Не тако давно, полако се одвијао полугодишњи лист са одговорима за заједнички развој Хенгћина између Џухаја и Макаа. Једно од прекограничних оптичких влакана привукло је пажњу. Пролазило је кроз Џухај и Макао како би се остварила међусобна веза рачунарске снаге и дељење ресурса од Макаа до Хенгћина и изградио информациони канал. Шангај такође промовише пројекат надоградње и трансформације комуникационе мреже „оптичке у бакарну позадину“ засноване на свим влакнима како би се обезбедио висококвалитетни економски развој и боље комуникационе услуге за становнике.
Са брзим развојем интернет технологије, потражња корисника за интернет саобраћајем расте из дана у дан, а како побољшати капацитет комуникације путем оптичких влакана постало је хитан проблем који треба решити.
Од појаве технологије оптичке комуникације, она је донела велике промене у областима науке и технологије и друштва. Као важна примена ласерске технологије, ласерска информациона технологија, представљена технологијом оптичке комуникације, изградила је оквир модерне комуникационе мреже и постала важан део преноса информација. Технологија оптичке комуникације је важна носива снага данашњег интернет света и једна је од основних технологија информационог доба.
Са континуираном појавом разних нових технологија као што су Интернет ствари, велики подаци, виртуелна стварност, вештачка интелигенција (ВИ), мобилне комуникације пете генерације (5Г) и друге технологије, постављају се већи захтеви за размену и пренос информација. Према истраживачким подацима које је Cisco објавио 2019. године, глобални годишњи IP саобраћај ће се повећати са 1,5ZB (1ZB=1021B) у 2017. на 4,8ZB у 2022. години, са сложеном годишњом стопом раста од 26%. Суочена са трендом раста великог саобраћаја, оптичка комуникација, као најважнији део комуникационе мреже, налази се под огромним притиском да се надогради. Брзи оптички комуникациони системи и мреже великог капацитета биће главни правац развоја технологије оптичке комуникације.
Историја развоја и статус истраживања технологије оптичке комуникације
Први рубински ласер је развијен 1960. године, након открића како ласери раде од стране Артура Шоулоуа и Чарлса Таунса 1958. године. Затим, 1970. године, успешно је развијен први AlGaAs полупроводнички ласер способан за континуирани рад на собној температури, а 1977. године је остварен полупроводнички ласер који је могао континуирано да ради десетинама хиљада сати у практичном окружењу.
До сада, ласери имају предуслове за комерцијалну комуникацију путем оптичких влакана. Од самог почетка проналаска ласера, проналазачи су препознали његову важну потенцијалну примену у области комуникације. Међутим, постоје два очигледна недостатка у технологији ласерске комуникације: један је да ће се велика количина енергије изгубити због дивергенције ласерског зрака; други је да је у великој мери под утицајем окружења примене, као што је примена у атмосферском окружењу која ће бити значајно подложна променама временских услова. Стога је за ласерску комуникацију веома важан одговарајући оптички таласовод.
Оптичко влакно које се користи за комуникацију, а које је предложио др Као Кунг, добитник Нобелове награде за физику, задовољава потребе ласерске комуникационе технологије за таласоводе. Он је предложио да Рејлијев губитак расејања код стаклених оптичких влакана може бити веома низак (мање од 20 dB/km), а губитак снаге у оптичким влакнима углавном долази од апсорпције светлости од стране нечистоћа у стакленим материјалима, па је пречишћавање материјала кључ за смањење губитака оптичких влакана, а такође је истакао да је једномодни пренос важан за одржавање добрих комуникационих перформанси.
Компанија Corning Glass је 1970. године развила мултимодно оптичко влакно на бази кварца са губитком од око 20dB/km, према предлогу др Каоа за пречишћавање, чиме је оптичка влакна постала стварност за медије за пренос комуникације. Након континуираног истраживања и развоја, губитак код оптичких влакана на бази кварца приближио се теоријској граници. До сада су услови за комуникацију оптичким влакнима у потпуности задовољени.
Рани системи за комуникацију путем оптичких влакана усвојили су метод пријема директном детекцијом. Ово је релативно једноставан метод комуникације путем оптичких влакана. PD је квадратни детектор и може се детектовати само интензитет оптичког сигнала. Овај метод пријема директном детекцијом наставио се од прве генерације технологије комуникације путем оптичких влакана 1970-их до раних 1990-их.
