Cách đây không lâu, phiếu trả lời giữa năm cho dự án phát triển chung Hengqin giữa Chu Hải và Macao đang dần được triển khai. 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 năng lực tính toán và chia sẻ tài nguyên từ Macao đến Hengqin, và xây dựng một kênh thông tin. Thượng Hải cũng đang thúc đẩy dự án nâng cấp và chuyển đổi mạng lưới truyền thông toàn sợi "quang học thành đồng" để đảm bảo phát triển kinh tế chất lượng cao và dịch vụ truyền thông tốt hơn cho cư 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, việc làm thế nào để cải thiện dung lượng truyền thông cáp quang đã trở thành vấn đề cấp bách cần giải quyết.
Từ khi công nghệ truyền thông sợi quang xuất hiện, nó 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 đại diện bởi công nghệ truyền thông sợi quang đã xây dựng nên khuôn khổ của mạng lưới truyền thông hiện đại và trở thành một phần quan trọng của việc truyền tải thông tin. Công nghệ truyền thông sợi quang là một lực lượng truyền tải quan trọng của thế giới Internet hiện nay và 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. Theo dữ liệu nghiên cứu do Cisco công bố năm 2019, lưu lượng IP hàng năm 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 lưu lượng cao, truyền thông cáp quang, là phần xương sống nhất của mạng truyền thông, đang chịu áp lực rất lớn để 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 hình nghiên cứu của công nghệ truyền thông sợi quang
Tia laser ruby đầu tiên được phát triển vào năm 1960, sau khi Arthur Showlow và Charles Townes khám phá ra cách thức hoạt động của tia laser vào năm 1958. Sau đó, vào năm 1970, tia 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, tia laser bán dẫn đã được phát hiện có thể hoạt động liên tục trong hàng chục nghìn giờ trong môi trường thực tế.
Cho đến nay, laser có các điều kiện tiên quyết cho truyền thông sợi quang thương mại. Ngay từ khi phát minh ra laser, các nhà phát minh đã nhận ra tiềm năng ứng dụng 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 một lượng lớn năng lượng sẽ bị mất do sự phân kỳ của chùm tia laser; 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. Do đó, đối với truyền thông laser, một ống dẫn sóng quang phù hợp là rất quan trọng.
Sợi quang dùng cho truyền thông do Tiến sĩ Kao Kung, người đoạt giải Nobel vật lý, đề xuất, đáp ứng nhu cầu 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 công suất trong sợi quang chủ yếu đến từ sự hấp thụ ánh sáng của tạp chất trong vật liệu thủy tinh, do đó, tinh chế vật liệu là chìa khóa để giảm tổn thất sợi quang, đồng thời chỉ ra rằng truyền dẫn đơn chế độ rất quan trọng để duy trì hiệu suất truyền thông tốt.
Năm 1970, Công ty Corning Glass đã phát triển sợi quang đa chế độ thạch anh với độ suy hao khoảng 20dB/km theo đề xuất tinh chế của Tiến sĩ Kao, biến sợi quang thành hiện thực cho phương tiện truyền thông. Sau quá trình nghiên cứu và phát triển liên tục, độ suy hao của sợi quang thạch anh đã đạt đến giới hạn lý thuyết. Cho đến nay, các điều kiện của truyền thông sợi quang đã được đáp ứng đầy đủ.
Các hệ thống truyền thông sợi quang ban đầu đều áp dụng phương pháp thu phát hiện trực tiếp. Đây là phương pháp truyền thông sợi quang tương đối đơn giản. PD là một máy dò luật bình phương và chỉ có thể phát hiện cường độ của tín hiệu quang. Phương pháp thu phát hiện trực tiếp này đã tiếp tục từ thế hệ đầu tiên của công nghệ truyền thông sợi quang vào những năm 1970 đến đầu những năm 1990.
Để tăng khả năng sử dụng phổ trong băng thông, chúng ta cần bắt đầu từ hai khía cạnh: một là sử dụng công nghệ để tiếp cận giới hạn Shannon, nhưng việc tăng hiệu suất phổ đã làm tăng yêu cầu về tỷ lệ viễn thông trên nhiễu, do đó làm giảm khoảng cách truyền; hai là tận dụng tối đa pha, khả năng mang thông tin của trạng thái phân cực được sử dụng để truyền, đây chính là hệ thống truyền thông quang học kết hợp thế hệ thứ hai.
