Nedavno se polako odvijao polugodišnji odgovorni list za zajednički razvoj Hengqina između Zhuhaija i Macaa. Jedno od prekograničnih optičkih vlakana privuklo je pažnju. Prolazilo je kroz Zhuhai i Macao kako bi se ostvarila međusobna povezanost računarske snage i dijeljenje resursa od Macaa do Hengqina, te izgradio informacijski kanal. Šangaj također promovira projekt modernizacije i transformacije komunikacijske mreže od "optičkog do bakrenog" vlakna kako bi se osigurao visokokvalitetni ekonomski razvoj i bolje komunikacijske usluge za stanovnike.
S brzim razvojem internet tehnologije, potražnja korisnika za internet prometom raste iz dana u dan, a poboljšanje kapaciteta optičke komunikacije postalo je hitan problem koji treba riješiti.
Od pojave optičke komunikacijske tehnologije, ona je donijela velike promjene u oblastima nauke i tehnologije i društva. Kao važna primjena laserske tehnologije, laserska informaciona tehnologija, predstavljena optičkom komunikacijskom tehnologijom, izgradila je okvir moderne komunikacijske mreže i postala važan dio prijenosa informacija. Optička komunikacijska tehnologija je važna nosiva snaga današnjeg internet svijeta, a ujedno je i jedna od ključnih tehnologija informacijskog doba.
S kontinuiranom pojavom različitih novih tehnologija kao što su Internet stvari, veliki podaci, virtualna stvarnost, umjetna inteligencija (AI), mobilne komunikacije pete generacije (5G) i druge tehnologije, postavljaju se veći zahtjevi za razmjenu i prijenos informacija. Prema istraživačkim podacima koje je Cisco objavio 2019. godine, globalni godišnji IP promet će se povećati sa 1,5 ZB (1 ZB = 1021 B) u 2017. na 4,8 ZB u 2022. godini, sa složenom godišnjom stopom rasta od 26%. Suočena s trendom rasta velikog prometa, optička komunikacija, kao najvažniji dio komunikacijske mreže, pod ogromnim je pritiskom da se nadogradi. Brzi i veliki kapaciteti optičkih komunikacijskih sistema i mreža bit će glavni smjer razvoja tehnologije optičkih komunikacija.
Historija razvoja i istraživački status tehnologije optičke komunikacije
Prvi rubinski laser razvijen je 1960. godine, nakon što su Arthur Showlow i Charles Townes 1958. godine otkrili kako laseri rade. Zatim je 1970. godine uspješno razvijen prvi AlGaAs poluprovodnički laser sposoban za kontinuirani rad na sobnoj temperaturi, a 1977. godine je ostvareno da poluprovodnički laser kontinuirano radi desetine hiljada sati u praktičnom okruženju.
Do sada, laseri ispunjavaju preduvjete za komercijalnu komunikaciju putem optičkih vlakana. Od samog početka izuma lasera, izumitelji su prepoznali njegovu važnu potencijalnu primjenu u području komunikacije. Međutim, postoje dva očigledna nedostatka u tehnologiji laserske komunikacije: prvi je da će se velika količina energije izgubiti zbog divergencije laserskog snopa; drugi je da na nju uveliko utječe okruženje primjene, kao što je primjena u atmosferskom okruženju koja će biti značajno podložna promjenama vremenskih uvjeta. Stoga je za lasersku komunikaciju vrlo važan odgovarajući optički valovod.
Optičko vlakno koje se koristi za komunikaciju, a koje je predložio dr. Kao Kung, dobitnik Nobelove nagrade za fiziku, zadovoljava potrebe laserske komunikacijske tehnologije za valovode. On je pretpostavio da gubitak Rayleighovog raspršenja kod staklenih optičkih vlakana može biti vrlo nizak (manji od 20 dB/km), a gubitak snage u optičkim vlaknima uglavnom dolazi od apsorpcije svjetlosti od strane nečistoća u staklenim materijalima, tako da je pročišćavanje materijala ključ za smanjenje gubitaka optičkih vlakana, a također je istakao da je jednomodni prijenos važan za održavanje dobrih komunikacijskih performansi.
Godine 1970, kompanija Corning Glass razvila je višemodno optičko vlakno na bazi kvarca s gubitkom od oko 20dB/km, prema prijedlogu dr. Kaoa za pročišćavanje, čime je optičko vlakno postalo stvarnost za medije za prijenos komunikacije. Nakon kontinuiranog istraživanja i razvoja, gubitak kod optičkih vlakana na bazi kvarca približio se teorijskoj granici. Do sada su uslovi za komunikaciju putem optičkih vlakana u potpunosti zadovoljeni.
Rani sistemi optičke komunikacije usvojili su metodu prijema direktnom detekcijom. Ovo je relativno jednostavna metoda optičke komunikacije. PD je detektor kvadratnog zakona i može se detektovati samo intenzitet optičkog signala. Ova metoda prijema direktnom detekcijom nastavila se koristiti od prve generacije tehnologije optičke komunikacije 1970-ih do ranih 1990-ih.
