Hiljuti hakkas aeglaselt lahti rulluma Zhuhai ja Macao vahelise Hengqini ühise arendamise aasta keskpaiga vastuste leht. Üks piiriülestest optilistest kiududest äratas tähelepanu. See läbis Zhuhaid ja Macaod, et realiseerida arvutusvõimsuse ühendamine ja ressursside jagamine Macao ja Hengqini vahel ning luua infokanal. Shanghai edendab ka optilise vaskkaabliks muutmise täiskiudsidevõrgu uuendamise ja ümberkujundamise projekti, et tagada kvaliteetne majandusareng ja paremad sideteenused elanikele.
Internetitehnoloogia kiire arenguga suureneb kasutajate nõudlus internetiliikluse järele iga päevaga ning optilise kiu kommunikatsiooni läbilaskevõime parandamine on muutunud kiireloomuliseks probleemiks, mis tuleb lahendada.
Alates kiudoptilise sidetehnoloogia ilmumisest on see toonud kaasa suuri muutusi teaduse, tehnoloogia ja ühiskonna valdkonnas. Lasertehnoloogia olulise rakendusena on laserinfotehnoloogia, mida esindab kiudoptiline sidetehnoloogia, loonud kaasaegse sidevõrgu raamistiku ja saanud oluliseks osaks teabe edastamisest. Kiudoptiline sidetehnoloogia on tänapäeva internetimaailma oluline kandejõud ja ka üks infoajastu põhitehnoloogiaid.
Selliste uute tehnoloogiate nagu asjade internet, suurandmed, virtuaalreaalsus, tehisintellekt (AI), viienda põlvkonna mobiilside (5G) ja muude tehnoloogiate pideva esiletõusuga seatakse teabevahetusele ja -edastusele suuremad nõudmised. Cisco 2019. aastal avaldatud uuringuandmete kohaselt suureneb ülemaailmne aastane IP-liiklus 1,5 zebardilt (1 zebardit = 1021 miljardit) 2017. aastal 4,8 zebardini 2022. aastal, kusjuures liitkasvumäär on 26%. Suure liikluse kasvutrendi tõttu on kiudoptiline side kui sidevõrgu kõige selgroogne osa tohutu surve all uuendamiseks. Kiired ja suure mahutavusega kiudoptilised sidesüsteemid ja -võrgud saavad kiudoptilise side tehnoloogia peamiseks arengusuunaks.
Optilise kiudsidetehnoloogia arengu ajalugu ja uurimisstaatus
Esimene rubiinlaser töötati välja 1960. aastal, pärast seda, kui Arthur Showlow ja Charles Townes avastasid laserite tööpõhimõtte 1958. aastal. Seejärel, 1970. aastal, töötati edukalt välja esimene AlGaAs pooljuhtlaser, mis oli võimeline pidevalt töötama toatemperatuuril, ja 1977. aastal realiseeriti pooljuhtlaser, mis töötas praktilises keskkonnas pidevalt kümneid tuhandeid tunde.
Seni on laseritel eeldused kommertslikuks kiudoptiliseks sideks. Laseri leiutamise algusest peale mõistsid leiutajad selle olulist potentsiaalset rakendust side valdkonnas. Lasersidetehnoloogial on aga kaks ilmset puudust: esiteks läheb laserkiire hajumise tõttu kaotsi suur hulk energiat; teiseks mõjutab seda oluliselt rakenduskeskkond, näiteks atmosfäärikeskkonnas rakendamine sõltub oluliselt ilmastikutingimuste muutustest. Seetõttu on laserside jaoks sobiv optiline lainejuht väga oluline.