Hệ thống truyền thông quang học mạch lạc thế hệ thứ hai sử dụng bộ trộn quang để phát hiện intradyne và áp dụng phương pháp thu phân tập phân cực, nghĩa là ở đầu thu, ánh sáng tín hiệu và ánh sáng dao động cục bộ được phân tách thành hai chùm ánh sáng có trạng thái phân cực vuông góc với nhau. Theo cách này, có thể đạt được khả năng thu không nhạy cảm với phân cực. Ngoài ra, cần lưu ý rằng tại thời điểm này, theo dõi tần số, phục hồi pha sóng mang, cân bằng, đồng bộ hóa, theo dõi phân cực và tách kênh ở đầu thu đều có thể được hoàn thành bằng công nghệ xử lý tín hiệu số (DSP), giúp đơn giản hóa đáng kể thiết kế phần cứng của bộ thu và cải thiện khả năng phục hồi tín hiệu.
Một số thách thức và cân nhắc khi phát triển công nghệ truyền thông cáp quang
Thông qua việc ứng dụng các công nghệ khác nhau, giới học thuật và ngành công nghiệp đã cơ bản đạt đến giới hạn hiệu suất phổ của hệ thống thông tin sợi quang. Để tiếp tục tăng dung lượng truyền dẫn, chỉ có thể đạt được bằng cách tăng băng thông hệ thống B (dung lượng tăng tuyến tính) hoặc tăng tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu. Thảo luận cụ thể như sau.
1. Giải pháp tăng công suất phát
Vì hiệu ứng phi tuyến tính do truyền tải công suất cao có thể được giảm bớt bằng cách tăng diện tích hiệu dụng của tiết diện sợi quang một cách hợp lý, nên giải pháp tăng công suất là sử dụng sợi quang ít chế độ thay vì sợi quang đơn chế độ để truyền tải. Ngoài ra, giải pháp phổ biến nhất hiện nay đối với hiệu ứng phi tuyến tính là sử dụng thuật toán truyền ngược kỹ thuật số (DBP), nhưng việc cải thiện hiệu suất thuật toán sẽ dẫn đến tăng độ phức tạp tính toán. Gần đây, nghiên cứu về công nghệ máy học trong bù phi tuyến tính 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 máy học hỗ trợ trong tương lai.
2. Tăng băng thông của bộ khuếch đại quang
Tăng băng thông có thể phá vỡ giới hạn của dải tần số EDFA. Ngoài dải C và dải L, dải 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 số khác ngoài dải 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 có sẵn trên thị trường cũng là một thách thức.
3. Nghiên cứu về sợi quang có độ suy hao truyền dẫn thấp
Nghiên cứu về sợi quang có tổn thất truyền dẫn thấp là một trong những vấn đề quan trọng nhất trong lĩnh vực này. Sợi quang lõi rỗng (HCF) có khả năng tổn thất truyền dẫn thấp hơn, giúp giảm độ trễ thời gian truyền dẫn sợi quang và có thể loại bỏ vấn đề phi tuyến tính của sợi quang ở mức độ lớn.
4. Nghiên cứu về công nghệ ghép kênh phân chia theo không gian
Công nghệ ghép kênh phân chia theo không gian là giải pháp hiệu quả để tăng dung lượng của một sợi quang đơn. Cụ thể, sử dụng sợi quang đa lõi để truyền dẫn và dung lượng của một sợi quang đơn được nhân đôi. Vấn đề cốt lõi trong vấn đề này là liệu có bộ khuếch đại quang hiệu suất cao hơn hay không. , nếu không, nó chỉ có thể tương đương với nhiều sợi quang lõi đơn; sử dụng công nghệ ghép kênh phân chia theo 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 cung cấp một mức độ tự do mới và cải thiện dung lượng của các hệ thống thông tin quang. Nó có triển vọng ứng dụng rộng rãi trong công nghệ thông tin sợi quang, nhưng nghiên cứu về bộ khuếch đại quang liên quan cũng là một thách thức. Ngoài ra, cách 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 chú ý.
