Cách đây không lâu, bảng câu trả lời giữa năm cho sự phát triển chung của Hengqin giữa Chu Hải và Macao đang dần được hé lộ. Một trong những sợi quang xuyên biên giới đã thu hút sự chú ý. Nó đi qua Chu Hải và Macao để hiện thực hóa kết nối sức mạnh điện toán và chia sẻ tài nguyên từ Macao đến Hengqin, đồng thời xây dựng một kênh thông tin. Thượng Hải cũng đang thúc đẩy dự án nâng cấp và chuyển đổi mạng truyền thông toàn sợi "quang thành cáp đồng" để đảm bảo phát triển kinh tế chất lượng cao và dịch vụ liên lạc tốt hơn cho người dân.
Với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ Internet, nhu cầu về lưu lượng truy cập Internet của người dùng ngày càng tăng cao, làm thế nào để nâng cao năng lực truyền thông cáp quang đã trở thành một vấn đề cấp bách cần giải quyết.
Kể từ khi xuất hiện công nghệ truyền thông cáp quang đã mang lại những thay đổi lớn trong các lĩnh vực khoa học công nghệ và xã hội. Là một ứng dụng quan trọng của công nghệ laser, công nghệ thông tin laser được thể hiện bằng công nghệ truyền thông cáp quang đã xây dựng nên bộ khung của mạng truyền thông hiện đại và trở thành một phần quan trọng trong việc truyền tải thông tin. Công nghệ truyền thông cáp quang là một động lực quan trọng của thế giới Internet hiện nay và nó cũng là một trong những công nghệ cốt lõi của thời đại thông tin.
Với sự xuất hiện liên tục của nhiều công nghệ mới nổi như Internet vạn vật, dữ liệu lớn, thực tế ảo, trí tuệ nhân tạo (AI), truyền thông di động thế hệ thứ năm (5G) và các công nghệ khác, nhu cầu trao đổi và truyền tải thông tin ngày càng cao hơn. Theo dữ liệu nghiên cứu do Cisco công bố vào năm 2019, lưu lượng IP hàng năm trên toàn cầu sẽ tăng từ 1,5ZB (1ZB=1021B) vào năm 2017 lên 4,8ZB vào năm 2022, với tốc độ tăng trưởng kép hàng năm là 26%. Đối mặt với xu hướng tăng trưởng của lưu lượng truy cập cao, truyền thông cáp quang, với tư cách là phần xương sống nhất của mạng truyền thông, đang chịu áp lực rất lớn phải nâng cấp. Các hệ thống và mạng truyền thông cáp quang tốc độ cao, dung lượng lớn sẽ là hướng phát triển chủ đạo của công nghệ truyền thông cáp quang.
Lịch sử phát triển và tình trạng nghiên cứu công nghệ truyền thông sợi quang
Laser ruby đầu tiên được phát triển vào năm 1960, sau khi Arthur Showlow và Charles Townes phát hiện ra cách thức hoạt động của laser vào năm 1958. Sau đó, vào năm 1970, laser bán dẫn AlGaAs đầu tiên có khả năng hoạt động liên tục ở nhiệt độ phòng đã được phát triển thành công và vào năm 1977, Laser bán dẫn được cho là có thể hoạt động liên tục trong hàng chục nghìn giờ trong môi trường thực tế.
Cho đến nay, laser có những điều kiện tiên quyết cho truyền thông cáp quang thương mại. Ngay từ khi bắt đầu phát minh ra tia laser, các nhà phát minh đã nhận ra ứng dụng tiềm năng quan trọng của nó trong lĩnh vực truyền thông. Tuy nhiên, có hai nhược điểm rõ ràng trong công nghệ truyền thông laser: một là sẽ bị mất một lượng lớn năng lượng do sự phân kỳ của chùm tia laser; thứ hai là nó bị ảnh hưởng rất nhiều bởi môi trường ứng dụng, chẳng hạn như ứng dụng trong môi trường khí quyển sẽ chịu sự thay đổi đáng kể của điều kiện thời tiết. Vì vậy, đối với truyền thông laser, ống dẫn sóng quang phù hợp là rất quan trọng.
