Nemrégiben lassan kibontakoztak a Zhuhai és Makaó közötti Hengqin közös fejlesztésére vonatkozó féléves válaszlapok. Az egyik határokon átnyúló optikai szál felkeltette a figyelmet. Áthaladt Zhuhain és Makaón, hogy megvalósítsa a számítási teljesítmény összekapcsolását és az erőforrások megosztását Makaó és Hengqin között, valamint kiépítsen egy információs csatornát. Sanghaj emellett az „optikairól rézvezetékre cserélhető” teljes optikai szálas kommunikációs hálózat korszerűsítési és átalakítási projektjét is támogatja, hogy biztosítsa a magas színvonalú gazdasági fejlődést és a lakosok számára jobb kommunikációs szolgáltatásokat.
Az internetes technológia gyors fejlődésével a felhasználók internetes forgalma iránti igény napról napra növekszik, így az optikai szálas kommunikáció kapacitásának javítása sürgető problémává vált.
Az optikai szálas kommunikációs technológia megjelenése óta jelentős változásokat hozott a tudomány, a technológia és a társadalom területén. A lézertechnológia fontos alkalmazásaként az optikai szálas kommunikációs technológia által képviselt lézeres információtechnológia kiépítette a modern kommunikációs hálózat kereteit, és az információátvitel fontos részévé vált. Az optikai szálas kommunikációs technológia a jelenlegi internetes világ fontos hordozója, és egyben az információs kor egyik alapvető technológiája is.
A különféle új technológiák, mint például a dolgok internete, a big data, a virtuális valóság, a mesterséges intelligencia (MI), az ötödik generációs mobilkommunikáció (5G) és más technológiák folyamatos megjelenésével egyre nagyobb igények hárulnak az információcserére és -átvitelre. A Cisco által 2019-ben közzétett kutatási adatok szerint a globális éves IP-forgalom 1,5 ZB-ról (1 ZB = 1021 B) 2017-ben 4,8 ZB-ra fog növekedni 2022-re, ami 26%-os összetett éves növekedési ütemet jelent. A nagy forgalom növekedési trendjével szembesülve az optikai szálas kommunikáció, mint a kommunikációs hálózat legfontosabb gerinchálózata, óriási nyomás alatt áll a fejlesztés terén. A nagy sebességű, nagy kapacitású optikai szálas kommunikációs rendszerek és hálózatok lesznek az optikai szálas kommunikációs technológia fő fejlesztési iránya.
Az optikai szálas kommunikációs technológia fejlesztési története és kutatási státusza
Az első rubinlézert 1960-ban fejlesztették ki, miután Arthur Showlow és Charles Townes 1958-ban felfedezték a lézerek működését. 1970-ben sikeresen kifejlesztették az első AlGaAs félvezető lézert, amely szobahőmérsékleten folyamatos működésre képes, és 1977-ben a félvezető lézert több tízezer órán át képes folyamatosan működni a gyakorlati környezetben.
A lézerek eddig rendelkeztek a kereskedelmi optikai szálas kommunikáció előfeltételeivel. A lézer feltalálásának kezdetétől fogva a feltalálók felismerték annak fontos alkalmazási lehetőségeit a kommunikáció területén. A lézeres kommunikációs technológiának azonban két nyilvánvaló hiányossága van: az egyik, hogy a lézersugár divergenciája miatt nagy mennyiségű energia vész el; a másik, hogy nagymértékben befolyásolja az alkalmazási környezet, például a légköri környezetben történő alkalmazás jelentősen ki van téve az időjárási viszonyok változásainak. Ezért a lézeres kommunikációhoz nagyon fontos a megfelelő optikai hullámvezető.
A fizikai Nobel-díjas Dr. Kao Kung által javasolt kommunikációs optikai szál megfelel a lézerkommunikációs technológia hullámvezetőkkel szembeni igényeinek. Azt javasolta, hogy az üvegszál Rayleigh-szórási vesztesége nagyon alacsony lehet (kevesebb, mint 20 dB/km), és az optikai szál teljesítményvesztesége főként az üveganyagokban található szennyeződések általi fényelnyelésből származik, így az anyagtisztítás kulcsfontosságú az optikai szál veszteségének csökkentésében, és rámutatott arra is, hogy az egymódusú átvitel fontos a jó kommunikációs teljesítmény fenntartásához.
1970-ben a Corning Glass Company kifejlesztett egy kvarc alapú, többmódusú optikai szálat, amelynek vesztesége körülbelül 20 dB/km volt, Dr. Kao tisztítási javaslata alapján, így az optikai szál valósággá vált a kommunikációs átviteli közegek számára. A folyamatos kutatás és fejlesztés eredményeként a kvarc alapú optikai szálak vesztesége megközelítette az elméleti határt. Az optikai szálas kommunikáció feltételei eddig teljes mértékben teljesültek.
A korai optikai szálas kommunikációs rendszerek mind a közvetlen detektálás vételi módszerét alkalmazták. Ez egy viszonylag egyszerű optikai szálas kommunikációs módszer. A PD egy négyzetes törvényű detektor, és csak az optikai jel intenzitása detektálható. Ez a közvetlen detektálási vételi módszer az optikai szálas kommunikációs technológia első generációjától az 1970-es évek elejéig az 1990-es évekig folytatódott.
