Vor nicht allzu langer Zeit entfaltete sich langsam der Antwortbogen zur Jahresmitte für die gemeinsame Entwicklung von Hengqin zwischen Zhuhai und Macao. Eine der grenzüberschreitenden Glasfasern erregte Aufmerksamkeit. Es führte über Zhuhai und Macao, um die Verbindung der Rechenleistung und die gemeinsame Nutzung von Ressourcen von Macao nach Hengqin zu realisieren und einen Informationskanal aufzubauen. Shanghai fördert außerdem das Modernisierungs- und Transformationsprojekt des reinen Glasfaser-Kommunikationsnetzes „optisch in Kupfer zurück“, um eine qualitativ hochwertige wirtschaftliche Entwicklung und bessere Kommunikationsdienste für die Einwohner sicherzustellen.
Mit der rasanten Entwicklung der Internet-Technologie steigt die Nachfrage der Benutzer nach Internetverkehr von Tag zu Tag. Wie die Kapazität der Glasfaserkommunikation verbessert werden kann, ist zu einem dringend zu lösenden Problem geworden.
Seit dem Aufkommen der Glasfaser-Kommunikationstechnologie hat sie große Veränderungen in den Bereichen Wissenschaft, Technik und Gesellschaft mit sich gebracht. Als wichtige Anwendung der Lasertechnologie hat die Laserinformationstechnologie, vertreten durch die Glasfaserkommunikationstechnologie, den Rahmen moderner Kommunikationsnetzwerke geschaffen und ist zu einem wichtigen Bestandteil der Informationsübertragung geworden. Die Glasfaser-Kommunikationstechnologie ist ein wichtiger Träger der heutigen Internetwelt und eine der 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 werden höhere Anforderungen an den Informationsaustausch und die Übertragung gestellt. Laut von Cisco im Jahr 2019 veröffentlichten Forschungsdaten wird der weltweite jährliche IP-Verkehr von 1,5 ZB (1 ZB = 1021 Milliarden) im Jahr 2017 auf 4,8 ZB im Jahr 2022 ansteigen, mit einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate von 26 %. Angesichts des Wachstumstrends des hohen Verkehrsaufkommens steht die Glasfaserkommunikation als wichtigster Teil des Kommunikationsnetzwerks unter enormem Modernisierungsdruck. Hochgeschwindigkeits-Glasfaser-Kommunikationssysteme und -Netzwerke mit großer Kapazität werden die Hauptentwicklungsrichtung der Glasfaser-Kommunikationstechnologie sein.
Entwicklungsgeschichte und Forschungsstand der Glasfaser-Kommunikationstechnologie
Der erste Rubinlaser wurde 1960 entwickelt, nachdem Arthur Showlow und Charles Townes 1958 die Funktionsweise von Lasern entdeckt hatten. 1970 wurde dann erfolgreich der erste AlGaAs-Halbleiterlaser entwickelt, der bei Raumtemperatur kontinuierlich betrieben werden kann, und 1977 Es wurde realisiert, dass der Halbleiterlaser in einer praktischen Umgebung Zehntausende Stunden lang ununterbrochen arbeitet.
Bisher verfügen Laser über die Voraussetzungen für eine kommerzielle Glasfaserkommunikation. Schon zu Beginn der Erfindung des Lasers erkannten die Erfinder dessen wichtige potenzielle Anwendung im Bereich der Kommunikation. Es gibt jedoch zwei offensichtliche Mängel in der Laserkommunikationstechnologie: Zum einen geht durch die Divergenz des Laserstrahls eine große Energiemenge verloren. Das andere ist, dass es stark von der Anwendungsumgebung beeinflusst wird, z. B. wird die Anwendung in der atmosphärischen Umgebung erheblich von Änderungen der Wetterbedingungen abhängig sein. Daher ist für die Laserkommunikation ein geeigneter Lichtwellenleiter sehr wichtig.