Sợi quang dùng để liên lạc do Tiến sĩ Kao Kung, người đoạt giải Nobel về vật lý đề xuất, đáp ứng được nhu cầu về công nghệ truyền thông laser cho ống dẫn sóng. Ông đề xuất rằng tổn thất tán xạ Rayleigh của sợi quang thủy tinh có thể rất thấp (dưới 20 dB/km) và tổn thất điện năng trong sợi quang chủ yếu đến từ sự hấp thụ ánh sáng của tạp chất trong vật liệu thủy tinh, vì vậy quá trình tinh chế vật liệu là chìa khóa. để giảm thiểu sự mất mát của sợi quang, đồng thời chỉ ra rằng việc truyền dẫn một chế độ rất quan trọng để duy trì hiệu suất liên lạc tốt.
Năm 1970, Công ty Kính Corning đã phát triển sợi quang đa mode gốc thạch anh với mức suy hao khoảng 20dB/km theo đề xuất tinh lọc của Tiến sĩ Kao, biến sợi quang thành hiện thực cho phương tiện truyền thông truyền thông. Sau khi liên tục nghiên cứu và phát triển, sự suy giảm sợi quang dựa trên thạch anh đã đạt đến giới hạn lý thuyết. Đến nay, các điều kiện về thông tin cáp quang đã được đáp ứng đầy đủ.
Các hệ thống thông tin cáp quang sớm đều áp dụng phương pháp thu phát hiện trực tiếp. Đây là một phương pháp truyền thông cáp quang tương đối đơn giản. PD là máy dò định luật vuông và chỉ có thể phát hiện được cường độ của tín hiệu quang. Phương pháp nhận phát hiện trực tiếp này đã được tiếp tục từ thế hệ công nghệ truyền thông cáp quang đầu tiên vào những năm 1970 đến đầu những năm 1990.
Để tăng mức sử dụng phổ trong băng thông, chúng ta cần bắt đầu từ hai khía cạnh: một là sử dụng công nghệ để đạt đến giới hạn Shannon, nhưng việc tăng hiệu suất phổ đã làm tăng yêu cầu về tỷ số nhiễu viễn thông, do đó làm giảm khoảng cách truyền dẫn; cách còn lại là tận dụng tối đa pha, Khả năng mang thông tin của trạng thái phân cực được sử dụng để truyền dẫn, đây là hệ thống truyền thông quang học kết hợp thế hệ thứ hai.
Hệ thống truyền thông quang kết hợp thế hệ thứ hai sử dụng bộ trộn quang để phát hiện nội bộ và áp dụng khả năng thu phân tập phân cực, nghĩa là ở đầu nhận, đèn tín hiệu và ánh sáng dao động cục bộ được phân tách thành hai chùm ánh sáng có trạng thái phân cực trực giao với nhau. Bằng cách này, có thể đạt được khả năng thu không nhạy cảm với phân cực. Ngoài ra, cần chỉ ra rằng tại thời điểm này, việc theo dõi tần số, phục hồi pha sóng mang, cân bằng, đồng bộ hóa, theo dõi phân cực và phân kênh ở đầu nhận đều có thể được hoàn thành bằng công nghệ xử lý tín hiệu số (DSP), giúp đơn giản hóa đáng kể phần cứng. thiết kế của máy thu và khả năng phục hồi tín hiệu được cải thiện.
Một số thách thức và cân nhắc đối với sự phát triển của công nghệ truyền thông sợi quang
Thông qua việc áp dụng các công nghệ khác nhau, giới học thuật và ngành công nghiệp về cơ bản đã đạt đến giới hạn về hiệu suất phổ của hệ thống thông tin sợi quang. Để tiếp tục tăng công suất truyền tải, chỉ có thể đạt được bằng cách tăng băng thông hệ thống B (tăng tuyến tính công suất) hoặc tăng tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm. Nội dung thảo luận cụ thể như sau.
1. Giải pháp tăng công suất phát
Do hiệu ứng phi tuyến do truyền công suất cao gây ra có thể được giảm bớt bằng cách tăng diện tích hiệu dụng của mặt cắt sợi một cách hợp lý, nên giải pháp tăng công suất là sử dụng sợi quang ít chế độ thay vì sợi đơn chế độ để truyền dẫn. Ngoài ra, giải pháp phổ biến nhất hiện nay cho các hiệu ứng phi tuyến là sử dụng thuật toán lan truyền ngược kỹ thuật số (DBP), nhưng việc cải thiện hiệu suất thuật toán sẽ dẫn đến sự gia tăng độ phức tạp tính toán. Gần đây, nghiên cứu về công nghệ máy học trong bù phi tuyến đã cho thấy triển vọng ứng dụng tốt, giúp giảm đáng kể độ phức tạp của thuật toán, do đó việc thiết kế hệ thống DBP có thể được hỗ trợ bởi máy học trong tương lai.
