Vor Kurzem wurde der Halbjahresbericht zur gemeinsamen Entwicklung von Hengqin zwischen Zhuhai und Macao veröffentlicht. Eine der grenzüberschreitenden Glasfasern erregte Aufmerksamkeit. Sie führte durch Zhuhai und Macao und ermöglichte die Vernetzung von Rechenleistung und Ressourcen von Macao nach Hengqin sowie den Aufbau eines Informationskanals. Shanghai treibt außerdem die Modernisierung und Umgestaltung des Glasfaser-Kommunikationsnetzes voran, um eine hochwertige wirtschaftliche Entwicklung und bessere Kommunikationsdienste für die Bevölkerung zu gewährleisten.
Mit der rasanten Entwicklung der Internettechnologie steigt auch der Bedarf der Benutzer an Internetverkehr von Tag zu Tag. Die Frage, wie die Kapazität der Glasfaserkommunikation verbessert werden kann, ist zu einem dringenden Problem geworden, das gelöst werden muss.
Seit dem Aufkommen der Glasfaserkommunikationstechnologie hat diese große Veränderungen in Wissenschaft, Technologie und Gesellschaft mit sich gebracht. Als wichtige Anwendung der Lasertechnologie bildet die durch die Glasfaserkommunikationstechnologie repräsentierte Laserinformationstechnologie die Grundlage moderner Kommunikationsnetze und ist zu einem wichtigen Bestandteil der Informationsübertragung geworden. Die Glasfaserkommunikationstechnologie ist eine wichtige treibende Kraft der heutigen Internetwelt und zählt zu den Kerntechnologien des Informationszeitalters.
Mit dem kontinuierlichen Aufkommen verschiedener neuer Technologien wie dem Internet der Dinge, Big Data, virtueller Realität, künstlicher Intelligenz (KI), Mobilfunk der fünften Generation (5G) und anderen Technologien steigen die Anforderungen an Informationsaustausch und -übertragung. Laut einer 2019 von Cisco veröffentlichten Studie wird der globale jährliche IP-Verkehr von 1,5 ZB (1 ZB = 1021 Mrd.) im Jahr 2017 auf 4,8 ZB im Jahr 2022 ansteigen – mit einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate von 26 %. Angesichts des wachsenden Verkehrsaufkommens steht die Glasfaserkommunikation als wichtigster Bestandteil des Kommunikationsnetzes unter enormem Modernisierungsdruck. Schnelle Glasfaserkommunikationssysteme und -netze mit hoher Kapazität werden die wichtigste Entwicklungsrichtung der Glasfaserkommunikationstechnologie sein.
Entwicklungsgeschichte und Forschungsstand der Glasfaserkommunikationstechnologie
Der erste Rubinlaser wurde 1960 entwickelt, nachdem Arthur Showlow und Charles Townes 1958 die Funktionsweise von Lasern entdeckt hatten. 1970 gelang die Entwicklung des ersten AlGaAs-Halbleiterlasers, der bei Raumtemperatur im Dauerbetrieb eingesetzt werden konnte, und 1977 gelang es, den Halbleiterlaser in der Praxis Zehntausende Stunden lang im Dauerbetrieb laufen zu lassen.
Laser erfüllen die Voraussetzungen für die kommerzielle Glasfaserkommunikation. Schon seit der Erfindung des Lasers erkannten die Erfinder sein großes Anwendungspotenzial in der Kommunikation. Die Laserkommunikationstechnologie weist jedoch zwei offensichtliche Nachteile auf: Zum einen geht durch die Divergenz des Laserstrahls viel Energie verloren; zum anderen wird sie stark von der Anwendungsumgebung beeinflusst, beispielsweise in der atmosphärischen Umgebung, die erheblichen Wetteränderungen unterliegt. Daher ist für die Laserkommunikation ein geeigneter Lichtwellenleiter von großer Bedeutung.
