Não muito tempo atrás, a folha de respostas do meio do ano para o desenvolvimento conjunto de Hengqin entre Zhuhai e Macau estava a desenrolar-se lentamente. Uma das fibras ópticas transfronteiriças atraiu a atenção. Passou por Zhuhai e Macau para realizar a interligação do poder computacional e a partilha de recursos de Macau a Hengqin e construir um canal de informação. Shanghai também está promovendo o projeto de modernização e transformação da rede de comunicação totalmente em fibra "óptica em cobre" para garantir o desenvolvimento econômico de alta qualidade e melhores serviços de comunicação para os residentes.
Com o rápido desenvolvimento da tecnologia da Internet, a demanda dos usuários pelo tráfego da 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 da rede de comunicação moderna 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 principais tecnologias da era da informação.
Com o surgimento contínuo de várias tecnologias emergentes, como a Internet das Coisas, os grandes volumes de dados, a realidade virtual, a inteligência artificial (IA), as comunicações móveis de quinta geração (5G) e outras tecnologias, são colocadas maiores exigências na troca e transmissão de informações. De acordo com dados de pesquisa divulgados pela Cisco em 2019, o tráfego IP anual global aumentará de 1,5ZB (1ZB=1021B) em 2017 para 4,8ZB em 2022, com uma taxa composta de crescimento anual de 26%. Diante da tendência de crescimento do alto tráfego, a comunicação por fibra óptica, como parte principal da rede de comunicação, está sob tremenda pressão para atualização. Sistemas e redes de comunicação de fibra óptica de alta velocidade e grande capacidade serão a principal direção de desenvolvimento da tecnologia de comunicação de fibra óptica.
História 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 à temperatura ambiente foi desenvolvido com sucesso, e em 1977, o laser semicondutor foi concebido para funcionar continuamente por dezenas de milhares de horas em um ambiente prático.
Até agora, 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 é muito afetado pelo ambiente de aplicação, pois a aplicação no ambiente atmosférico estará significativamente sujeita a mudanças nas condições climáticas. Portanto, para comunicação a laser, um guia de ondas óptico adequado é muito importante.
A fibra óptica utilizada para comunicação proposta pelo Dr. Kao Kung, ganhador do Prêmio Nobel de Física, atende às necessidades da tecnologia de comunicação a laser para guias de ondas. Ele propôs que a perda de espalhamento Rayleigh da fibra óptica de vidro pode ser muito baixa (menos de 20 dB/km), e a perda de potência na fibra óptica vem principalmente da absorção de luz por impurezas em materiais de vidro, então a purificação do material é a chave para reduzir a perda de fibra óptica Key, e também apontou que a transmissão monomodo é importante para manter um bom desempenho de comunicação.
Em 1970, a Corning Glass Company desenvolveu uma fibra óptica multimodo baseada em quartzo com uma perda de cerca de 20dB/km de acordo com 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 de fibras ópticas baseadas em quartzo aproximou-se do limite teórico. Até agora, as condições de comunicação por fibra óptica foram totalmente satisfeitas.
Todos os primeiros sistemas de comunicação de fibra óptica adotaram o método de recepção de detecção direta. Este é um método de comunicação de fibra óptica relativamente simples. PD é um detector de lei quadrática e apenas a intensidade do sinal óptico pode ser detectada. Este método de recepção de detecção direta continuou desde a primeira geração da tecnologia de comunicação de 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 de partir de dois aspectos: um é usar a tecnologia para nos aproximarmos do limite de Shannon, mas o aumento da eficiência do espectro aumentou os requisitos para a relação telecomunicações/ruído, reduzindo assim a distância de transmissão; a outra é aproveitar ao máximo a fase. A capacidade de transporte de informações do estado de polarização é utilizada 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 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 um para o outro. Desta forma, a recepção insensível à polarização pode ser alcançada. Além disso, deve-se ressaltar que, neste momento, o rastreamento de frequência, a recuperação da fase da portadora, a equalização, a sincronização, o rastreamento de polarização e a demultiplexação na extremidade receptora podem ser concluídos pela tecnologia de processamento de sinal digital (DSP), o que simplifica bastante o hardware. design do receptor e capacidade aprimorada de recuperação de sinal.
