Fyrir ekki svo löngu síðan var miðársskýrsla um sameiginlega þróun Hengqin milli Zhuhai og Makaó að þróast hægt og rólega. Ein af ljósleiðarunum sem liggja yfir landamæri vakti athygli. Hún fór í gegnum Zhuhai og Makaó til að koma á samtengingu reikniafls og miðlun auðlinda frá Makaó til Hengqin og byggja upp upplýsingarás. Sjanghæ er einnig að stuðla að uppfærslu- og umbreytingarverkefninu „ljósleiðara í kopar til baka“ til að tryggja hágæða efnahagsþróun og betri samskiptaþjónustu fyrir íbúa.
Með hraðri þróun internettækni eykst eftirspurn notenda eftir netumferð dag frá degi, og hvernig bæta megi afkastagetu ljósleiðarasamskipta hefur orðið brýnt vandamál sem þarf að leysa.
Frá því að ljósleiðaratækni kom fram hefur hún leitt til mikilla breytinga á sviði vísinda, tækni og samfélagsins. Sem mikilvæg notkun leysigeislatækni hefur leysigeislatækni, sem er táknuð með ljósleiðaratækni, byggt upp ramma nútíma samskiptaneta og orðið mikilvægur hluti af upplýsingaflutningi. Ljósleiðaratækni er mikilvægur burðarkraftur í nútíma internetheimi og er einnig ein af kjarnatækni upplýsingaaldarinnar.
Með sífelldri tilkomu ýmissa nýrra tæknilausna eins og Internetsins hlutanna, stórgagna, sýndarveruleika, gervigreindar (AI), fimmtu kynslóðar farsímasamskipta (5G) og annarra tæknilausna eru gerðar meiri kröfur um upplýsingaskipti og flutning. Samkvæmt rannsóknargögnum sem Cisco gaf út árið 2019 mun árleg IP-umferð á heimsvísu aukast úr 1,5ZB (1ZB=1021B) árið 2017 í 4,8ZB árið 2022, með samsettum árlegum vexti upp á 26%. Frammi fyrir vexti mikillar umferðar er ljósleiðarasamskipti, sem meginstoð samskiptanetsins, undir miklum þrýstingi til að uppfæra. Hraðvirk, stór ljósleiðarasamskiptakerfi og net verða meginþróun ljósleiðarasamskiptatækni.
Þróunarsaga og rannsóknarstaða ljósleiðaratækni
Fyrsti rúbínleysirinn var þróaður árið 1960, í kjölfar þess að Arthur Showlow og Charles Townes uppgötvuðu virkni leysigeisla árið 1958. Síðan, árið 1970, var fyrsti AlGaAs hálfleiðaraleysirinn sem gat starfað samfellt við stofuhita þróaður með góðum árangri, og árið 1977 var ljóst að hálfleiðaraleysirinn gat starfað samfellt í tugþúsundir klukkustunda í hagnýtu umhverfi.
Hingað til hafa leysir forsendur fyrir viðskiptaleg ljósleiðarasamskipti. Frá upphafi uppfinningar leysisins hafa uppfinningamenn viðurkennt mikilvæga möguleika hans á sviði samskipta. Hins vegar eru tveir augljósir gallar í leysisamskiptatækni: í fyrsta lagi tapast mikil orka vegna fráviks leysigeislans; í öðru lagi hefur notkunarumhverfið mikil áhrif á notkunina, svo sem notkun í andrúmsloftinu verður verulega háð breytingum á veðurskilyrðum. Þess vegna er viðeigandi ljósleiðari mjög mikilvægur fyrir leysisamskipti.
Ljósleiðarinn sem Dr. Kao Kung, Nóbelsverðlaunahafi í eðlisfræði, lagði til uppfyllir þarfir leysigeislasamskiptatækni fyrir bylgjuleiðara. Hann lagði til að Rayleigh-dreifingartap glerljósleiðara geti verið mjög lágt (minna en 20 dB/km) og að orkutap í ljósleiðurum stafi aðallega af ljósgleypni óhreininda í glerefnum, þannig að hreinsun efnisins er lykillinn að því að draga úr ljósleiðaratapi. Hann benti einnig á að einhliða sending sé mikilvæg til að viðhalda góðum samskiptaafköstum.
Árið 1970 þróaði Corning Glass Company fjölþætta ljósleiðara úr kvars með tapi upp á um 20dB/km samkvæmt hreinsunartillögu Dr. Kao, sem gerði ljósleiðara að veruleika fyrir samskiptamiðla. Eftir stöðugar rannsóknir og þróun nálgaðist tap ljósleiðara úr kvars fræðileg mörk. Hingað til hafa skilyrði fyrir ljósleiðarasamskiptum verið að fullu uppfyllt.
Fyrstu ljósleiðarasamskiptakerfin notuðu öll beina móttökuaðferð. Þetta er tiltölulega einföld ljósleiðarasamskiptaaðferð. PD er ferningslagaskynjari og aðeins er hægt að greina styrkleika ljósmerkisins. Þessi beina móttökuaðferð hefur haldið áfram frá fyrstu kynslóð ljósleiðarasamskiptatækni á áttunda áratugnum til snemma á tíunda áratugnum.
