Nog niet zo lang geleden ontvouwde zich langzaam het halfjaarlijkse antwoordblad voor de gezamenlijke ontwikkeling van Hengqin tussen Zhuhai en Macau. Een van de grensoverschrijdende glasvezelkabels trok de aandacht. Deze liep door Zhuhai en Macau om de onderlinge verbinding van computervermogen en het delen van bronnen van Macau naar Hengqin te realiseren en een informatiekanaal te creëren. Shanghai promoot ook het upgrade- en transformatieproject van het volledig glasvezelcommunicatienetwerk "van glasvezel naar koper" om een hoogwaardige economische ontwikkeling en betere communicatiediensten voor de inwoners te garanderen.
Met de snelle ontwikkeling van internettechnologie neemt de vraag van gebruikers naar internetverkeer met de dag toe. Het verbeteren van de capaciteit van glasvezelcommunicatie is een dringend probleem dat moet worden opgelost.
Sinds de komst van glasvezelcommunicatietechnologie heeft deze grote veranderingen teweeggebracht op het gebied van wetenschap, technologie en maatschappij. Als belangrijke toepassing van lasertechnologie heeft laserinformatietechnologie, vertegenwoordigd door glasvezelcommunicatietechnologie, de basis gelegd voor moderne communicatienetwerken en is het een belangrijk onderdeel geworden van informatieoverdracht. Glasvezelcommunicatietechnologie is een belangrijke drijvende kracht achter de huidige internetwereld en is tevens een van de kerntechnologieën van het informatietijdperk.
Met de voortdurende opkomst van diverse opkomende technologieën zoals het Internet of Things, big data, virtual reality, kunstmatige intelligentie (AI), mobiele communicatie van de vijfde generatie (5G) en andere technologieën, worden er hogere eisen gesteld aan informatie-uitwisseling en -overdracht. Volgens onderzoeksgegevens die Cisco in 2019 publiceerde, zal het wereldwijde jaarlijkse IP-verkeer toenemen van 1,5 ZB (1 ZB = 1021 B) in 2017 tot 4,8 ZB in 2022, met een samengestelde jaarlijkse groei van 26%. Geconfronteerd met de groeiende trend van intensief dataverkeer, staat glasvezelcommunicatie, als belangrijkste onderdeel van het communicatienetwerk, onder enorme druk om te upgraden. Snelle glasvezelcommunicatiesystemen en -netwerken met grote capaciteit zullen de belangrijkste ontwikkelingsrichting van glasvezelcommunicatietechnologie vormen.
Ontwikkelingsgeschiedenis en onderzoeksstatus van optische glasvezelcommunicatietechnologie
De eerste robijnlaser werd in 1960 ontwikkeld, nadat Arthur Showlow en Charles Townes in 1958 hadden ontdekt hoe lasers werken. In 1970 werd de eerste AlGaAs-halfgeleiderlaser met succes ontwikkeld die continu bij kamertemperatuur kon werken. In 1977 werd ontdekt dat de halfgeleiderlaser tienduizenden uren continu kon werken in een praktische omgeving.
Lasers voldoen tot nu toe aan de vereisten voor commerciële glasvezelcommunicatie. Vanaf het begin van de uitvinding van de laser hebben de uitvinders de belangrijke potentiële toepassing ervan in de communicatiesector erkend. Lasercommunicatietechnologie kent echter twee duidelijke tekortkomingen: ten eerste gaat er veel energie verloren door de divergentie van de laserstraal; ten tweede wordt de technologie sterk beïnvloed door de toepassingsomgeving, zoals de atmosferische omgeving die sterk onderhevig is aan weersveranderingen. Daarom is een geschikte optische golfgeleider erg belangrijk voor lasercommunicatie.
