Πριν από λίγο καιρό, το εναρκτήριο λάκτισμα για την κοινή ανάπτυξη του Hengqin μεταξύ Zhuhai και Μακάο ξεδιπλωνόταν σιγά σιγά. Μία από τις διασυνοριακές οπτικές ίνες τράβηξε την προσοχή. Διήλθε από το Zhuhai και το Μακάο για να πραγματοποιήσει διασύνδεση υπολογιστικής ισχύος και κοινή χρήση πόρων από το Μακάο στο Hengqin, και να κατασκευάσει ένα κανάλι πληροφοριών. Η Σαγκάη προωθεί επίσης το έργο αναβάθμισης και μετασχηματισμού του δικτύου επικοινωνιών οπτικών ινών "οπτική σε χαλκό" για να εξασφαλίσει οικονομική ανάπτυξη υψηλής ποιότητας και καλύτερες υπηρεσίες επικοινωνίας για τους κατοίκους.
Με την ραγδαία ανάπτυξη της τεχνολογίας του Διαδικτύου, η ζήτηση των χρηστών για κίνηση στο Διαδίκτυο αυξάνεται καθημερινά, και ο τρόπος βελτίωσης της χωρητικότητας της επικοινωνίας μέσω οπτικών ινών έχει γίνει ένα επείγον πρόβλημα που πρέπει να λυθεί.
Από την εμφάνιση της τεχνολογίας επικοινωνίας μέσω οπτικών ινών, έχει επιφέρει σημαντικές αλλαγές στους τομείς της επιστήμης, της τεχνολογίας και της κοινωνίας. Ως σημαντική εφαρμογή της τεχνολογίας λέιζερ, η τεχνολογία πληροφοριών λέιζερ, που αντιπροσωπεύεται από την τεχνολογία επικοινωνίας μέσω οπτικών ινών, έχει δημιουργήσει το πλαίσιο του σύγχρονου δικτύου επικοινωνιών και έχει γίνει σημαντικό μέρος της μετάδοσης πληροφοριών. Η τεχνολογία επικοινωνίας μέσω οπτικών ινών αποτελεί σημαντική κινητήρια δύναμη στον σημερινό κόσμο του Διαδικτύου και είναι επίσης μία από τις βασικές τεχνολογίες της εποχής της πληροφορίας.
Με τη συνεχή εμφάνιση διαφόρων αναδυόμενων τεχνολογιών όπως το Διαδίκτυο των Πραγμάτων, τα μεγάλα δεδομένα, η εικονική πραγματικότητα, η τεχνητή νοημοσύνη (AI), οι κινητές επικοινωνίες πέμπτης γενιάς (5G) και άλλες τεχνολογίες, τίθενται υψηλότερες απαιτήσεις στην ανταλλαγή και μετάδοση πληροφοριών. Σύμφωνα με ερευνητικά δεδομένα που δημοσίευσε η Cisco το 2019, η παγκόσμια ετήσια κίνηση IP θα αυξηθεί από 1,5 ZB (1 ZB=1021B) το 2017 σε 4,8 ZB το 2022, με σύνθετο ετήσιο ρυθμό ανάπτυξης 26%. Αντιμέτωπες με την τάση ανάπτυξης της υψηλής κίνησης, οι επικοινωνίες οπτικών ινών, ως το πιο βασικό μέρος του δικτύου επικοινωνιών, βρίσκονται υπό τεράστια πίεση για αναβάθμιση. Τα συστήματα και τα δίκτυα επικοινωνιών οπτικών ινών υψηλής ταχύτητας και μεγάλης χωρητικότητας θα αποτελέσουν την κύρια κατεύθυνση ανάπτυξης της τεχνολογίας επικοινωνιών οπτικών ινών.