Til að auka nýtingu litrófsins innan bandvíddarinnar þurfum við að byrja á tveimur þáttum: annars vegar að nota tækni til að nálgast Shannon-mörkin, en aukin skilvirkni litrófsins hefur aukið kröfur um hlutfall fjarskipta og hávaða og þar með dregið úr sendingarfjarlægð; hins vegar að nýta fasa til fulls, upplýsingaflutningsgeta pólunarástandsins er notuð til sendingar, sem er önnur kynslóð samhangandi sjónsamskiptakerfis.
Önnur kynslóð samhangandi ljósleiðarakerfisins notar ljósblöndunartæki til að greina tíðni og tekur upp fjölbreytni í skautun, þ.e. við móttökuendann eru merkjaljósið og staðbundinn sveifluljós sundurliðuð í tvo ljósgeisla þar sem skautunarástand er hornrétt á hvort annað. Á þennan hátt er hægt að ná fram skautunaróháðri móttöku. Þar að auki skal tekið fram að á þessum tímapunkti er hægt að framkvæma tíðnimælingar, fasaendurheimt burðarbylgju, jöfnun, samstillingu, skautunarmælingar og affjöldun við móttökuendann með stafrænni merkjavinnslutækni (DSP), sem einfaldar mjög vélbúnaðarhönnun móttakarans og bætir getu til merkjaendurheimtar.
Nokkrar áskoranir og atriði sem snúa að þróun ljósleiðaratækni
Með notkun ýmissa tækni hafa fræðimenn og iðnaður í raun náð takmörkum litrófsnýtni ljósleiðarakerfisins. Til að halda áfram að auka flutningsgetuna er það aðeins hægt að ná með því að auka bandbreidd kerfisins B (línulega aukningu á afkastagetu) eða auka merkis-til-hávaðahlutfallið. Nánari umræða er sem hér segir.
1. Lausn til að auka sendiafl
Þar sem hægt er að draga úr ólínulegum áhrifum af völdum mikils aflsflutnings með því að auka virkt flatarmál þversniðs ljósleiðarans á réttan hátt, er lausn til að auka aflið að nota fámóta ljósleiðara í stað einmóta ljósleiðara til flutnings. Þar að auki er algengasta lausnin á ólínulegum áhrifum að nota stafræna afturvirkni (DBP) reiknirit, en bætt afköst reikniritsins munu leiða til aukinnar flækjustigs í útreikningum. Nýlega hafa rannsóknir á vélanámstækni í ólínulegri bætur sýnt fram á góða möguleika á notkun, sem dregur verulega úr flækjustigi reikniritsins, þannig að hönnun DBP kerfa getur notið aðstoðar vélanáms í framtíðinni.
2. Auka bandvídd ljósleiðarans
Með því að auka bandvíddina er hægt að brjóta niður takmarkanir tíðnisviðsins fyrir EDFA. Auk C-bandsins og L-bandsins er einnig hægt að nota S-bandið og nota SOA eða Raman magnara til magnunar. Hins vegar hefur núverandi ljósleiðari mikið tap í öðrum tíðnisviðum en S-bandinu og það er nauðsynlegt að hanna nýja gerð ljósleiðara til að draga úr sendingartapinu. En fyrir hin tíðnisviðin er viðskiptalega fáanleg ljósmagnunartækni einnig áskorun.
3. Rannsóknir á ljósleiðara með lágu flutningstapi
Rannsóknir á ljósleiðurum með lágu flutningstapi eru eitt af mikilvægustu málunum á þessu sviði. Holkjarnaljósleiðarar (HCF) hafa möguleika á minni flutningstapi, sem mun draga úr töfum á flutningi ljósleiðara og geta að miklu leyti útrýmt ólínulegu vandamáli ljósleiðara.
4. Rannsóknir á tækni tengdri geimskiptingarmargföldun
Rýmisskiptingartækni er áhrifarík lausn til að auka afkastagetu eins ljósleiðara. Sérstaklega er fjölkjarna ljósleiðari notaður til sendingar og afkastageta eins ljósleiðara tvöfaldast. Kjarnamálið í þessu sambandi er hvort til sé ljósmagnari með meiri skilvirkni, annars getur hann aðeins jafngilt mörgum einkjarna ljósleiðurum; með því að nota stillingarskiptingartækni, þar á meðal línulega skautunarstillingu, OAM geisla byggðan á fasaeintölu og sívalningslaga vigur geisla byggðan á skautunareintölu, getur slík tækni verið notuð. Geislamjölgun veitir nýtt frelsisstig og bætir afkastagetu ljósleiðarakerfa. Það hefur víðtæka notkunarmöguleika í ljósleiðarasamskiptatækni, en rannsóknir á skyldum ljósmagnurum eru einnig áskorun. Að auki er einnig athygli vert að fá hvernig hægt er að halda jafnvægi á flækjustigi kerfisins sem stafar af mismunadreifingarhópseinkun og stafrænni jöfnunartækni með mörgum inntökum og mörgum úttakum.
