Технология оптоволоконных передатчиков выходит за пределы традиционных областей связи. В сфере искусственного интеллекта высокоскоростные-оптические соединения играют ключевую роль в преодолении узких мест в вычислительных системах; в области связи в видимом свете (VLC) он может предоставить новые спектральные ресурсы для 6G. Благодаря интеграции с такими технологиями, как микроволновая фотоника, его также можно применять в более широких областях, включая зондирование, визуализацию и оборону.
01 Технологическая эволюция
оптоволоконный передатчик, основной компонент систем оптической связи, претерпевает трансформацию из однофункционального-модуля в интеллектуальную, высокоэффективную-систему. Первые оптоволоконные передатчики в основном выполняли базовое электро-оптическое преобразование, но теперь они стали ключевым элементом, определяющим производительность целых сетей связи.
Согласно последним исследованиям Института Фраунгофера, традиционные оптоволоконные системы больше не могут отвечать требованиям будущих приложений. Это побудило исследователей разработать более совершенные технологии оптоволоконных передатчиков, такие как использование избирательных переключателей по длине волны-и мультиплексирования с пространственным разделением каналов для повышения пропускной способности и гибкости сети.
Важнейшим направлением технологической эволюции является повышение спектральной эффективности. Исследователи разработали новые типы решеток для увеличения спектрального разрешения с традиционных 100 ГГц до 25 ГГц. Это делает полосы частот для передачи данных более узкими, а пакеты данных меньшими, тем самым позволяя передавать больше пакетов данных одновременно по одному и тому же оптическому волокну.
02 Преимущества производительности
Причина, по которой оптоволоконные передатчики стали основой современных сетей связи, заключается в их многогранных преимуществах в производительности. Высокая-скорость передачи — одна из их наиболее выдающихся особенностей, обеспечивающая скорость передачи данных в Гбит/с и даже выше.
Эта характеристика делает их широко применимыми в сценариях, требующих массовой передачи данных, таких как межсоединения центров обработки данных и широкополосный доступ. Напротив, традиционные медные кабели значительно ограничены как по скорости передачи, так и по расстоянию в сопоставимых условиях.
Волоконно-оптические передатчики используют оптические сигналы для передачи данных, что приводит к меньшим потерям при передаче и затуханию по сравнению с традиционными медными кабелями. Это означает, что сигналы могут сохранять высокое качество и стабильность на больших расстояниях, уменьшая влияние затухания сигнала на качество связи.
Это свойство особенно важно для сценариев, требующих покрытия на больших-расстояниях, таких как городские сети (MAN) и глобальные сети (WAN).Оптоволоконные передатчикиможно добиться передачи данных на десятки и даже сотни километров.
Оптоволоконные передатчики менее восприимчивы к внешним электромагнитным помехам во время передачи. По сравнению с передачей по кабелю они лучше поддерживают целостность и стабильность сигнала, менее подвержены воздействию факторов окружающей среды и обеспечивают безопасную и надежную передачу данных.
03 Сценарии применения
Сценарии применения оптоволоконных передатчиков расширились от традиционных телекоммуникаций до множества новых отраслей. Их эксплуатационные характеристики определяют их пригодность для различных сценариев.
В следующей таблице сравниваются требования к производительности оптоволоконных передатчиков в различных сценариях применения:
| Сценарий применения | Основные требования к производительности | Типичное расстояние передачи | Технические характеристики |
|---|---|---|---|
| Соединение центров обработки данных | Высокая скорость, низкая задержка | Среднее-Короткое расстояние | Высокая-плотность развертывания, низкое энергопотребление |
| MAN/ГВС | Большое расстояние, высокая стабильность | Десятки и сотни километров | Сильная защита от-помех, низкие потери |
| Сети будущего (6G/квантовая связь) | Сверх-высокая емкость, гибкость | Комбинированная длинная/короткая дистанция | Технологии мультиплексирования, масштабируемость |
| Сети кабельного телевидения | Высокое качество сигнала, широкое покрытие | Междугородние | Высокая выходная мощность, контроль искажений |
| Системы наблюдения | Стабильный и надежный, высокая адаптируемость | Среднее-Короткое расстояние | Высокая адаптация к окружающей среде, простота развертывания |
В области межсоединений центров обработки данных небольшой размер и легкий весоптоволоконные передатчикиобеспечивают гибкую компоновку и установку в условиях-ограниченного пространства. Использование оптических модулей и патч-кордов обеспечивает высокую-плотность прокладки кабелей и развертывание портов, отвечая требованиям крупных-центров обработки данных к плотности интерфейсов и компактности оборудования.