Die von Dr. Kao Kung, dem Nobelpreisträger für Physik, vorgeschlagene optische Faser für die Kommunikation erfüllt die Anforderungen der Laserkommunikationstechnologie für Wellenleiter. Er schlug vor, dass der Rayleigh-Streuungsverlust von optischen Glasfasern sehr gering sein kann (weniger als 20 dB/km) und dass der Leistungsverlust in optischen Fasern hauptsächlich auf die Absorption von Licht durch Verunreinigungen in Glasmaterialien zurückzuführen ist, sodass die Materialreinigung der Schlüssel ist Schlüssel zur Reduzierung von Glasfaserverlusten und wies auch darauf hin, dass die Singlemode-Übertragung wichtig ist, um eine gute Kommunikationsleistung aufrechtzuerhalten.
Im Jahr 1970 entwickelte die Corning Glass Company gemäß dem Reinigungsvorschlag von Dr. Kao eine Multimode-Glasfaser auf Quarzbasis mit einem Verlust von etwa 20 dB/km und machte damit optische Fasern für Kommunikationsübertragungsmedien zur Realität. Nach kontinuierlicher Forschung und Entwicklung näherte sich der Verlust optischer Fasern auf Quarzbasis der theoretischen Grenze. Bisher wurden die Bedingungen der Glasfaserkommunikation vollständig erfüllt.
Frühe Glasfaserkommunikationssysteme verwendeten alle die Empfangsmethode der direkten Erkennung. Dies ist eine relativ einfache Glasfaserkommunikationsmethode. PD ist ein quadratischer Detektor, bei dem nur die Intensität des optischen Signals erfasst werden kann. Diese Empfangsmethode mit direkter Erkennung wurde von der ersten Generation der Glasfaserkommunikationstechnologie in den 1970er bis frühen 1990er Jahren fortgesetzt.
Um die Spektrumsnutzung innerhalb der Bandbreite zu erhöhen, müssen wir von zwei Aspekten ausgehen: Zum einen müssen wir die Technologie nutzen, um uns der Shannon-Grenze zu nähern, aber die Steigerung der Spektrumseffizienz hat die Anforderungen an das Telekommunikations-Rausch-Verhältnis erhöht und dadurch die reduziert Übertragungsentfernung; Die andere besteht darin, die Phase voll auszunutzen. 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 verwendet einen optischen Mischer für die Intradyn-Detektion und nutzt den Polarisations-Diversity-Empfang, d. h. am Empfangsende werden das Signallicht und das Lokaloszillatorlicht in zwei Lichtstrahlen zerlegt, deren Polarisationszustände orthogonal sind zueinander. Auf diese Weise kann ein polarisationsunempfindlicher Empfang erreicht werden. Darüber hinaus ist darauf hinzuweisen, dass derzeit Frequenzverfolgung, Trägerphasenwiederherstellung, Entzerrung, Synchronisation, Polarisationsverfolgung und Demultiplexierung auf der Empfangsseite durch die digitale Signalverarbeitungstechnologie (DSP) abgeschlossen werden können, was die Hardware erheblich vereinfacht Design des Empfängers und verbesserte Signalwiederherstellungsfähigkeit.
Einige Herausforderungen und Überlegungen bei der Entwicklung der Glasfaser-Kommunikationstechnologie
Durch den Einsatz verschiedener Technologien haben die akademischen Kreise und die Industrie grundsätzlich die Grenze der spektralen Effizienz des Glasfaserkommunikationssystems erreicht. Um die Übertragungskapazität weiter zu erhöhen, kann dies nur durch eine Erhöhung der Systembandbreite B (lineare Erhöhung der Kapazität) oder eine Erhöhung des Signal-Rausch-Verhältnisses erreicht werden. Die spezifische Diskussion ist wie folgt.
1. Lösung zur Erhöhung der Sendeleistung
Da der durch die Hochleistungsübertragung verursachte nichtlineare Effekt durch eine entsprechende Vergrößerung der effektiven Fläche des Faserquerschnitts reduziert werden kann, ist es eine Lösung zur Leistungssteigerung, für die Übertragung Wenigmodenfasern anstelle von Singlemode-Fasern zu verwenden. Darüber hinaus besteht die derzeit häufigste Lösung für nichtlineare Effekte in der Verwendung des DBP-Algorithmus (Digital Backpropagation). Die Verbesserung der Algorithmusleistung wird jedoch zu einer Erhöhung der Rechenkomplexität führen. Kürzlich hat die Forschung zur Technologie des maschinellen Lernens im Bereich der nichtlinearen Kompensation gute Anwendungsaussichten gezeigt, wodurch die Komplexität des Algorithmus erheblich reduziert wird, sodass der Entwurf des DBP-Systems in Zukunft durch maschinelles Lernen unterstützt werden kann.
