Hace poco, la hoja de respuestas de mitad de año para el desarrollo conjunto de Hengqin entre Zhuhai y Macao se estaba desarrollando lentamente. Una de las fibras ópticas transfronterizas atrajo la atención. Esta fibra atravesaba Zhuhai y Macao para lograr la interconexión de potencia informática y el intercambio de recursos entre Macao y Hengqin, y para construir un canal de información. Shanghái también está impulsando el proyecto de modernización y transformación de la red de comunicación de fibra óptica "con respaldo de cobre" para garantizar un desarrollo económico de alta calidad y mejores servicios de comunicación para los residentes.
Con el rápido desarrollo de la tecnología de Internet, la demanda de tráfico de Internet por parte de los usuarios aumenta día a día, y cómo mejorar la capacidad de comunicación por fibra óptica se ha convertido en un problema urgente por resolver.
Desde su aparición, la tecnología de comunicación por fibra óptica ha impulsado importantes cambios en los campos de la ciencia, la tecnología y la sociedad. Como aplicación clave de la tecnología láser, la tecnología de la información láser, representada por la tecnología de comunicación por fibra óptica, ha sentado las bases de las redes de comunicación modernas y se ha convertido en un componente fundamental de la transmisión de información. La tecnología de comunicación por fibra óptica es un factor clave en el mundo actual de Internet y una de las tecnologías clave de la era de la información.
Con la continua aparición de diversas tecnologías emergentes, como el Internet de las Cosas, el big data, la realidad virtual, la inteligencia artificial (IA), las comunicaciones móviles de quinta generación (5G) y otras, se imponen mayores exigencias al intercambio y la transmisión de información. Según datos de investigación publicados por Cisco en 2019, el tráfico IP anual global aumentará de 1,5 ZB (1 ZB = 1021 B) en 2017 a 4,8 ZB en 2022, con una tasa de crecimiento anual compuesta del 26 %. Ante la tendencia al alza del tráfico, la comunicación por fibra óptica, como componente principal de la red de comunicaciones, se encuentra bajo una enorme presión para modernizarse. Los sistemas y redes de comunicación por fibra óptica de alta velocidad y gran capacidad serán la dirección principal de desarrollo de la tecnología de comunicación por fibra óptica.
Historia del desarrollo y estado de la investigación de la tecnología de comunicación por fibra óptica
El primer láser de rubí se desarrolló en 1960, tras el descubrimiento de cómo funcionan los láseres por Arthur Showlow y Charles Townes en 1958. Luego, en 1970, se desarrolló con éxito el primer láser semiconductor de AlGaAs capaz de funcionar de forma continua a temperatura ambiente y, en 1977, se logró que el láser semiconductor funcionara de forma continua durante decenas de miles de horas en un entorno práctico.
Hasta ahora, los láseres cumplen los requisitos para la comunicación comercial por fibra óptica. Desde el inicio de su invención, sus inventores reconocieron su importante potencial en el campo de las comunicaciones. Sin embargo, la tecnología de comunicación láser presenta dos deficiencias obvias: la pérdida de una gran cantidad de energía debido a la divergencia del haz láser; y la gran influencia del entorno de aplicación, por ejemplo, en entornos atmosféricos, que están sujetos a cambios significativos en las condiciones climáticas. Por lo tanto, para la comunicación láser, es fundamental contar con una guía de ondas óptica adecuada.
La fibra óptica para comunicaciones propuesta por el Dr. Kao Kung, Premio Nobel de Física, satisface las necesidades de la tecnología de comunicación láser para guías de onda. Propuso que la pérdida por dispersión de Rayleigh de la fibra óptica de vidrio puede ser muy baja (menos de 20 dB/km), y que la pérdida de potencia en la fibra óptica proviene principalmente de la absorción de luz por las impurezas del vidrio. Por lo tanto, la purificación del material es clave para reducir la pérdida de la fibra óptica. También señaló que la transmisión monomodo es importante para mantener un buen rendimiento de la comunicación.
En 1970, Corning Glass Company desarrolló una fibra óptica multimodo de cuarzo con una pérdida de aproximadamente 20 dB/km, según la sugerencia de purificación del Dr. Kao, lo que convirtió la fibra óptica en una realidad para los medios de transmisión de comunicaciones. Tras una continua investigación y desarrollo, la pérdida de las fibras ópticas de cuarzo se acercó al límite teórico. Hasta la fecha, las condiciones de la comunicación por fibra óptica se han cumplido plenamente.
Los primeros sistemas de comunicación por fibra óptica adoptaron el método de recepción por detección directa. Este es un método relativamente sencillo. La DP es un detector de ley cuadrática, y solo se puede detectar la intensidad de la señal óptica. Este método de recepción por detección directa se ha mantenido desde la primera generación de tecnología de comunicación por fibra óptica, en la década de 1970, hasta principios de la de 1990.
