Nedávno se pomalu odvíjel pololetní odpovědní arch pro společný rozvoj Hengqinu mezi Ču-chaj a Macaem. Pozornost přitáhlo jedno z přeshraničních optických vláken. Procházelo Ču-chaj a Macaem, aby se dosáhlo propojení výpočetního výkonu a sdílení zdrojů z Macaa do Hengqinu a vybudoval se informační kanál. Šanghaj také propaguje projekt modernizace a transformace celovláknové komunikační sítě „z optických vláken na měděné“, aby se zajistil vysoce kvalitní ekonomický rozvoj a lepší komunikační služby pro obyvatele.
S rychlým rozvojem internetových technologií roste poptávka uživatelů po internetovém provozu den ode dne a naléhavým problémem, jak zlepšit kapacitu optické komunikace, se stalo řešení.
Od svého vzniku přinesla technologie optické komunikace zásadní změny v oblasti vědy, techniky a společnosti. Laserová informační technologie, reprezentovaná technologií optické komunikace, jako důležitá aplikace laserové technologie vybudovala rámec moderních komunikačních sítí a stala se důležitou součástí přenosu informací. Technologie optické komunikace je důležitou nosnou silou současného internetového světa a je také jednou z klíčových technologií informačního věku.
S neustálým rozvojem různých nově vznikajících technologií, jako je internet věcí, velká data, virtuální realita, umělá inteligence (AI), mobilní komunikace páté generace (5G) a další technologie, jsou kladeny vyšší nároky na výměnu a přenos informací. Podle výzkumných údajů zveřejněných společností Cisco v roce 2019 se globální roční IP provoz zvýší z 1,5 ZB (1 ZB = 1021 B) v roce 2017 na 4,8 ZB v roce 2022, s průměrnou roční mírou růstu 26 %. Vzhledem k rostoucímu trendu vysokého provozu je optická komunikace jakožto nejdůležitější součást komunikační sítě vystavena obrovskému tlaku na modernizaci. Vysokorychlostní a velkokapacitní optické komunikační systémy a sítě budou hlavním směrem rozvoje technologie optické komunikace.
Historie vývoje a stav výzkumu technologie optických vláken pro komunikaci
První rubínový laser byl vyvinut v roce 1960, poté, co Arthur Showlow a Charles Townes v roce 1958 objevili, jak lasery fungují. Poté, v roce 1970, byl úspěšně vyvinut první polovodičový laser AlGaAs schopný nepřetržitého provozu při pokojové teplotě a v roce 1977 byl polovodičový laser realizován tak, aby v praktickém prostředí pracoval nepřetržitě po desítky tisíc hodin.
Lasery dosud splňují předpoklady pro komerční optickou komunikaci. Od samého začátku vynálezu laseru si vynálezci uvědomovali jeho důležité potenciální využití v oblasti komunikace. Technologie laserové komunikace má však dva zjevné nedostatky: prvním je, že v důsledku divergence laserového paprsku se ztrácí velké množství energie; druhým je, že je silně ovlivněna prostředím aplikace, například aplikace v atmosférickém prostředí bude výrazně ovlivněna změnami povětrnostních podmínek. Proto je pro laserovou komunikaci velmi důležitý vhodný optický vlnovod.
Optické vlákno používané pro komunikaci, které navrhl Dr. Kao Kung, nositel Nobelovy ceny za fyziku, splňuje potřeby laserové komunikační technologie pro vlnovody. Předpokládal, že ztráty Rayleighovým rozptylem u skleněných optických vlákna mohou být velmi nízké (méně než 20 dB/km) a že ztráty výkonu v optických vláknech pocházejí hlavně z absorpce světla nečistotami ve skleněných materiálech, takže čištění materiálu je klíčem ke snížení ztrát optických vláknů. Také poukázal na to, že jednomódový přenos je důležitý pro udržení dobrého komunikačního výkonu.
V roce 1970 vyvinula společnost Corning Glass Company multimode optické vlákno na bázi křemene se ztrátou přibližně 20 dB/km podle návrhu Dr. Kao na čištění, čímž se optická vlákna stala realitou pro přenosová média. Po neustálém výzkumu a vývoji se ztráta u optických vláken na bázi křemene přiblížila teoretické hranici. Doposud byly podmínky pro komunikaci s optickými vlákny plně splněny.
Všechny rané systémy optické komunikace používaly metodu příjmu s přímou detekcí. Jedná se o relativně jednoduchou metodu optické komunikace. PD je detektor s kvadratickým zákonem a lze detekovat pouze intenzitu optického signálu. Tato metoda příjmu s přímou detekcí pokračuje od první generace technologie optické komunikace v 70. letech 20. století až do začátku 90. let 20. století.
