Не так давно медленно разворачивался полугодовой лист ответов для совместного развития Хэнциня между Чжухаем и Макао. Одно из трансграничных оптических волокон привлекло внимание. Оно прошло через Чжухай и Макао, чтобы реализовать взаимосвязь вычислительной мощности и совместное использование ресурсов из Макао в Хэнцинь и построить информационный канал. Шанхай также продвигает проект модернизации и трансформации полностью волоконной коммуникационной сети «оптическая в медную» для обеспечения высококачественного экономического развития и лучших коммуникационных услуг для жителей.
В связи с быстрым развитием интернет-технологий потребность пользователей в интернет-трафике растет с каждым днем, и повышение пропускной способности оптоволоконной связи стало неотложной проблемой, требующей решения.
С момента появления технологии оптоволоконной связи она внесла существенные изменения в области науки, техники и общества. Как важное применение лазерной технологии, лазерная информационная технология, представленная технологией оптоволоконной связи, создала основу современной сети связи и стала важной частью передачи информации. Технология оптоволоконной связи является важной несущей силой современного мира Интернета, а также одной из основных технологий информационного века.
С постоянным появлением различных новых технологий, таких как Интернет вещей, большие данные, виртуальная реальность, искусственный интеллект (ИИ), мобильная связь пятого поколения (5G) и другие технологии, к обмену и передаче информации предъявляются более высокие требования. Согласно данным исследования, опубликованным Cisco в 2019 году, глобальный годовой IP-трафик увеличится с 1,5ZB (1ZB = 1021B) в 2017 году до 4,8ZB в 2022 году, с годовым темпом роста 26%. Столкнувшись с тенденцией роста большого трафика, оптоволоконная связь, как самая магистральная часть сети связи, испытывает огромное давление в плане модернизации. Высокоскоростные оптоволоконные системы связи большой емкости и сети станут основным направлением развития технологии оптоволоконной связи.
История развития и состояние исследований в области волоконно-оптической связи
Первый рубиновый лазер был разработан в 1960 году после того, как в 1958 году Артур Шоулоу и Чарльз Таунс открыли принцип работы лазеров. Затем, в 1970 году, был успешно разработан первый полупроводниковый лазер на основе AlGaAs, способный непрерывно работать при комнатной температуре, а в 1977 году было доказано, что полупроводниковый лазер может работать непрерывно в течение десятков тысяч часов в реальных условиях.
До сих пор лазеры имеют предпосылки для коммерческой оптоволоконной связи. С самого начала изобретения лазера изобретатели осознавали его важное потенциальное применение в области связи. Однако в технологии лазерной связи есть два очевидных недостатка: один заключается в том, что большое количество энергии будет теряться из-за расхождения лазерного луча; другой заключается в том, что на нее сильно влияет среда применения, например, применение в атмосферной среде будет значительно подвержено изменениям погодных условий. Поэтому для лазерной связи очень важен подходящий оптический волновод.
Оптическое волокно, используемое для связи, предложенное доктором Као Кунгом, лауреатом Нобелевской премии по физике, отвечает потребностям лазерной коммуникационной технологии для волноводов. Он предположил, что потери на рэлеевское рассеяние стеклянного оптического волокна могут быть очень низкими (менее 20 дБ/км), а потери мощности в оптическом волокне в основном происходят из-за поглощения света примесями в стеклянных материалах, поэтому очистка материала является ключом к снижению потерь оптического волокна Ки, а также указал, что одномодовая передача важна для поддержания хорошей производительности связи.
В 1970 году компания Corning Glass Company разработала многомодовое оптическое волокно на основе кварца с потерями около 20 дБ/км в соответствии с предложением очистки доктора Као, сделав оптическое волокно реальностью для средств передачи данных. После непрерывных исследований и разработок потери оптических волокон на основе кварца приблизились к теоретическому пределу. До сих пор условия оптоволоконной связи полностью удовлетворяются.
Ранние системы оптоволоконной связи все приняли метод приема прямого обнаружения. Это относительно простой метод оптоволоконной связи. PD является квадратичным детектором, и может быть обнаружена только интенсивность оптического сигнала. Этот метод приема прямого обнаружения продолжался с первого поколения технологии оптоволоконной связи в 1970-х годах до начала 1990-х годов.