Ιστορία Ανάπτυξης και Κατάσταση Έρευνας της Τεχνολογίας Επικοινωνίας Οπτικών Ινών
Το πρώτο λέιζερ ρουμπινιού αναπτύχθηκε το 1960, μετά την ανακάλυψη του τρόπου λειτουργίας των λέιζερ από τους Arthur Showlow και Charles Townes το 1958. Στη συνέχεια, το 1970, αναπτύχθηκε με επιτυχία το πρώτο λέιζερ ημιαγωγών AlGaAs ικανό για συνεχή λειτουργία σε θερμοκρασία δωματίου και το 1977, το λέιζερ ημιαγωγών κατασκευάστηκε για να λειτουργεί συνεχώς για δεκάδες χιλιάδες ώρες σε ένα πρακτικό περιβάλλον.
Μέχρι στιγμής, τα λέιζερ έχουν τις προϋποθέσεις για εμπορική επικοινωνία μέσω οπτικών ινών. Από την αρχή της εφεύρεσης του λέιζερ, οι εφευρέτες αναγνώρισαν τη σημαντική πιθανή εφαρμογή του στον τομέα της επικοινωνίας. Ωστόσο, υπάρχουν δύο προφανείς αδυναμίες στην τεχνολογία επικοινωνίας λέιζερ: η μία είναι ότι θα χαθεί μεγάλη ποσότητα ενέργειας λόγω της απόκλισης της δέσμης λέιζερ και η άλλη είναι ότι επηρεάζεται σε μεγάλο βαθμό από το περιβάλλον εφαρμογής, όπως η εφαρμογή στο ατμοσφαιρικό περιβάλλον που θα υπόκειται σημαντικά σε αλλαγές στις καιρικές συνθήκες. Επομένως, για την επικοινωνία λέιζερ, ένας κατάλληλος οπτικός κυματοδηγός είναι πολύ σημαντικός.
Η οπτική ίνα που χρησιμοποιείται για την επικοινωνία, όπως προτάθηκε από τον Δρ. Kao Kung, νικητή του βραβείου Νόμπελ φυσικής, καλύπτει τις ανάγκες της τεχνολογίας επικοινωνίας με λέιζερ για κυματοδηγούς. Πρότεινε ότι η απώλεια σκέδασης Rayleigh των γυάλινων οπτικών ινών μπορεί να είναι πολύ χαμηλή (λιγότερο από 20 dB/km) και η απώλεια ισχύος στις οπτικές ίνες προέρχεται κυρίως από την απορρόφηση του φωτός από ακαθαρσίες στα γυάλινα υλικά, επομένως ο καθαρισμός του υλικού είναι το κλειδί για τη μείωση των απωλειών των οπτικών ινών, και επίσης επεσήμανε ότι η μονοτροπική μετάδοση είναι σημαντική για τη διατήρηση καλής απόδοσης επικοινωνίας.
Το 1970, η Corning Glass Company ανέπτυξε μια οπτική ίνα πολλαπλών τρόπων με βάση τον χαλαζία με απώλεια περίπου 20dB/km σύμφωνα με την πρόταση καθαρισμού του Δρ. Kao, καθιστώντας την οπτική ίνα πραγματικότητα για τα μέσα μετάδοσης επικοινωνιών. Μετά από συνεχή έρευνα και ανάπτυξη, η απώλεια των οπτικών ινών με βάση τον χαλαζία πλησίασε το θεωρητικό όριο. Μέχρι στιγμής, οι συνθήκες επικοινωνίας με οπτικές ίνες έχουν ικανοποιηθεί πλήρως.
Τα πρώτα συστήματα επικοινωνίας οπτικών ινών υιοθέτησαν όλα τη μέθοδο λήψης της άμεσης ανίχνευσης. Πρόκειται για μια σχετικά απλή μέθοδο επικοινωνίας οπτικών ινών. Το PD είναι ένας ανιχνευτής τετραγωνικού νόμου και μπορεί να ανιχνευθεί μόνο η ένταση του οπτικού σήματος. Αυτή η μέθοδος λήψης άμεσης ανίχνευσης συνεχίστηκε από την πρώτη γενιά τεχνολογίας επικοινωνίας οπτικών ινών τη δεκαετία του 1970 έως τις αρχές της δεκαετίας του 1990.