Abychom zvýšili využití spektra v rámci šířky pásma, musíme začít ze dvou hledisek: prvním je využití technologie k dosažení Shannonova limitu, ale zvýšení spektrální účinnosti zvýšilo požadavky na poměr telekomunikací k šumu, čímž se snížila přenosová vzdálenost; druhým je plné využití fáze, informační přenosová kapacita polarizačního stavu se využívá pro přenos, což je koherentní optický komunikační systém druhé generace.
Koherentní optický komunikační systém druhé generace využívá optický směšovač pro intradynovou detekci a zavádí příjem s polarizační diverzitou, tj. na přijímacím konci se signální světlo a světlo lokálního oscilátoru rozkládají na dva světelné paprsky, jejichž polarizační stavy jsou vzájemně ortogonální. Tímto způsobem lze dosáhnout polarizačně necitlivého příjmu. Dále je třeba zdůraznit, že v tomto okamžiku lze sledování frekvence, obnovu fáze nosné, vyrovnání, synchronizaci, sledování polarizace a demultiplexování na přijímacím konci provádět pomocí technologie digitálního zpracování signálu (DSP), což výrazně zjednodušuje hardwarový návrh přijímače a zlepšuje schopnost obnovy signálu.
Některé výzvy a aspekty, kterým čelí vývoj technologie optických vláken pro komunikaci
Díky aplikaci různých technologií akademické kruhy a průmysl v podstatě dosáhly limitu spektrální účinnosti optických komunikačních systémů. Dalšího zvyšování přenosové kapacity lze dosáhnout pouze zvýšením šířky pásma systému B (lineárně rostoucí kapacita) nebo zvýšením poměru signálu k šumu. Konkrétní diskuse je následující.
1. Řešení pro zvýšení vysílacího výkonu
Vzhledem k tomu, že nelineární efekt způsobený přenosem s vysokým výkonem lze snížit vhodným zvětšením efektivní plochy průřezu vlákna, je řešením pro zvýšení výkonu použití málovidového vlákna namísto jednomódového vlákna pro přenos. Kromě toho je v současnosti nejběžnějším řešením nelineárních efektů použití algoritmu digitálního zpětného šíření (DBP), ale zlepšení výkonu algoritmu povede ke zvýšení výpočetní složitosti. Nedávný výzkum technologie strojového učení v nelineární kompenzaci ukázal dobrou aplikační perspektivu, která výrazně snižuje složitost algoritmu, takže návrh systému DBP může být v budoucnu podpořen strojovým učením.
2. Zvyšte šířku pásma optického zesilovače
Zvýšení šířky pásma může prolomit omezení frekvenčního rozsahu EDFA. Kromě pásma C a pásma L lze do aplikačního rozsahu zahrnout i pásmo S a pro zesílení lze použít zesilovač SOA nebo Ramanův zesilovač. Stávající optické vlákno však má velké ztráty v jiných frekvenčních pásmech než v pásmu S a je nutné navrhnout nový typ optického vlákna, aby se snížily přenosové ztráty. Pro zbývající pásma je však komerčně dostupná technologie optického zesilování také výzvou.
3. Výzkum optických vláken s nízkými ztrátami přenosu
Výzkum vláken s nízkými přenosovými ztrátami je jednou z nejdůležitějších otázek v této oblasti. Duté vlákno (HCF) má potenciál nižších přenosových ztrát, což zkrátí časové zpoždění přenosu vlákna a může do značné míry eliminovat problém nelineárního vlákna.
4. Výzkum technologií souvisejících s prostorovým multiplexováním
Technologie prostorového multiplexování je efektivním řešením pro zvýšení kapacity jednoho vlákna. Konkrétně se pro přenos používá vícejádrové optické vlákno, čímž se kapacita jednoho vlákna zdvojnásobí. Hlavní otázkou v tomto ohledu je, zda existuje optický zesilovač s vyšší účinností, jinak může být ekvivalentem pouze více jednojádrovým optickým vláknům. Použití technologie multiplexování s dělením módů, včetně lineárního polarizačního módu, OAM paprsku založeného na fázové singularitě a válcového vektorového paprsku založeného na polarizační singularitě, může být takovéto technologie... Paprskový multiplex poskytuje nový stupeň volnosti a zlepšuje kapacitu optických komunikačních systémů. Má široké perspektivy uplatnění v technologii optických vláken, ale výzkum souvisejících optických zesilovačů je také výzvou. Kromě toho si zaslouží pozornost i to, jak vyvážit složitost systému způsobenou diferenciálním zpožděním skupin módů a technologií digitální ekvalizace s více vstupy a více výstupy.
