Non molto tempo fa, il foglio delle risposte di metà anno per lo sviluppo congiunto di Hengqin tra Zhuhai e Macao si stava lentamente svolgendo. Una delle fibre ottiche transfrontaliere ha attirato l'attenzione. È passato attraverso Zhuhai e Macao per realizzare l'interconnessione della potenza di calcolo e la condivisione delle risorse da Macao a Hengqin e costruire un canale di informazione. Shanghai sta inoltre promuovendo il progetto di potenziamento e trasformazione della rete di comunicazione interamente in fibra "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 domanda di traffico Internet da parte degli utenti aumenta di giorno in giorno, come migliorare la capacità di comunicazione in fibra ottica è diventato un problema urgente da risolvere.
Dalla comparsa della tecnologia di comunicazione in fibra ottica, ha comportato importanti cambiamenti nei campi della scienza, della tecnologia e della società. Essendo un'importante applicazione della tecnologia laser, la tecnologia dell'informazione laser rappresentata dalla tecnologia di comunicazione in fibra ottica ha costruito la struttura della moderna rete di comunicazione ed è diventata una parte importante 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 il continuo emergere di varie tecnologie emergenti come l’Internet delle cose, i big data, la realtà virtuale, l’intelligenza artificiale (AI), le comunicazioni mobili di quinta generazione (5G) e altre tecnologie, vengono poste esigenze sempre più elevate in termini di scambio e trasmissione di informazioni. Secondo i dati di ricerca pubblicati da Cisco nel 2019, il traffico IP annuale globale aumenterà da 1,5ZB (1ZB=1021B) nel 2017 a 4,8ZB nel 2022, con un tasso di crescita annuo composto del 26%. Di fronte al trend di crescita del traffico elevato, la comunicazione in fibra ottica, in quanto parte più dorsale 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 di grande capacità costituiranno la direzione di sviluppo principale della tecnologia di comunicazione in fibra ottica.
Storia dello sviluppo e stato della ricerca della tecnologia di comunicazione 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 in continuo a temperatura ambiente e, nel 1977, il laser a semiconduttore è stato realizzato per funzionare continuamente per decine di migliaia di ore in un ambiente pratico.
Finora, i laser hanno i prerequisiti per la comunicazione commerciale in fibra ottica. Fin dall'inizio dell'invenzione del laser, gli inventori hanno riconosciuto il suo importante potenziale di applicazione nel campo della comunicazione. Tuttavia, ci sono due evidenti limiti nella tecnologia di comunicazione laser: uno è che una grande quantità di energia verrà persa a causa della divergenza del raggio laser; l'altro è che è fortemente influenzato dall'ambiente di applicazione, poiché l'applicazione nell'ambiente atmosferico sarà significativamente soggetta ai cambiamenti delle condizioni meteorologiche. Pertanto, per la comunicazione laser, è molto importante una guida d'onda ottica adatta.
La fibra ottica utilizzata per la comunicazione proposta dal dottor Kao Kung, premio Nobel per la fisica, soddisfa le esigenze della tecnologia di comunicazione laser per le guide d'onda. Ha proposto che la perdita per diffusione di Rayleigh della fibra ottica di vetro possa essere molto bassa (meno di 20 dB/km) e che la perdita di potenza nella fibra ottica deriva principalmente dall'assorbimento della luce da parte delle impurità nei materiali di vetro, quindi la purificazione del materiale è la chiave chiave per ridurre la perdita di fibra ottica e ha anche sottolineato che la trasmissione monomodale è importante per mantenere buone prestazioni di comunicazione.
Nel 1970, la Corning Glass Company ha sviluppato una fibra ottica multimodale a base di quarzo con una perdita di circa 20 dB/km secondo il suggerimento 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 di fibre ottiche a base di quarzo si è avvicinata al limite teorico. Finora, le condizioni della comunicazione in fibra ottica sono state pienamente soddisfatte.
