No fa gaire, la fulla de respostes de mitjans d'any per al desenvolupament conjunt de Hengqin entre Zhuhai i Macau s'anava desplegant lentament. Una de les fibres òptiques transfrontereres va atreure l'atenció. Va passar per Zhuhai i Macau per aconseguir la interconnexió de potència de càlcul i la compartició de recursos de Macau a Hengqin, i construir un canal d'informació. Xangai també està promovent el projecte de modernització i transformació de la xarxa de comunicació de fibra "òptica en coure" per garantir un desenvolupament econòmic d'alta qualitat i millors serveis de comunicació per als residents.
Amb el ràpid desenvolupament de la tecnologia d'Internet, la demanda de trànsit d'Internet dels usuaris augmenta dia a dia, i com millorar la capacitat de comunicació per fibra òptica s'ha convertit en un problema urgent que cal resoldre.
Des de l'aparició de la tecnologia de comunicació per fibra òptica, ha provocat canvis importants en els camps de la ciència, la tecnologia i la societat. Com a aplicació important de la tecnologia làser, la tecnologia de la informació làser, representada per la tecnologia de comunicació per fibra òptica, ha construït el marc de la xarxa de comunicació moderna i s'ha convertit en una part important de la transmissió d'informació. La tecnologia de comunicació per fibra òptica és una força portant important del món actual d'Internet i també és una de les tecnologies bàsiques de l'era de la informació.
Amb l'aparició contínua de diverses tecnologies emergents com ara la Internet de les Coses, el big data, la realitat virtual, la intel·ligència artificial (IA), les comunicacions mòbils de cinquena generació (5G) i altres tecnologies, s'imposa una major demanda d'intercanvi i transmissió d'informació. Segons les dades d'investigació publicades per Cisco el 2019, el trànsit IP anual global augmentarà d'1,5 ZB (1 ZB = 1021 B) el 2017 a 4,8 ZB el 2022, amb una taxa de creixement anual composta del 26%. Davant la tendència de creixement del trànsit elevat, la comunicació per fibra òptica, com a part més important de la xarxa de comunicació, està sota una enorme pressió per actualitzar-se. Els sistemes i xarxes de comunicació per fibra òptica d'alta velocitat i gran capacitat seran la direcció de desenvolupament principal de la tecnologia de comunicació per fibra òptica.
Història del desenvolupament i estat de la recerca de la tecnologia de comunicació per fibra òptica
El primer làser de robí es va desenvolupar el 1960, després del descobriment del funcionament dels làsers per Arthur Showlow i Charles Townes el 1958. Després, el 1970, es va desenvolupar amb èxit el primer làser semiconductor d'AlGaAs capaç de funcionar contínuament a temperatura ambient, i el 1977, es va aconseguir que el làser semiconductor funcionés contínuament durant desenes de milers d'hores en un entorn pràctic.
Fins ara, els làsers tenen els requisits previs per a la comunicació comercial per fibra òptica. Des del principi de la invenció del làser, els inventors van reconèixer la seva important aplicació potencial en el camp de la comunicació. Tanmateix, hi ha dues deficiències òbvies en la tecnologia de comunicació làser: una és que es perdrà una gran quantitat d'energia a causa de la divergència del feix làser; l'altra és que es veu molt afectada per l'entorn d'aplicació, com ara l'aplicació en l'entorn atmosfèric que estarà significativament subjecta a canvis en les condicions meteorològiques. Per tant, per a la comunicació làser, una guia d'ones òptica adequada és molt important.
La fibra òptica utilitzada per a la comunicació proposada pel Dr. Kao Kung, guanyador del Premi Nobel de física, satisfà les necessitats de la tecnologia de comunicació làser per a guies d'ones. Va proposar que la pèrdua per dispersió de Rayleigh de la fibra òptica de vidre pot ser molt baixa (menys de 20 dB/km), i la pèrdua de potència en la fibra òptica prové principalment de l'absorció de la llum per les impureses dels materials de vidre, per la qual cosa la purificació del material és la clau per reduir la pèrdua de fibra òptica, i també va assenyalar que la transmissió monomodal és important per mantenir un bon rendiment de comunicació.
El 1970, Corning Glass Company va desenvolupar una fibra òptica multimode basada en quars amb una pèrdua d'uns 20 dB/km segons el suggeriment de purificació del Dr. Kao, convertint la fibra òptica en una realitat per als mitjans de transmissió de comunicació. Després d'una investigació i desenvolupament continus, la pèrdua de les fibres òptiques basades en quars es va acostar al límit teòric. Fins ara, les condicions de la comunicació per fibra òptica s'han complert completament.
Els primers sistemes de comunicació per fibra òptica van adoptar el mètode de recepció de detecció directa. Aquest és un mètode de comunicació per fibra òptica relativament senzill. La PD és un detector de llei quadrada i només es pot detectar la intensitat del senyal òptic. Aquest mètode de recepció de detecció directa ha continuat des de la primera generació de tecnologia de comunicació per fibra òptica a la dècada de 1970 fins a principis de la dècada de 1990.