Perspektivy rozvoje technologie optických vláken pro komunikaci
Technologie optické komunikace se vyvinula z původního nízkorychlostního přenosu na současný vysokorychlostní přenos a stala se jednou z páteřních technologií podporujících informační společnost a vytvořila obrovskou disciplínu a sociální oblast. V budoucnu, s rostoucí poptávkou společnosti po přenosu informací, se optické komunikační systémy a síťové technologie budou vyvíjet směrem k ultra-velké kapacitě, inteligenci a integraci. Při zlepšování přenosového výkonu budou i nadále snižovat náklady, sloužit živobytí lidí a pomáhat zemi budovat informační společnost. Důležitou roli hraje CeiTa. CeiTa spolupracuje s řadou organizací zabývajících se přírodními katastrofami, které dokáží předpovídat regionální bezpečnostní varování, jako jsou zemětřesení, povodně a tsunami. Stačí se připojit k ONU CeiTa. V případě přírodní katastrofy vydá zemětřesná stanice včasné varování. Terminál pod ONU Alerts bude synchronizován.
(1) Inteligentní optická síť
Ve srovnání s bezdrátovými komunikačními systémy se optické komunikační systémy a sítě inteligentních optických sítí stále nacházejí v počáteční fázi, pokud jde o konfiguraci sítě, údržbu sítě a diagnostiku poruch, a stupeň inteligence je nedostatečný. Vzhledem k obrovské kapacitě jednoho vlákna bude mít výskyt jakéhokoli selhání vlákna velký dopad na ekonomiku a společnost. Proto je monitorování síťových parametrů velmi důležité pro vývoj budoucích inteligentních sítí. Mezi směry výzkumu, kterým je třeba v tomto ohledu v budoucnu věnovat pozornost, patří: systémy monitorování parametrů systému založené na zjednodušené koherentní technologii a strojovém učení, technologie monitorování fyzikálních veličin založená na analýze koherentního signálu a fázově citlivé optické reflexi v časové doméně.
(2) Integrovaná technologie a systém
Hlavním účelem integrace zařízení je snížení nákladů. V technologii optické komunikace lze dosáhnout vysokorychlostního přenosu signálů na krátké vzdálenosti prostřednictvím kontinuální regenerace signálu. Vzhledem k problémům s obnovou fázového a polarizačního stavu je však integrace koherentních systémů stále relativně obtížná. Kromě toho, pokud lze realizovat rozsáhlý integrovaný opticko-elektrooptický systém, výrazně se zlepší i kapacita systému. Vzhledem k faktorům, jako je nízká technická účinnost, vysoká složitost a obtížnost integrace, je však nemožné v oblasti optické komunikace a technologií zpracování široce propagovat výhradně optické signály, jako jsou výhradně optické 2R (opětovné zesílení, přetvarování) a 3R (opětovné zesílení, přečasování a přetvarování). Z hlediska integrační technologie a systémů jsou proto budoucí směry výzkumu následující: Ačkoli je stávající výzkum systémů prostorového multiplexování relativně bohatý, klíčové komponenty systémů prostorového multiplexování dosud nedosáhly technologického průlomu v akademické sféře a průmyslu a je zapotřebí dalšího posilování. Výzkum, jako jsou integrované lasery a modulátory, dvourozměrné integrované přijímače, vysoce energeticky účinné integrované optické zesilovače atd.; nové typy optických vláken mohou výrazně rozšířit šířku pásma systému, ale je stále zapotřebí dalšího výzkumu, aby se zajistilo, že jejich komplexní výkon a výrobní procesy dosáhnou stávající úrovně jednovidových vláken; studium různých zařízení, která lze s novým vláknem použít v komunikačním spojení.
(3) Optická komunikační zařízení
V oblasti optických komunikačních zařízení dosáhl výzkum a vývoj křemíkových fotonických zařízení počátečních výsledků. V současné době je však domácí výzkum zaměřen především na pasivní zařízení a výzkum aktivních zařízení je relativně slabý. Pokud jde o optická komunikační zařízení, budoucí směry výzkumu zahrnují: integrační výzkum aktivních zařízení a křemíkových optických zařízení; výzkum integrační technologie nekřemíkových optických zařízení, jako je výzkum integrační technologie materiálů a substrátů III-V; další vývoj výzkumu a vývoje nových zařízení. Následné aktivity, jako je integrovaný optický vlnovod na bázi lithium-niobátu s výhodami vysoké rychlosti a nízké spotřeby energie.
Čas zveřejnění: 3. srpna 2023