Nobeli füüsikapreemia laureaadi dr Kao Kungi välja pakutud sidekiud vastab lainejuhtide laserkommunikatsioonitehnoloogia vajadustele. Ta pakkus välja, et klaaskiu Rayleighi hajumise kadu võib olla väga madal (alla 20 dB/km) ja optilise kiu võimsuskadu tuleneb peamiselt valguse neeldumisest klaasmaterjalides sisalduvate lisandite poolt, seega on materjali puhastamine optilise kiu kadude vähendamise võti. Samuti tõi ta välja, et ühemoodiline edastus on hea side jõudluse säilitamiseks oluline.
1970. aastal töötas Corning Glass Company välja kvartsil põhineva mitmemoodilise optilise kiu, mille kadu oli vastavalt dr Kao puhastusettepanekule umbes 20 dB/km, muutes optilise kiu side edastuskeskkonnas reaalsuseks. Pideva uurimis- ja arendustegevuse tulemusena lähenes kvartsil põhinevate optiliste kiudude kadu teoreetilisele piirile. Seni on optilise kiu side tingimused täielikult täidetud.
Varased kiudoptilised sidesüsteemid võtsid kõik kasutusele otsese tuvastamise vastuvõtumeetodi. See on suhteliselt lihtne kiudoptiline sidemeetod. PD on ruutdetektor ja tuvastada saab ainult optilise signaali intensiivsust. See otsese tuvastamise vastuvõtumeetod on jätkunud esimese põlvkonna kiudoptilise sidetehnoloogia loomisest 1970. aastatel kuni 1990. aastate alguseni.
Ribalaiuse spektrikasutuse suurendamiseks peame alustama kahest aspektist: üks on tehnoloogia kasutamine Shannoni piirile lähenemiseks, kuid spektri efektiivsuse suurenemine on suurendanud telekommunikatsiooni ja müra suhte nõudeid, vähendades seeläbi edastuskaugust; teine on faasi täielik ärakasutamine. Polarisatsiooni oleku infokandevõimet kasutatakse edastamiseks, mis on teise põlvkonna koherentne optiline sidesüsteem.
Teise põlvkonna koherentne optiline sidesüsteem kasutab intradüüni tuvastamiseks optilist mikserit ja võtab vastu polarisatsiooni mitmekesisuse vastuvõtu, st vastuvõtvas otsas jagatakse signaaltuli ja lokaalse ostsillaatori valgus kaheks valguskiireks, mille polarisatsiooniseisundid on üksteisega ortogonaalsed. Sel viisil on võimalik saavutada polarisatsioonist sõltumatu vastuvõtt. Lisaks tuleb märkida, et sel ajal saab sageduse jälgimist, kandesageduse faasi taastamist, ekvalaiserimist, sünkroniseerimist, polarisatsiooni jälgimist ja demultipleksimist vastuvõtvas otsas teostada digitaalse signaalitöötluse (DSP) tehnoloogia abil, mis lihtsustab oluliselt vastuvõtja riistvaralist disaini ja parandab signaali taastamise võimet.
Mõned optilise kiu kommunikatsioonitehnoloogia arendamisega seotud väljakutsed ja kaalutlused
Erinevate tehnoloogiate rakendamise kaudu on akadeemilised ringkonnad ja tööstus jõudnud põhimõtteliselt kiudoptilise sidesüsteemi spektraalse efektiivsuse piirini. Edastusvõimsuse edasiseks suurendamiseks on vaja suurendada süsteemi ribalaiust B (lineaarselt suurenev võimsus) või signaali-müra suhet. Täpsem arutelu on järgmine.
1. Lahendus edastusvõimsuse suurendamiseks
Kuna suure võimsusega edastusest tingitud mittelineaarset efekti saab vähendada kiu ristlõike efektiivse pindala suurendamisega, on võimsuse suurendamise lahenduseks kasutada ülekandeks ühemoodilise kiu asemel vähemoodilist kiudu. Lisaks on mittelineaarsete efektide praegune kõige levinum lahendus digitaalse tagasilevimise (DBP) algoritmi kasutamine, kuid algoritmi jõudluse paranemine suurendab arvutuslikku keerukust. Hiljutised masinõppe tehnoloogia uuringud mittelineaarses kompensatsioonis on näidanud head rakendusvõimalust, mis vähendab oluliselt algoritmi keerukust, seega saab masinõpe tulevikus DBP-süsteemi disaini abistada.
