Non molto tempo fa, si stava lentamente delineando il piano di sviluppo congiunto di Hengqin tra Zhuhai e Macao. Una delle fibre ottiche transfrontaliere ha attirato l'attenzione. Attraversava Zhuhai e Macao per realizzare l'interconnessione di potenza di calcolo e la condivisione di risorse da Macao a Hengqin, oltre a costruire un canale informativo. Shanghai sta inoltre promuovendo il progetto di ammodernamento e trasformazione della rete di comunicazione interamente in fibra ottica "da ottica a rame" per garantire uno sviluppo economico di alta qualità e migliori servizi di comunicazione per i residenti.
Con il rapido sviluppo della tecnologia Internet, la richiesta di traffico Internet da parte degli utenti aumenta di giorno in giorno; migliorare la capacità della comunicazione in fibra ottica è diventato un problema urgente da risolvere.
Sin dalla sua comparsa, la tecnologia di comunicazione in fibra ottica ha portato grandi cambiamenti nei campi della scienza, della tecnologia e della società. Come importante applicazione della tecnologia laser, la tecnologia dell'informazione laser, rappresentata dalla tecnologia di comunicazione in fibra ottica, ha costruito la struttura delle moderne reti di comunicazione ed è diventata una parte fondamentale della trasmissione delle informazioni. La tecnologia di comunicazione in fibra ottica è un'importante forza portante dell'attuale mondo di Internet ed è anche una delle tecnologie fondamentali dell'era dell'informazione.
Con la continua affermazione di diverse tecnologie emergenti come l'Internet delle cose, i big data, la realtà virtuale, l'intelligenza artificiale (IA), le comunicazioni mobili di quinta generazione (5G) e altre tecnologie, si stanno verificando crescenti esigenze in termini di scambio e trasmissione di informazioni. Secondo i dati di ricerca pubblicati da Cisco nel 2019, il traffico IP annuo globale aumenterà da 1,5 ZB (1 ZB = 1021 B) nel 2017 a 4,8 ZB nel 2022, con un tasso di crescita annuo composto del 26%. A fronte di un trend di crescita del traffico elevato, la comunicazione in fibra ottica, in quanto componente principale della rete di comunicazione, è sottoposta a un'enorme pressione per l'aggiornamento. I sistemi e le reti di comunicazione in fibra ottica ad alta velocità e grande capacità rappresenteranno la principale direzione di sviluppo della tecnologia di comunicazione in fibra ottica.
Storia dello sviluppo e stato della ricerca sulla tecnologia delle comunicazioni in fibra ottica
Il primo laser a rubino fu sviluppato nel 1960, in seguito alla scoperta del funzionamento dei laser da parte di Arthur Showlow e Charles Townes nel 1958. Poi, nel 1970, fu sviluppato con successo il primo laser a semiconduttore AlGaAs in grado di funzionare ininterrottamente a temperatura ambiente e, nel 1977, fu realizzato un laser a semiconduttore in grado di funzionare ininterrottamente per decine di migliaia di ore in un ambiente pratico.
Finora, i laser hanno soddisfatto i requisiti per la comunicazione commerciale in fibra ottica. Fin dall'inizio dell'invenzione del laser, gli inventori ne hanno riconosciuto l'importante potenziale applicazione nel campo delle comunicazioni. Tuttavia, la tecnologia delle comunicazioni laser presenta due evidenti carenze: una è la notevole perdita di energia dovuta alla divergenza del raggio laser; l'altra è la forte influenza dell'ambiente di applicazione, ad esempio l'applicazione in ambiente atmosferico, che sarà significativamente soggetta a variazioni meteorologiche. Pertanto, per le comunicazioni laser, una guida d'onda ottica adeguata è fondamentale.