I primi sistemi di comunicazione in fibra ottica adottavano tutti il metodo di ricezione del rilevamento diretto. Questo è un metodo di comunicazione in fibra ottica relativamente semplice. PD è un rilevatore a legge quadratica e può essere rilevata solo l'intensità del segnale ottico. Questo metodo di ricezione con rilevamento diretto è continuato dalla prima generazione di tecnologia 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 è necessario partire da due aspetti: uno è avvicinarsi con la tecnologia al limite di Shannon, ma l’aumento dell’efficienza dello spettro ha aumentato i requisiti per il rapporto telecomunicazioni/rumore, riducendo così il 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 della 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 l'uno all'altro. In questo modo è possibile ottenere una ricezione insensibile alla polarizzazione. Inoltre, va sottolineato che attualmente il tracciamento della frequenza, il recupero della fase portante, l'equalizzazione, la sincronizzazione, il tracciamento della polarizzazione e il demultiplexing all'estremità ricevente possono essere tutti completati dalla tecnologia di elaborazione del segnale digitale (DSP), che semplifica notevolmente l'hardware. progettazione del ricevitore e migliore capacità di recupero del segnale.
Alcune sfide e considerazioni di fronte allo sviluppo della tecnologia di comunicazione in fibra ottica
Attraverso l'applicazione di varie tecnologie, gli ambienti accademici 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 possibile ottenerlo solo aumentando la larghezza di banda del sistema B (capacità di aumento lineare) o aumentando il rapporto segnale-rumore. La discussione specifica è la seguente.
1. Soluzione per aumentare la potenza di trasmissione
Poiché l'effetto non lineare causato dalla trasmissione ad alta potenza può essere ridotto aumentando adeguatamente l'area effettiva della sezione trasversale della fibra, una soluzione per aumentare la potenza è quella di utilizzare per la trasmissione la fibra a poche modalità anziché la fibra a modalità singola. Inoltre, l’attuale soluzione più comune agli effetti non lineari consiste nell’utilizzare l’algoritmo di backpropagation digitale (DBP), ma il miglioramento delle prestazioni dell’algoritmo porterà ad un aumento della complessità computazionale. Recentemente, la ricerca sulla tecnologia di apprendimento automatico nella compensazione non lineare ha mostrato buone prospettive applicative, che riducono notevolmente la complessità dell'algoritmo, quindi la progettazione del sistema DBP potrà essere assistita dall'apprendimento automatico in futuro.
2. Aumentare la larghezza di banda dell'amplificatore ottico
L'aumento della larghezza di banda può superare la limitazione della gamma di frequenza dell'EDFA. Oltre alla banda C e alla banda L, nel campo di applicazione può essere inclusa anche la banda S e per l'amplificazione è possibile utilizzare l'amplificatore SOA o Raman. Tuttavia, la fibra ottica esistente presenta una grande 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. Ma per il resto delle bande, anche la tecnologia di amplificazione ottica disponibile in commercio rappresenta una sfida.
3. Ricerca sulla fibra ottica a bassa perdita di trasmissione
La ricerca sulla fibra a bassa perdita di trasmissione è una delle questioni più critiche in questo campo. La fibra a nucleo cavo (HCF) ha la possibilità di una minore perdita di trasmissione, che ridurrà il ritardo di trasmissione della fibra e può eliminare in larga misura il problema non lineare della fibra.
4. Ricerca sulle tecnologie legate al multiplexing della divisione spaziale
La tecnologia di multiplexing a divisione spaziale è una soluzione efficace per aumentare la capacità di una singola fibra. Nello specifico, per la trasmissione viene utilizzata la fibra ottica multi-core e la capacità di una singola fibra è raddoppiata. La questione centrale a questo proposito è se esiste un amplificatore ottico ad alta efficienza. , altrimenti può essere equivalente solo a più fibre ottiche unipolari; utilizzando la tecnologia di multiplexing a divisione di modalità inclusa la modalità di polarizzazione lineare, il fascio OAM basato sulla singolarità di fase e il fascio vettoriale cilindrico basato sulla singolarità di polarizzazione, tale tecnologia può essere Il multiplexing del fascio fornisce un nuovo grado di libertà e migliora la capacità dei sistemi di comunicazione ottica. Ha ampie prospettive di applicazione nella tecnologia di comunicazione in fibra ottica, ma anche la ricerca sui relativi amplificatori ottici rappresenta una sfida. Inoltre, merita attenzione anche come bilanciare la complessità del sistema causata dal ritardo del gruppo di modalità differenziale e dalla tecnologia di equalizzazione digitale con ingressi multipli e uscite multiple.