Per augmentar l'ús de l'espectre dins de l'ample de banda, hem de començar per dos aspectes: un és utilitzar la tecnologia per aproximar-nos al límit de Shannon, però l'augment de l'eficiència de l'espectre ha augmentat els requisits per a la relació telecomunicacions-soroll, reduint així la distància de transmissió; l'altre és aprofitar al màxim la fase, la capacitat de transport d'informació de l'estat de polarització s'utilitza per a la transmissió, que és el sistema de comunicació òptica coherent de segona generació.
El sistema de comunicació òptica coherent de segona generació utilitza un mesclador òptic per a la detecció intradina i adopta la recepció de diversitat de polarització, és a dir, a l'extrem receptor, la llum de senyal i la llum de l'oscil·lador local es descomponen en dos feixos de llum els estats de polarització dels quals són ortogonals entre si. D'aquesta manera, es pot aconseguir una recepció insensible a la polarització. A més, cal assenyalar que en aquest moment, el seguiment de freqüència, la recuperació de fase de la portadora, l'equalització, la sincronització, el seguiment de polarització i la desmultiplexació a l'extrem receptor es poden completar mitjançant la tecnologia de processament de senyals digitals (DSP), que simplifica enormement el disseny del maquinari del receptor i millora la capacitat de recuperació del senyal.
Alguns reptes i consideracions que afronta el desenvolupament de la tecnologia de comunicació per fibra òptica
Mitjançant l'aplicació de diverses tecnologies, els cercles acadèmics i la indústria han arribat bàsicament al límit de l'eficiència espectral del sistema de comunicació per fibra òptica. Per continuar augmentant la capacitat de transmissió, només es pot aconseguir augmentant l'amplada de banda del sistema B (augmentant linealment la capacitat) o augmentant la relació senyal-soroll. La discussió específica és la següent.
1. Solució per augmentar la potència de transmissió
Com que l'efecte no lineal causat per la transmissió d'alta potència es pot reduir augmentant adequadament l'àrea efectiva de la secció transversal de la fibra, és una solució per augmentar la potència utilitzar fibra de pocs modes en lloc de fibra monomode per a la transmissió. A més, la solució més comuna actualment als efectes no lineals és utilitzar l'algoritme de retropropagació digital (DBP), però la millora del rendiment de l'algoritme comportarà un augment de la complexitat computacional. Recentment, la investigació de la tecnologia d'aprenentatge automàtic en la compensació no lineal ha mostrat una bona perspectiva d'aplicació, que redueix considerablement la complexitat de l'algoritme, de manera que el disseny del sistema DBP es pot veure assistit per l'aprenentatge automàtic en el futur.
2. Augmenta l'amplada de banda de l'amplificador òptic
Augmentar l'amplada de banda pot superar la limitació del rang de freqüències de l'EDFA. A més de la banda C i la banda L, també es pot incloure la banda S al rang d'aplicació, i es pot utilitzar l'amplificador SOA o Raman per a l'amplificació. Tanmateix, la fibra òptica existent té una gran pèrdua en bandes de freqüència diferents de la banda S, i cal dissenyar un nou tipus de fibra òptica per reduir la pèrdua de transmissió. Però per a la resta de bandes, la tecnologia d'amplificació òptica disponible comercialment també és un repte.
3. Recerca sobre fibra òptica de baixa pèrdua de transmissió
La recerca sobre fibra de baixa pèrdua de transmissió és un dels problemes més crítics en aquest camp. La fibra de nucli buit (HCF) té la possibilitat de tenir una menor pèrdua de transmissió, cosa que reduirà el retard de transmissió de la fibra i pot eliminar en gran mesura el problema no lineal de la fibra.
4. Recerca sobre tecnologies relacionades amb la multiplexació per divisió espacial
La tecnologia de multiplexació per divisió d'espai és una solució eficaç per augmentar la capacitat d'una sola fibra. Concretament, s'utilitza fibra òptica multinucli per a la transmissió, i la capacitat d'una sola fibra es duplica. La qüestió central en aquest sentit és si hi ha un amplificador òptic d'alta eficiència. En cas contrari, només pot ser equivalent a múltiples fibres òptiques d'un sol nucli; utilitzant la tecnologia de multiplexació per divisió de mode, incloent el mode de polarització lineal, el feix OAM basat en la singularitat de fase i el feix vectorial cilíndric basat en la singularitat de polarització, aquesta tecnologia pot ser La multiplexació de feix proporciona un nou grau de llibertat i millora la capacitat dels sistemes de comunicació òptica. Té àmplies perspectives d'aplicació en la tecnologia de comunicació per fibra òptica, però la investigació sobre amplificadors òptics relacionats també és un repte. A més, també mereix atenció com equilibrar la complexitat del sistema causada pel retard de grup de mode diferencial i la tecnologia d'equalització digital de múltiples entrades i múltiples sortides.
