Technologia nadajników światłowodowych wywodzi się z tradycyjnych dziedzin komunikacji. W dziedzinie sztucznej inteligencji-szybkie połączenia optyczne są kluczem do przełamania wąskich gardeł obliczeniowych; w komunikacji w świetle widzialnym (VLC) może zapewnić nowe zasoby widmowe dla 6G. Dzięki integracji z technologiami takimi jak fotonika mikrofalowa można ją również zastosować w szerszych obszarach, w tym w wykrywaniu, obrazowaniu i obronie.
01 Ewolucja technologiczna
Thenadajnik światłowodowy, główny element systemów komunikacji optycznej, przechodzi transformację z pojedynczego-modułu funkcyjnego w inteligentny system-o wysokiej wydajności. Wczesne nadajniki światłowodowe wykonywały głównie podstawową-konwersję elektrooptyczną, ale obecnie stały się kluczowym elementem decydującym o wydajności całych sieci komunikacyjnych.
Według najnowszych badań Instytutu Fraunhofera tradycyjne systemy światłowodowe nie są już w stanie sprostać wymaganiom przyszłych zastosowań. Zmusiło to badaczy do opracowania bardziej zaawansowanych technologii nadajników światłowodowych, takich jak wykorzystanie przełączników selektywnych-pod względem długości fali i multipleksowanie z podziałem przestrzennym w celu zwiększenia przepustowości i elastyczności sieci.
Kluczowym kierunkiem ewolucji technologicznej jest poprawa wydajności widmowej. Naukowcy opracowali nowe typy siatek w celu zwiększenia rozdzielczości widmowej z tradycyjnego 100 GHz do 25 GHz. Dzięki temu pasma częstotliwości transmisji danych są węższe, a pakiety danych mniejsze, co pozwala na jednoczesną transmisję większej liczby pakietów danych w tym samym światłowodzie.
02 Zalety wydajności
Powodem, dla którego nadajniki światłowodowe stały się rdzeniem nowoczesnych sieci komunikacyjnych, są ich różnorodne zalety w zakresie wydajności. Możliwość-szybkiej transmisji to jedna z ich najważniejszych funkcji, umożliwiająca przesyłanie danych z szybkością Gb/s i nawet wyższą.
Ta cecha sprawia, że mają one szerokie zastosowanie w scenariuszach wymagających masowej transmisji danych, takich jak połączenia między centrami danych i dostęp szerokopasmowy. Natomiast tradycyjne kable miedziane mają znacznie ograniczone zarówno szybkość transmisji, jak i odległość w porównywalnych warunkach.
Nadajniki światłowodowe wykorzystują sygnały optyczne do przesyłania danych, co skutkuje niższymi stratami w transmisji i tłumieniem w porównaniu z tradycyjnymi kablami miedzianymi. Oznacza to, że sygnały mogą zachować wysoką jakość i stabilność na długich dystansach, redukując wpływ tłumienia sygnału na jakość komunikacji.
Ta właściwość jest szczególnie ważna w scenariuszach wymagających zasięgu-na duże odległości, takich jak sieci metropolitalne (MAN) i sieci rozległe (WAN).Nadajniki światłowodowemoże osiągnąć transmisję danych na odległość dziesiątek, a nawet setek kilometrów.
Nadajniki światłowodowe są mniej podatne na zewnętrzne zakłócenia elektromagnetyczne podczas transmisji. W porównaniu z transmisją kablową lepiej utrzymują integralność i stabilność sygnału, są mniej podatne na czynniki środowiskowe oraz zapewniają bezpieczny i niezawodny transfer danych.
03 Scenariusze zastosowań
Scenariusze zastosowań nadajników światłowodowych rozszerzyły się z tradycyjnej telekomunikacji na wiele nowych branż. Ich właściwości użytkowe określają ich przydatność w różnych scenariuszach.
Poniższa tabela porównuje wymagania wydajnościowe dla nadajników światłowodowych w różnych scenariuszach zastosowań:
| Scenariusz zastosowania | Główne wymagania wydajnościowe | Typowa odległość transmisji | Charakterystyka techniczna |
|---|---|---|---|
| Połączenie centrum danych | Wysoka prędkość, małe opóźnienia | Średni-krótki dystans | Wdrożenie o dużej-gęstości, niskie zużycie energii |
| CZŁOWIEK/WAN | Duża odległość, wysoka stabilność | Dziesiątki do setek kilometrów | Silne zabezpieczenie przed-zakłóceniami, niskie straty |
| Sieci przyszłości (6G/kwantowa komunikacja) | Ultra-duża pojemność i elastyczność | Łączony dystans długi/krótki | Technologie multipleksowania, skalowalność |
| Sieci telewizji kablowej | Wysoka jakość sygnału, szeroki zasięg | Długi dystans | Wysoka moc wyjściowa, kontrola zniekształceń |
| Systemy nadzoru | Stabilne i niezawodne, o dużych możliwościach adaptacji | Średni-krótki dystans | Silna zdolność adaptacji do środowiska, łatwe wdrożenie |
W dziedzinie połączeń wzajemnych w centrach danych mały rozmiar i lekkośćnadajniki światłowodoweumożliwiają elastyczny układ i instalację w środowiskach-o ograniczonej przestrzeni. Korzystanie z modułów optycznych i kabli krosowych umożliwia-rozmieszczenie okablowania i portów o dużej gęstości, spełniając wymagania dużych-centrów danych w zakresie gęstości interfejsów i zwartości sprzętu.