2. Erhöhen Sie die Bandbreite des optischen Verstärkers
Eine Erhöhung der Bandbreite kann die Begrenzung des Frequenzbereichs von EDFA durchbrechen. Neben dem C-Band und L-Band kann auch das S-Band zum Anwendungsbereich gehören und zur Verstärkung der SOA- oder Raman-Verstärker eingesetzt werden. Allerdings weist die bestehende Glasfaser einen großen Verlust in anderen Frequenzbändern als dem S-Band auf, und es ist notwendig, einen neuen Glasfasertyp zu entwickeln, um den Übertragungsverlust zu reduzieren. Aber auch für die restlichen Bänder ist die kommerziell verfügbare optische Verstärkungstechnologie eine Herausforderung.
3. Forschung zu Glasfasern mit geringem Übertragungsverlust
Die Forschung zu Glasfasern mit geringem Übertragungsverlust ist eines der kritischsten Themen in diesem Bereich. Bei Hohlkernfasern (HCF) besteht die Möglichkeit eines geringeren Übertragungsverlusts, wodurch die Zeitverzögerung der Faserübertragung verringert und das nichtlineare Problem der Faser weitgehend beseitigt werden kann.
4. Forschung zu Raummultiplex-bezogenen Technologien
Die Raummultiplex-Technologie ist eine effektive Lösung, um die Kapazität einer einzelnen Faser zu erhöhen. Konkret wird für die Übertragung eine mehradrige Glasfaser verwendet, wodurch die Kapazität einer einzelnen Faser verdoppelt wird. Die Kernfrage in diesem Zusammenhang ist, ob es einen optischen Verstärker mit höherer Effizienz gibt. Andernfalls kann es nur mehreren einkernigen Glasfasern entsprechen. Unter Verwendung der Modenmultiplex-Technologie einschließlich linearem Polarisationsmodus, OAM-Strahl basierend auf Phasensingularität und zylindrischem Vektorstrahl basierend auf Polarisationssingularität kann eine solche Technologie sein. Strahlmultiplexing bietet einen neuen Freiheitsgrad und verbessert die Kapazität optischer Kommunikationssysteme. Es hat breite Anwendungsaussichten in der Glasfaser-Kommunikationstechnologie, aber auch die Forschung an entsprechenden optischen Verstärkern ist eine Herausforderung. Darüber hinaus verdient auch die Frage, wie die Systemkomplexität, die durch die Differenzmodus-Gruppenverzögerung und die digitale Entzerrungstechnologie mit mehreren Eingängen und mehreren Ausgängen verursacht wird, ausgeglichen werden kann.
Perspektiven für die Entwicklung der Glasfaser-Kommunikationstechnologie
Die Glasfaserkommunikationstechnologie hat sich von der anfänglichen Niedergeschwindigkeitsübertragung zur aktuellen Hochgeschwindigkeitsübertragung entwickelt und ist zu einer der Rückgrattechnologien geworden, die die Informationsgesellschaft unterstützen, und hat eine riesige Disziplin und ein großes soziales Feld gebildet. Da die Nachfrage der Gesellschaft nach Informationsübertragung in Zukunft weiter steigt, werden sich Glasfaserkommunikationssysteme und Netzwerktechnologien in Richtung extrem großer Kapazität, Intelligenz und Integration weiterentwickeln. Während sie die Übertragungsleistung verbessern, werden sie weiterhin die Kosten senken, den Lebensunterhalt der Menschen sichern und dem Land beim Aufbau von Informationen helfen. Die Gesellschaft spielt eine wichtige Rolle. CeiTa hat mit einer Reihe von Naturkatastrophenorganisationen zusammengearbeitet, die regionale Sicherheitswarnungen wie Erdbeben, Überschwemmungen und Tsunamis vorhersagen können. Es muss lediglich mit der ONU von CeiTa verbunden werden. Bei einer Naturkatastrophe gibt die Erdbebenwarte eine Frühwarnung aus. Das Terminal unter den ONU-Benachrichtigungen wird synchronisiert.