Για να αυξήσουμε την αξιοποίηση του φάσματος εντός του εύρους ζώνης, πρέπει να ξεκινήσουμε από δύο πτυχές: η μία είναι η χρήση τεχνολογίας για την προσέγγιση του ορίου Shannon, αλλά η αύξηση της απόδοσης του φάσματος έχει αυξήσει τις απαιτήσεις για τον λόγο τηλεπικοινωνιών προς θόρυβο, μειώνοντας έτσι την απόσταση μετάδοσης· η άλλη είναι η πλήρης αξιοποίηση της φάσης. Η χωρητικότητα μεταφοράς πληροφοριών της κατάστασης πόλωσης χρησιμοποιείται για τη μετάδοση, η οποία είναι το συνεκτικό οπτικό σύστημα επικοινωνίας δεύτερης γενιάς.
Το συνεκτικό οπτικό σύστημα επικοινωνίας δεύτερης γενιάς χρησιμοποιεί έναν οπτικό μίκτη για ενδοδυναμική ανίχνευση και υιοθετεί λήψη με διαφορική πόλωση, δηλαδή, στο άκρο λήψης, το φως σήματος και το φως του τοπικού ταλαντωτή αποσυντίθενται σε δύο δέσμες φωτός των οποίων οι καταστάσεις πόλωσης είναι ορθογώνιες μεταξύ τους. Με αυτόν τον τρόπο, μπορεί να επιτευχθεί λήψη μη ευαίσθητη στην πόλωση. Επιπλέον, πρέπει να επισημανθεί ότι αυτή τη στιγμή, η παρακολούθηση συχνότητας, η ανάκτηση φάσης φορέα, η εξίσωση, ο συγχρονισμός, η παρακολούθηση πόλωσης και η αποπολύπλεξη στο άκρο λήψης μπορούν να ολοκληρωθούν με τεχνολογία ψηφιακής επεξεργασίας σήματος (DSP), η οποία απλοποιεί σημαντικά τον σχεδιασμό υλικού του δέκτη και βελτιώνει την ικανότητα ανάκτησης σήματος.
Ορισμένες προκλήσεις και σκέψεις που αντιμετωπίζει η ανάπτυξη της τεχνολογίας επικοινωνίας οπτικών ινών
Μέσω της εφαρμογής διαφόρων τεχνολογιών, οι ακαδημαϊκοί κύκλοι και η βιομηχανία έχουν ουσιαστικά φτάσει στο όριο της φασματικής απόδοσης του συστήματος επικοινωνίας οπτικών ινών. Η συνεχής αύξηση της χωρητικότητας μετάδοσης μπορεί να επιτευχθεί μόνο με την αύξηση του εύρους ζώνης Β του συστήματος (γραμμική αύξηση της χωρητικότητας) ή την αύξηση του λόγου σήματος προς θόρυβο. Η συγκεκριμένη συζήτηση έχει ως εξής.
1. Λύση για την αύξηση της ισχύος μετάδοσης
Δεδομένου ότι το μη γραμμικό φαινόμενο που προκαλείται από τη μετάδοση υψηλής ισχύος μπορεί να μειωθεί αυξάνοντας σωστά την ενεργό περιοχή της διατομής της οπτικής ίνας, μια λύση για την αύξηση της ισχύος είναι η χρήση οπτικών ινών λίγων λειτουργιών αντί για μονοτροπικές οπτικές ίνες για τη μετάδοση. Επιπλέον, η πιο συνηθισμένη λύση για τα μη γραμμικά φαινόμενα είναι η χρήση του αλγορίθμου ψηφιακής οπισθοδιάδοσης (DBP), αλλά η βελτίωση της απόδοσης του αλγορίθμου θα οδηγήσει σε αύξηση της υπολογιστικής πολυπλοκότητας. Πρόσφατα, η έρευνα της τεχνολογίας μηχανικής μάθησης στη μη γραμμική αντιστάθμιση έχει δείξει μια καλή προοπτική εφαρμογής, η οποία μειώνει σημαντικά την πολυπλοκότητα του αλγορίθμου, έτσι ώστε ο σχεδιασμός του συστήματος DBP να μπορεί να υποβοηθηθεί από τη μηχανική μάθηση στο μέλλον.