Wraz z rozwojem nowych technologii, takich jak pojazdy autonomiczne, komunikacja mobilna 6G i komunikacja kwantowa, zapotrzebowanie na sieci światłowodowe stale rośnie. Zastosowania te wymagają wyższych szybkości transmisji danych i niższych opóźnień, których tradycyjne nadajniki światłowodowe nie są już w stanie w pełni zaspokoić.
Projekt WESORAM opracowany przez niemiecki Instytut Fraunhofera z powodzeniem zademonstrował możliwość dowolnego kierowania sygnałów z 8 kanałów wejściowych do 16 kanałów wyjściowych. Ta funkcja „cross-connect” zwiększa przepustowość sieci i zapewnia większą elastyczność transmisji i routingu strumieni danych.
Specjalnie zaprojektowane nadajniki światłowodowe odgrywają również istotną rolę w sieciach telewizji kablowej (CATV). Na przykład zewnętrznie modulowane nadajniki EMCORE I-Type Medallion 6000 o długości fali 1550 nm są zoptymalizowane pod kątem międzynarodowych systemów CATV i obsługują łącza światłowodowe o długości do 150 kilometrów.
04 Postęp w branży
Technologia nadajników światłowodowych ulega szybkiemu rozwojowi, a postęp w tej dziedzinie napędzają liczne innowacyjne projekty badawcze. Naukowcy osiągnęli znaczący przełom w szybkości komunikacji światłowodowej, osiągając szybkość transmisji 1,84 Pbit/s w światłowodzie o długości około 8{3}}kilometrów.
Szybkość ta odpowiada transmisji danych z około 236-terabajtów (1 TB) dysków twardych na sekundę, co stanowi mniej więcej dwukrotność obecnego całkowitego globalnego ruchu internetowego. Co więcej, zespół badawczy po raz pierwszy osiągnął prędkość przekraczającą 1 Pbit/s, używając tylko „pojedynczego lasera + pojedynczego układu optycznego”.
Kluczem do tego przełomu była technologia grzebienia częstotliwości optycznej. Technologia ta przekształca światło z lasera podczerwonego w widmo tęczy złożone z wielu kolorów, w którym częstotliwości i różnice częstotliwości pomiędzy każdym światłem monochromatycznym są stałe, dzięki czemu nadaje się do multipleksowania z podziałem długości fali.
Całe generowane światło jest spójne, co pozwala na wspólne przetwarzanie sygnału cyfrowego pomiędzy różnymi kanałami, co ostatecznie znacznie przyspiesza szybkość transmisji danych.
Znaczący postęp osiągnięto także w technologii włókien wielordzeniowych-. Zespół badawczy z Amerykańskiego Narodowego Instytutu Standardów i Technologii (NIST) po raz pierwszy wykazał, że ultra-stabilne sygnały optycznego zegara atomowego mogą być przesyłane w sposób zgodny z danymi telekomunikacyjnymi w wielordzeniowym włóknie rozmieszczonym na dystansie dziesiątek kilometrów.
Oznacza to, że powstające-sieci światłowodowe o dużej przepustowości mogą nie tylko przesyłać ogromne ilości danych, ale także potencjalnie synchronizować zegary atomowe na całym świecie z dużą precyzją.
05 Wyzwania i przyszłość
Pomimo znacznego postępu technologia nadajników światłowodowych nadal stoi przed wieloma wyzwaniami. Koszt jest jednym z nich, zwłaszcza w systemach multipleksowania z podziałem długości fali (WDM), gdzie koszt komponentów optycznych i optoelektronicznych jest wysoki, częściowo ze względu na potrzebę precyzyjnego dostrojenia długości fali.
Właściwości fizyczne dielektryków stosowanych w tych elementach zależą-od temperatury. Ta wrażliwość na temperaturę może powodować przesunięcia długości fal filtra.
Projekt OPTIMUX zainicjowany przez Instytut Fraunhofer HHI ma na celu opracowanie innowacyjnych i wydajnych rozwiązań multipleksowania dla całego toru transmisji. Projekt koncentruje się na optymalnych strategiach multipleksowania dla światłowodowej transmisji danych z wykorzystaniem multipleksowania przestrzennego, mając na celu osiągnięcie szybkości transmisji symboli sięgającej 300 GBd.
Wraz z szybkim rozwojem cyfryzacji i wzrostem liczby aplikacji-opartych na danych, istniejąca infrastruktura sieciowa zbliża się do granic swoich możliwości. Chociaż multipleksowanie z podziałem długości fali jest powszechną metodą, multipleksowanie przestrzenne oferuje nową ścieżkę optymalizacji sieci. Wykorzystując wiele rdzeni światłowodowych i trybów transmisji, można znacznie zwiększyć pojemność.
