy o stratach około 20 dB/km zgodnie z sugestią oczyszczania dr Kao, dzięki czemu światłowód stał się rzeczywistością w mediach transmisyjnych. Po ciągłych badaniach i rozwoju strata światłowodów kwarcowych zbliżyła się do teoretycznego limitu. Jak dotąd warunki komunikacji światłowodowej zostały w pełni spełnione.
Wczesne systemy komunikacji światłowodowej przyjęły metodę odbioru bezpośredniego wykrywania. Jest to stosunkowo prosta metoda komunikacji światłowodowej. PD jest detektorem prawa kwadratowego, a wykrywać można tylko intensywność sygnału optycznego. Ta metoda odbioru bezpośredniego wykrywania była kontynuowana od pierwszej generacji technologii komunikacji światłowodowej w latach 70. do początku lat 90.
Aby zwiększyć wykorzystanie widma w obrębie pasma, musimy zacząć od dwóch aspektów. Pierwszym jest użycie technologii pozwalającej zbliżyć się do granicy Shannona, ale wzrost efektywności widma zwiększył wymagania dotyczące stosunku sygnału telekomunikacyjnego do szumu, co z kolei zmniejszyło odległość transmisji. Drugim aspektem jest pełne wykorzystanie fazy. Pojemność informacyjna stanu polaryzacji jest wykorzystywana do transmisji, co jest drugą generacją spójnego systemu komunikacji optycznej.
System komunikacji optycznej koherentnej drugiej generacji wykorzystuje mikser optyczny do wykrywania intradynowego i przyjmuje odbiór różnorodności polaryzacji, tzn. po stronie odbiorczej światło sygnałowe i światło lokalnego oscylatora są rozkładane na dwie wiązki światła, których stany polaryzacji są ortogonalne do siebie. W ten sposób można osiągnąć odbiór niewrażliwy na polaryzację. Ponadto należy zauważyć, że w tym czasie śledzenie częstotliwości, odzyskiwanie fazy nośnej, wyrównywanie, synchronizacja, śledzenie polaryzacji i demultipleksowanie po stronie odbiorczej mogą być ukończone przez technologię przetwarzania sygnału cyfrowego (DSP), co znacznie upraszcza projekt sprzętowy odbiornika i poprawia zdolność odzyskiwania sygnału.
Niektóre wyzwania i rozważania stojące przed rozwojem technologii komunikacji światłowodowej
Poprzez zastosowanie różnych technologii, kręgi akademickie i przemysł zasadniczo osiągnęły limit wydajności widmowej systemu komunikacji światłowodowej. Aby nadal zwiększać przepustowość transmisji, można to osiągnąć jedynie poprzez zwiększenie szerokości pasma systemu B (liniowe zwiększenie przepustowości) lub zwiększenie stosunku sygnału do szumu. Szczegółowa dyskusja jest następująca.
1. Rozwiązanie zwiększające moc nadawania
Ponieważ nieliniowy efekt spowodowany transmisją dużej mocy można zmniejszyć, odpowiednio zwiększając efektywny obszar przekroju poprzecznego włókna, rozwiązaniem zwiększającym moc jest użycie włókna wielomodowego zamiast włókna jednomodowego do transmisji. Ponadto, obecnie najczęstszym rozwiązaniem efektów nieliniowych jest użycie algorytmu cyfrowej propagacji wstecznej (DBP), ale poprawa wydajności algorytmu doprowadzi do wzrostu złożoności obliczeniowej. Ostatnio badania technologii uczenia maszynowego w kompensacji nieliniowej wykazały dobre perspektywy zastosowania, co znacznie zmniejsza złożoność algorytmu, więc projektowanie systemu DBP może być w przyszłości wspomagane przez uczenie maszynowe.
2. Zwiększenie szerokości pasma wzmacniacza optycznego
Zwiększenie szerokości pasma może przełamać ograniczenia zakresu częstotliwości EDFA. Oprócz pasma C i pasma L, pasmo S może być również uwzględnione w zakresie zastosowań, a wzmacniacz SOA lub Ramana może być używany do wzmocnienia. Jednak istniejący światłowód ma dużą stratę w pasmach częstotliwości innych niż pasmo S i konieczne jest zaprojektowanie nowego typu światłowodu w celu zmniejszenia strat transmisji. Jednak w przypadku pozostałych pasm, komercyjnie dostępna technologia wzmocnienia optycznego jest również wyzwaniem.
3. Badania nad światłowodami o niskiej stracie transmisyjnej
Badania nad światłowodami o niskiej stracie transmisji są jednym z najważniejszych zagadnień w tej dziedzinie. Włókna z pustym rdzeniem (HCF) mają możliwość niższej straty transmisji, co zmniejszy opóźnienie transmisji światłowodowej i może w dużym stopniu wyeliminować nieliniowy problem światłowodu.
4. Badania nad technologiami związanymi z multipleksowaniem przestrzennym
Technologia multipleksowania z podziałem przestrzeni jest skutecznym rozwiązaniem zwiększającym pojemność pojedynczego włókna. Konkretnie, do transmisji stosuje się wielordzeniowe włókna optyczne, a pojemność pojedynczego włókna jest podwajana. Kluczowym problemem w tym względzie jest to, czy istnieje wzmacniacz optyczny o wyższej wydajności. , w przeciwnym razie może być równoważny tylko wielu jednordzeniowym włóknom optycznym; wykorzystując technologię multipleksowania z podziałem modów, w tym liniowy tryb polaryzacji, wiązkę OAM opartą na osobliwości fazy i cylindryczną wiązkę wektorową opartą na osobliwości polaryzacji, taka technologia może być Multipleksowanie wiązek zapewnia nowy stopień swobody i poprawia pojemność systemów komunikacji optycznej. Ma szerokie perspektywy zastosowania w technologii komunikacji światłowodowej, ale badania nad pokrewnymi wzmacniaczami optycznymi są również wyzwaniem. Ponadto, jak zrównoważyć złożoność systemu spowodowaną różnicowym opóźnieniem grupowym i technologią cyfrowego wyrównywania wielu wejść i wyjść, również zasługuje na uwagę.