2. Αυξήστε το εύρος ζώνης του οπτικού ενισχυτή
Η αύξηση του εύρους ζώνης μπορεί να παρακάμψει τον περιορισμό του εύρους συχνοτήτων του EDFA. Εκτός από τη ζώνη C και τη ζώνη L, η ζώνη S μπορεί επίσης να συμπεριληφθεί στο εύρος εφαρμογών και ο ενισχυτής SOA ή Raman μπορεί να χρησιμοποιηθεί για ενίσχυση. Ωστόσο, η υπάρχουσα οπτική ίνα έχει μεγάλες απώλειες σε ζώνες συχνοτήτων εκτός από τη ζώνη S και είναι απαραίτητο να σχεδιαστεί ένας νέος τύπος οπτικής ίνας για τη μείωση των απωλειών μετάδοσης. Αλλά και για τις υπόλοιπες ζώνες, η εμπορικά διαθέσιμη τεχνολογία οπτικής ενίσχυσης αποτελεί επίσης πρόκληση.
3. Έρευνα για οπτικές ίνες χαμηλής απώλειας μετάδοσης
Η έρευνα σχετικά με τις οπτικές ίνες χαμηλής απώλειας μετάδοσης είναι ένα από τα πιο κρίσιμα ζητήματα σε αυτόν τον τομέα. Οι οπτικές ίνες με κοίλο πυρήνα (HCF) έχουν τη δυνατότητα χαμηλότερων απωλειών μετάδοσης, γεγονός που θα μειώσει τη χρονική καθυστέρηση της μετάδοσης των οπτικών ινών και μπορεί να εξαλείψει σε μεγάλο βαθμό το μη γραμμικό πρόβλημα των οπτικών ινών.
4. Έρευνα σχετικά με τεχνολογίες που σχετίζονται με την πολυπλεξία διαστημικής διαίρεσης
Η τεχνολογία πολυπλεξίας διαχωρισμού χώρου είναι μια αποτελεσματική λύση για την αύξηση της χωρητικότητας μιας μόνο οπτικής ίνας. Συγκεκριμένα, για τη μετάδοση χρησιμοποιείται πολυπύρηνη οπτική ίνα και η χωρητικότητα μιας μόνο ίνας διπλασιάζεται. Το βασικό ζήτημα σε αυτό το πλαίσιο είναι εάν υπάρχει οπτικός ενισχυτής υψηλότερης απόδοσης. Διαφορετικά, μπορεί να είναι ισοδύναμο μόνο με πολλαπλές μονοπύρηνες οπτικές ίνες. Χρησιμοποιώντας τεχνολογία πολυπλεξίας διαχωρισιμότητας λειτουργίας, συμπεριλαμβανομένης της γραμμικής πόλωσης, της δέσμης OAM που βασίζεται στην μοναδικότητα φάσης και της κυλινδρικής διανυσματικής δέσμης που βασίζεται στην μοναδικότητα πόλωσης, μια τέτοια τεχνολογία μπορεί να είναι πολύπλοκη. Η πολυπλεξία δέσμης παρέχει έναν νέο βαθμό ελευθερίας και βελτιώνει την χωρητικότητα των συστημάτων οπτικής επικοινωνίας. Έχει ευρείες προοπτικές εφαρμογής στην τεχνολογία επικοινωνίας οπτικών ινών, αλλά η έρευνα σε σχετικούς οπτικούς ενισχυτές αποτελεί επίσης μια πρόκληση. Επιπλέον, αξίζει επίσης προσοχής ο τρόπος εξισορρόπησης της πολυπλοκότητας του συστήματος που προκαλείται από την καθυστέρηση ομάδας διαφορικής λειτουργίας και την τεχνολογία ψηφιακής εξίσωσης πολλαπλών εισόδων και πολλαπλών εξόδων.
