چندی پیش، برگه پاسخنامه میان‌سال برای توسعه مشترک هنگ‌چین بین جوهای و ماکائو به آرامی در حال آشکار شدن بود. یکی از فیبرهای نوری مرزی توجه را به خود جلب کرد. این فیبر از جوهای و ماکائو عبور می‌کرد تا اتصال قدرت محاسباتی و اشتراک منابع را از ماکائو به هنگ‌چین محقق کند و یک کانال اطلاعاتی ایجاد کند. شانگهای همچنین در حال ارتقاء و تبدیل پروژه شبکه ارتباطی تمام فیبر "نوری به مسی" است تا توسعه اقتصادی با کیفیت بالا و خدمات ارتباطی بهتر برای ساکنان را تضمین کند.
با توسعه سریع فناوری اینترنت، تقاضای کاربران برای ترافیک اینترنت روز به روز در حال افزایش است، چگونگی بهبود ظرفیت ارتباطات فیبر نوری به یک مشکل فوری تبدیل شده است که باید حل شود.
از زمان ظهور فناوری ارتباطات فیبر نوری، این فناوری تغییرات عمده‌ای در زمینه‌های علم و فناوری و جامعه ایجاد کرده است. فناوری اطلاعات لیزر، به عنوان یکی از کاربردهای مهم فناوری لیزر، که با فناوری ارتباطات فیبر نوری ارائه می‌شود، چارچوب شبکه ارتباطی مدرن را بنا نهاده و به بخش مهمی از انتقال اطلاعات تبدیل شده است. فناوری ارتباطات فیبر نوری نیروی محرکه مهمی در دنیای اینترنت فعلی است و همچنین یکی از فناوری‌های اصلی عصر اطلاعات است.
با ظهور مداوم فناوری‌های نوظهور مختلف مانند اینترنت اشیا، کلان‌داده، واقعیت مجازی، هوش مصنوعی (AI)، ارتباطات سیار نسل پنجم (5G) و سایر فناوری‌ها، تقاضا برای تبادل و انتقال اطلاعات افزایش یافته است. طبق داده‌های تحقیقاتی منتشر شده توسط سیسکو در سال ۲۰۱۹، ترافیک IP سالانه جهانی از ۱.۵ زتابایت (۱ZB=1021B) در سال ۲۰۱۷ به ۴.۸ زتابایت در سال ۲۰۲۲ افزایش خواهد یافت که نرخ رشد مرکب سالانه آن ۲۶ درصد است. در مواجهه با روند رشد ترافیک بالا، ارتباطات فیبر نوری، به عنوان ستون فقرات‌ترین بخش شبکه ارتباطی، تحت فشار زیادی برای ارتقا قرار دارد. سیستم‌ها و شبکه‌های ارتباطی فیبر نوری پرسرعت و با ظرفیت بالا، جهت اصلی توسعه فناوری ارتباطات فیبر نوری خواهند بود.
تاریخچه توسعه و وضعیت تحقیقات فناوری ارتباطات فیبر نوری
اولین لیزر یاقوت در سال ۱۹۶۰، پس از کشف نحوه عملکرد لیزرها توسط آرتور شولو و چارلز تاونز در سال ۱۹۵۸، توسعه داده شد. سپس، در سال ۱۹۷۰، اولین لیزر نیمه‌هادی AlGaAs که قادر به کار مداوم در دمای اتاق بود، با موفقیت توسعه داده شد و در سال ۱۹۷۷، مشخص شد که این لیزر نیمه‌هادی می‌تواند ده‌ها هزار ساعت در یک محیط عملی به طور مداوم کار کند.
تاکنون، لیزرها پیش‌نیازهای لازم برای ارتباطات فیبر نوری تجاری را دارند. از ابتدای اختراع لیزر، مخترعان به کاربرد بالقوه مهم آن در زمینه ارتباطات پی بردند. با این حال، دو نقص آشکار در فناوری ارتباطات لیزری وجود دارد: یکی اینکه مقدار زیادی انرژی به دلیل واگرایی پرتو لیزر از بین می‌رود؛ دیگری اینکه به شدت تحت تأثیر محیط کاربرد قرار می‌گیرد، مانند کاربرد در محیط جوی که به طور قابل توجهی در معرض تغییرات شرایط آب و هوایی خواهد بود. بنابراین، برای ارتباطات لیزری، یک موجبر نوری مناسب بسیار مهم است.