Triển vọng phát triển công nghệ truyền thông cáp quang
Công nghệ truyền thông cáp quang đã phát triển từ truyền dẫn tốc độ thấp ban đầu đến truyền dẫn tốc độ cao hiện tại và đã trở thành một trong những công nghệ xương sống hỗ trợ xã hội thông tin và đã hình thành một ngành học và lĩnh vực xã hội khổng lồ. Trong tương lai, khi nhu cầu truyền thông tin của xã hội tiếp tục tăng, các hệ thống truyền thông cáp quang và công nghệ mạng sẽ phát triển theo hướng dung lượng cực lớn, trí tuệ và tích hợp. Trong khi cải thiện hiệu suất truyền dẫn, chúng sẽ tiếp tục giảm chi phí và phục vụ cho sinh kế của người dân và giúp đất nước xây dựng thông tin. xã hội đóng vai trò quan trọng. CeiTa đã hợp tác với một số tổ chức thiên tai, có thể dự đoán các cảnh báo an toàn khu vực như động đất, lũ lụt và sóng thần. Chỉ cần kết nối với ONU của CeiTa. Khi xảy ra thiên tai, trạm động đất sẽ đưa ra cảnh báo sớm. Thiết bị đầu cuối theo Cảnh báo của ONU sẽ được đồng bộ hóa.
(1) Mạng quang thông minh
So với hệ thống truyền thông không dây, hệ thống truyền thông quang và mạng của mạng quang thông minh vẫn đang ở giai đoạn đầu về mặt cấu hình mạng, bảo trì mạng và chẩn đoán lỗi, và mức độ thông minh còn chưa đủ. Do dung lượng rất lớn của một sợi quang đơn lẻ, bất kỳ sự cố sợi quang nào xảy ra cũng sẽ ảnh hưởng lớn đến nền kinh tế và xã hội. Do đó, việc giám sát các thông số mạng là rất quan trọng đối với sự phát triển của các mạng thông minh trong tương lai. Các hướng nghiên cứu cần được chú ý trong khía cạnh này trong tương lai bao gồm: hệ thống giám sát thông số hệ thống dựa trên công nghệ đồng bộ đơn giản hóa và học máy, công nghệ giám sát số lượng vật lý dựa trên phân tích tín hiệu đồng bộ và phản xạ miền thời gian quang nhạy pha.
(2) Công nghệ và hệ thống tích hợp
Mục đích cốt lõi của tích hợp thiết bị là giảm chi phí. Trong công nghệ truyền thông sợi quang, truyền tín hiệu tốc độ cao khoảng cách ngắn có thể được thực hiện thông qua tái tạo tín hiệu liên tục. Tuy nhiên, do các vấn đề về phục hồi trạng thái phân cực và pha, việc tích hợp các hệ thống mạch lạc vẫn tương đối khó khăn. Ngoài ra, nếu có thể thực hiện được hệ thống quang-điện-quang tích hợp quy mô lớn, dung lượng 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 toàn quang 2R (khuếch đại lại, định hình lại), 3R (khuếch đại lại, định thời lại và định hình lại) trong lĩnh vực công nghệ xử lý truyền thông quang. Do đó, về mặt công nghệ và hệ thống tích hợp, các hướng nghiên cứu trong tương lai như sau: Mặc dù nghiên cứu hiện có 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 đột phá về công nghệ trong học viện và công nghiệp, và cần phải tăng cường hơn nữa. Nghiên cứu, chẳng hạn như laser tích hợp và bộ điều biến, bộ 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 hiệu suất toàn diện và quy trình sản xuất của chúng có thể đạt đến mức sợi quang đơn 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 truyền thông quang học
Trong các thiết bị truyền thông quang học, nghiên cứu và phát triển các thiết bị quang tử silicon đã đạt được những kết quả ban đầu. Tuy nhiên, hiện nay, nghiên cứu liên quan trong nước chủ yếu dựa trên các thiết bị thụ động và nghiên cứu về các thiết bị chủ động tương đối yếu. Về các thiết bị truyền thông quang học, các hướng nghiên cứu trong tương lai bao gồm: nghiên cứu tích hợp các thiết bị chủ động và các thiết bị quang silicon; nghiên cứu về công nghệ tích hợp của các thiết bị quang không phải silicon, chẳng hạn như nghiên cứu về công nghệ tích hợp của vật liệu và chất nền III-V; phát triển hơn nữa 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