С развитием новых технологий, таких как беспилотные транспортные средства, мобильная связь 6G и квантовая связь, спрос на оптоволоконные сети постоянно растет. Эти приложения требуют более высоких скоростей передачи данных и более низкой задержки, чего традиционные оптоволоконные передатчики больше не могут полностью удовлетворить.
Проект WESORAM, разработанный немецким Институтом Фраунгофера, успешно продемонстрировал возможность произвольной маршрутизации сигналов из 8 входных каналов в 16 выходных каналов. Такая возможность «кросс-соединения» увеличивает пропускную способность сети и обеспечивает большую гибкость передачи и маршрутизации потоков данных.
Специально разработанные оптоволоконные передатчики также играют жизненно важную роль в сетях кабельного телевидения (CATV). Например, передатчики EMCORE I-Type Medallion 6000 серии 1550 нм с внешней модуляцией оптимизированы для международных систем кабельного телевидения и поддерживают оптоволоконные линии длиной до 150 километров.
04 Прогресс отрасли
Технология оптоволоконных передатчиков находится в стадии быстрого развития, и многочисленные инновационные исследовательские проекты способствуют прогрессу в этой области. Ученые добились крупного прорыва в скорости оптоволоконной связи, обеспечив скорость передачи 1,84 Пбит/с по оптоволокну длиной примерно 8-километров.
Эта скорость эквивалентна передаче данных примерно с 236 жестких дисков по одному-терабайту (1 ТБ) в секунду, что примерно вдвое превышает текущий общий мировой интернет-трафик. Более того, исследовательская группа впервые достигла скорости, превышающей 1 Пбит/с, используя всего лишь «один лазер + один оптический чип».
Технология оптической гребенки частот стала ключом к этому прорыву. Эта технология преобразует свет инфракрасного лазера в радужный спектр, состоящий из множества цветов, где частота и разница частот между каждым монохроматическим светом фиксированы, что делает его пригодным для мультиплексирования с разделением по длине волны.
Весь генерируемый свет является когерентным, что позволяет осуществлять совместную цифровую обработку сигналов между различными каналами, что в конечном итоге значительно увеличивает скорость передачи данных.
Значительный прогресс также был достигнут в технологии многожильных волокон. Исследовательская группа из Национального института стандартов и технологий США (NIST) впервые продемонстрировала, что сверх-стабильные оптические сигналы атомных часов могут передаваться совместимо вместе с телекоммуникационными данными по многожильному-волоконному кабелю, протянутому на десятки километров.
Это означает, что новые оптоволоконные сети-емкости смогут не только передавать огромные объемы данных, но и потенциально синхронизировать атомные часы по всему миру с высокой точностью.
05 Вызовы и будущее
Несмотря на значительный прогресс, технология оптоволоконных передатчиков по-прежнему сталкивается с рядом проблем. Стоимость является одним из них, особенно в системах мультиплексирования с разделением по длине волны (WDM), где стоимость оптических и оптоэлектронных компонентов высока, отчасти из-за необходимости точной настройки длины волны.
Физические свойства диэлектриков, используемых в этих компонентах, зависят от температуры-. Эта температурная чувствительность может вызвать сдвиг длин волн фильтра.
Проект OPTIMUX, инициированный Институтом Фраунгофера HHI, посвящен разработке инновационных и эффективных решений мультиплексирования для всего пути передачи. Проект фокусируется на оптимальных стратегиях мультиплексирования для оптоволоконной передачи данных с использованием пространственного мультиплексирования с целью достижения скорости передачи символов до 300 ГБд.
В условиях быстрого развития цифровизации и появления приложений,-управляемых данными, существующая сетевая инфраструктура приближается к пределу своих возможностей. Хотя мультиплексирование с разделением по длине волны является распространенным методом, пространственное мультиплексирование предлагает новый путь оптимизации сети. За счет использования нескольких волоконно-оптических сердцевин и режимов передачи пропускная способность может быть значительно увеличена.