De optische vezel die voor communicatie wordt gebruikt, voorgesteld door Dr. Kao Kung, Nobelprijswinnaar voor natuurkunde, voldoet aan de behoeften van lasercommunicatietechnologie voor golfgeleiders. Hij stelde dat het Rayleigh-verstrooiingsverlies van glasvezels zeer laag kan zijn (minder dan 20 dB/km), en dat het vermogensverlies in glasvezels voornamelijk voortkomt uit de absorptie van licht door onzuiverheden in glasmaterialen. Materiaalzuivering is daarom de sleutel tot het verminderen van verlies door optische vezels. Hij wees er tevens op dat single-mode transmissie belangrijk is voor het behoud van goede communicatieprestaties.
In 1970 ontwikkelde Corning Glass Company een multimode optische vezel op basis van kwarts met een verlies van ongeveer 20 dB/km volgens de zuiveringssuggestie van Dr. Kao, waardoor optische vezels een realiteit werden voor communicatietransmissiemedia. Na continu onderzoek en ontwikkeling naderde het verlies van optische vezels op basis van kwarts de theoretische limiet. Tot nu toe zijn de voorwaarden voor optische vezelcommunicatie volledig vervuld.
Vroege glasvezelcommunicatiesystemen maakten allemaal gebruik van de ontvangstmethode van directe detectie. Dit is een relatief eenvoudige methode voor glasvezelcommunicatie. PD is een kwadratische detector, waarbij alleen de intensiteit van het optische signaal kan worden gedetecteerd. Deze directe-detectie-ontvangstmethode is van kracht gebleven vanaf de eerste generatie glasvezelcommunicatietechnologie in de jaren 70 tot begin jaren 90.
Om het spectrumgebruik binnen de bandbreedte te vergroten, moeten we vanuit twee oogpunten beginnen: ten eerste door technologie te gebruiken om de Shannon-limiet te benaderen, maar de toename van de spectrumefficiëntie heeft de eisen voor de telecommunicatie-ruisverhouding verhoogd, waardoor de transmissieafstand kleiner wordt; ten tweede om de fase volledig te benutten. De informatiedraagcapaciteit van de polarisatiestatus wordt gebruikt voor transmissie, wat het coherente optische communicatiesysteem van de tweede generatie is.
Het coherente optische communicatiesysteem van de tweede generatie maakt gebruik van een optische mixer voor intradyne detectie en maakt gebruik van polarisatiediversiteitsontvangst. Dit betekent dat aan de ontvangende kant het signaallicht en het licht van de lokale oscillator worden ontbonden in twee lichtbundels waarvan de polarisatietoestanden loodrecht op elkaar staan. Op deze manier kan polarisatie-ongevoelige ontvangst worden bereikt. Bovendien moet worden benadrukt dat frequentietracking, draaggolffaseherstel, egalisatie, synchronisatie, polarisatietracking en demultiplexing aan de ontvangende kant momenteel allemaal kunnen worden uitgevoerd met behulp van digitale signaalverwerking (DSP). Dit vereenvoudigt het hardwareontwerp van de ontvanger aanzienlijk en verbetert de signaalherstelmogelijkheden.
Enkele uitdagingen en overwegingen bij de ontwikkeling van optische glasvezelcommunicatietechnologie
Door de toepassing van diverse technologieën hebben de academische wereld en de industrie in principe de limiet van de spectrale efficiëntie van het glasvezelcommunicatiesysteem bereikt. Om de transmissiecapaciteit verder te verhogen, kan dit alleen worden bereikt door de bandbreedte B van het systeem te verhogen (lineaire capaciteitsverhoging) of door de signaal-ruisverhouding te vergroten. De specifieke bespreking is als volgt.
1. Oplossing om het zendvermogen te verhogen
Omdat het niet-lineaire effect van hoogvermogenstransmissie kan worden verminderd door het effectieve oppervlak van de vezeldoorsnede te vergroten, is het een oplossing om het vermogen te verhogen door few-mode glasvezel te gebruiken in plaats van single-mode glasvezel voor transmissie. Bovendien is de meest voorkomende oplossing voor niet-lineaire effecten momenteel het gebruik van het Digital Backpropagation (DBP)-algoritme, maar de verbetering van de algoritmeprestaties zal leiden tot een toename van de rekencomplexiteit. Recent onderzoek naar machine learning-technologie voor niet-lineaire compensatie heeft een goed toepassingsperspectief aangetoond, wat de complexiteit van het algoritme aanzienlijk vermindert, zodat het ontwerp van DBP-systemen in de toekomst kan worden ondersteund door machine learning.