فیبر نوری مورد استفاده برای ارتباطات که توسط دکتر کائو کونگ، برنده جایزه نوبل فیزیک، پیشنهاد شده است، نیازهای فناوری ارتباطات لیزری برای موجبرها را برآورده می‌کند. او پیشنهاد کرد که تلفات پراکندگی ریلی فیبر نوری شیشه‌ای می‌تواند بسیار کم باشد (کمتر از 20 دسی‌بل در کیلومتر) و تلفات توان در فیبر نوری عمدتاً از جذب نور توسط ناخالصی‌های موجود در مواد شیشه‌ای ناشی می‌شود، بنابراین خالص‌سازی مواد، کلید کاهش تلفات فیبر نوری است و همچنین اشاره کرد که انتقال تک حالته برای حفظ عملکرد خوب ارتباطات مهم است.
در سال ۱۹۷۰، شرکت کورنینگ گلس، فیبر نوری چند حالته مبتنی بر کوارتز را با افت حدود ۲۰ دسی‌بل در کیلومتر، طبق پیشنهاد خالص‌سازی دکتر کائو، توسعه داد و فیبر نوری را به واقعیتی برای رسانه‌های انتقال ارتباطات تبدیل کرد. پس از تحقیق و توسعه مداوم، افت فیبرهای نوری مبتنی بر کوارتز به حد تئوری نزدیک شد. تاکنون، شرایط ارتباط فیبر نوری کاملاً برآورده شده است.
سیستم‌های ارتباطی فیبر نوری اولیه همگی روش دریافت آشکارسازی مستقیم را اتخاذ می‌کردند. این یک روش ارتباط فیبر نوری نسبتاً ساده است. PD یک آشکارساز قانون مربع است و فقط شدت سیگنال نوری را می‌توان تشخیص داد. این روش دریافت آشکارسازی مستقیم از نسل اول فناوری ارتباط فیبر نوری در دهه 1970 تا اوایل دهه 1990 ادامه داشته است.
برای افزایش استفاده از طیف در پهنای باند، باید از دو جنبه شروع کنیم: یکی استفاده از فناوری برای نزدیک شدن به حد شانون است، اما افزایش راندمان طیف، الزامات نسبت مخابرات به نویز را افزایش داده و در نتیجه فاصله انتقال را کاهش می‌دهد؛ دیگری استفاده کامل از فاز است، ظرفیت حمل اطلاعات حالت قطبش برای انتقال استفاده می‌شود که نسل دوم سیستم ارتباط نوری منسجم است.
سیستم ارتباط نوری منسجم نسل دوم از یک میکسر نوری برای تشخیص درون خطی استفاده می‌کند و از دریافت تنوع قطبش استفاده می‌کند، یعنی در سمت گیرنده، نور سیگنال و نور نوسانگر محلی به دو پرتو نور تجزیه می‌شوند که حالت‌های قطبش آنها عمود بر یکدیگر است. به این ترتیب، دریافت غیر حساس به قطبش قابل دستیابی است. علاوه بر این، باید اشاره کرد که در حال حاضر، ردیابی فرکانس، بازیابی فاز حامل، برابرسازی، همگام‌سازی، ردیابی قطبش و دی مالتی پلکسینگ در سمت گیرنده، همگی می‌توانند توسط فناوری پردازش سیگنال دیجیتال (DSP) انجام شوند که طراحی سخت‌افزار گیرنده را بسیار ساده کرده و قابلیت بازیابی سیگنال را بهبود می‌بخشد.
برخی چالش‌ها و ملاحظات پیش روی توسعه فناوری ارتباطات فیبر نوری
با به‌کارگیری فناوری‌های مختلف، محافل دانشگاهی و صنعت اساساً به حد نهایی راندمان طیفی سیستم ارتباطی فیبر نوری رسیده‌اند. برای ادامه افزایش ظرفیت انتقال، تنها با افزایش پهنای باند سیستم B (افزایش خطی ظرفیت) یا افزایش نسبت سیگنال به نویز می‌توان به این هدف دست یافت. بحث ویژه به شرح زیر است.