La fibra ottica utilizzata per le comunicazioni, proposta dal Dr. Kao Kung, premio Nobel per la fisica, soddisfa i requisiti della tecnologia di comunicazione laser per le guide d'onda. Ha ipotizzato che la perdita per diffusione di Rayleigh della fibra ottica in vetro possa essere molto bassa (inferiore a 20 dB/km) e che la perdita di potenza nella fibra ottica derivi principalmente dall'assorbimento della luce da parte delle impurità presenti nei materiali in vetro, pertanto la purificazione del materiale è la chiave per ridurre la perdita della fibra ottica. Ha inoltre sottolineato che la trasmissione monomodale è fondamentale per mantenere buone prestazioni di comunicazione.
Nel 1970, la Corning Glass Company sviluppò una fibra ottica multimodale al quarzo con una perdita di circa 20 dB/km, seguendo i suggerimenti di purificazione del Dr. Kao, rendendo la fibra ottica una realtà per i mezzi di trasmissione delle comunicazioni. Dopo continue attività di ricerca e sviluppo, la perdita delle fibre ottiche al quarzo si è avvicinata al limite teorico. Finora, le condizioni per la comunicazione in fibra ottica sono state pienamente soddisfatte.
I primi sistemi di comunicazione in fibra ottica adottarono tutti il metodo di ricezione a rilevamento diretto. Si tratta di un metodo di comunicazione in fibra ottica relativamente semplice. Il PD è un rivelatore quadratico e consente di rilevare solo l'intensità del segnale ottico. Questo metodo di ricezione a rilevamento diretto è stato adottato dalla prima generazione di tecnologie di comunicazione in fibra ottica, negli anni '70, fino all'inizio degli anni '90.
Per aumentare l'utilizzo dello spettro all'interno della larghezza di banda, dobbiamo partire da due aspetti: uno è usare la tecnologia per avvicinarci al limite di Shannon, ma l'aumento dell'efficienza dello spettro ha aumentato i requisiti per il rapporto telecomunicazione/rumore, riducendo così la distanza di trasmissione; l'altro è sfruttare appieno la fase. La capacità di trasporto delle informazioni dello stato di polarizzazione viene utilizzata per la trasmissione, che è il sistema di comunicazione ottica coerente di seconda generazione.
Il sistema di comunicazione ottica coerente di seconda generazione utilizza un mixer ottico per il rilevamento intradina e adotta la ricezione a diversità di polarizzazione, ovvero, all'estremità ricevente, la luce del segnale e la luce dell'oscillatore locale vengono scomposte in due fasci di luce i cui stati di polarizzazione sono ortogonali tra loro. In questo modo, è possibile ottenere una ricezione insensibile alla polarizzazione. Inoltre, è opportuno sottolineare che, al momento, il tracciamento della frequenza, il recupero di fase della portante, l'equalizzazione, la sincronizzazione, il tracciamento della polarizzazione e il demultiplexing all'estremità ricevente possono essere tutti completati dalla tecnologia di elaborazione digitale del segnale (DSP), che semplifica notevolmente la progettazione hardware del ricevitore e migliora la capacità di recupero del segnale.
Alcune sfide e considerazioni sullo sviluppo della tecnologia di comunicazione in fibra ottica
Attraverso l'applicazione di diverse tecnologie, il mondo accademico e l'industria hanno sostanzialmente raggiunto il limite dell'efficienza spettrale del sistema di comunicazione in fibra ottica. Per continuare ad aumentare la capacità di trasmissione, è necessario aumentare la larghezza di banda del sistema B (con un aumento lineare della capacità) o aumentare il rapporto segnale/rumore. Di seguito si riporta la discussione specifica.