Да бисмо повећали искоришћење спектра унутар пропусног опсега, морамо почети од два аспекта: један је коришћење технологије за приближавање Шеноновој граници, али повећање ефикасности спектра повећало је захтеве за однос телекомуникација и шума, чиме се смањује даљина преноса; други је потпуно искоришћавање фазе, капацитет преноса информација поларизационог стања се користи за пренос, што је кохерентни оптички комуникациони систем друге генерације.
Кохерентни оптички комуникациони систем друге генерације користи оптички миксер за интрадинску детекцију и усваја пријем са поларизационом разноликошћу, односно на пријемном крају, сигнална светлост и светлост локалног осцилатора се разлажу у два светлосна снопа чија су стања поларизације ортогонална једно на друго. На овај начин се може постићи пријем неосетљив на поларизацију. Поред тога, треба истаћи да се у овом тренутку праћење фреквенције, опоравак фазе носача, изједначавање, синхронизација, праћење поларизације и демултиплексирање на пријемном крају могу обавити помоћу технологије дигиталне обраде сигнала (DSP), што значајно поједностављује дизајн хардвера пријемника и побољшава могућност опоравка сигнала.
Неки изазови и разматрања са којима се суочава развој технологије оптичких влакана за комуникацију
Применом различитих технологија, академски кругови и индустрија су у основи достигли границу спектралне ефикасности система оптичке комуникације. Даље повећање капацитета преноса може се постићи само повећањем пропусног опсега система B (линеарно повећање капацитета) или повећањем односа сигнал-шум. Конкретна дискусија је следећа.
1. Решење за повећање снаге преноса
Пошто се нелинеарни ефекат изазван преносом велике снаге може смањити одговарајућим повећањем ефективне површине попречног пресека влакна, решење за повећање снаге је коришћење маломодних влакана уместо једномодних влакана за пренос. Поред тога, тренутно најчешће решење за нелинеарне ефекте је коришћење алгоритма дигиталног повратног ширења (DBP), али побољшање перформанси алгоритма довешће до повећања рачунарске сложености. Недавно су истраживања технологије машинског учења у нелинеарној компензацији показала добре могућности примене, што значајно смањује сложеност алгоритма, тако да машинско учење може бити потпомогнуто дизајну DBP система у будућности.
2. Повећајте пропусни опсег оптичког појачавача
Повећање пропусног опсега може пробити ограничење фреквентног опсега EDFA. Поред C-опсега и L-опсега, S-опсег се такође може укључити у опсег примене, а SOA или Raman појачавач се могу користити за појачавање. Међутим, постојећа оптичка влакна имају велике губитке у фреквентним опсезима осим S-опсега, и потребно је пројектовати нови тип оптичког влакна како би се смањили губици преноса. Али за остале опсеге, комерцијално доступна технологија оптичког појачавања такође представља изазов.
3. Истраживање оптичких влакана са малим губицима преноса
Истраживање влакана са малим губицима при преносу једно је од најкритичнијих питања у овој области. Шупље језгро влакана (HCF) има могућност мањих губитака при преносу, што ће смањити временско кашњење преноса влакана и може у великој мери елиминисати нелинеарни проблем влакана.
4. Истраживање технологија повезаних са просторним мултиплексирањем
Технологија просторно-поделеног мултиплексирања је ефикасно решење за повећање капацитета једног влакна. Конкретно, вишејезгарно оптичко влакно се користи за пренос, а капацитет једног влакна се удвостручује. Кључно питање у том погледу је да ли постоји оптички појачавач веће ефикасности, у супротном може бити еквивалентно само вишеструким једнојезгарним оптичким влакнима; коришћењем технологије мултиплексирања са поделом модова, укључујући линеарни поларизациони мод, OAM сноп заснован на фазној сингуларности и цилиндрични векторски сноп заснован на поларизационој сингуларности, таква технологија може бити... Мултиплексирање снопа пружа нови степен слободе и побољшава капацитет оптичких комуникационих система. Има широке могућности примене у технологији оптичке комуникације, али истраживање сродних оптичких појачавача је такође изазов. Поред тога, заслужује пажњу и како уравнотежити сложеност система узроковану кашњењем диференцијалне групе модова и технологијом дигиталног изједначавања са више улаза и више излаза.