2. Tăng băng thông của bộ khuếch đại quang
Việc tăng băng thông có thể vượt qua giới hạn dải tần của EDFA. Ngoài băng tần C và băng tần L, băng tần S cũng có thể được đưa vào phạm vi ứng dụng và bộ khuếch đại SOA hoặc Raman có thể được sử dụng để khuếch đại. Tuy nhiên, sợi quang hiện tại có tổn thất lớn ở các dải tần khác ngoài băng tần S và cần phải thiết kế một loại sợi quang mới để giảm tổn thất truyền dẫn. Nhưng đối với các dải còn lại, công nghệ khuếch đại quang học có sẵn trên thị trường cũng là một thách thức.
3. Nghiên cứu sợi quang có suy hao truyền dẫn thấp
Nghiên cứu về sợi quang có tổn hao truyền dẫn thấp là một trong những vấn đề quan trọng nhất trong lĩnh vực này. Sợi lõi rỗng (HCF) có khả năng tổn thất truyền tải thấp hơn, điều này sẽ làm giảm độ trễ thời gian truyền sợi và có thể loại bỏ vấn đề phi tuyến của sợi ở mức độ lớn.
4. Nghiên cứu các công nghệ liên quan đến ghép kênh phân chia không gian
Công nghệ ghép kênh phân chia không gian là một giải pháp hiệu quả để tăng dung lượng của một sợi quang. Cụ thể, sợi quang đa lõi được sử dụng để truyền dẫn và dung lượng của một sợi quang đơn được tăng gấp đôi. Vấn đề cốt lõi trong vấn đề này là liệu có bộ khuếch đại quang hiệu suất cao hơn hay không. , nếu không thì chỉ có thể tương đương với nhiều sợi quang đơn lõi; sử dụng công nghệ ghép kênh phân chia chế độ bao gồm chế độ phân cực tuyến tính, chùm OAM dựa trên điểm kỳ dị pha và chùm vectơ hình trụ dựa trên điểm kỳ dị phân cực, công nghệ như vậy có thể Ghép kênh chùm tia cung cấp một mức độ tự do mới và cải thiện công suất của hệ thống truyền thông quang học. Nó có triển vọng ứng dụng rộng rãi trong công nghệ truyền thông sợi quang, nhưng nghiên cứu về các bộ khuếch đại quang liên quan cũng là một thách thức. Ngoài ra, làm thế nào để cân bằng độ phức tạp của hệ thống do độ trễ nhóm chế độ vi sai và công nghệ cân bằng kỹ thuật số nhiều đầu vào nhiều đầu ra cũng đáng được quan tâm.
Triển vọng phát triển công nghệ truyền thông sợi quang
Công nghệ truyền thông cáp quang đã phát triển từ truyền tốc độ thấp ban đầu đến truyền tốc độ cao hiện tại và trở thành một trong những công nghệ xương sống hỗ trợ xã hội thông tin, đồng thời hình thành một lĩnh vực xã hội và kỷ luật rộng lớn. Trong tương lai, khi nhu cầu truyền tải thông tin của xã hội tiếp tục tăng cao, các hệ thống truyền thông cáp quang và công nghệ mạng sẽ phát triển theo hướng công suất, trí thông minh và khả năng tích hợp cực lớn. Trong khi cải thiện hiệu suất truyền tải, họ sẽ tiếp tục giảm chi phí và phục vụ sinh kế của người dân cũng như giúp đất nước xây dựng thông tin. xã hội đóng vai trò quan trọng. CeiTa đã hợp tác với một số tổ chức thảm họa thiên nhiên, những tổ chức này có thể dự đoán các cảnh báo an toàn khu vực như động đất, lũ lụt và sóng thần. Nó chỉ cần được kết nối với ONU của CeiTa. Khi có thiên tai xảy ra, trạm động đất sẽ đưa ra cảnh báo sớm. Thiết bị đầu cuối trong Cảnh báo ONU sẽ được đồng bộ hóa.