1. Soluzione per aumentare la potenza di trasmissione
Poiché l'effetto non lineare causato dalla trasmissione ad alta potenza può essere ridotto aumentando opportunamente l'area effettiva della sezione trasversale della fibra, una soluzione per aumentare la potenza è utilizzare fibre monomodali anziché monomodali per la trasmissione. Inoltre, la soluzione attualmente più comune agli effetti non lineari è l'utilizzo dell'algoritmo di retropropagazione digitale (DBP), ma il miglioramento delle prestazioni dell'algoritmo porterà a un aumento della complessità computazionale. Recentemente, la ricerca sulla tecnologia di apprendimento automatico nella compensazione non lineare ha mostrato buone prospettive applicative, riducendo notevolmente la complessità dell'algoritmo, quindi la progettazione del sistema DBP potrà essere supportata dall'apprendimento automatico in futuro.
2. Aumentare la larghezza di banda dell'amplificatore ottico
L'aumento della larghezza di banda può superare i limiti della gamma di frequenza dell'EDFA. Oltre alle bande C e L, anche la banda S può essere inclusa nel range di applicazione, e per l'amplificazione è possibile utilizzare un amplificatore SOA o Raman. Tuttavia, la fibra ottica esistente presenta una notevole perdita nelle bande di frequenza diverse dalla banda S, ed è necessario progettare un nuovo tipo di fibra ottica per ridurre la perdita di trasmissione. Per le altre bande, tuttavia, anche la tecnologia di amplificazione ottica disponibile in commercio rappresenta una sfida.
3. Ricerca sulla fibra ottica a bassa perdita di trasmissione
La ricerca sulle fibre a bassa perdita di trasmissione è uno degli aspetti più critici in questo campo. La fibra a nucleo cavo (HCF) offre la possibilità di ridurre le perdite di trasmissione, riducendo il ritardo di trasmissione e eliminando in larga misura il problema della non linearità della fibra.
4. Ricerca sulle tecnologie relative al multiplexing della divisione spaziale
La tecnologia di multiplexing a divisione di spazio è una soluzione efficace per aumentare la capacità di una singola fibra. Nello specifico, per la trasmissione viene utilizzata la fibra ottica multi-core, raddoppiando la capacità di una singola fibra. Il problema principale in questo caso è se esista un amplificatore ottico ad alta efficienza, altrimenti può essere equivalente solo a più fibre ottiche single-core; utilizzando la tecnologia di multiplexing a divisione di modo, che include la modalità a polarizzazione lineare, il fascio OAM basato sulla singolarità di fase e il fascio vettoriale cilindrico basato sulla singolarità di polarizzazione, tale tecnologia può essere utilizzata. Il multiplexing di fascio offre un nuovo grado di libertà e migliora la capacità dei sistemi di comunicazione ottica. Ha ampie prospettive di applicazione nella tecnologia delle comunicazioni in fibra ottica, ma anche la ricerca sugli amplificatori ottici correlati rappresenta una sfida. Inoltre, merita attenzione anche il modo in cui bilanciare la complessità del sistema causata dal ritardo di gruppo modale differenziale e dalla tecnologia di equalizzazione digitale multi-ingresso multi-uscita.
Prospettive per lo sviluppo della tecnologia di comunicazione in fibra ottica
La tecnologia di comunicazione in fibra ottica si è evoluta dalla trasmissione iniziale a bassa velocità all'attuale trasmissione ad alta velocità, diventando una delle tecnologie portanti a supporto della società dell'informazione e dando vita a un'ampia disciplina e a un vasto campo sociale. In futuro, con il continuo aumento della domanda di trasmissione di informazioni da parte della società, i sistemi di comunicazione in fibra ottica e le tecnologie di rete evolveranno verso capacità, intelligenza e integrazione ultra-elevate. Pur migliorando le prestazioni di trasmissione, continueranno a ridurre i costi, a contribuire al sostentamento delle persone e allo sviluppo dell'informazione nel Paese. La società dell'informazione svolge un ruolo importante. CeiTa ha collaborato con diverse organizzazioni per la gestione delle calamità naturali, che possono prevedere allerte di sicurezza regionali come terremoti, alluvioni e tsunami. Richiede solo la connessione all'ONU di CeiTa. In caso di calamità naturale, la stazione sismica emetterà un'allerta precoce. Il terminale per le allerte ONU sarà sincronizzato.