A sávszélességen belüli spektrumkihasználás növelése érdekében két szempontból kell kiindulnunk: az egyik a Shannon-határt megközelítő technológia alkalmazása, de a spektrumhatékonyság növekedése megnövelte a telekommunikáció-zaj arányra vonatkozó követelményeket, ezáltal csökkentve az átviteli távolságot; a másik a fázis teljes kihasználása, a polarizációs állapot információhordozó kapacitását használják az átvitelhez, ami a második generációs koherens optikai kommunikációs rendszer.
A második generációs koherens optikai kommunikációs rendszer optikai keverőt használ az intradyne detektáláshoz, és polarizációs diverzitásos vételt alkalmaz, azaz a vételi oldalon a jelzőfény és a helyi oszcillátor fénye két fénysugárra bontódik, amelyek polarizációs állapotai egymásra merőlegesek. Ily módon polarizáció-érzéketlen vétel érhető el. Ezenkívül meg kell jegyezni, hogy ebben az időben a frekvenciakövetés, a vivőfázis-helyreállítás, a kiegyenlítés, a szinkronizálás, a polarizációkövetés és a demultiplexelés a vételi oldalon mind digitális jelfeldolgozó (DSP) technológiával végezhető el, ami nagymértékben leegyszerűsíti a vevő hardvertervezését és javítja a jel-helyreállítási képességet.
Néhány kihívás és szempont az optikai szálas kommunikációs technológia fejlesztésével kapcsolatban
Különböző technológiák alkalmazásával az akadémiai körök és az ipar lényegében elérték az optikai szálas kommunikációs rendszer spektrális hatékonyságának határát. Az átviteli kapacitás további növelése csak a rendszer sávszélességének (B) növelésével (lineárisan növekvő kapacitás) vagy a jel-zaj arány növelésével érhető el. A konkrét megbeszélés a következő.
1. Megoldás az átviteli teljesítmény növelésére
Mivel a nagyteljesítményű átvitel által okozott nemlineáris hatás csökkenthető a szál keresztmetszetének effektív területének megfelelő növelésével, a teljesítmény növelésére megoldást jelenthet az egymódusú szál helyett kevésmódusú szál használata az átvitelhez. Ezenkívül a nemlineáris effektusok jelenlegi leggyakoribb megoldása a digitális visszaterjedési (DBP) algoritmus használata, de az algoritmus teljesítményének javulása a számítási komplexitás növekedéséhez vezet. A gépi tanulási technológia nemlineáris kompenzációban történő kutatása a közelmúltban jó alkalmazási lehetőségeket mutatott, amelyek nagymértékben csökkentik az algoritmus komplexitását, így a DBP rendszer tervezését a jövőben a gépi tanulás segítheti.
2. Növelje az optikai erősítő sávszélességét
A sávszélesség növelésével áttörhető az EDFA frekvenciatartományának korlátja. A C- és L-sáv mellett az S-sáv is bevonható az alkalmazási tartományba, és az SOA vagy Raman erősítő is használható erősítésre. A meglévő optikai szál azonban nagy veszteséggel rendelkezik az S-sávon kívüli frekvenciasávokban, és új típusú optikai szálat kell tervezni az átviteli veszteség csökkentése érdekében. A többi sáv esetében azonban a kereskedelmi forgalomban kapható optikai erősítési technológia is kihívást jelent.
3. Alacsony átviteli veszteségű optikai szálak kutatása
Az alacsony átviteli veszteségű szálakkal kapcsolatos kutatás az egyik legfontosabb kérdés ezen a területen. Az üreges magú szál (HCF) alacsonyabb átviteli veszteséggel járhat, ami csökkenti a szál átvitelének időbeli késleltetését, és nagymértékben kiküszöbölheti a szál nemlineáris problémáját.
4. Térosztásos multiplexeléssel kapcsolatos technológiák kutatása
A térosztásos multiplexelési technológia hatékony megoldás egyetlen szál kapacitásának növelésére. Konkrétan a többmagos optikai szálat átvitelre használják, és egyetlen szál kapacitása megduplázódik. A fő kérdés ebben a tekintetben az, hogy létezik-e nagyobb hatékonyságú optikai erősítő, egyébként csak több egymagos optikai szállal lehet egyenértékű; a módosztásos multiplexelési technológia, beleértve a lineáris polarizációs módot, a fázisszingularitáson alapuló OAM nyalábot és a polarizációs szingularitáson alapuló hengeres vektornyalábot, használatával ilyen technológia használható. A nyalábmultiplexelés új fokú szabadságot biztosít és javítja az optikai kommunikációs rendszerek kapacitását. Széles körű alkalmazási lehetőségekkel rendelkezik az optikai szálas kommunikációs technológiában, de a kapcsolódó optikai erősítők kutatása is kihívást jelent. Ezenkívül figyelmet érdemel az is, hogyan lehet egyensúlyt teremteni a differenciálmódusú csoportkésleltetés és a több bemenetű, több kimenetű digitális kiegyenlítési technológia okozta rendszerbonyolultság között.