(1) Mạng quang thông minh
So với hệ thống thông tin liên lạc không dây, hệ thống thông tin quang và mạng của mạng quang thông minh vẫn đang ở giai đoạn đầu về cấu hình mạng, bảo trì mạng và chẩn đoán lỗi, mức độ thông minh còn chưa đầy đủ. Do công suất rất lớn của một sợi quang nên việc xảy ra sự cố bất kỳ sợi nào cũng sẽ ảnh hưởng lớn đến nền kinh tế và xã hội. Vì vậy, việc giám sát các thông số mạng là rất quan trọng đối với sự phát triển của mạng thông minh trong tương lai. Các hướng nghiên cứu cần được quan tâm ở khía cạnh này trong thời gian tới bao gồm: hệ thống giám sát tham số hệ thống dựa trên công nghệ mạch lạc đơn giản hóa và học máy, công nghệ giám sát đại lượng vật lý dựa trên phân tích tín hiệu mạch lạc và phản xạ miền thời gian quang nhạy pha.
(2) Công nghệ và hệ thống tích hợp
Mục đích cốt lõi của việc tích hợp thiết bị là giảm chi phí. Trong công nghệ truyền thông sợi quang, việc truyền tín hiệu tốc độ cao trong khoảng cách ngắn có thể được thực hiện thông qua việc tái tạo tín hiệu liên tục. Tuy nhiên, do các vấn đề về khôi phục trạng thái pha và phân cực, việc tích hợp các hệ thống mạch lạc vẫn còn tương đối khó khăn. Ngoài ra, nếu có thể triển khai hệ thống quang-điện-quang tích hợp quy mô lớn thì công suất hệ thống cũng sẽ được cải thiện đáng kể. Tuy nhiên, do các yếu tố như hiệu quả kỹ thuật thấp, độ phức tạp cao và khó tích hợp nên không thể quảng bá rộng rãi các tín hiệu toàn quang như all-optical 2R (re-amplification, re-shaping), 3R (re-amplification). , định lại thời gian và định hình lại) trong lĩnh vực truyền thông quang học. công nghệ xử lý. Do đó, về mặt công nghệ và hệ thống tích hợp, hướng nghiên cứu trong tương lai như sau: Mặc dù nghiên cứu hiện tại về hệ thống ghép kênh phân chia không gian tương đối phong phú, nhưng các thành phần chính của hệ thống ghép kênh phân chia không gian vẫn chưa đạt được những đột phá về công nghệ trong giới học thuật và công nghiệp, và cần tăng cường hơn nữa. Nghiên cứu, chẳng hạn như laser tích hợp và bộ điều biến, máy thu tích hợp hai chiều, bộ khuếch đại quang tích hợp hiệu suất năng lượng cao, v.v.; các loại sợi quang mới có thể mở rộng đáng kể băng thông hệ thống, nhưng vẫn cần nghiên cứu thêm để đảm bảo rằng hiệu suất toàn diện và quy trình sản xuất của chúng có thể đạt đến mức sợi quang mode hiện có; nghiên cứu các thiết bị khác nhau có thể được sử dụng với sợi quang mới trong liên kết truyền thông.
(3) Thiết bị liên lạc quang học
Trong các thiết bị truyền thông quang học, việc nghiên cứu và phát triển các thiết bị quang tử silicon đã đạt được những kết quả bước đầu. Tuy nhiên, hiện nay, các nghiên cứu liên quan trong nước chủ yếu dựa trên các thiết bị thụ động, nghiên cứu về các thiết bị chủ động còn tương đối yếu. Về thiết bị truyền thông quang học, các hướng nghiên cứu trong tương lai bao gồm: nghiên cứu tích hợp thiết bị hoạt động và thiết bị quang silicon; nghiên cứu công nghệ tích hợp các thiết bị quang học không silicon, như nghiên cứu công nghệ tích hợp vật liệu và chất nền III-V; tiếp tục phát triển nghiên cứu và phát triển thiết bị mới. Theo dõi, chẳng hạn như ống dẫn sóng quang lithium niobate tích hợp với ưu điểm là tốc độ cao và tiêu thụ điện năng thấp.
Thời gian đăng: 03-08-2023