(1) Rete ottica intelligente
Rispetto al sistema di comunicazione wireless, il sistema di comunicazione ottica e la rete ottica intelligente sono ancora in una fase iniziale in termini di configurazione, manutenzione e diagnosi dei guasti, e il livello di intelligenza è insufficiente. A causa dell'enorme capacità di una singola fibra, il verificarsi di qualsiasi guasto della fibra avrà un impatto significativo sull'economia e sulla società. Pertanto, il monitoraggio dei parametri di rete è fondamentale per lo sviluppo delle future reti intelligenti. Le direzioni di ricerca a cui prestare attenzione in questo ambito in futuro includono: sistemi di monitoraggio dei parametri di sistema basati su tecnologia coerente semplificata e apprendimento automatico, tecnologie di monitoraggio delle grandezze fisiche basate sull'analisi coerente del segnale e riflessione ottica nel dominio del tempo sensibile alla fase.
(2) Tecnologia e sistema integrati
L'obiettivo principale dell'integrazione dei dispositivi è la riduzione dei costi. Nella tecnologia delle comunicazioni in fibra ottica, la trasmissione ad alta velocità dei segnali a breve distanza può essere realizzata attraverso la rigenerazione continua del segnale. Tuttavia, a causa dei problemi di recupero di fase e dello stato di polarizzazione, l'integrazione di sistemi coerenti è ancora relativamente difficile. Inoltre, se si potesse realizzare un sistema ottico-elettrico-ottico integrato su larga scala, anche la capacità del sistema sarebbe significativamente migliorata. Tuttavia, a causa di fattori quali la bassa efficienza tecnica, l'elevata complessità e la difficoltà di integrazione, è impossibile promuovere ampiamente segnali completamente ottici come la tecnologia di elaborazione 2R (riamplificazione, rimodellazione) e 3R (riamplificazione, risincronizzazione e rimodellazione) completamente ottici nel campo delle comunicazioni ottiche. Pertanto, in termini di tecnologie e sistemi di integrazione, le direzioni di ricerca future sono le seguenti: sebbene la ricerca esistente sui sistemi di multiplexing a divisione di spazio sia relativamente ricca, i componenti chiave di tali sistemi non hanno ancora raggiunto risultati tecnologici innovativi nel mondo accademico e industriale, ed è necessario un ulteriore rafforzamento. Ricerche come laser e modulatori integrati, ricevitori integrati bidimensionali, amplificatori ottici integrati ad alta efficienza energetica, ecc.; nuovi tipi di fibre ottiche possono espandere significativamente la larghezza di banda del sistema, ma sono ancora necessarie ulteriori ricerche per garantire che le loro prestazioni complete e i processi di produzione possano raggiungere l'attuale livello di fibra monomodale; studiare vari dispositivi che possono essere utilizzati con la nuova fibra nel collegamento di comunicazione.
(3) Dispositivi di comunicazione ottica
Nei dispositivi di comunicazione ottica, la ricerca e lo sviluppo di dispositivi fotonici al silicio hanno ottenuto risultati iniziali. Tuttavia, attualmente, la ricerca nazionale in questo ambito si basa principalmente sui dispositivi passivi, mentre la ricerca sui dispositivi attivi è relativamente debole. Per quanto riguarda i dispositivi di comunicazione ottica, le future direzioni di ricerca includono: la ricerca sull'integrazione di dispositivi attivi e dispositivi ottici al silicio; la ricerca sulla tecnologia di integrazione di dispositivi ottici non al silicio, come la ricerca sulla tecnologia di integrazione di materiali e substrati III-V; l'ulteriore sviluppo di nuovi dispositivi di ricerca e sviluppo. Ulteriori sviluppi, come la guida d'onda ottica integrata al niobato di litio, con i vantaggi di alta velocità e basso consumo energetico.
Data di pubblicazione: 03/08/2023