2. Suurendage optilise võimendi ribalaiust
Ribalaiuse suurendamine võib murda läbi EDFA sagedusvahemiku piirangute. Lisaks C- ja L-ribale saab rakendusalasse lisada ka S-riba ning võimendamiseks saab kasutada SOA- või Ramani võimendit. Olemasoleval optilisel kiul on aga suur kadu muudes sagedusribades peale S-riba ning edastuskadude vähendamiseks on vaja kavandada uut tüüpi optiline kiud. Kuid ülejäänud sagedusribade puhul on väljakutseks ka kaubanduslikult saadaval olev optilise võimenduse tehnoloogia.
3. Madala edastuskaoga optilise kiu uuringud
Madala edastuskaoga kiudude uurimine on selle valdkonna üks kriitilisemaid küsimusi. Õõnessüdamikuga kiul (HCF) on potentsiaali väiksema edastuskao saavutamiseks, mis vähendab kiu edastuse ajalist viivitust ja võib suurel määral kõrvaldada kiu mittelineaarse probleemi.
4. Ruumijaotusega multipleksimisega seotud tehnoloogiate uurimine
Ruumijaotusega multipleksimise tehnoloogia on tõhus lahendus ühe kiu läbilaskevõime suurendamiseks. Täpsemalt, edastuseks kasutatakse mitmetuumalist optilist kiudu, mis kahekordistab ühe kiu läbilaskevõimet. Põhiküsimus selles osas on see, kas on olemas suurema efektiivsusega optiline võimendi. Vastasel juhul saab see olla samaväärne ainult mitme ühetuumalise optilise kiuga. Kasutades moodijaotusega multipleksimise tehnoloogiat, sealhulgas lineaarset polarisatsioonirežiimi, faasisingulaarsusel põhinevat OAM-kiirt ja polarisatsioonisingulaarsusel põhinevat silindrilist vektorkiirt, saab sellist tehnoloogiat kasutada. Kiire multipleksimine annab uue vabadusastme ja parandab optiliste sidesüsteemide läbilaskevõimet. Sellel on laialdased rakendusvõimalused optilise kiu sidetehnoloogias, kuid väljakutseks on ka seotud optiliste võimendite uurimine. Lisaks väärib tähelepanu ka see, kuidas tasakaalustada diferentsiaalrežiimi grupi viivituse ja mitme sisendi ja mitme väljundiga digitaalse ekvalaiseri tehnoloogia põhjustatud süsteemi keerukust.
Optilise kiudside tehnoloogia arenguväljavaated
Optikiudside tehnoloogia on arenenud esialgsest madala kiirusega edastusest praeguseks kiireks edastuseks ning on saanud üheks infoühiskonda toetavaks selgroogtehnoloogiaks, moodustades tohutu distsipliini ja sotsiaalse valdkonna. Tulevikus, kuna ühiskonna nõudlus info edastamise järele kasvab jätkuvalt, arenevad optkiudside süsteemid ja võrgutehnoloogiad ülisuure läbilaskevõime, intelligentsuse ja integreerituse suunas. Edastusjõudluse parandamise kõrval vähendavad need jätkuvalt kulusid, teenivad inimeste elatist ja aitavad riigil infot üles ehitada. Ühiskonnal on oluline roll. CeiTa on teinud koostööd mitmete loodusõnnetuste organisatsioonidega, mis suudavad ennustada piirkondlikke ohutushoiatusi, nagu maavärinad, üleujutused ja tsunamid. See peab olema ühendatud CeiTa ONU-ga. Loodusõnnetuse korral annab maavärinajaam varajase hoiatuse. ONU hoiatuste all olev terminal sünkroniseeritakse.