(1) Intelligentes optisches Netzwerk
Im Vergleich zum drahtlosen Kommunikationssystem befinden sich das optische Kommunikationssystem und das Netzwerk des intelligenten optischen Netzwerks hinsichtlich Netzwerkkonfiguration, Netzwerkwartung und Fehlerdiagnose noch im Anfangsstadium und der Grad der Intelligenz ist unzureichend. Aufgrund der enormen Kapazität einer einzelnen Faser hat das Auftreten eines Faserausfalls große Auswirkungen auf Wirtschaft und Gesellschaft. Daher ist die Überwachung von Netzwerkparametern für die Entwicklung zukünftiger intelligenter Netzwerke von großer Bedeutung. Zu den Forschungsrichtungen, denen in Zukunft in diesem Aspekt Aufmerksamkeit geschenkt werden muss, gehören: Systemparameter-Überwachungssystem basierend auf vereinfachter kohärenter Technologie und maschinellem Lernen, Überwachungstechnologie physikalischer Größen basierend auf kohärenter Signalanalyse und phasenempfindlicher optischer Zeitbereichsreflexion.
(2) Integrierte Technologie und System
Der Hauptzweck der Geräteintegration besteht darin, die Kosten zu senken. In der Glasfaserkommunikationstechnologie kann eine Hochgeschwindigkeitsübertragung von Signalen über kurze Distanzen durch kontinuierliche Signalregeneration realisiert werden. Aufgrund der Probleme bei der Phasen- und Polarisationszustandswiederherstellung ist die Integration kohärenter Systeme jedoch immer noch relativ schwierig. Wenn darüber hinaus ein groß angelegtes integriertes optisch-elektrisches-optisches System realisiert werden kann, wird auch die Systemkapazität erheblich verbessert. Aufgrund von Faktoren wie geringer technischer Effizienz, hoher Komplexität und Schwierigkeiten bei der Integration ist es jedoch unmöglich, rein optische Signale wie rein optisches 2R (Neuverstärkung, Neuformung) und 3R (Neuverstärkung) weithin zu fördern , Re-Timing und Re-Shaping) im Bereich der optischen Kommunikation. Verarbeitungstechnik. Daher sind die zukünftigen Forschungsrichtungen in Bezug auf Integrationstechnologie und -systeme wie folgt: Obwohl die bestehende Forschung zu Raummultiplexsystemen relativ umfangreich ist, haben die Schlüsselkomponenten von Raummultiplexsystemen in Wissenschaft und Industrie noch keinen technologischen Durchbruch erzielt. und eine weitere Stärkung ist erforderlich. Forschung, wie integrierte Laser und Modulatoren, zweidimensionale integrierte Empfänger, integrierte optische Verstärker mit hoher Energieeffizienz usw.; neue Arten von optischen Fasern können die Systembandbreite erheblich erweitern, aber es bedarf noch weiterer Forschung, um sicherzustellen, dass ihre umfassenden Leistungs- und Herstellungsprozesse das bestehende Single-Mode-Faserniveau erreichen können; Studieren Sie verschiedene Geräte, die mit der neuen Glasfaser in der Kommunikationsverbindung verwendet werden können.
(3) Optische Kommunikationsgeräte
Bei optischen Kommunikationsgeräten hat die Forschung und Entwicklung von photonischen Siliziumgeräten erste Ergebnisse erzielt. Derzeit basiert die inländische Forschung jedoch hauptsächlich auf passiven Geräten, während die Forschung zu aktiven Geräten relativ schwach ist. Im Hinblick auf optische Kommunikationsgeräte umfassen die zukünftigen Forschungsrichtungen: Integrationsforschung für aktive Geräte und optische Siliziumgeräte; Forschung zur Integrationstechnologie von optischen Geräten ohne Silizium, beispielsweise Forschung zur Integrationstechnologie von III-V-Materialien und -Substraten; Weiterentwicklung der Forschung und Entwicklung neuer Geräte. Follow-up, wie zum Beispiel integrierte optische Wellenleiter aus Lithiumniobat mit den Vorteilen hoher Geschwindigkeit und geringem Stromverbrauch.
Zeitpunkt der Veröffentlichung: 03.08.2023