2. Vergroot de bandbreedte van de optische versterker
Het vergroten van de bandbreedte kan de beperkingen van het frequentiebereik van EDFA doorbreken. Naast de C-band en L-band kan ook de S-band tot het toepassingsbereik behoren en kan de SOA- of Raman-versterker voor versterking worden gebruikt. De bestaande glasvezel heeft echter een groot verlies in andere frequentiebanden dan de S-band, en het is noodzakelijk om een nieuw type glasvezel te ontwerpen om het transmissieverlies te verminderen. Maar voor de overige banden vormt de commercieel beschikbare optische versterkingstechnologie ook een uitdaging.
3. Onderzoek naar optische vezels met laag transmissieverlies
Onderzoek naar glasvezel met laag transmissieverlies is een van de meest cruciale kwesties op dit gebied. Holle kernvezel (HCF) heeft de mogelijkheid tot een lager transmissieverlies, wat de vertraging van glasvezeltransmissie zal verminderen en het niet-lineaire probleem van glasvezel grotendeels kan elimineren.
4. Onderzoek naar technologieën die verband houden met ruimteverdelingsmultiplexing
Space-division multiplexingtechnologie is een effectieve oplossing om de capaciteit van een enkele vezel te verhogen. Meer specifiek wordt multi-core optische vezel gebruikt voor transmissie, waarbij de capaciteit van een enkele vezel wordt verdubbeld. De kernvraag hierbij is of er een optische versterker met een hogere efficiëntie bestaat, anders kan het alleen equivalent zijn aan meerdere single-core optische vezels; door gebruik te maken van mode-division multiplexingtechnologie, inclusief lineaire polarisatiemodus, OAM-bundel gebaseerd op fasesingulariteit en cilindrische vectorbundel gebaseerd op polarisatiesingulariteit, kan dergelijke technologie worden toegepast. Bundelmultiplexing biedt een nieuwe mate van vrijheid en verbetert de capaciteit van optische communicatiesystemen. Het heeft brede toepassingsmogelijkheden in optische vezelcommunicatietechnologie, maar onderzoek naar gerelateerde optische versterkers is ook een uitdaging. Bovendien is het ook de moeite waard om aandacht te besteden aan de balans tussen de systeemcomplexiteit die wordt veroorzaakt door differentiële modusgroepvertraging en digitale equalizertechnologie met meerdere ingangen en meerdere uitgangen.
Vooruitzichten voor de ontwikkeling van optische glasvezelcommunicatietechnologie
Glasvezelcommunicatietechnologie heeft zich ontwikkeld van de aanvankelijke lagesnelheidstransmissie tot de huidige hogesnelheidstransmissie en is uitgegroeid tot een van de ruggengraattechnologieën ter ondersteuning van de informatiemaatschappij. Het heeft een enorm vakgebied en maatschappelijk veld gevormd. Naarmate de maatschappelijke vraag naar informatieoverdracht in de toekomst blijft toenemen, zullen glasvezelcommunicatiesystemen en netwerktechnologieën evolueren naar ultrahoge capaciteit, intelligentie en integratie. Naast het verbeteren van de transmissieprestaties zullen ze de kosten blijven verlagen, bijdragen aan het levensonderhoud van de bevolking en de informatiemaatschappij helpen opbouwen. CeiTa speelt hierbij een belangrijke rol. CeiTa heeft samengewerkt met een aantal organisaties die zich bezighouden met natuurrampen, die regionale veiligheidswaarschuwingen kunnen voorspellen, zoals aardbevingen, overstromingen en tsunami's. Het hoeft alleen te worden aangesloten op de ONU van CeiTa. Wanneer een natuurramp plaatsvindt, zal het aardbevingsstation een vroegtijdige waarschuwing afgeven. De terminal onder de ONU-waarschuwingen zal worden gesynchroniseerd.