Para aumentar la utilización del espectro dentro del ancho de banda, debemos comenzar desde dos aspectos: uno es utilizar la tecnología para aproximarnos al límite de Shannon, pero el aumento en la eficiencia del espectro ha aumentado los requisitos de la relación telecomunicaciones-ruido, reduciendo así la distancia de transmisión; el otro es hacer pleno uso de la fase, la capacidad de transporte de información del estado de polarización se utiliza para la transmisión, que es el sistema de comunicación óptica coherente de segunda generación.
El sistema de comunicación óptica coherente de segunda generación utiliza un mezclador óptico para la detección intradina y adopta recepción por diversidad de polarización. Es decir, en el receptor, la luz de la señal y la luz del oscilador local se descomponen en dos haces de luz con estados de polarización ortogonales. De esta manera, se logra una recepción insensible a la polarización. Además, cabe destacar que, en este momento, el seguimiento de frecuencia, la recuperación de la fase de la portadora, la ecualización, la sincronización, el seguimiento de polarización y la demultiplexación en el receptor se pueden realizar mediante tecnología de procesamiento digital de señales (DSP), lo que simplifica considerablemente el diseño del hardware del receptor y mejora la capacidad de recuperación de la señal.
Algunos desafíos y consideraciones que enfrenta el desarrollo de la tecnología de comunicación por fibra óptica
Mediante la aplicación de diversas tecnologías, los círculos académicos y la industria han alcanzado prácticamente el límite de la eficiencia espectral del sistema de comunicación por fibra óptica. Para seguir aumentando la capacidad de transmisión, solo es posible aumentar el ancho de banda del sistema B (capacidad de incremento lineal) o la relación señal-ruido. El análisis específico es el siguiente.
1. Solución para aumentar la potencia de transmisión
Dado que el efecto no lineal causado por la transmisión de alta potencia se puede reducir aumentando adecuadamente el área efectiva de la sección transversal de la fibra, una solución para aumentar la potencia es utilizar fibra multimodo en lugar de fibra monomodo. Además, la solución más común actualmente para los efectos no lineales es el algoritmo de retropropagación digital (DBP), pero la mejora del rendimiento del algoritmo conllevará un aumento de la complejidad computacional. Recientemente, la investigación sobre tecnología de aprendizaje automático en compensación no lineal ha mostrado un buen potencial de aplicación, lo que reduce considerablemente la complejidad del algoritmo, por lo que el diseño de sistemas DBP podrá ser asistido por aprendizaje automático en el futuro.
2. Aumente el ancho de banda del amplificador óptico.
Aumentar el ancho de banda puede superar la limitación del rango de frecuencia de EDFA. Además de las bandas C y L, también se puede incluir la banda S en el rango de aplicación, y se puede utilizar el amplificador SOA o Raman para la amplificación. Sin embargo, la fibra óptica actual presenta una gran pérdida en bandas de frecuencia distintas a la banda S, por lo que es necesario diseñar un nuevo tipo de fibra óptica para reducir la pérdida de transmisión. Para el resto de las bandas, la tecnología de amplificación óptica disponible comercialmente también representa un desafío.
3. Investigación sobre fibra óptica de baja pérdida de transmisión
La investigación sobre fibra de baja pérdida de transmisión es uno de los temas más críticos en este campo. La fibra de núcleo hueco (HCF) ofrece la posibilidad de una menor pérdida de transmisión, lo que reduce el retardo de transmisión y puede eliminar en gran medida el problema de la no linealidad de la fibra.
4. Investigación sobre tecnologías relacionadas con la multiplexación por división espacial
La tecnología de multiplexación por división espacial es una solución eficaz para aumentar la capacidad de una sola fibra. En concreto, se utiliza fibra óptica multinúcleo para la transmisión, duplicando así la capacidad de una sola fibra. La cuestión fundamental a este respecto es si existe un amplificador óptico de mayor eficiencia. De lo contrario, solo podría ser equivalente a múltiples fibras ópticas de un solo núcleo. Mediante la tecnología de multiplexación por división de modos, que incluye el modo de polarización lineal, el haz OAM basado en la singularidad de fase y el haz vectorial cilíndrico basado en la singularidad de polarización, esta tecnología permite... La multiplexación de haces proporciona un nuevo grado de libertad y mejora la capacidad de los sistemas de comunicación óptica. Tiene amplias posibilidades de aplicación en la tecnología de comunicación por fibra óptica, pero la investigación sobre amplificadores ópticos relacionados también representa un reto. Además, es importante analizar cómo equilibrar la complejidad del sistema causada por el retardo de grupo de modo diferencial y la tecnología de ecualización digital de múltiples entradas y múltiples salidas.