Horfur á þróun ljósleiðaratækni
Ljósleiðaratækni hefur þróast frá upphaflegri lághraðaflutningi til núverandi háhraðaflutnings og hefur orðið ein af burðarásartækni upplýsingasamfélagsins og myndað gríðarlegan fræðigrein og samfélagssvið. Í framtíðinni, þar sem eftirspurn samfélagsins eftir upplýsingaflutningi heldur áfram að aukast, munu ljósleiðarakerfi og nettækni þróast í átt að afar mikilli afkastagetu, greind og samþættingu. Þó að flutningsgeta batni, munu þau halda áfram að lækka kostnað og þjóna lífsviðurværi fólks og hjálpa landinu að byggja upp upplýsingasamfélagið. Samfélagið gegnir mikilvægu hlutverki. CeiTa hefur unnið með fjölda náttúruhamfarasamtaka sem geta spáð fyrir um svæðisbundnar öryggisviðvaranir eins og jarðskjálfta, flóð og flóðbylgjur. Það þarf aðeins að vera tengt við ONU CeiTa. Þegar náttúruhamfarir eiga sér stað mun jarðskjálftastöðin gefa út snemmbúna viðvörun. Flugstöðin undir ONU Alerts verður samstillt.
(1) Greind ljósleiðarakerfi
Í samanburði við þráðlaus samskiptakerfi eru ljósleiðarakerfi og net snjalls ljósleiðaranets enn á frumstigi hvað varðar netstillingar, viðhald netsins og bilanagreiningu, og greindarstigið er ófullnægjandi. Vegna mikillar afkastagetu eins ljósleiðara mun bilun í ljósleiðaranum hafa mikil áhrif á hagkerfið og samfélagið. Þess vegna er eftirlit með netbreytum mjög mikilvægt fyrir þróun framtíðar snjallneta. Rannsóknarleiðir sem þarf að huga að í þessum þætti í framtíðinni eru meðal annars: eftirlitskerfi fyrir kerfisbreytur byggt á einfaldaðri samfelldri tækni og vélanámi, tækni til að fylgjast með eðlisfræðilegum stærðum byggð á samfelldri merkjagreiningu og fasanæmri sjónrænni tímasviðsspeglun.
(2) Samþætt tækni og kerfi
Megintilgangur samþættingar tækja er að lækka kostnað. Í ljósleiðaratækni er hægt að framkvæma stuttar og hraðvirkar merkjasendingar með stöðugri merkjaendurnýjun. Hins vegar, vegna vandamála við endurheimt fasa og skautunarástands, er samþætting samhangandi kerfa enn tiltölulega erfið. Að auki, ef hægt er að koma á fót stórfelldu samþættu ljós-raf-ljóskerfi, mun afkastageta kerfisins einnig aukast verulega. Hins vegar, vegna þátta eins og lítillar tæknilegrar skilvirkni, mikillar flækjustigs og erfiðleika við samþættingu, er ómögulegt að kynna víða al-ljósfræðileg merki eins og al-ljósfræðilega 2R (endursmögnun, endurmótun), 3R (endursmögnun, endurtímasetning og endurmótun) á sviði ljósleiðaravinnslutækni. Þess vegna, hvað varðar samþættingartækni og kerfi, eru framtíðarrannsóknarstefnur eftirfarandi: Þó að núverandi rannsóknir á geimskipta-margfeldikerfum séu tiltölulega ríkar, hafa lykilþættir geimskipta-margfeldikerfa ekki enn náð tæknilegum byltingarkenndum árangri í fræðasamfélaginu og atvinnulífinu, og frekari styrkingu er þörf. Rannsóknir, svo sem samþættar leysir og mótunartæki, tvívíð samþætt móttakara, orkusparandi samþættar ljósmagnara o.s.frv.; nýjar gerðir ljósleiðara geta aukið bandvídd kerfisins verulega, en frekari rannsókna er enn þörf til að tryggja að heildarafköst þeirra og framleiðsluferli geti náð núverandi stigi eins stillingar ljósleiðara; rannsaka ýmis tæki sem hægt er að nota með nýju ljósleiðurunum í samskiptatengingunni.
(3) Sjónræn samskiptatæki
Í ljósleiðarasamskiptatækjum hefur rannsókn og þróun á sílikonljósfræðilegum tækjum skilað fyrstu árangri. Hins vegar eru innlendar rannsóknir sem nú byggjast aðallega á óvirkum tækjum og rannsóknir á virkum tækjum eru tiltölulega veikar. Hvað varðar ljósleiðarasamskiptatæki eru framtíðarrannsóknarstefnur: samþættingarrannsóknir á virkum tækjum og sílikonljósleiðurum; rannsóknir á samþættingartækni ljósleiðara sem ekki eru úr sílikoni, svo sem rannsóknir á samþættingartækni III-V efna og undirlaga; frekari þróun á nýjum rannsóknum og þróun tækja. Eftirfylgni, svo sem samþættar litíumníóbat ljósleiðarabylgjur með kostum mikils hraða og lágrar orkunotkunar.
Birtingartími: 3. ágúst 2023
