För inte så länge sedan utvecklades halvårsrapporten för den gemensamma utvecklingen av Hengqin mellan Zhuhai och Macao långsamt. En av de gränsöverskridande optiska fibrerna väckte uppmärksamhet. Den passerade genom Zhuhai och Macao för att realisera datorkraftssammankoppling och resursdelning från Macao till Hengqin, och bygga en informationskanal. Shanghai främjar också uppgraderings- och omvandlingsprojektet för kommunikationsnätverket "optiskt till kopparbaksida" för att säkerställa högkvalitativ ekonomisk utveckling och bättre kommunikationstjänster för invånarna.
Med den snabba utvecklingen av internetteknik ökar användarnas efterfrågan på internettrafik dag för dag, och hur man kan förbättra kapaciteten för fiberoptisk kommunikation har blivit ett brådskande problem att lösa.
Sedan fiberoptisk kommunikationsteknik uppstod har den medfört stora förändringar inom vetenskap, teknik och samhälle. Som en viktig tillämpning av laserteknik har laserinformationsteknik, representerad av fiberoptisk kommunikationsteknik, byggt ramverket för moderna kommunikationsnätverk och blivit en viktig del av informationsöverföring. Fiberoptisk kommunikationsteknik är en viktig bärande kraft i den nuvarande internetvärlden och är också en av informationsålderns kärnteknologier.
Med den kontinuerliga framväxten av olika nya tekniker som sakernas internet, big data, virtuell verklighet, artificiell intelligens (AI), femte generationens mobilkommunikation (5G) och andra tekniker ställs högre krav på informationsutbyte och -överföring. Enligt forskningsdata som släpptes av Cisco 2019 kommer den globala årliga IP-trafiken att öka från 1,5 ZB (1 ZB = 1021 miljarder) år 2017 till 4,8 ZB år 2022, med en genomsnittlig årlig tillväxttakt på 26 %. Inför tillväxttrenden med hög trafik är optisk fiberkommunikation, som den viktigaste delen av kommunikationsnätverket, under enormt tryck att uppgraderas. Höghastighets- och storkapacitetssystem och nätverk för optisk fiberkommunikation kommer att vara den huvudsakliga utvecklingsriktningen för optisk fiberkommunikationsteknik.
Utvecklingshistoria och forskningsstatus för optisk fiberkommunikationsteknik
Den första rubinlasern utvecklades 1960, efter upptäckten av hur lasrar fungerar av Arthur Showlow och Charles Townes 1958. Sedan, 1970, utvecklades framgångsrikt den första AlGaAs-halvledarlasern som kunde arbeta kontinuerligt vid rumstemperatur, och 1977 insåg man att halvledarlasern kunde arbeta kontinuerligt i tiotusentals timmar i en praktisk miljö.
Hittills har lasrar förutsättningarna för kommersiell optisk fiberkommunikation. Ända sedan lasern uppfanns insåg uppfinnarna dess viktiga potentiella tillämpning inom kommunikationsområdet. Det finns dock två uppenbara brister med laserkommunikationstekniken: den ena är att en stor mängd energi går förlorad på grund av laserstrålens divergens; den andra är att den i hög grad påverkas av tillämpningsmiljön, till exempel kommer tillämpningen i den atmosfäriska miljön att vara avsevärt utsatt för förändringar i väderförhållandena. Därför är en lämplig optisk vågledare mycket viktig för laserkommunikation.
Den optiska fiber som används för kommunikation, föreslagen av Dr. Kao Kung, Nobelpristagaren i fysik, uppfyller behoven hos laserkommunikationsteknik för vågledare. Han föreslog att Rayleigh-spridningsförlusten i glasfiber kan vara mycket låg (mindre än 20 dB/km), och att effektförlusten i optisk fiber huvudsakligen kommer från absorptionen av ljus av föroreningar i glasmaterial, så materialrening är nyckeln till att minska förlusten av optiska fibrer. Han påpekade också att enlägesöverföring är viktig för att upprätthålla god kommunikationsprestanda.
År 1970 utvecklade Corning Glass Company en kvartsbaserad multimodoptisk fiber med en förlust på cirka 20 dB/km enligt Dr. Kaos reningsförslag, vilket gjorde optisk fiber till verklighet för kommunikationsöverföringsmedia. Efter kontinuerlig forskning och utveckling närmade sig förlusten för kvartsbaserade optiska fibrer den teoretiska gränsen. Hittills har villkoren för optisk fiberkommunikation uppfyllts helt.