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, a także utworzyła ogromną dyscyplinę i pole społeczne. W przyszłości, w miarę jak zapotrzebowanie społeczeństwa na transmisję informacji będzie nadal rosło, systemy komunikacji światłowodowej i technologie sieciowe będą ewoluować w kierunku ultra-dużej pojemności, inteligencji i integracji. Jednocześnie poprawiając wydajność transmisji, będą nadal obniżać koszty i służyć ludziom oraz pomagać krajowi w budowaniu informacji. społeczeństwo odgrywa ważną rolę. CeiTa współpracowała z wieloma organizacjami zajmującymi się klęskami żywiołowymi, które mogą przewidywać regionalne ostrzeżenia dotyczące bezpieczeństwa, takie jak trzęsienia ziemi, powodzie i tsunami. Wystarczy, że będzie podłączony do ONU CeiTa. Gdy wystąpi klęska żywiołowa, stacja trzęsień ziemi wyda wczesne ostrzeżenie. Terminal w ramach alertów ONU zostanie zsynchronizowany.
(1) Inteligentna sieć optyczna
W porównaniu z systemem komunikacji bezprzewodowej, system komunikacji optycznej i sieć inteligentnej sieci optycznej są nadal w początkowej fazie pod względem konfiguracji sieci, konserwacji sieci i diagnostyki błędów, a stopień inteligencji jest niewystarczający. Ze względu na ogromną pojemność pojedynczego włókna, wystąpienie jakiejkolwiek awarii włókna będzie miało duży wpływ na gospodarkę i społeczeństwo. Dlatego monitorowanie parametrów sieci jest bardzo ważne dla rozwoju przyszłych inteligentnych sieci. Kierunki badań, na które należy zwrócić uwagę w tym aspekcie w przyszłości, obejmują: system monitorowania parametrów systemu oparty na uproszczonej technologii koherentnej i uczeniu maszynowym, technologię monitorowania wielkości fizycznych opartą na analizie sygnału koherentnego i odbiciu optycznym w dziedzinie czasu wrażliwym na fazę.
(2) Zintegrowana technologia i system
Podstawowym celem integracji urządzeń jest redukcja kosztów. W technologii komunikacji światłowodowej, krótkodystansowa, szybka transmisja sygnałów może być realizowana poprzez ciągłą regenerację sygnału. Jednak ze względu na problemy z odzyskiwaniem stanu fazy i polaryzacji, integracja spójnych systemów jest nadal stosunkowo trudna. Ponadto, jeśli można zrealizować zintegrowany system optyczno-elektryczno-optyczny na dużą skalę, pojemność systemu również zostanie znacznie zwiększona. Jednak ze względu na takie czynniki, jak niska wydajność techniczna, wysoka złożoność i trudności w integracji, niemożliwe jest szerokie promowanie sygnałów całkowicie optycznych, takich jak całkowicie optyczne 2R (ponowne wzmocnienie, ponowne ukształtowanie), 3R (ponowne wzmocnienie, ponowne taktowanie i ponowne ukształtowanie) w dziedzinie komunikacji optycznej. technologii przetwarzania. Dlatego też, pod względem technologii i systemów integracji, przyszłe kierunki badań są następujące: Chociaż istniejące badania nad systemami multipleksowania z podziałem przestrzennym są stosunkowo bogate, kluczowe komponenty systemów multipleksowania z podziałem przestrzennym nie osiągnęły jeszcze przełomu technologicznego w środowisku akademickim i przemyśle, a dalsze wzmocnienie jest konieczne. Badania takie jak zintegrowane lasery i modulatory, dwuwymiarowe zintegrowane odbiorniki, zintegrowane wzmacniacze optyczne o wysokiej efektywności energetycznej itp.; nowe typy włókien światłowodowych mogą znacznie zwiększyć przepustowość systemu, ale konieczne są dalsze badania, aby zapewnić, że ich kompleksowa wydajność i procesy produkcyjne mogą osiągnąć poziom istniejącego pojedynczego włókna modowego; badane są różne urządzenia, które można stosować z nowym włóknem w łączu komunikacyjnym.
(3) Urządzenia komunikacji optycznej
W optycznych urządzeniach komunikacyjnych badania i rozwój krzemowych urządzeń fotonicznych osiągnęły wstępne wyniki. Jednak obecnie krajowe badania są oparte głównie na urządzeniach pasywnych, a badania nad aktywnymi urządzeniami są stosunkowo słabe. Jeśli chodzi o optyczne urządzenia komunikacyjne, przyszłe kierunki badań obejmują: badania integracyjne aktywnych urządzeń i krzemowych urządzeń optycznych; badania nad technologią integracji niekrzemowych urządzeń optycznych, takie jak badania nad technologią integracji materiałów i podłoży III-V; dalszy rozwój nowych badań i rozwoju urządzeń. Dalsze działania, takie jak zintegrowany światłowodowy falowód niobianu litu z zaletami dużej prędkości i niskiego zużycia energii.
Czas publikacji: 03-08-2023