Die von Dr. Kao Kung, dem Nobelpreisträger für Physik, vorgeschlagene Glasfaser für die Kommunikation erfüllt die Anforderungen der Laserkommunikationstechnologie an Wellenleiter. Er schlug vor, dass der Rayleigh-Streuverlust von Glasfasern sehr gering sein kann (weniger als 20 dB/km), und der Leistungsverlust in Glasfasern hauptsächlich auf die Lichtabsorption durch Verunreinigungen im Glasmaterial zurückzuführen ist. Daher ist die Materialreinigung der Schlüssel zur Reduzierung des Glasfaserverlusts. Er wies auch darauf hin, dass die Singlemode-Übertragung wichtig ist, um eine gute Kommunikationsleistung aufrechtzuerhalten.
1970 entwickelte die Corning Glass Company nach Dr. Kaos Reinigungsvorschlag eine quarzbasierte Multimode-Glasfaser mit einem Verlust von etwa 20 dB/km und machte damit Glasfaser als Kommunikationsübertragungsmedium nutzbar. Nach kontinuierlicher Forschung und Entwicklung näherte sich der Verlust quarzbasierter Glasfasern der theoretischen Grenze. Bis heute sind die Voraussetzungen für die Glasfaserkommunikation voll erfüllt.
Frühe Glasfaserkommunikationssysteme verwendeten alle die Empfangsmethode der Direktdetektion. Dies ist ein relativ einfaches Verfahren zur Glasfaserkommunikation. PD ist ein quadratischer Detektor, der nur die Intensität des optischen Signals detektieren kann. Dieses Direktdetektions-Empfangsverfahren wurde von der ersten Generation der Glasfaserkommunikationstechnologie in den 1970er- bis in die frühen 1990er-Jahre beibehalten.
Um die Spektrumnutzung innerhalb der Bandbreite zu erhöhen, müssen wir von zwei Aspekten ausgehen: Erstens müssen wir die Technologie nutzen, um uns der Shannon-Grenze zu nähern. Die Verbesserung der Spektrumeffizienz hat jedoch die Anforderungen an das Telekommunikations-Rausch-Verhältnis erhöht, wodurch die Übertragungsdistanz verringert wird. Zweitens müssen wir die Phase voll ausnutzen. Die Informationsübertragungskapazität des Polarisationszustands wird für die Übertragung verwendet. Dies ist das kohärente optische Kommunikationssystem der zweiten Generation.
Das kohärente optische Kommunikationssystem der zweiten Generation nutzt einen optischen Mischer zur Intradyn-Detektion und Polarisationsdiversitätsempfang. Das heißt, empfangsseitig werden Signallicht und Lokaloszillatorlicht in zwei zueinander orthogonale Lichtstrahlen zerlegt. Dadurch wird ein polarisationsunempfindlicher Empfang erreicht. Darüber hinaus können Frequenznachführung, Trägerphasenrückgewinnung, Entzerrung, Synchronisierung, Polarisationsnachführung und Demultiplexierung empfangsseitig durch digitale Signalverarbeitung (DSP) realisiert werden. Dies vereinfacht das Hardware-Design des Empfängers erheblich und verbessert die Signalrückgewinnung.
Einige Herausforderungen und Überlegungen bei der Entwicklung der Glasfaserkommunikationstechnologie
Durch den Einsatz verschiedener Technologien haben Wissenschaft und Industrie die Grenzen der spektralen Effizienz von Glasfaserkommunikationssystemen erreicht. Eine weitere Steigerung der Übertragungskapazität ist nur durch eine Erhöhung der Systembandbreite B (lineare Kapazitätssteigerung) oder durch eine Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses möglich. Die konkrete Diskussion erfolgt wie folgt.
1. Lösung zur Erhöhung der Sendeleistung
Da der nichtlineare Effekt bei Hochleistungsübertragungen durch eine entsprechende Vergrößerung des effektiven Faserquerschnitts reduziert werden kann, bietet sich die Verwendung von Fewmode-Fasern anstelle von Singlemode-Fasern zur Leistungssteigerung an. Die derzeit gängigste Lösung für nichtlineare Effekte ist der Einsatz des Digital-Backpropagation-Algorithmus (DBP). Die Verbesserung der Algorithmusleistung führt jedoch zu einem höheren Rechenaufwand. Jüngste Forschungen im Bereich der nichtlinearen Kompensation durch maschinelles Lernen haben gute Anwendungsaussichten gezeigt und die Komplexität des Algorithmus deutlich reduziert. Daher kann die Entwicklung von DBP-Systemen künftig durch maschinelles Lernen unterstützt werden.