Da bismo povećali iskorištenost spektra unutar propusnog opsega, moramo početi od dva aspekta: jedan je korištenje tehnologije za približavanje Shannon granici, ali povećanje efikasnosti spektra povećalo je zahtjeve za odnos telekomunikacija i šuma, čime se smanjuje udaljenost prijenosa; drugi je potpuno korištenje faze, kapacitet prijenosa informacija polarizacijskog stanja koristi se za prijenos, što je koherentni optički komunikacijski sistem druge generacije.
Koherentni optički komunikacijski sistem druge generacije koristi optički mikser za intradinsku detekciju i usvaja prijem polarizacione raznolikosti, odnosno, na prijemnom kraju, signalna svjetlost i svjetlost lokalnog oscilatora se dekomponuju u dva snopa svjetlosti čija su stanja polarizacije ortogonalna jedno na drugo. Na taj način se može postići prijem neosjetljiv na polarizaciju. Pored toga, treba istaći da se u ovom trenutku praćenje frekvencije, oporavak faze nosioca, izjednačavanje, sinhronizacija, praćenje polarizacije i demultipleksiranje na prijemnom kraju mogu izvršiti tehnologijom digitalne obrade signala (DSP), što značajno pojednostavljuje dizajn hardvera prijemnika i poboljšava mogućnost oporavka signala.
Neki izazovi i razmatranja s kojima se suočava razvoj tehnologije optičkih vlakana za komunikaciju
Primjenom različitih tehnologija, akademski krugovi i industrija su u osnovi dostigli granicu spektralne efikasnosti optičkog komunikacijskog sistema. Da bi se kapacitet prenosa nastavio povećavati, to se može postići samo povećanjem propusnog opsega sistema B (linearno povećanje kapaciteta) ili povećanjem odnosa signal-šum. Konkretna diskusija je sljedeća.
1. Rješenje za povećanje snage odašiljanja
Budući da se nelinearni efekat uzrokovan prijenosom velike snage može smanjiti pravilnim povećanjem efektivne površine poprečnog presjeka vlakna, rješenje za povećanje snage je korištenje višemodnog vlakna umjesto jednomodnog vlakna za prijenos. Osim toga, trenutno najčešće rješenje za nelinearne efekte je korištenje algoritma digitalnog povratnog širenja (DBP), ali poboljšanje performansi algoritma dovest će do povećanja računske složenosti. Nedavno su istraživanja tehnologije mašinskog učenja u nelinearnoj kompenzaciji pokazala dobru mogućnost primjene, što uveliko smanjuje složenost algoritma, tako da mašinsko učenje može biti potpomognuto dizajnom DBP sistema u budućnosti.
2. Povećajte propusni opseg optičkog pojačala
Povećanje propusnog opsega može probiti ograničenje frekvencijskog opsega EDFA. Pored C-opsega i L-opsega, S-opseg se također može uključiti u opseg primjene, a SOA ili Raman pojačalo se mogu koristiti za pojačanje. Međutim, postojeća optička vlakna imaju velike gubitke u frekvencijskim opsezima osim S-opsega, te je potrebno dizajnirati novi tip optičkog vlakna kako bi se smanjili gubici pri prijenosu. Ali za ostale opsege, komercijalno dostupna tehnologija optičkog pojačanja također predstavlja izazov.
3. Istraživanje optičkih vlakana s niskim gubicima pri prijenosu
Istraživanje vlakana s niskim gubicima pri prijenosu jedno je od najkritičnijih pitanja u ovoj oblasti. Vlakna sa šupljom jezgrom (HCF) imaju mogućnost smanjenja gubitaka pri prijenosu, što će smanjiti vremensko kašnjenje prijenosa vlakna i u velikoj mjeri eliminirati problem nelinearnog vlakna.
4. Istraživanje tehnologija povezanih sa multipleksiranjem sa prostornom podjelom
Tehnologija prostornog multipleksiranja je efikasno rješenje za povećanje kapaciteta jednog vlakna. Konkretno, višejezgreno optičko vlakno se koristi za prijenos, a kapacitet jednog vlakna se udvostručuje. Ključno pitanje u tom pogledu je da li postoji optički pojačavač veće efikasnosti, u suprotnom može biti ekvivalentan samo višestrukim jednojezgrenim optičkim vlaknima; korištenjem tehnologije multipleksiranja s podjelom moda, uključujući linearni mod polarizacije, OAM snop zasnovan na faznoj singularnosti i cilindrični vektorski snop zasnovan na polarizacijskoj singularnosti, takva tehnologija može biti... Multipleksiranje snopa pruža novi stepen slobode i poboljšava kapacitet optičkih komunikacijskih sistema. Ima široke mogućnosti primjene u tehnologiji optičke komunikacije, ali istraživanje srodnih optičkih pojačavača također predstavlja izazov. Pored toga, vrijedno je pažnje i kako uravnotežiti složenost sistema uzrokovanu diferencijalnim kašnjenjem grupe modova i tehnologijom digitalne ekvalizacije s više ulaza i više izlaza.