Az optikai szálas kommunikációs technológia fejlesztésének kilátásai
Az optikai szálas kommunikációs technológia a kezdeti alacsony sebességű átviteltől a jelenlegi nagy sebességű átvitelig fejlődött, és az információs társadalom egyik gerinctechnológiájává vált, hatalmas tudományágat és társadalmi területet alkotva. A jövőben, ahogy a társadalom információátvitel iránti igénye folyamatosan növekszik, az optikai szálas kommunikációs rendszerek és hálózati technológiák a rendkívül nagy kapacitás, az intelligencia és az integráció felé fejlődnek. Az átviteli teljesítmény javítása mellett továbbra is csökkentik a költségeket, szolgálják az emberek megélhetését, és segítik az ország információépítését. A társadalom fontos szerepet játszik. A CeiTa számos természeti katasztrófavédelmi szervezettel működik együtt, amelyek előre tudják jelezni a regionális biztonsági figyelmeztetéseket, például a földrengéseket, árvizeket és szökőárakat. Csak a CeiTa ONU-jához kell csatlakozni. Természeti katasztrófa esetén a földrengésállomás korai figyelmeztetést ad ki. Az ONU riasztások alatt álló terminál szinkronizálva lesz.
(1) Intelligens optikai hálózat
A vezeték nélküli kommunikációs rendszerrel összehasonlítva az intelligens optikai hálózat optikai kommunikációs rendszere és hálózata még kezdeti szakaszban van a hálózati konfiguráció, a hálózati karbantartás és a hibakeresés tekintetében, és az intelligencia mértéke sem elegendő. Egyetlen szál hatalmas kapacitása miatt bármilyen szálhiba bekövetkezése nagy hatással lesz a gazdaságra és a társadalomra. Ezért a hálózati paraméterek monitorozása nagyon fontos a jövő intelligens hálózatainak fejlesztése szempontjából. A jövőben ezen a téren figyelmet érdemlő kutatási irányok a következők: egyszerűsített koherens technológián és gépi tanuláson alapuló rendszerparaméter-monitorozó rendszer, koherens jelelemzésen alapuló fizikai mennyiség-monitorozó technológia és fázisérzékeny optikai időtartomány-reflexió.
(2) Integrált technológia és rendszer
Az eszközintegráció fő célja a költségek csökkentése. Az optikai szálas kommunikációs technológiában a jelek rövid távolságú, nagy sebességű átvitele folyamatos jelregenerálással valósítható meg. A fázis- és polarizációs állapot-helyreállítás problémái miatt azonban a koherens rendszerek integrációja továbbra is viszonylag nehéz. Ezenkívül, ha egy nagyméretű integrált optikai-elektromos-optikai rendszer megvalósítható, a rendszer kapacitása is jelentősen javul. Azonban olyan tényezők miatt, mint az alacsony műszaki hatékonyság, a nagyfokú komplexitás és az integráció nehézségei, lehetetlen széles körben előmozdítani a teljesen optikai jeleket, mint például a teljesen optikai 2R (újraerősítés, újraformálás), 3R (újraerősítés, újraidőzítés és újraformálás) az optikai kommunikációs feldolgozási technológia területén. Ezért az integrációs technológia és rendszerek tekintetében a jövőbeli kutatási irányok a következők: Bár a térosztásos multiplexelő rendszerekkel kapcsolatos meglévő kutatások viszonylag gazdagok, a térosztásos multiplexelő rendszerek kulcskomponensei még nem értek el technológiai áttörést az akadémiai és ipari szférában, és további erősítésre van szükség. Kutatások, mint például az integrált lézerek és modulátorok, kétdimenziós integrált vevők, nagy energiahatékonyságú integrált optikai erősítők stb.; az új típusú optikai szálak jelentősen bővíthetik a rendszer sávszélességét, de további kutatásokra van szükség annak biztosítására, hogy átfogó teljesítményük és gyártási folyamataik elérjék a meglévő egyetlen módusú szál szintjét; tanulmányozni kell a kommunikációs kapcsolatban az új szállal használható különféle eszközöket.
(3) Optikai kommunikációs eszközök
Az optikai kommunikációs eszközök terén a szilícium-fotonikus eszközök kutatása és fejlesztése már kezdeti eredményeket hozott. Jelenleg azonban a hazai kapcsolódó kutatások főként a passzív eszközökre épülnek, az aktív eszközökkel kapcsolatos kutatások viszonylag gyengék. Az optikai kommunikációs eszközök tekintetében a jövőbeli kutatási irányok a következők: az aktív eszközök és a szilícium-optikai eszközök integrációs kutatása; a nem szilícium-optikai eszközök integrációs technológiájának kutatása, például a III-V anyagok és szubsztrátok integrációs technológiájának kutatása; új eszközök kutatásának és fejlesztésének továbbfejlesztése. Nyomon követés, például integrált lítium-niobát optikai hullámvezető, amelynek előnyei a nagy sebesség és az alacsony energiafogyasztás.
Közzététel ideje: 2023. augusztus 3.