2. Erhöhen Sie die Bandbreite des optischen Verstärkers
Eine Erhöhung der Bandbreite kann die Frequenzbereichsbeschränkung von EDFAs überwinden. Neben dem C- und L-Band kann auch das S-Band in den Anwendungsbereich einbezogen werden, und der SOA- oder Raman-Verstärker kann zur Verstärkung eingesetzt werden. Bestehende Glasfasern weisen jedoch in anderen Frequenzbändern als dem S-Band hohe Verluste auf, sodass die Entwicklung eines neuen Glasfasertyps zur Reduzierung der Übertragungsverluste erforderlich ist. Auch für die übrigen Bänder stellt handelsübliche optische Verstärkungstechnologie eine Herausforderung dar.
3. Forschung zu Glasfasern mit geringem Übertragungsverlust
Die Forschung an Glasfasern mit geringem Übertragungsverlust ist eines der wichtigsten Themen in diesem Bereich. Hohlkernfasern (HCF) bieten die Möglichkeit geringerer Übertragungsverluste, wodurch die Zeitverzögerung der Glasfaserübertragung reduziert und das nichtlineare Problem der Glasfaser weitgehend beseitigt werden kann.
4. Forschung zu Technologien im Zusammenhang mit Raummultiplex
Raummultiplextechnologie ist eine effektive Lösung zur Erhöhung der Kapazität einzelner Fasern. Insbesondere werden Mehrkern-Glasfasern zur Übertragung verwendet, wodurch sich die Kapazität einer einzelnen Faser verdoppelt. Die Kernfrage in diesem Zusammenhang ist, ob es einen optischen Verstärker mit höherer Effizienz gibt. Andernfalls kann er nur mit mehreren Einkern-Glasfasern gleichwertig sein. Durch den Einsatz von Modenmultiplextechnologie, einschließlich linearem Polarisationsmodus, OAM-Strahl basierend auf Phasensingularität und zylindrischem Vektorstrahl basierend auf Polarisationssingularität, kann diese Technologie neue Freiheitsgrade bieten und die Kapazität optischer Kommunikationssysteme verbessern. Sie bietet breite Anwendungsaussichten in der Glasfaserkommunikationstechnologie, jedoch ist die Forschung an entsprechenden optischen Verstärkern ebenfalls eine Herausforderung. Darüber hinaus ist es wichtig, die Systemkomplexität auszugleichen, die durch die Gruppenverzögerung im Differenzmodus und die digitale Entzerrungstechnologie mit mehreren Eingängen und mehreren Ausgängen entsteht.
Perspektiven für die Entwicklung der Glasfaserkommunikationstechnologie
Die Glasfaserkommunikationstechnologie hat sich von der anfänglichen langsamen Übertragung zur heutigen Hochgeschwindigkeitstechnologie entwickelt und ist zu einer der wichtigsten Technologien der Informationsgesellschaft geworden. Sie hat ein riesiges Fachgebiet und gesellschaftliches Feld geformt. Da der Bedarf der Gesellschaft an Informationsübertragung in Zukunft weiter steigt, werden sich Glasfaserkommunikationssysteme und Netzwerktechnologien in Richtung extrem hoher Kapazität, Intelligenz und Integration weiterentwickeln. Bei gleichzeitiger Verbesserung der Übertragungsleistung werden sie weiterhin Kosten senken, den Lebensunterhalt der Bevölkerung sichern und dem Land beim Aufbau der Informationsgesellschaft helfen. CeiTa arbeitet mit mehreren Naturkatastrophenorganisationen zusammen, um regionale Sicherheitswarnungen wie Erdbeben, Überschwemmungen und Tsunamis vorherzusagen. Es muss lediglich mit der ONU von CeiTa verbunden werden. Wenn eine Naturkatastrophe eintritt, gibt die Erdbebenstation eine Frühwarnung aus. Die Terminals unter der ONU werden mit Warnungen synchronisiert.
