No hace mucho, 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 llamó la atención. Pasó por Zhuhai y Macao para realizar la interconexión de potencia informática y el intercambio de recursos de Macao a Hengqin, y construir un canal de información. Shanghai también está promoviendo el proyecto de mejora y transformación de la red de comunicación totalmente 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 de los usuarios aumenta día a día; cómo mejorar la capacidad de comunicación por fibra óptica se ha convertido en un problema urgente a resolver.
Desde la aparición de la tecnología de comunicación por fibra óptica, ha provocado importantes cambios en los campos de la ciencia, la tecnología y la sociedad. Como aplicación importante de la tecnología láser, la tecnología de la información láser representada por la tecnología de comunicación por fibra óptica ha construido el marco de la red de comunicación moderna y se ha convertido en una parte importante de la transmisión de información. La tecnología de comunicación por fibra óptica es una fuerza importante del mundo actual de Internet y también es una de las tecnologías centrales de la era de la información.
Con la aparición continua de diversas tecnologías emergentes, como Internet de las cosas, big data, realidad virtual, inteligencia artificial (IA), comunicaciones móviles de quinta generación (5G) y otras tecnologías, 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 (1ZB = 1021 B) en 2017 a 4,8 ZB en 2022, con una tasa de crecimiento anual compuesta del 26 %. Frente a la tendencia de crecimiento del alto tráfico, las comunicaciones por fibra óptica, como la parte más central de la red de comunicaciones, se encuentran bajo una tremenda presión para actualizarse. Los sistemas y redes de comunicación de fibra óptica de alta velocidad y gran capacidad serán la principal dirección de desarrollo de la tecnología de comunicación de 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 descubrió que el láser semiconductor funciona de forma continua durante decenas de miles de horas en un entorno práctico.
Hasta ahora, los láseres cumplen los requisitos previos para la comunicación comercial por fibra óptica. Desde el inicio de la invención del láser, los inventores reconocieron su importante aplicación potencial en el campo de la comunicación. Sin embargo, existen dos deficiencias obvias en la tecnología de comunicación láser: una es que se perderá una gran cantidad de energía debido a la divergencia del rayo láser; la otra es que se ve muy afectada por el entorno de aplicación, por ejemplo, la aplicación en el entorno atmosférico estará significativamente sujeta a cambios en las condiciones climáticas. Por lo tanto, para la comunicación láser, es muy importante contar con una guía de ondas óptica adecuada.
La fibra óptica utilizada para la comunicación propuesta por el Dr. Kao Kung, premio Nobel de Física, satisface las necesidades de la tecnología de comunicación láser para guías de ondas. 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 de los materiales de vidrio, por lo que la purificación del material es la clave. para reducir la pérdida de fibra óptica Key, y 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 a base de cuarzo con una pérdida de aproximadamente 20 dB/km según la sugerencia de purificación del Dr. Kao, haciendo de la fibra óptica una realidad para los medios de transmisión de comunicaciones. Después de una investigación y un desarrollo continuos, la pérdida de fibras ópticas a base de cuarzo se acercó al límite teórico. Hasta ahora, las condiciones de la comunicación por fibra óptica se han cumplido plenamente.
Todos los primeros sistemas de comunicación por fibra óptica adoptaron el método de recepción de detección directa. Este es un método de comunicación por fibra óptica relativamente simple. PD es un detector de ley cuadrada y solo se puede detectar la intensidad de la señal óptica. Este método de recepción de detección directa ha continuado desde la primera generación de tecnología de comunicación por fibra óptica en los años 1970 hasta principios de los años 1990.
Para aumentar la utilización del espectro dentro del ancho de banda, debemos partir de dos aspectos: uno es utilizar la tecnología para acercarnos al límite de Shannon, pero el aumento de la eficiencia del espectro ha aumentado los requisitos de la relación telecomunicaciones-ruido, reduciendo así la distancia de transmisión; el otro es aprovechar al máximo 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 la recepción por diversidad de polarización, es decir, en el extremo receptor, la luz de señal y la luz del oscilador local se descomponen en dos haces de luz cuyos estados de polarización son ortogonales. el uno al otro. De esta manera se puede conseguir una recepción insensible a la polarización. Además, cabe señalar que en este momento el seguimiento de frecuencia, la recuperación de la fase de la portadora, la ecualización, la sincronización, el seguimiento de la polarización y la demultiplexación en el extremo receptor se pueden completar mediante la tecnología de procesamiento de señales digitales (DSP), lo que simplifica enormemente el hardware. diseño del receptor y capacidad mejorada de recuperación de 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 básicamente han alcanzado el límite de la eficiencia espectral del sistema de comunicación por fibra óptica. Para continuar aumentando la capacidad de transmisión, solo se puede lograr aumentando el ancho de banda B del sistema (aumento lineal de la capacidad) o aumentando la relación señal-ruido. La discusión específica es la 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 de pocos modos en lugar de fibra monomodo para la transmisión. Además, la solución más común actualmente para los efectos no lineales es utilizar el algoritmo de retropropagación digital (DBP), pero la mejora del rendimiento del algoritmo conducirá a un aumento en la complejidad computacional. Recientemente, la investigación de la tecnología de aprendizaje automático en compensación no lineal ha mostrado una buena perspectiva de aplicación, lo que reduce en gran medida la complejidad del algoritmo, por lo que el diseño del sistema DBP puede contar con la ayuda del aprendizaje automático en el futuro.