(1) Intelligentne optiline võrk
Võrreldes traadita side süsteemiga on intelligentse optilise võrgu optiline sidesüsteem ja võrk võrgu konfigureerimise, hoolduse ja rikete diagnoosimise osas alles algstaadiumis ning intelligentsuse aste on ebapiisav. Ühe kiu tohutu mahutavuse tõttu avaldab iga kiu rike suurt mõju majandusele ja ühiskonnale. Seetõttu on võrguparameetrite jälgimine tulevaste intelligentsete võrkude arendamiseks väga oluline. Uurimissuunad, millele selles aspektis tulevikus tähelepanu pöörata, hõlmavad järgmist: lihtsustatud koherentsel tehnoloogial ja masinõppel põhinev süsteemiparameetrite jälgimissüsteem, koherentsel signaalianalüüsil põhinev füüsikaliste suuruste jälgimise tehnoloogia ja faasitundlik optiline ajadomeeni peegeldus.
(2) Integreeritud tehnoloogia ja süsteem
Seadmete integreerimise põhieesmärk on kulude vähendamine. Optikiudsidetehnoloogias saab lühikese vahemaa tagant kiire signaaliedastust teostada pideva signaali regenereerimise abil. Faasi- ja polarisatsiooniseisundi taastamise probleemide tõttu on koherentsete süsteemide integreerimine siiski suhteliselt keeruline. Lisaks, kui suudetakse realiseerida suuremahuline integreeritud opto-elektri-optiline süsteem, paraneb oluliselt ka süsteemi läbilaskevõime. Madala tehnilise efektiivsuse, suure keerukuse ja integreerimisraskuste tõttu on aga võimatu laialdaselt propageerida täisoptilisi signaale, nagu täisoptilised 2R (uuesti võimendamine, ümberkujundamine), 3R (uuesti võimendamine, ümberajastamine ja ümberkujundamine) optilise side töötlemise tehnoloogia valdkonnas. Seetõttu on integreerimistehnoloogia ja -süsteemide osas tulevased uurimissuunad järgmised: Kuigi olemasolevad uuringud ruumijaotusega multipleksimissüsteemide kohta on suhteliselt rikkalikud, ei ole ruumijaotusega multipleksimissüsteemide põhikomponendid akadeemilises ja tööstuses veel tehnoloogilist läbimurret saavutanud ning vaja on edasist tugevdamist. Uuringud, näiteks integreeritud laserid ja modulaatorid, kahemõõtmelised integreeritud vastuvõtjad, suure energiatõhususega integreeritud optilised võimendid jne; uut tüüpi optilised kiud võivad süsteemi ribalaiust oluliselt laiendada, kuid on vaja täiendavaid uuringuid, et tagada nende terviklik jõudlus ja tootmisprotsessid, mis suudavad saavutada olemasoleva ühemoodilise kiu taseme; uurida erinevaid seadmeid, mida saab uue kiuga sideühenduses kasutada.
(3) Optilised sideseadmed
Optiliste sideseadmete valdkonnas on ränifotooniliste seadmete uurimine ja arendamine andnud esialgseid tulemusi. Praegu põhineb aga siseriiklik uurimistöö peamiselt passiivsetel seadmetel ja aktiivseadmete uurimine on suhteliselt nõrk. Optiliste sideseadmete osas hõlmavad edasised uurimissuunad järgmist: aktiivseadmete ja ränioptiliste seadmete integreerimise uurimine; ränivabade optiliste seadmete integreerimise tehnoloogia uurimine, näiteks III-V materjalide ja substraatide integreerimise tehnoloogia uurimine; uute seadmete edasiarendamine ja arendus. Järeltegevuseks on integreeritud liitiumniobaat-optiline lainejuht, mille eelisteks on suur kiirus ja väike energiatarve.
Postituse aeg: 03.08.2023