Perspectives per al desenvolupament de la tecnologia de comunicació per fibra òptica
La tecnologia de comunicació per fibra òptica ha evolucionat des de la transmissió inicial de baixa velocitat fins a la transmissió actual d'alta velocitat, i s'ha convertit en una de les tecnologies vertebradores que donen suport a la societat de la informació, i ha format una enorme disciplina i un camp social. En el futur, a mesura que la demanda de transmissió d'informació de la societat continuï augmentant, els sistemes de comunicació per fibra òptica i les tecnologies de xarxa evolucionaran cap a una capacitat, intel·ligència i integració ultragrans. Tot millorant el rendiment de la transmissió, continuaran reduint els costos i servint a la subsistència de la gent i ajudant el país a construir informació. La societat té un paper important. CeiTa ha cooperat amb diverses organitzacions de desastres naturals, que poden predir avisos de seguretat regionals com ara terratrèmols, inundacions i tsunamis. Només cal connectar-los a la ONU de CeiTa. Quan es produeix un desastre natural, l'estació de terratrèmols emetrà un avís precoç. El terminal sota les alertes de la ONU es sincronitzarà.
(1) Xarxa òptica intel·ligent
En comparació amb el sistema de comunicació sense fil, el sistema de comunicació òptica i la xarxa de la xarxa òptica intel·ligent encara es troben en la fase inicial pel que fa a la configuració de la xarxa, el manteniment de la xarxa i el diagnòstic de fallades, i el grau d'intel·ligència és insuficient. A causa de l'enorme capacitat d'una sola fibra, l'ocurrència de qualsevol fallada de fibra tindrà un gran impacte en l'economia i la societat. Per tant, la supervisió dels paràmetres de la xarxa és molt important per al desenvolupament de futures xarxes intel·ligents. Les direccions de recerca a les quals cal parar atenció en aquest aspecte en el futur inclouen: sistema de supervisió de paràmetres del sistema basat en tecnologia coherent simplificada i aprenentatge automàtic, tecnologia de supervisió de quantitats físiques basada en l'anàlisi de senyals coherents i reflexió òptica sensible a la fase en el domini del temps.
(2) Tecnologia i sistema integrats
L'objectiu principal de la integració de dispositius és reduir costos. En la tecnologia de comunicació per fibra òptica, la transmissió de senyals a curta distància i alta velocitat es pot aconseguir mitjançant la regeneració contínua del senyal. Tanmateix, a causa dels problemes de recuperació de l'estat de fase i polarització, la integració de sistemes coherents encara és relativament difícil. A més, si es pot realitzar un sistema òptic-elèctric-òptic integrat a gran escala, la capacitat del sistema també millorarà significativament. Tanmateix, a causa de factors com la baixa eficiència tècnica, l'alta complexitat i la dificultat d'integració, és impossible promoure àmpliament senyals totalment òptics com ara 2R totalment òptic (reamplificació, remodelació) i 3R (reamplificació, resincronització i remodelació) en el camp de la tecnologia de processament de comunicacions òptiques. Per tant, pel que fa a la tecnologia i els sistemes d'integració, les futures direccions de recerca són les següents: Tot i que la recerca existent sobre sistemes de multiplexació per divisió espacial és relativament rica, els components clau dels sistemes de multiplexació per divisió espacial encara no han aconseguit avenços tecnològics en el món acadèmic i la indústria, i cal un major enfortiment. Recerca, com ara làsers i moduladors integrats, receptors integrats bidimensionals, amplificadors òptics integrats d'alta eficiència energètica, etc.; els nous tipus de fibres òptiques poden ampliar significativament l'amplada de banda del sistema, però encara cal més investigació per garantir que el seu rendiment integral i els processos de fabricació puguin assolir el nivell de fibra de mode únic existent; estudiar diversos dispositius que es poden utilitzar amb la nova fibra en l'enllaç de comunicació.
(3) Dispositius de comunicació òptica
En dispositius de comunicació òptica, la investigació i el desenvolupament de dispositius fotònics de silici ha aconseguit resultats inicials. No obstant això, actualment, la investigació relacionada amb el país es basa principalment en dispositius passius, i la investigació sobre dispositius actius és relativament feble. Pel que fa als dispositius de comunicació òptica, les futures direccions de recerca inclouen: investigació integrada de dispositius actius i dispositius òptics de silici; investigació sobre tecnologia d'integració de dispositius òptics no de silici, com ara la investigació sobre tecnologia d'integració de materials i substrats III-V; desenvolupament posterior de la investigació i el desenvolupament de nous dispositius. Seguiment, com ara la guia d'ones òptica de niobat de liti integrada amb els avantatges d'alta velocitat i baix consum d'energia.
Data de publicació: 03-08-2023