Perspektive za razvoj tehnologije optičkih vlakana za komunikaciju
Tehnologija optičke komunikacije razvila se od početnog prijenosa malim brzinama do trenutnog prijenosa velikim brzinama i postala je jedna od osnovnih tehnologija koje podržavaju informaciono društvo, formirajući ogromnu disciplinu i društveno polje. U budućnosti, kako potražnja društva za prijenosom informacija nastavlja rasti, sistemi optičke komunikacije i mrežne tehnologije će se razvijati prema ultra-velikom kapacitetu, inteligenciji i integraciji. Uz poboljšanje performansi prijenosa, oni će nastaviti smanjivati troškove i služiti egzistenciji ljudi te pomoći zemlji u izgradnji informacionog društva. CeiTa je sarađivao s brojnim organizacijama za prirodne katastrofe, koje mogu predvidjeti regionalna sigurnosna upozorenja poput zemljotresa, poplava i cunamija. Potrebno je samo da se poveže na ONU CeiTa-e. Kada se dogodi prirodna katastrofa, stanica za zemljotrese će izdati rano upozorenje. Terminal pod ONU upozorenjima će biti sinhronizovan.
(1) Inteligentna optička mreža
U poređenju sa bežičnim komunikacijskim sistemom, optički komunikacijski sistem i mreža inteligentne optičke mreže su još uvijek u početnoj fazi u smislu konfiguracije mreže, održavanja mreže i dijagnostike kvarova, a stepen inteligencije je nedovoljan. Zbog ogromnog kapaciteta jednog vlakna, pojava bilo kakvog kvara vlakna imat će veliki utjecaj na ekonomiju i društvo. Stoga je praćenje parametara mreže vrlo važno za razvoj budućih inteligentnih mreža. Pravci istraživanja kojima je potrebno posvetiti pažnju u ovom aspektu u budućnosti uključuju: sistem za praćenje parametara sistema zasnovan na pojednostavljenoj koherentnoj tehnologiji i mašinskom učenju, tehnologiju praćenja fizičkih veličina zasnovanu na koherentnoj analizi signala i fazno osjetljivu optičku refleksiju u vremenskom domenu.
(2) Integrisana tehnologija i sistem
Osnovna svrha integracije uređaja je smanjenje troškova. U tehnologiji optičke komunikacije, prijenos signala velikom brzinom na kratke udaljenosti može se ostvariti kontinuiranom regeneracijom signala. Međutim, zbog problema oporavka faznog i polarizacijskog stanja, integracija koherentnih sistema je i dalje relativno teška. Osim toga, ako se može realizirati veliki integrirani optičko-električno-optički sistem, kapacitet sistema će se također značajno poboljšati. Međutim, zbog faktora kao što su niska tehnička efikasnost, visoka složenost i teškoće u integraciji, nemoguće je široko promovirati potpuno optičke signale kao što su potpuno optički 2R (reamplifikacija, reoblikovanje), 3R (reamplifikacija, re-temping i reoblikovanje) u području tehnologije obrade optičkih komunikacija. Stoga, u smislu tehnologije i sistema integracije, budući pravci istraživanja su sljedeći: Iako su postojeća istraživanja sistema prostornog multipleksiranja relativno bogata, ključne komponente sistema prostornog multipleksiranja još nisu postigle tehnološki proboj u akademskim krugovima i industriji, te je potrebno daljnje jačanje. Istraživanja, kao što su integrirani laseri i modulatori, dvodimenzionalni integrirani prijemnici, integrirani optički pojačavači visoke energetske efikasnosti itd.; novi tipovi optičkih vlakana mogu značajno proširiti propusni opseg sistema, ali su i dalje potrebna daljnja istraživanja kako bi se osiguralo da njihove sveobuhvatne performanse i proizvodni procesi mogu dostići postojeći nivo jednomodnih vlakana; proučavanje različitih uređaja koji se mogu koristiti s novim vlaknom u komunikacijskoj vezi.
(3) Optički komunikacijski uređaji
U oblasti optičkih komunikacijskih uređaja, istraživanje i razvoj silicijumskih fotonskih uređaja postigli su početne rezultate. Međutim, trenutno se domaća istraživanja uglavnom zasnivaju na pasivnim uređajima, dok su istraživanja aktivnih uređaja relativno slaba. Što se tiče optičkih komunikacijskih uređaja, budući pravci istraživanja uključuju: istraživanje integracije aktivnih uređaja i silicijumskih optičkih uređaja; istraživanje tehnologije integracije nesilicijumskih optičkih uređaja, kao što je istraživanje tehnologije integracije III-V materijala i supstrata; daljnji razvoj istraživanja i razvoja novih uređaja. Naknadni rad, kao što je integrirani litijum-niobatni optički talasovod sa prednostima velike brzine i niske potrošnje energije.
Vrijeme objave: 03.08.2023.