Προοπτικές για την Ανάπτυξη της Τεχνολογίας Επικοινωνίας Οπτικών Ινών
Η τεχνολογία επικοινωνίας οπτικών ινών έχει εξελιχθεί από την αρχική μετάδοση χαμηλής ταχύτητας στην τρέχουσα μετάδοση υψηλής ταχύτητας και έχει γίνει μια από τις βασικές τεχνολογίες που υποστηρίζουν την κοινωνία της πληροφορίας και έχει διαμορφώσει έναν τεράστιο κλάδο και κοινωνικό τομέα. Στο μέλλον, καθώς η ζήτηση της κοινωνίας για μετάδοση πληροφοριών συνεχίζει να αυξάνεται, τα συστήματα επικοινωνίας οπτικών ινών και οι τεχνολογίες δικτύων θα εξελιχθούν προς εξαιρετικά μεγάλη χωρητικότητα, ευφυΐα και ολοκλήρωση. Παράλληλα με τη βελτίωση της απόδοσης μετάδοσης, θα συνεχίσουν να μειώνουν το κόστος και να εξυπηρετούν τα προς το ζην των ανθρώπων και να βοηθούν τη χώρα να δημιουργήσει πληροφορίες. Η κοινωνία της πληροφορίας παίζει σημαντικό ρόλο. Η CeiTa έχει συνεργαστεί με διάφορους οργανισμούς φυσικών καταστροφών, οι οποίοι μπορούν να προβλέψουν περιφερειακές προειδοποιήσεις ασφαλείας, όπως σεισμούς, πλημμύρες και τσουνάμι. Απλώς χρειάζεται να συνδεθεί με το ONU της CeiTa. Όταν συμβεί μια φυσική καταστροφή, ο σεισμικός σταθμός θα εκδώσει μια έγκαιρη προειδοποίηση. Το τερματικό στο πλαίσιο των ειδοποιήσεων ONU θα συγχρονιστεί.
(1) Ευφυές οπτικό δίκτυο
Σε σύγκριση με το ασύρματο σύστημα επικοινωνίας, το οπτικό σύστημα επικοινωνίας και το δίκτυο του έξυπνου οπτικού δικτύου βρίσκονται ακόμη στο αρχικό στάδιο όσον αφορά τη διαμόρφωση του δικτύου, τη συντήρηση του δικτύου και τη διάγνωση σφαλμάτων, και ο βαθμός νοημοσύνης είναι ανεπαρκής. Λόγω της τεράστιας χωρητικότητας μιας μόνο οπτικής ίνας, η εμφάνιση οποιασδήποτε βλάβης της οπτικής ίνας θα έχει μεγάλο αντίκτυπο στην οικονομία και την κοινωνία. Επομένως, η παρακολούθηση των παραμέτρων του δικτύου είναι πολύ σημαντική για την ανάπτυξη μελλοντικών έξυπνων δικτύων. Οι ερευνητικές κατευθύνσεις στις οποίες πρέπει να δοθεί προσοχή σε αυτή την πτυχή στο μέλλον περιλαμβάνουν: σύστημα παρακολούθησης παραμέτρων συστήματος που βασίζεται σε απλοποιημένη συνεκτική τεχνολογία και μηχανική μάθηση, τεχνολογία παρακολούθησης φυσικής ποσότητας που βασίζεται σε συνεκτική ανάλυση σήματος και οπτική ανάκλαση χρόνου ευαίσθητη στη φάση.