Alguns desafios e considerações enfrentados pelo desenvolvimento da tecnologia de comunicação por fibra óptica
Através da aplicação de diversas tecnologias, o meio acadêmico e a indústria atingiram basicamente o limite da eficiência espectral do sistema 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 (aumentando linearmente a capacidade) 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 adequadamente a área efetiva da seção transversal da fibra, é uma solução para aumentar a potência usar fibra de poucos modos em vez de fibra 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 bastante a complexidade do algoritmo, de forma que o projeto do sistema DBP possa ser auxiliado pelo aprendizado de máquina no futuro.
2. Aumente a largura de banda do amplificador óptico
Aumentar a largura de banda pode romper a limitação da faixa de frequência do EDFA. Além da banda C e da banda L, a banda S também pode ser incluída na faixa de aplicação e o amplificador SOA ou Raman pode ser usado para amplificação. Porém, a fibra óptica existente apresenta uma grande perda em outras bandas de frequência além da banda S, sendo necessário projetar um novo tipo de fibra óptica para reduzir a perda de transmissão. Mas para o resto das bandas, a tecnologia de amplificação óptica disponível comercialmente também é um desafio.
3. Pesquisa em fibra óptica de baixa perda de transmissão
A pesquisa sobre fibra de 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 atraso de 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 de espaço é uma solução eficaz para aumentar a capacidade de uma única fibra. Especificamente, a fibra óptica multi-core é usada para transmissão e a capacidade de uma única fibra é duplicada. 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 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 por fibra óptica, mas a pesquisa em amplificadores ópticos relacionados também é um desafio. Além disso, como equilibrar a complexidade do sistema causada pelo atraso do grupo de modo diferencial e pela tecnologia de equalização digital de múltiplas entradas e múltiplas saídas também merece atenção.
Perspectivas para o Desenvolvimento da Tecnologia de Comunicação por Fibra Óptica
A tecnologia de comunicação por fibra óptica desenvolveu-se desde a transmissão inicial de baixa velocidade até a atual transmissão de alta velocidade e tornou-se uma das tecnologias de base que apoiam a sociedade da informação e formou uma enorme disciplina e campo social. No futuro, à medida que a procura da sociedade por transmissão de informação continua a aumentar, os sistemas de comunicação de fibra óptica e as tecnologias de rede evoluirão para uma capacidade, inteligência e integração ultra-grandes. Ao mesmo tempo que melhoram o desempenho da transmissão, continuarão a reduzir custos e a servir a subsistência da população e a ajudar o país a construir informação. a sociedade desempenha um papel importante. O CeiTa cooperou com diversas organizações de desastres naturais, que podem prever alertas de segurança regionais, como terremotos, inundações e tsunamis. Basta estar conectado à ONU do CeiTa. Quando ocorre um desastre natural, a estação sísmica emitirá um alerta antecipado. O terminal sob os Alertas ONU será sincronizado.
(1) Rede óptica inteligente
Comparado com o sistema de comunicação sem fio, o sistema de comunicação óptica e a rede da rede óptica inteligente ainda estão na fase 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 na 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 prestadas atenção neste aspecto no futuro incluem: sistema de monitoramento de parâmetros do sistema baseado em tecnologia coerente simplificada e aprendizado de máquina, tecnologia de monitoramento de quantidade física baseada em análise de sinal coerente e reflexão óptica sensível à fase no domínio do tempo.
(2) Tecnologia e sistema integrados
O objetivo principal da integração de dispositivos é reduzir custos. Na tecnologia de comunicação de fibra óptica, a transmissão de sinais em alta velocidade e curta distância 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 grande 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 totalmente óptico (reamplificação, remodelagem), 3R (reamplificação , reprogramação e remodelagem) no campo das comunicações ópticas. tecnologia de processamento. 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, e é necessário um maior reforço. Pesquisa, 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 ainda são necessárias mais pesquisas para garantir que seu desempenho abrangente e processos de fabricação possam atingir o nível único existente de fibra de modo; estudar diversos dispositivos que podem ser utilizados com a nova fibra no enlace de comunicação.
(3) Dispositivos de comunicação óptica
Em dispositivos de comunicação óptica, a pesquisa e o desenvolvimento de dispositivos fotônicos de silício alcançaram resultados iniciais. No entanto, actualmente, a investigação nacional baseia-se principalmente em dispositivos passivos e a investigação em dispositivos activos 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; maior desenvolvimento de pesquisa e desenvolvimento de novos dispositivos. Acompanhamento, como guia de onda óptico de niobato de lítio integrado com as vantagens de alta velocidade e baixo consumo de energia.
Horário da postagem: 03/08/2023