Чтобы увеличить использование спектра в пределах полосы пропускания, нам необходимо начать с двух аспектов: один из них — использовать технологию для приближения к пределу Шеннона, но увеличение эффективности использования спектра увеличило требования к соотношению телекоммуникационной мощности к шуму, тем самым сократив расстояние передачи; другой — полностью использовать фазу. Информационная пропускная способность состояния поляризации используется для передачи, что является системой когерентной оптической связи второго поколения.
Система когерентной оптической связи второго поколения использует оптический смеситель для внутридинного обнаружения и принимает поляризационно-разнесенный прием, то есть на приемном конце сигнальный свет и свет локального генератора разлагаются на два луча света, состояния поляризации которых ортогональны друг другу. Таким образом, может быть достигнут прием, нечувствительный к поляризации. Кроме того, следует отметить, что в настоящее время отслеживание частоты, восстановление фазы несущей, выравнивание, синхронизация, отслеживание поляризации и демультиплексирование на приемном конце могут быть выполнены с помощью технологии цифровой обработки сигналов (DSP), что значительно упрощает аппаратную конструкцию приемника и улучшает возможности восстановления сигнала.
Некоторые проблемы и соображения, возникающие при развитии технологии оптоволоконной связи
Благодаря применению различных технологий академические круги и промышленность в основном достигли предела спектральной эффективности оптоволоконной системы связи. Чтобы продолжать увеличивать пропускную способность, этого можно достичь только путем увеличения полосы пропускания системы B (линейного увеличения пропускной способности) или увеличения отношения сигнал/шум. Конкретное обсуждение заключается в следующем.
1. Решение для увеличения мощности передачи
Поскольку нелинейный эффект, вызванный передачей высокой мощности, можно уменьшить, правильно увеличив эффективную площадь поперечного сечения волокна, решением для увеличения мощности является использование маломодового волокна вместо одномодового волокна для передачи. Кроме того, в настоящее время наиболее распространенным решением для нелинейных эффектов является использование алгоритма цифрового обратного распространения (DBP), но улучшение производительности алгоритма приведет к увеличению вычислительной сложности. В последнее время исследования технологии машинного обучения в области нелинейной компенсации показали хорошую перспективу применения, что значительно снижает сложность алгоритма, поэтому в будущем проектирование системы DBP может быть поддержано машинным обучением.
2. Увеличить полосу пропускания оптического усилителя
Увеличение полосы пропускания может преодолеть ограничение частотного диапазона EDFA. В дополнение к C-диапазону и L-диапазону, S-диапазон также может быть включен в диапазон применения, а усилитель SOA или Raman может использоваться для усиления. Однако существующее оптическое волокно имеет большие потери в частотных диапазонах, отличных от S-диапазона, и необходимо разработать новый тип оптического волокна, чтобы уменьшить потери при передаче. Но для остальных диапазонов коммерчески доступная технология оптического усиления также является проблемой.
3. Исследование оптического волокна с низкими потерями при передаче
Исследование волокна с низкими потерями при передаче является одним из наиболее важных вопросов в этой области. Полое волокно (HCF) имеет возможность снижения потерь при передаче, что уменьшит задержку передачи волокна и может в значительной степени устранить нелинейную проблему волокна.
4. Исследования в области технологий, связанных с пространственным разделением мультиплексов.
Технология пространственного мультиплексирования является эффективным решением для увеличения пропускной способности одного волокна. В частности, для передачи используется многожильное оптическое волокно, а пропускная способность одного волокна удваивается. Основной вопрос в этом отношении заключается в том, существует ли оптический усилитель с более высокой эффективностью. , в противном случае он может быть эквивалентен только нескольким одножильным оптическим волокнам; используя технологию мультиплексирования с разделением по модам, включая режим линейной поляризации, луч OAM на основе фазовой сингулярности и цилиндрический векторный луч на основе поляризационной сингулярности, такая технология может быть Мультиплексирование пучка обеспечивает новую степень свободы и повышает пропускную способность оптических систем связи. Оно имеет широкие перспективы применения в технологии оптоволоконной связи, но исследование связанных оптических усилителей также является проблемой. Кроме того, заслуживает внимания то, как сбалансировать сложность системы, вызванную дифференциальной групповой задержкой мод и технологией цифровой коррекции с несколькими входами и несколькими выходами.