(2) Ολοκληρωμένη τεχνολογία και σύστημα
Ο βασικός σκοπός της ενσωμάτωσης συσκευών είναι η μείωση του κόστους. Στην τεχνολογία επικοινωνίας οπτικών ινών, η μετάδοση σημάτων υψηλής ταχύτητας σε μικρές αποστάσεις μπορεί να πραγματοποιηθεί μέσω συνεχούς αναγέννησης σήματος. Ωστόσο, λόγω των προβλημάτων ανάκτησης φάσης και κατάστασης πόλωσης, η ενσωμάτωση συνεκτικών συστημάτων εξακολουθεί να είναι σχετικά δύσκολη. Επιπλέον, εάν μπορεί να υλοποιηθεί ένα ολοκληρωμένο οπτικοηλεκτρικό-οπτικό σύστημα μεγάλης κλίμακας, η χωρητικότητα του συστήματος θα βελτιωθεί επίσης σημαντικά. Ωστόσο, λόγω παραγόντων όπως η χαμηλή τεχνική απόδοση, η υψηλή πολυπλοκότητα και η δυσκολία στην ενσωμάτωση, είναι αδύνατο να προωθηθούν ευρέως όλα τα οπτικά σήματα όπως τα όλα οπτικά 2R (επανενίσχυση, αναδιαμόρφωση), 3R (επανενίσχυση, επαναχρονισμός και αναδιαμόρφωση) στον τομέα των οπτικών επικοινωνιών. Επομένως, όσον αφορά την τεχνολογία και τα συστήματα ενσωμάτωσης, οι μελλοντικές ερευνητικές κατευθύνσεις είναι οι εξής: Παρόλο που η υπάρχουσα έρευνα για τα συστήματα πολυπλεξίας διαστημικής διαίρεσης είναι σχετικά πλούσια, τα βασικά συστατικά των συστημάτων πολυπλεξίας διαστημικής διαίρεσης δεν έχουν ακόμη επιτύχει τεχνολογικές ανακαλύψεις στον ακαδημαϊκό χώρο και τη βιομηχανία και απαιτείται περαιτέρω ενίσχυση. Έρευνα, όπως ενσωματωμένα λέιζερ και διαμορφωτές, δισδιάστατοι ενσωματωμένοι δέκτες, ενσωματωμένοι οπτικοί ενισχυτές υψηλής ενεργειακής απόδοσης κ.λπ., οι νέοι τύποι οπτικών ινών μπορούν να επεκτείνουν σημαντικά το εύρος ζώνης του συστήματος, αλλά απαιτείται περαιτέρω έρευνα για να διασφαλιστεί ότι η ολοκληρωμένη απόδοση και οι διαδικασίες κατασκευής τους μπορούν να φτάσουν στο υπάρχον επίπεδο οπτικής ίνας μίας λειτουργίας. Μελετήστε διάφορες συσκευές που μπορούν να χρησιμοποιηθούν με τη νέα οπτική ίνα στη σύνδεση επικοινωνίας.
(3) Συσκευές οπτικής επικοινωνίας
Στις συσκευές οπτικής επικοινωνίας, η έρευνα και ανάπτυξη συσκευών φωτονικής πυριτίου έχει επιτύχει αρχικά αποτελέσματα. Ωστόσο, προς το παρόν, η εγχώρια έρευνα βασίζεται κυρίως σε παθητικές συσκευές, ενώ η έρευνα για τις ενεργές συσκευές είναι σχετικά αδύναμη. Όσον αφορά τις συσκευές οπτικής επικοινωνίας, οι μελλοντικές ερευνητικές κατευθύνσεις περιλαμβάνουν: έρευνα ολοκλήρωσης ενεργών συσκευών και οπτικών συσκευών πυριτίου· έρευνα για την τεχνολογία ολοκλήρωσης οπτικών συσκευών εκτός πυριτίου, όπως έρευνα για την τεχνολογία ολοκλήρωσης υλικών και υποστρωμάτων III-V· περαιτέρω ανάπτυξη έρευνας και ανάπτυξης νέων συσκευών. Επακόλουθες ενέργειες, όπως ο ενσωματωμένος οπτικός κυματοδηγός νιοβικού λιθίου με τα πλεονεκτήματα της υψηλής ταχύτητας και της χαμηλής κατανάλωσης ενέργειας.
Ώρα δημοσίευσης: 03 Αυγούστου 2023