Перспективе за развој технологије оптичких влакана за комуникацију
Технологија оптичке комуникације се развила од почетног преноса малих брзина до тренутног преноса великим брзинама и постала је једна од основних технологија које подржавају информационо друштво, формирајући огромну дисциплину и друштвено поље. У будућности, како потражња друштва за преносом информација буде настављала да расте, системи оптичке комуникације и мрежне технологије ће се развијати ка ултра-великом капацитету, интелигенцији и интеграцији. Уз побољшање перформанси преноса, они ће наставити да смањују трошкове и служити егзистенцији људи и помоћи земљи у изградњи информационог друштва. CeiTa је сарађивала са бројним организацијама за природне катастрофе, које могу да предвиде регионална безбедносна упозорења као што су земљотреси, поплаве и цунамији. Потребно је само да се повеже са ONU CeiTa-е. Када се догоди природна катастрофа, станица за земљотрес ће издати рано упозорење. Терминал под ONU упозорењима ће бити синхронизован.
(1) Интелигентна оптичка мрежа
У поређењу са бежичним комуникационим системом, оптички комуникациони систем и мрежа интелигентне оптичке мреже су још увек у почетној фази у погледу конфигурације мреже, одржавања мреже и дијагностике кварова, а степен интелигенције је недовољан. Због огромног капацитета једног влакна, појава било каквог квара влакна имаће велики утицај на економију и друштво. Стога је праћење мрежних параметара веома важно за развој будућих интелигентних мрежа. Правци истраживања којима треба обратити пажњу у овом аспекту у будућности укључују: систем за праћење системских параметара заснован на поједностављеној кохерентној технологији и машинском учењу, технологију праћења физичких величина засновану на кохерентној анализи сигнала и фазно осетљивој оптичкој рефлексији у временском домену.
(2) Интегрисана технологија и систем
Основна сврха интеграције уређаја је смањење трошкова. У технологији оптичке комуникације, пренос сигнала великим брзинама на кратке удаљености може се остварити континуираном регенерацијом сигнала. Међутим, због проблема опоравка фазног и поларизационог стања, интеграција кохерентних система је и даље релативно тешка. Поред тога, ако се може реализовати интегрисани оптичко-електрично-оптички систем великих размера, капацитет система ће такође бити значајно побољшан. Међутим, због фактора као што су ниска техничка ефикасност, велика сложеност и тешкоће у интеграцији, немогуће је широко промовисати потпуно оптичке сигнале као што су потпуно оптички 2R (поновно појачавање, преобликовање), 3R (поновно појачавање, превремено подешавање и преобликовање) у области технологије обраде оптичких комуникација. Стога, у погледу технологије и система интеграције, будући правци истраживања су следећи: Иако су постојећа истраживања система просторног мултиплексирања релативно богата, кључне компоненте система просторног мултиплексирања још увек нису постигле технолошки продор у академским круговима и индустрији, и потребно је даље јачање. Истраживања, као што су интегрисани ласери и модулатори, дводимензионални интегрисани пријемници, интегрисани оптички појачавачи високе енергетске ефикасности итд.; нови типови оптичких влакана могу значајно проширити пропусни опсег система, али су и даље потребна даља истраживања како би се осигурало да њихове свеобухватне перформансе и производни процеси могу достићи постојећи ниво једномодних влакана; проучавање различитих уређаја који се могу користити са новим влакном у комуникационој вези.
(3) Оптички комуникациони уређаји
У области оптичких комуникационих уређаја, истраживање и развој силицијумских фотонских уређаја постигли су почетне резултате. Међутим, тренутно се домаћа истраживања углавном заснивају на пасивним уређајима, док су истраживања активних уређаја релативно слаба. Што се тиче оптичких комуникационих уређаја, будући правци истраживања укључују: истраживање интеграције активних уређаја и силицијумских оптичких уређаја; истраживање технологије интеграције несилицијумских оптичких уређаја, као што је истраживање технологије интеграције III-V материјала и подлога; даљи развој истраживања и развоја нових уређаја. Наставак, као што је интегрисани оптички таласовод од литијум-ниобата са предностима велике брзине и мале потрошње енергије.
Време објаве: 03.08.2023.
