Há pouco tempo, a folha de respostas semestral para o desenvolvimento conjunto de Hengqin entre Zhuhai e Macau estava se desenrolando lentamente. Uma das fibras ópticas transfronteiriças atraiu a atenção. Ela passou por Zhuhai e Macau para realizar a interconexão de potência computacional e o compartilhamento de recursos de Macau para Hengqin, além de construir um canal de informações. Xangai também está promovendo o projeto de modernização e transformação da rede de comunicação totalmente em fibra óptica "revestida de cobre", a fim de garantir um desenvolvimento econômico de alta qualidade e melhores serviços de comunicação para a população.
Com o rápido desenvolvimento da tecnologia da Internet, a demanda dos usuários por tráfego de Internet está aumentando a cada dia. Como melhorar a capacidade de comunicação por fibra óptica tornou-se um problema urgente a ser resolvido.
Desde o surgimento da tecnologia de comunicação por fibra óptica, ela trouxe grandes mudanças nos campos da ciência, tecnologia e sociedade. Como uma importante aplicação da tecnologia laser, a tecnologia da informação a laser, representada pela tecnologia de comunicação por fibra óptica, construiu a estrutura das redes de comunicação modernas e se tornou uma parte importante da transmissão de informações. A tecnologia de comunicação por fibra óptica é uma importante força motriz do mundo atual da internet e também uma das tecnologias centrais da era da informação.
Com o surgimento contínuo de diversas tecnologias emergentes, como a Internet das Coisas, big data, realidade virtual, inteligência artificial (IA), comunicações móveis de quinta geração (5G) e outras tecnologias, maiores demandas são colocadas na troca e transmissão de informações. De acordo com dados de pesquisa divulgados pela Cisco em 2019, o tráfego IP anual global aumentará de 1,5 ZB (1 ZB = 1021B) em 2017 para 4,8 ZB em 2022, com uma taxa de crescimento anual composta de 26%. Diante da tendência de crescimento de alto tráfego, a comunicação por fibra óptica, como a parte mais importante da rede de comunicação, está sob tremenda pressão para se atualizar. Sistemas e redes de comunicação por fibra óptica de alta velocidade e grande capacidade serão a principal direção de desenvolvimento da tecnologia de comunicação por fibra óptica.
Histórico de desenvolvimento e status de pesquisa da tecnologia de comunicação por fibra óptica
O primeiro laser de rubi foi desenvolvido em 1960, após a descoberta de como os lasers funcionam por Arthur Showlow e Charles Townes em 1958. Então, em 1970, o primeiro laser semicondutor AlGaAs capaz de operação contínua em temperatura ambiente foi desenvolvido com sucesso e, em 1977, descobriu-se que o laser semicondutor funcionava continuamente por dezenas de milhares de horas em um ambiente prático.
Até o momento, os lasers possuem os pré-requisitos para a comunicação comercial por fibra óptica. Desde o início da invenção do laser, os inventores reconheceram seu importante potencial de aplicação no campo da comunicação. No entanto, existem duas deficiências óbvias na tecnologia de comunicação a laser: uma é que uma grande quantidade de energia será perdida devido à divergência do feixe de laser; a outra é que ela é fortemente afetada pelo ambiente de aplicação, como a aplicação no ambiente atmosférico, que estará significativamente sujeito a mudanças nas condições climáticas. Portanto, para a comunicação a laser, um guia de ondas óptico adequado é muito importante.
A fibra óptica utilizada para comunicação, proposta pelo Dr. Kao Kung, Prêmio Nobel de Física, atende às necessidades da tecnologia de comunicação a laser para guias de onda. Ele propôs que a perda por espalhamento de Rayleigh da fibra óptica de vidro pode ser muito baixa (inferior a 20 dB/km), e que a perda de potência na fibra óptica advém principalmente da absorção de luz por impurezas em materiais de vidro, sendo a purificação do material a chave para reduzir as perdas na fibra óptica. Ele também destacou que a transmissão monomodo é importante para manter um bom desempenho de comunicação.
Em 1970, a Corning Glass Company desenvolveu uma fibra óptica multimodo à base de quartzo com perda de cerca de 20 dB/km, seguindo a sugestão de purificação do Dr. Kao, tornando a fibra óptica uma realidade para meios de transmissão de comunicação. Após contínua pesquisa e desenvolvimento, a perda das fibras ópticas à base de quartzo se aproximou do limite teórico. Até o momento, as condições para a comunicação por fibra óptica foram plenamente atendidas.
Os primeiros sistemas de comunicação por fibra óptica adotaram o método de recepção por detecção direta. Este é um método de comunicação por fibra óptica relativamente simples. A DP é um detector de lei quadrática, e apenas a intensidade do sinal óptico pode ser detectada. Este método de recepção por detecção direta continuou desde a primeira geração da tecnologia de comunicação por fibra óptica, na década de 1970, até o início da década de 1990.