Perspectivas para el desarrollo de la tecnología de comunicación por fibra óptica
La tecnología de comunicación por fibra óptica ha evolucionado desde la transmisión inicial de baja velocidad hasta la actual transmisión de alta velocidad, convirtiéndose en una de las tecnologías fundamentales de la sociedad de la información y constituyendo una vasta disciplina y campo social. En el futuro, a medida que la demanda social de transmisión de información siga creciendo, los sistemas de comunicación por fibra óptica y las tecnologías de red evolucionarán hacia una capacidad ultraalta, inteligencia e integración. Al mejorar el rendimiento de la transmisión, seguirán reduciendo costos, contribuyendo al sustento de la población y contribuyendo al desarrollo de la información en el país. La sociedad de la información desempeña un papel fundamental. CeiTa ha cooperado con diversas organizaciones de desastres naturales, lo que permite predecir alertas de seguridad regionales como terremotos, inundaciones y tsunamis. Solo necesita conectarse a la ONU de CeiTa. En caso de desastre natural, la estación sísmica emitirá una alerta temprana. El terminal de alertas de la ONU se sincronizará.
(1) Red óptica inteligente
En comparación con los sistemas de comunicación inalámbrica, los sistemas de comunicación óptica y las redes ópticas inteligentes se encuentran aún en sus etapas iniciales en cuanto a configuración, mantenimiento y diagnóstico de fallos, y su nivel de inteligencia es insuficiente. Debido a la enorme capacidad de una sola fibra, cualquier fallo tendrá un gran impacto en la economía y la sociedad. Por lo tanto, la monitorización de los parámetros de red es fundamental para el desarrollo de las futuras redes inteligentes. Las líneas de investigación que requieren atención en este aspecto incluyen: sistemas de monitorización de parámetros del sistema basados en tecnología coherente simplificada y aprendizaje automático, tecnologías de monitorización de magnitudes físicas basadas en análisis coherente de señales y reflexión óptica en el dominio del tiempo sensible a la fase.
(2) Tecnología y sistema integrados
El objetivo principal de la integración de dispositivos es reducir costos. En la tecnología de comunicación por fibra óptica, la transmisión de señales a alta velocidad a corta distancia se puede lograr mediante la regeneración continua de señales. Sin embargo, debido a los problemas de recuperación de fase y polarización, la integración de sistemas coherentes aún es relativamente difícil. Además, si se logra implementar un sistema óptico-eléctrico-óptico integrado a gran escala, la capacidad del sistema también mejorará significativamente. Sin embargo, debido a factores como la baja eficiencia técnica, la alta complejidad y la dificultad de integración, es imposible promover ampliamente señales totalmente ópticas, como las de 2R (reamplificación, remodelación) y 3R (reamplificación, resincronización y remodelación) totalmente ópticas, en el campo de las comunicaciones ópticas. Por lo tanto, en términos de tecnología y sistemas de integración, las futuras líneas de investigación son las siguientes: Si bien la investigación existente sobre sistemas de multiplexación por división espacial es relativamente rica, sus componentes clave aún no han logrado avances tecnológicos en el ámbito académico e industrial, y es necesario fortalecerlos. Investigaciones, como láseres y moduladores integrados, receptores integrados bidimensionales, amplificadores ópticos integrados de alta eficiencia energética, etc.; nuevos tipos de fibras ópticas pueden expandir significativamente el ancho de banda del sistema, pero aún se necesita más investigación para garantizar que su rendimiento integral y sus procesos de fabricación puedan alcanzar el nivel de fibra monomodo existente; estudiar varios dispositivos que se pueden usar con la nueva fibra en el enlace de comunicación.
(3) Dispositivos de comunicación óptica
En dispositivos de comunicación óptica, la investigación y el desarrollo de dispositivos fotónicos de silicio han alcanzado resultados iniciales. Sin embargo, actualmente, la investigación nacional se centra principalmente en dispositivos pasivos, mientras que la investigación en dispositivos activos es relativamente escasa. En cuanto a los dispositivos de comunicación óptica, las futuras líneas de investigación incluyen: la investigación sobre la integración de dispositivos activos y dispositivos ópticos de silicio; la investigación sobre la tecnología de integración de dispositivos ópticos no basados en silicio, como la investigación sobre la tecnología de integración de materiales y sustratos III-V; y el desarrollo de nuevos dispositivos. Se han desarrollado proyectos posteriores, como la guía de ondas óptica integrada de niobato de litio, con las ventajas de alta velocidad y bajo consumo de energía.
Hora de publicación: 03-ago-2023