2. Aumentar 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 para la amplificación se puede utilizar el amplificador SOA o Raman. Sin embargo, la fibra óptica existente tiene una gran pérdida en bandas de frecuencia distintas a la banda S, y es necesario diseñar un nuevo tipo de fibra óptica para reducir la pérdida de transmisión. Pero para el resto de bandas, la tecnología de amplificación óptica disponible comercialmente también supone un desafío.
3. Investigación sobre fibra óptica con baja pérdida de transmisión.
La investigación sobre fibras con bajas pérdidas de transmisión es una de las cuestiones más críticas en este campo. La fibra de núcleo hueco (HCF) tiene la posibilidad de una menor pérdida de transmisión, lo que reducirá el retraso de la transmisión de la fibra y puede eliminar en gran medida el problema no lineal de la fibra.
4. Investigación sobre tecnologías relacionadas con la multiplexación por división espacial.
La tecnología de multiplexación por división de espacio es una solución eficaz para aumentar la capacidad de una sola fibra. En concreto, se utiliza fibra óptica multinúcleo para la transmisión y se duplica la capacidad de una sola fibra. La cuestión central a este respecto es si existe un amplificador óptico de mayor eficiencia. De lo contrario, solo puede ser equivalente a múltiples fibras ópticas de un solo núcleo; utilizando tecnología de multiplexación por división de modo que incluye el modo de polarización lineal, haz OAM basado en singularidad de fase y haz vectorial cilíndrico basado en singularidad de polarización, dicha tecnología puede ser La multiplexación de haces proporciona un nuevo grado de libertad y mejora la capacidad de los sistemas de comunicación óptica. Tiene amplias perspectivas de aplicación en la tecnología de comunicación por fibra óptica, pero la investigación sobre amplificadores ópticos relacionados también constituye un desafío. Además, también merece atención 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 se ha desarrollado desde la transmisión inicial de baja velocidad hasta la transmisión actual de alta velocidad, y se ha convertido en una de las tecnologías centrales que sustentan la sociedad de la información y ha formado una enorme disciplina y campo social. En el futuro, a medida que la demanda de transmisión de información de la sociedad siga aumentando, los sistemas de comunicación por fibra óptica y las tecnologías de red evolucionarán hacia una capacidad, inteligencia e integración ultragrandes. Al tiempo que mejoran el rendimiento de la transmisión, seguirán reduciendo costos y contribuyendo al sustento de la gente y ayudando al país a generar información. La sociedad juega un papel importante. CeiTa ha cooperado con varias organizaciones de desastres naturales, que pueden predecir advertencias de seguridad regionales como terremotos, inundaciones y tsunamis. Sólo es necesario conectarlo a la ONU de CeiTa. Cuando ocurre un desastre natural, la estación sísmica emitirá una alerta temprana. Se sincronizará el terminal bajo Alertas ONU.
(1) Red óptica inteligente
En comparación con el sistema de comunicación inalámbrica, el sistema de comunicación óptica y la red de la red óptica inteligente aún se encuentran en la etapa inicial en términos de configuración de la red, mantenimiento de la red y diagnóstico de fallas, y el grado de inteligencia es insuficiente. Debido a la enorme capacidad de una sola fibra, la ocurrencia de cualquier falla en la fibra tendrá un gran impacto en la economía y la sociedad. Por tanto, la monitorización de los parámetros de la red es muy importante para el desarrollo de futuras redes inteligentes. Las direcciones de investigación a las que se debe prestar atención en este aspecto en el futuro incluyen: sistema de monitoreo de parámetros del sistema basado en tecnología coherente simplificada y aprendizaje automático, tecnología de monitoreo de cantidades físicas basada en análisis de señales coherentes 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 realizar mediante la regeneración continua de señales. Sin embargo, debido a los problemas de recuperación del estado de polarización y fase, la integración de sistemas coherentes sigue siendo relativamente difícil. Además, si se puede 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 2R (reamplificación, remodelación) totalmente ópticas, 3R (reamplificación , reprogramación y remodelación) en el campo de las comunicaciones ópticas. tecnología de procesamiento. Por lo tanto, en términos de tecnología y sistemas de integración, las direcciones de investigación futuras son las siguientes: aunque la investigación existente sobre los sistemas de multiplexación por división espacial es relativamente rica, los componentes clave de los sistemas de multiplexación por división espacial aún no han logrado avances tecnológicos en la academia y la industria. y es necesario un mayor fortalecimiento. Investigación, como láseres y moduladores integrados, receptores integrados bidimensionales, amplificadores ópticos integrados de alta eficiencia energética, etc.; los nuevos tipos de fibras ópticas pueden ampliar 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 diversos dispositivos que se pueden utilizar con la nueva fibra en el enlace de comunicación.
(3) Dispositivos de comunicación óptica
En los dispositivos de comunicación óptica, la investigación y el desarrollo de dispositivos fotónicos de silicio han logrado resultados iniciales. Sin embargo, en la actualidad, la investigación nacional relacionada se basa principalmente en dispositivos pasivos, y la investigación sobre dispositivos activos es relativamente débil. En términos de dispositivos de comunicación óptica, las futuras direcciones de investigación incluyen: investigación de integración de dispositivos activos y dispositivos ópticos de silicio; investigación sobre tecnología de integración de dispositivos ópticos sin silicio, como investigación sobre tecnología de integración de materiales y sustratos III-V; mayor desarrollo de la investigación y el desarrollo de nuevos dispositivos. Seguimiento, como la guía de ondas óptica de niobato de litio integrada con las ventajas de alta velocidad y bajo consumo de energía.
Hora de publicación: 03-ago-2023