Para aumentar a utilização do espectro dentro da largura de banda, precisamos começar por dois aspectos: um é usar a tecnologia para se aproximar do limite de Shannon, mas o aumento na eficiência do espectro aumentou os requisitos para a relação telecomunicações-ruído, reduzindo assim a distância de transmissão; o outro é fazer uso total da fase. A capacidade de transporte de informações do estado de polarização é usada para transmissão, que é o sistema de comunicação óptica coerente de segunda geração.
O sistema de comunicação óptica coerente de segunda geração utiliza um misturador óptico para detecção intradina e adota a recepção de diversidade de polarização, ou seja, na extremidade receptora, a luz do sinal e a luz do oscilador local são decompostas em dois feixes de luz cujos estados de polarização são ortogonais entre si. Dessa forma, a recepção insensível à polarização pode ser alcançada. Além disso, deve-se ressaltar que, atualmente, o rastreamento de frequência, a recuperação de fase da portadora, a equalização, a sincronização, o rastreamento de polarização e a demultiplexação na extremidade receptora podem ser realizados pela tecnologia de processamento digital de sinal (DSP), o que simplifica significativamente o design de hardware do receptor e melhora a capacidade de recuperação de sinal.
Alguns desafios e considerações enfrentados pelo desenvolvimento da tecnologia de comunicação por fibra óptica
Com a aplicação de diversas tecnologias, o meio acadêmico e a indústria atingiram basicamente o limite da eficiência espectral dos sistemas de comunicação por fibra óptica. Para continuar a aumentar a capacidade de transmissão, isso só pode ser alcançado aumentando a largura de banda B do sistema (capacidade de aumento linear) ou aumentando a relação sinal-ruído. A discussão específica é a seguinte.
1. Solução para aumentar a potência de transmissão
Como o efeito não linear causado pela transmissão de alta potência pode ser reduzido aumentando-se adequadamente a área efetiva da seção transversal da fibra, uma solução para aumentar a potência é usar fibras de poucos modos em vez de fibras monomodo para transmissão. Além disso, a solução mais comum atualmente para efeitos não lineares é usar o algoritmo de retropropagação digital (DBP), mas a melhoria do desempenho do algoritmo levará a um aumento na complexidade computacional. Recentemente, a pesquisa da tecnologia de aprendizado de máquina em compensação não linear mostrou uma boa perspectiva de aplicação, o que reduz significativamente a complexidade do algoritmo, permitindo que o projeto de sistemas DBP seja auxiliado por aprendizado de máquina no futuro.
2. Aumentar a largura de banda do amplificador óptico
O aumento da largura de banda pode superar a limitação da faixa de frequência do EDFA. Além das bandas C e L, a banda S também pode ser incluída na faixa de aplicação, e amplificadores SOA ou Raman podem ser usados para amplificação. No entanto, a fibra óptica existente apresenta grandes perdas em outras bandas de frequência além da banda S, sendo necessário projetar um novo tipo de fibra óptica para reduzir as perdas de transmissão. Para as demais bandas, a tecnologia de amplificação óptica disponível comercialmente também representa um desafio.
3. Pesquisa sobre fibra óptica de baixa perda de transmissão
A pesquisa sobre fibras com baixa perda de transmissão é uma das questões mais críticas neste campo. A fibra de núcleo oco (HCF) tem a possibilidade de menor perda de transmissão, o que reduzirá o tempo de atraso da transmissão da fibra e pode eliminar em grande medida o problema não linear da fibra.
4. Pesquisa sobre tecnologias relacionadas à multiplexação por divisão espacial
A tecnologia de multiplexação por divisão espacial é uma solução eficaz para aumentar a capacidade de uma única fibra. Especificamente, a fibra óptica multinúcleo é usada para transmissão, e a capacidade de uma única fibra é dobrada. A questão central a esse respeito é se existe um amplificador óptico de maior eficiência. , caso contrário, só pode ser equivalente a múltiplas fibras ópticas de núcleo único; usando a tecnologia de multiplexação por divisão de modo, incluindo modo de polarização linear, feixe OAM baseado na singularidade de fase e feixe vetorial cilíndrico baseado na singularidade de polarização, tal tecnologia pode ser A multiplexação de feixe fornece um novo grau de liberdade e melhora a capacidade dos sistemas de comunicação óptica. Tem amplas perspectivas de aplicação na tecnologia de comunicação de fibra óptica, mas a pesquisa sobre amplificadores ópticos relacionados também é um desafio. Além disso, como equilibrar a complexidade do sistema causada pelo atraso do grupo de modo diferencial e a tecnologia de equalização digital de múltiplas entradas e saídas também merece atenção.