(1) Intelligentes optisches Netzwerk
Im Vergleich zu drahtlosen Kommunikationssystemen befinden sich optische Kommunikationssysteme und -netzwerke intelligenter optischer Netzwerke hinsichtlich Netzwerkkonfiguration, Netzwerkwartung und Fehlerdiagnose noch in der Anfangsphase und verfügen nur über unzureichende Intelligenz. Aufgrund der enormen Kapazität einzelner Glasfasern hat jeder Faserausfall erhebliche Auswirkungen auf Wirtschaft und Gesellschaft. Daher ist die Überwachung von Netzwerkparametern für die Entwicklung zukünftiger intelligenter Netzwerke von großer Bedeutung. Zukünftige Forschungsschwerpunkte in diesem Bereich sind: Systemparameterüberwachungssysteme basierend auf vereinfachter kohärenter Technologie und maschinellem Lernen, Technologien zur Überwachung physikalischer Größen basierend auf kohärenter Signalanalyse und phasensensitiver optischer Zeitbereichsreflexion.
(2) Integrierte Technologie und System
Der Hauptzweck der Geräteintegration liegt in der Kostensenkung. In der Glasfaserkommunikationstechnologie ist die schnelle Signalübertragung über kurze Distanzen durch kontinuierliche Signalregeneration möglich. Aufgrund der Probleme der Phasen- und Polarisationszustandswiederherstellung gestaltet sich die Integration kohärenter Systeme jedoch noch relativ schwierig. Die Realisierung eines großflächig integrierten optisch-elektrisch-optischen Systems würde zudem die Systemkapazität deutlich verbessern. Aufgrund von Faktoren wie geringer technischer Effizienz, hoher Komplexität und Integrationsschwierigkeiten ist es jedoch nicht möglich, rein optische Signale wie rein optische 2R- (Re-Amplification, Re-Shaping) und 3R- (Re-Amplification, Re-Timing, Re-Shaping) Verfahren in der optischen Kommunikations- und Verarbeitungstechnologie flächendeckend zu fördern. Daher ergeben sich im Hinblick auf Integrationstechnologie und -systeme folgende zukünftige Forschungsrichtungen: Obwohl die Forschung zu Raummultiplexsystemen bereits umfangreich ist, haben die Schlüsselkomponenten von Raummultiplexsystemen in Wissenschaft und Industrie noch keine technologischen Durchbrüche erzielt, sodass eine weitere Stärkung erforderlich ist. Forschungen zu integrierten Lasern und Modulatoren, zweidimensionalen integrierten Empfängern, integrierten optischen Verstärkern mit hoher Energieeffizienz usw.; neue Arten von Glasfasern können die Systembandbreite erheblich erweitern, es bedarf jedoch noch weiterer Forschung, um sicherzustellen, dass ihre umfassende Leistung und ihre Herstellungsprozesse das Niveau bestehender Einmodenfasern erreichen; außerdem müssen verschiedene Geräte untersucht werden, die mit der neuen Faser in der Kommunikationsverbindung verwendet werden können.
(3) Optische Kommunikationsgeräte
Im Bereich optischer Kommunikationsgeräte wurden in der Forschung und Entwicklung von Silizium-Photonik-Bauelementen erste Erfolge erzielt. Derzeit konzentriert sich die inländische Forschung jedoch hauptsächlich auf passive Bauelemente, während die Forschung zu aktiven Bauelementen vergleichsweise schwach ist. Zukünftige Forschungsschwerpunkte im Bereich optischer Kommunikationsgeräte sind die Integrationsforschung von aktiven Bauelementen und Silizium-Optikbauelementen; die Forschung zur Integrationstechnologie von Nicht-Silizium-Optikbauelementen, beispielsweise die Forschung zur Integrationstechnologie von III-V-Materialien und Substraten; die Weiterentwicklung der Forschung und Entwicklung neuer Bauelemente. Weitere Schwerpunkte sind beispielsweise integrierte Lithiumniobat-Lichtwellenleiter mit den Vorteilen hoher Geschwindigkeit und geringem Stromverbrauch.
Beitragszeit: 03.08.2023