Prospettive per lo sviluppo della tecnologia di comunicazione in fibra ottica
La tecnologia di comunicazione in fibra ottica si è sviluppata dalla trasmissione iniziale a bassa velocità all'attuale trasmissione ad alta velocità ed è diventata una delle tecnologie portanti a supporto della società dell'informazione e ha formato un'enorme disciplina e campo sociale. In futuro, poiché la domanda di trasmissione di informazioni da parte della società continua ad aumentare, i sistemi di comunicazione in fibra ottica e le tecnologie di rete si evolveranno verso capacità, intelligenza e integrazione ultra-grandi. Migliorando le prestazioni di trasmissione, continueranno a ridurre i costi, a servire il sostentamento delle persone e ad aiutare il Paese a creare informazioni. la società gioca un ruolo importante. CeiTa ha collaborato con una serie di organizzazioni legate ai disastri naturali, che possono prevedere allarmi di sicurezza regionali come terremoti, inondazioni e tsunami. E' sufficiente collegarlo all'ONU di CeiTa. Quando si verifica un disastro naturale, la stazione sismica emetterà un allarme tempestivo. Il terminale sotto gli avvisi ONU verrà sincronizzato.
(1) Rete ottica intelligente
Rispetto al sistema di comunicazione wireless, il sistema di comunicazione ottica e la rete ottica intelligente sono ancora nella fase iniziale in termini di configurazione della rete, manutenzione della rete e diagnosi dei guasti, e il grado di intelligenza è insufficiente. A causa dell’enorme capacità di una singola fibra, il verificarsi di qualsiasi guasto della fibra avrà un grande impatto sull’economia e sulla società. Pertanto, il monitoraggio dei parametri di rete è molto importante per lo sviluppo delle future reti intelligenti. Le direzioni di ricerca a cui occorre prestare attenzione in questo aspetto in futuro includono: sistema di monitoraggio dei parametri di sistema basato su tecnologia coerente semplificata e apprendimento automatico, tecnologia di monitoraggio di quantità fisiche basata sull'analisi del segnale coerente e riflessione ottica nel dominio del tempo sensibile alla fase.
(2) Tecnologia e sistema integrati
Lo scopo principale dell'integrazione dei dispositivi è ridurre i costi. Nella tecnologia di comunicazione in fibra ottica, la trasmissione ad alta velocità di segnali a breve distanza può essere realizzata attraverso la rigenerazione continua del segnale. Tuttavia, a causa dei problemi legati al recupero dello stato di fase e di polarizzazione, l'integrazione di sistemi coerenti è ancora relativamente difficile. Inoltre, se fosse possibile realizzare un sistema ottico-elettrico-ottico integrato su larga scala, anche la capacità del sistema sarebbe notevolmente migliorata. Tuttavia, a causa di fattori quali la bassa efficienza tecnica, l’elevata complessità e la difficoltà di integrazione, è impossibile promuovere su larga scala segnali completamente ottici come 2R completamente ottici (riamplificazione, rimodellamento), 3R (riamplificazione , re-timing e re-shaping) nel campo delle comunicazioni ottiche. tecnologia di elaborazione. Pertanto, in termini di tecnologia e sistemi di integrazione, le direzioni future della ricerca sono le seguenti: sebbene la ricerca esistente sui sistemi di multiplexing per divisione spaziale sia relativamente ricca, i componenti chiave dei sistemi di multiplexing per divisione spaziale non hanno ancora raggiunto progressi tecnologici nel mondo accademico e industriale, ed è necessario un ulteriore rafforzamento. Ricerca, come laser e modulatori integrati, ricevitori integrati bidimensionali, amplificatori ottici integrati ad alta efficienza energetica, ecc.; nuovi tipi di fibre ottiche possono espandere in modo significativo 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 singola; studiare diversi 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 raggiunto i primi risultati. Tuttavia, al momento, la ricerca nazionale si basa principalmente sui dispositivi passivi, mentre la ricerca sui dispositivi attivi è relativamente debole. In termini di dispositivi di comunicazione ottica, le direzioni di ricerca future includono: ricerca sull'integrazione di dispositivi attivi e dispositivi ottici in silicio; ricerca sulla tecnologia di integrazione di dispositivi ottici non in silicio, come ricerca sulla tecnologia di integrazione di materiali e substrati III-V; ulteriore sviluppo della ricerca e dello sviluppo di nuovi dispositivi. Follow-up, come la guida d'onda ottica integrata al niobato di litio con i vantaggi dell'alta velocità e del basso consumo energetico.
Orario di pubblicazione: 03 agosto 2023