Perspectivas para o desenvolvimento da tecnologia de comunicação por fibra óptica
A tecnologia de comunicação por fibra óptica evoluiu da transmissão inicial de baixa velocidade para a atual transmissão de alta velocidade, tornando-se uma das tecnologias de base da sociedade da informação, formando uma vasta área disciplinar e social. No futuro, com o aumento contínuo da demanda da sociedade por transmissão de informações, os sistemas de comunicação por fibra óptica e as tecnologias de rede evoluirão para capacidade ultralarga, inteligência e integração. Ao mesmo tempo em que melhoram o desempenho da transmissão, continuarão a reduzir custos, atender às necessidades da população e ajudar o país a construir a sociedade da informação. A CeiTa desempenha um papel importante. A CeiTa cooperou com diversas organizações de desastres naturais, que podem prever alertas de segurança regionais, como terremotos, inundações e tsunamis. Basta conectar-se à ONU da CeiTa. Em caso de desastre natural, a estação sísmica emitirá um alerta antecipado. O terminal sob os Alertas da ONU será sincronizado.
(1) Rede óptica inteligente
Comparado ao sistema de comunicação sem fio, o sistema de comunicação óptica e a rede da rede óptica inteligente ainda estão em estágio inicial em termos de configuração de rede, manutenção de rede e diagnóstico de falhas, e o grau de inteligência é insuficiente. Devido à enorme capacidade de uma única fibra, a ocorrência de qualquer falha de fibra terá um grande impacto na economia e na sociedade. Portanto, o monitoramento dos parâmetros da rede é muito importante para o desenvolvimento de futuras redes inteligentes. As direções de pesquisa que precisam ser consideradas nesse aspecto no futuro incluem: sistema de monitoramento de parâmetros do sistema baseado em tecnologia coerente simplificada e aprendizado de máquina, tecnologia de monitoramento de grandezas físicas baseada em análise de sinal coerente e reflexão óptica no domínio do tempo sensível à fase.
(2) Tecnologia e sistema integrados
O principal objetivo da integração de dispositivos é reduzir custos. Na tecnologia de comunicação por fibra óptica, a transmissão de sinais de curta distância e alta velocidade pode ser realizada por meio da regeneração contínua do sinal. No entanto, devido aos problemas de recuperação de fase e estado de polarização, a integração de sistemas coerentes ainda é relativamente difícil. Além disso, se um sistema óptico-elétrico-óptico integrado em larga escala puder ser realizado, a capacidade do sistema também será significativamente melhorada. No entanto, devido a fatores como baixa eficiência técnica, alta complexidade e dificuldade de integração, é impossível promover amplamente sinais totalmente ópticos, como 2R (reamplificação, remodelação) e 3R (reamplificação, retemporização e remodelação) totalmente ópticos no campo da tecnologia de processamento de comunicações ópticas. Portanto, em termos de tecnologia e sistemas de integração, as futuras direções de pesquisa são as seguintes: Embora a pesquisa existente sobre sistemas de multiplexação por divisão espacial seja relativamente rica, os principais componentes dos sistemas de multiplexação por divisão espacial ainda não alcançaram avanços tecnológicos na academia e na indústria, sendo necessário um fortalecimento adicional. Pesquisas, como lasers e moduladores integrados, receptores integrados bidimensionais, amplificadores ópticos integrados de alta eficiência energética, etc.; novos tipos de fibras ópticas podem expandir significativamente a largura de banda do sistema, mas mais pesquisas ainda são necessárias para garantir que seu desempenho abrangente e processos de fabricação possam atingir o nível de fibra de modo único existente; estudar vários dispositivos que podem ser usados com a nova fibra no link de comunicação.
(3) Dispositivos de comunicação óptica
Em dispositivos de comunicação óptica, a pesquisa e o desenvolvimento de dispositivos fotônicos de silício já alcançaram resultados iniciais. No entanto, atualmente, a pesquisa nacional relacionada a esses dispositivos concentra-se principalmente em dispositivos passivos, e a pesquisa sobre dispositivos ativos é relativamente fraca. Em termos de dispositivos de comunicação óptica, as futuras direções de pesquisa incluem: pesquisa de integração de dispositivos ativos e dispositivos ópticos de silício; pesquisa em tecnologia de integração de dispositivos ópticos sem silício, como pesquisa em tecnologia de integração de materiais e substratos III-V; desenvolvimento adicional de pesquisa e desenvolvimento de novos dispositivos. Em seguida, estão sendo desenvolvidos guias de onda ópticos integrados de niobato de lítio, com as vantagens de alta velocidade e baixo consumo de energia.
Horário da publicação: 03/08/2023