Tidiga fiberoptiska kommunikationssystem använde alla mottagningsmetoden direktdetektering. Detta är en relativt enkel fiberoptisk kommunikationsmetod. PD är en kvadratlagsdetektor, och endast intensiteten hos den optiska signalen kan detekteras. Denna direktdetekteringsmetod har fortsatt från den första generationen av fiberoptisk kommunikationsteknik på 1970-talet till början av 1990-talet.
För att öka spektrumutnyttjandet inom bandbredden måste vi utgå från två aspekter: den ena är att använda teknik för att närma sig Shannon-gränsen, men den ökade spektrumeffektiviteten har ökat kraven på telekommunikations-brusförhållandet, vilket minskar överföringsavståndet; den andra är att utnyttja fasen fullt ut, informationsbärande kapaciteten hos polarisationstillståndet används för överföring, vilket är andra generationens koherenta optiska kommunikationssystem.
Andra generationens koherenta optiska kommunikationssystem använder en optisk mixer för intradyndetektering och antar polarisationsdiversitetsmottagning, det vill säga att signalljuset och det lokala oscillatorljuset i mottagaränden delas upp i två ljusstrålar vars polarisationstillstånd är ortogonala mot varandra. På detta sätt kan polarisationsokänslig mottagning uppnås. Dessutom bör det påpekas att frekvensspårning, bärvågsfasåterställning, utjämning, synkronisering, polarisationsspårning och demultiplexering i mottagaränden för närvarande kan utföras med digital signalbehandlingsteknik (DSP), vilket avsevärt förenklar mottagarens hårdvarudesign och förbättrar signalåterställningsförmågan.
Några utmaningar och överväganden inför utvecklingen av optisk fiberkommunikationsteknik
Genom tillämpning av olika tekniker har akademiker och industri i princip nått gränsen för den spektrala effektiviteten hos fiberoptiska kommunikationssystem. För att fortsätta öka överföringskapaciteten kan det endast uppnås genom att öka systembandbredden B (linjärt ökande kapacitet) eller öka signal-brusförhållandet. Den specifika diskussionen är följande.
1. Lösning för att öka sändningseffekten
Eftersom den ickelinjära effekten som orsakas av högeffektsöverföring kan minskas genom att öka fiberns effektiva tvärsnittsarea på rätt sätt, är det en lösning för att öka effekten att använda fåmodsfiber istället för enmodsfiber för överföring. Dessutom är den nuvarande vanligaste lösningen på ickelinjära effekter att använda digital backpropagation (DBP)-algoritmen, men förbättringen av algoritmens prestanda kommer att leda till en ökning av beräkningskomplexiteten. Nyligen har forskning om maskininlärningsteknik inom ickelinjär kompensation visat goda tillämpningsmöjligheter, vilket avsevärt minskar algoritmens komplexitet, så designen av DBP-system kan stödjas av maskininlärning i framtiden.
2. Öka bandbredden för den optiska förstärkaren
Att öka bandbredden kan bryta igenom begränsningen i EDFA:s frekvensområde. Förutom C-bandet och L-bandet kan även S-bandet inkluderas i tillämpningsområdet, och SOA- eller Raman-förstärkare kan användas för förstärkning. Emellertid har den befintliga optiska fibern en stor förlust i andra frekvensband än S-bandet, och det är nödvändigt att designa en ny typ av optisk fiber för att minska transmissionsförlusten. Men för resten av banden är kommersiellt tillgänglig optisk förstärkningsteknik också en utmaning.
3. Forskning om optisk fiber med låg transmissionsförlust
Forskning om fiber med låga transmissionsförluster är en av de viktigaste frågorna inom detta område. Hålkärnfiber (HCF) har möjlighet till lägre transmissionsförluster, vilket minskar tidsfördröjningen för fiberöverföring och kan eliminera det olinjära problemet med fiber i hög grad.
4. Forskning om tekniker relaterade till rymddelningsmultiplexering
Rymdmultiplexeringsteknik är en effektiv lösning för att öka kapaciteten hos en enda fiber. Mer specifikt används flerkärnig optisk fiber för överföring, och kapaciteten hos en enda fiber fördubblas. Kärnfrågan i detta avseende är huruvida det finns en optisk förstärkare med högre effektivitet, annars kan den bara motsvara flera enkelkärniga optiska fibrer; med hjälp av modmultiplexeringsteknik inklusive linjär polarisationsläge, OAM-stråle baserad på fas-singularitet och cylindrisk vektorstråle baserad på polarisationssingularitet, kan sådan teknik användas. Strålmultiplexering ger en ny grad av frihet och förbättrar kapaciteten hos optiska kommunikationssystem. Den har breda tillämpningsmöjligheter inom optisk fiberkommunikationsteknik, men forskningen om relaterade optiska förstärkare är också en utmaning. Dessutom är det också värt att uppmärksamma hur man balanserar systemkomplexiteten som orsakas av differentialmodgruppsfördröjning och digital utjämningsteknik med flera ingångar och flera utgångar.