(1) Intelligent optisch netwerk
Vergeleken met draadloze communicatiesystemen bevinden optische communicatiesystemen en intelligente optische netwerken zich nog in de beginfase wat betreft netwerkconfiguratie, netwerkonderhoud en foutdiagnose, en is de mate van intelligentie onvoldoende. Vanwege de enorme capaciteit van één enkele glasvezel heeft elke vezelstoring een grote impact op de economie en de maatschappij. Het monitoren van netwerkparameters is daarom van groot belang voor de ontwikkeling van toekomstige intelligente netwerken. De onderzoeksrichtingen die in de toekomst op dit gebied aandacht verdienen, zijn onder andere: systeemparametermonitoringsystemen gebaseerd op vereenvoudigde coherente technologie en machine learning, en technologie voor het monitoren van fysieke grootheden gebaseerd op coherente signaalanalyse en fasegevoelige optische reflectie in het tijdsdomein.
(2) Geïntegreerde technologie en systeem
Het hoofddoel van apparaatintegratie is kostenbesparing. In glasvezelcommunicatietechnologie kan snelle signaaloverdracht over korte afstanden worden gerealiseerd door continue signaalregeneratie. Vanwege de problemen met fase- en polarisatietoestandherstel is de integratie van coherente systemen echter nog steeds relatief moeilijk. Bovendien zal, indien een grootschalig geïntegreerd optisch-elektrisch-optisch systeem kan worden gerealiseerd, de systeemcapaciteit ook aanzienlijk worden verbeterd. Vanwege factoren zoals een lage technische efficiëntie, hoge complexiteit en integratieproblemen is het echter onmogelijk om volledig optische signalen, zoals volledig optische 2R (herversterking, hervorming) en 3R (herversterking, hertiming en hervorming), breed te promoten op het gebied van optische communicatieverwerkingstechnologie. Daarom zijn de toekomstige onderzoeksrichtingen op het gebied van integratietechnologie en -systemen als volgt: Hoewel er relatief veel onderzoek wordt gedaan naar systemen voor ruimtelijke multiplexing, hebben de belangrijkste componenten van systemen voor ruimtelijke multiplexing nog geen technologische doorbraken bereikt in de academische wereld en de industrie, en is verdere versterking nodig. Onderzoek, zoals geïntegreerde lasers en modulatoren, tweedimensionale geïntegreerde ontvangers, geïntegreerde optische versterkers met een hoge energie-efficiëntie, enz.; nieuwe typen optische vezels kunnen de systeembandbreedte aanzienlijk uitbreiden, maar er is nog steeds meer onderzoek nodig om ervoor te zorgen dat hun uitgebreide prestaties en productieprocessen het bestaande niveau van single kunnen bereiken. Het niveau van modevezel; bestudeer verschillende apparaten die kunnen worden gebruikt met de nieuwe vezel in de communicatieverbinding.
(3) Optische communicatieapparaten
Op het gebied van optische communicatieapparatuur heeft het onderzoek naar en de ontwikkeling van siliciumfotonische apparaten de eerste resultaten opgeleverd. Momenteel richt het binnenlandse onderzoek zich echter voornamelijk op passieve apparaten en is het onderzoek naar actieve apparaten relatief zwak. Wat optische communicatieapparatuur betreft, omvatten de toekomstige onderzoeksrichtingen: integratieonderzoek van actieve apparaten en siliciumoptische apparaten; onderzoek naar integratietechnologie van niet-siliciumoptische apparaten, zoals onderzoek naar integratietechnologie van III-V-materialen en -substraten; verdere ontwikkeling van onderzoek naar en ontwikkeling van nieuwe apparaten. Vervolgonderzoek, zoals de geïntegreerde optische golfgeleider van lithiumniobaat, met de voordelen van hoge snelheid en een laag energieverbruik.
Plaatsingstijd: 3 augustus 2023