Перспективы развития технологий волоконно-оптической связи
Технология оптоволоконной связи развивалась от первоначальной низкоскоростной передачи до современной высокоскоростной передачи и стала одной из основных технологий, поддерживающих информационное общество, и сформировала огромную дисциплину и социальную сферу. В будущем, поскольку спрос общества на передачу информации продолжает расти, оптоволоконные системы связи и сетевые технологии будут развиваться в направлении сверхбольшой емкости, интеллекта и интеграции. Улучшая производительность передачи, они продолжат снижать затраты и служить средствам к существованию людей и помогать стране создавать информацию. общество играет важную роль. CeiTa сотрудничает с рядом организаций по стихийным бедствиям, которые могут предсказывать региональные предупреждения о безопасности, такие как землетрясения, наводнения и цунами. Его нужно только подключить к ONU CeiTa. Когда происходит стихийное бедствие, станция землетрясения выдаст раннее предупреждение. Терминал под ONU Alerts будет синхронизирован.
(1) Интеллектуальная оптическая сеть
По сравнению с беспроводной системой связи, оптическая система связи и сеть интеллектуальной оптической сети все еще находятся на начальном этапе с точки зрения конфигурации сети, обслуживания сети и диагностики неисправностей, а степень интеллекта недостаточна. Из-за огромной емкости одного волокна возникновение любого отказа волокна будет иметь большое влияние на экономику и общество. Поэтому мониторинг параметров сети очень важен для развития будущих интеллектуальных сетей. Направления исследований, на которые необходимо обратить внимание в этом аспекте в будущем, включают: систему мониторинга параметров системы на основе упрощенной когерентной технологии и машинного обучения, технологию мониторинга физических величин на основе когерентного анализа сигнала и фазочувствительного оптического отражения во временной области.
(2) Интегрированная технология и система
Основная цель интеграции устройств — снижение затрат. В технологии оптоволоконной связи высокоскоростная передача сигналов на короткие расстояния может быть реализована посредством непрерывной регенерации сигнала. Однако из-за проблем восстановления фазы и состояния поляризации интеграция когерентных систем все еще относительно сложна. Кроме того, если может быть реализована крупномасштабная интегрированная оптико-электро-оптическая система, то пропускная способность системы также будет значительно улучшена. Однако из-за таких факторов, как низкая техническая эффективность, высокая сложность и сложность интеграции, невозможно широко продвигать полностью оптические сигналы, такие как полностью оптические 2R (повторное усиление, изменение формы), 3R (повторное усиление, изменение синхронизации и изменение формы) в области оптической связи. технологии обработки. Поэтому с точки зрения технологии и систем интеграции будущие направления исследований следующие: Хотя существующие исследования систем пространственного мультиплексирования относительно богаты, ключевые компоненты систем пространственного мультиплексирования еще не достигли технологических прорывов в академических кругах и промышленности, и необходимо дальнейшее укрепление. Исследования, такие как интегрированные лазеры и модуляторы, двумерные интегрированные приемники, интегрированные оптические усилители с высокой энергоэффективностью и т. д.; новые типы оптических волокон могут значительно расширить полосу пропускания системы, но все еще необходимы дальнейшие исследования, чтобы гарантировать, что их комплексная производительность и производственные процессы могут достичь существующего уровня одномодового волокна; изучение различных устройств, которые могут использоваться с новым волокном в линии связи.
(3) Оптические устройства связи
В оптических коммуникационных устройствах исследования и разработки кремниевых фотонных устройств достигли первых результатов. Однако в настоящее время внутренние исследования, связанные в основном с пассивными устройствами, а исследования активных устройств относительно слабы. Что касается оптических коммуникационных устройств, будущие направления исследований включают: интеграционные исследования активных устройств и кремниевых оптических устройств; исследования интеграционной технологии некремниевых оптических устройств, такие как исследования интеграционной технологии материалов III-V и подложек; дальнейшее развитие новых исследований и разработок устройств. Последующие, такие как интегрированный оптический волновод из ниобата лития с преимуществами высокой скорости и низкого энергопотребления.
Время публикации: 03-08-2023