Utsikter för utveckling av optisk fiberkommunikationsteknik
Fiberoptisk kommunikationsteknik har utvecklats från den initiala låghastighetsöverföringen till den nuvarande höghastighetsöverföringen och har blivit en av de viktigaste teknikerna som stöder informationssamhället och har bildat en enorm disciplin och ett socialt område. I framtiden, i takt med att samhällets efterfrågan på informationsöverföring fortsätter att öka, kommer fiberoptiska kommunikationssystem och nätverkstekniker att utvecklas mot ultrahög kapacitet, intelligens och integration. Samtidigt som de förbättrar överföringsprestandan kommer de att fortsätta att minska kostnaderna och tjäna människors försörjning och hjälpa landet att bygga upp informationssamhället. CeiTa har samarbetat med ett antal naturkatastroforganisationer som kan förutsäga regionala säkerhetsvarningar som jordbävningar, översvämningar och tsunamier. Den behöver bara anslutas till CeiTas ONU. När en naturkatastrof inträffar kommer jordbävningsstationen att utfärda en tidig varning. Terminalen under ONU-varningarna kommer att synkroniseras.
(1) Intelligent optiskt nätverk
Jämfört med trådlösa kommunikationssystem är det optiska kommunikationssystemet och nätverket i det intelligenta optiska nätverket fortfarande i ett tidigt skede vad gäller nätverkskonfiguration, nätverksunderhåll och feldiagnostik, och graden av intelligens är otillräcklig. På grund av den enorma kapaciteten hos en enskild fiber kommer förekomsten av fiberfel att ha en stor inverkan på ekonomin och samhället. Därför är övervakning av nätverksparametrar mycket viktigt för utvecklingen av framtida intelligenta nätverk. De forskningsinriktningar som behöver uppmärksammas i denna aspekt i framtiden inkluderar: systemparameterövervakningssystem baserat på förenklad koherent teknik och maskininlärning, teknik för övervakning av fysiska kvantiteter baserad på koherent signalanalys och faskänslig optisk tidsdomänreflektion.
(2) Integrerad teknik och system
Kärnsyftet med enhetsintegration är att minska kostnaderna. Inom optisk fiberkommunikationsteknik kan korta avstånd med hög hastighetsöverföring av signaler realiseras genom kontinuerlig signalregenerering. På grund av problemen med återställning av fas och polarisationstillstånd är integrationen av koherenta system dock fortfarande relativt svår. Dessutom, om ett storskaligt integrerat optiskt-elektriskt-optiskt system kan realiseras, kommer systemkapaciteten också att förbättras avsevärt. På grund av faktorer som låg teknisk effektivitet, hög komplexitet och integrationssvårigheter är det dock omöjligt att i stor utsträckning marknadsföra heloptiska signaler som heloptisk 2R (omförstärkning, omformning), 3R (omförstärkning, omtiming och omformning) inom området optisk kommunikationsbehandlingsteknik. Därför är de framtida forskningsinriktningarna när det gäller integrationsteknik och system följande: Även om den befintliga forskningen om rymdmultiplexeringssystem är relativt rik, har nyckelkomponenterna i rymdmultiplexeringssystem ännu inte uppnått tekniska genombrott inom den akademiska världen och industrin, och ytterligare förstärkning behövs. Forskning, såsom integrerade lasrar och modulatorer, tvådimensionella integrerade mottagare, högenergieffektiva integrerade optiska förstärkare, etc.; nya typer av optiska fibrer kan avsevärt utöka systemets bandbredd, men ytterligare forskning behövs fortfarande för att säkerställa att deras omfattande prestanda och tillverkningsprocesser kan nå den befintliga enhetsnivån för fibermoder; studera olika enheter som kan användas med den nya fibern i kommunikationslänken.
(3) Optiska kommunikationsenheter
Inom optiska kommunikationsenheter har forskning och utveckling av kiselfotoniska enheter uppnått initiala resultat. För närvarande är dock den inhemska forskningen huvudsakligen baserad på passiva enheter, och forskningen om aktiva enheter är relativt svag. När det gäller optiska kommunikationsenheter inkluderar de framtida forskningsinriktningarna: integrationsforskning av aktiva enheter och kiseloptiska enheter; forskning om integrationsteknik för icke-kiseloptiska enheter, såsom forskning om integrationsteknik för III-V-material och substrat; vidareutveckling av forskning och utveckling av nya enheter. Uppföljning, såsom integrerad litiumniobatoptisk vågledare med fördelarna hög hastighet och låg strömförbrukning.
Publiceringstid: 3 augusti 2023