۱. راهکاری برای افزایش قدرت انتقال
از آنجایی که اثر غیرخطی ناشی از انتقال توان بالا را می‌توان با افزایش مناسب سطح مقطع فیبر کاهش داد، استفاده از فیبر چند حالته به جای فیبر تک حالته برای انتقال، یک راه حل برای افزایش توان است. علاوه بر این، رایج‌ترین راه حل فعلی برای اثرات غیرخطی، استفاده از الگوریتم پس انتشار دیجیتال (DBP) است، اما بهبود عملکرد الگوریتم منجر به افزایش پیچیدگی محاسباتی خواهد شد. اخیراً، تحقیقات فناوری یادگیری ماشین در جبران غیرخطی، چشم‌انداز کاربردی خوبی را نشان داده است که پیچیدگی الگوریتم را تا حد زیادی کاهش می‌دهد، بنابراین طراحی سیستم DBP می‌تواند در آینده با یادگیری ماشین پشتیبانی شود.
۲. افزایش پهنای باند تقویت‌کننده نوری
افزایش پهنای باند می‌تواند محدودیت محدوده فرکانسی EDFA را از بین ببرد. علاوه بر باند C و باند L، باند S نیز می‌تواند در محدوده کاربرد گنجانده شود و از تقویت‌کننده SOA یا رامان برای تقویت استفاده شود. با این حال، فیبر نوری موجود در باندهای فرکانسی غیر از باند S تلفات زیادی دارد و لازم است نوع جدیدی از فیبر نوری برای کاهش تلفات انتقال طراحی شود. اما برای بقیه باندها، فناوری تقویت نوری موجود در بازار نیز یک چالش است.
۳. تحقیق روی فیبر نوری با تلفات انتقال کم
تحقیق در مورد فیبر با تلفات انتقال کم یکی از مهمترین مسائل در این زمینه است. فیبر با هسته توخالی (HCF) امکان تلفات انتقال کمتری را دارد که باعث کاهش تأخیر زمانی انتقال فیبر می‌شود و می‌تواند مشکل غیرخطی فیبر را تا حد زیادی برطرف کند.
۴. تحقیق در مورد فناوری‌های مرتبط با مالتی‌پلکس تقسیم فضایی
فناوری مالتی‌پلکسینگ تقسیم فضا یک راه حل موثر برای افزایش ظرفیت یک فیبر واحد است. به طور خاص، از فیبر نوری چند هسته‌ای برای انتقال استفاده می‌شود و ظرفیت یک فیبر واحد دو برابر می‌شود. مسئله اصلی در این زمینه این است که آیا تقویت‌کننده نوری با راندمان بالاتر وجود دارد یا خیر. در غیر این صورت، تنها می‌تواند معادل چندین فیبر نوری تک هسته‌ای باشد. با استفاده از فناوری مالتی‌پلکسینگ تقسیم حالت شامل حالت قطبش خطی، پرتو OAM مبتنی بر تکینگی فاز و پرتو برداری استوانه‌ای مبتنی بر تکینگی قطبش، چنین فناوری می‌تواند مالتی‌پلکسینگ پرتو درجه آزادی جدیدی را فراهم کند و ظرفیت سیستم‌های ارتباط نوری را بهبود بخشد. این فناوری چشم‌انداز کاربرد گسترده‌ای در فناوری ارتباط فیبر نوری دارد، اما تحقیق در مورد تقویت‌کننده‌های نوری مرتبط نیز یک چالش است. علاوه بر این، چگونگی متعادل کردن پیچیدگی سیستم ناشی از تأخیر گروه حالت دیفرانسیلی و فناوری برابرسازی دیجیتال چند ورودی چند خروجی نیز قابل توجه است.
چشم‌انداز توسعه فناوری ارتباطات فیبر نوری
فناوری ارتباطات فیبر نوری از انتقال اولیه با سرعت پایین به انتقال پرسرعت فعلی توسعه یافته و به یکی از فناوری‌های ستون فقرات پشتیبانی‌کننده جامعه اطلاعاتی تبدیل شده و یک رشته و حوزه اجتماعی عظیم را تشکیل داده است. در آینده، با افزایش تقاضای جامعه برای انتقال اطلاعات، سیستم‌های ارتباطی فیبر نوری و فناوری‌های شبکه به سمت ظرفیت فوق‌العاده بالا، هوشمندی و ادغام تکامل خواهند یافت. آنها ضمن بهبود عملکرد انتقال، به کاهش هزینه‌ها و خدمت به معیشت مردم و کمک به کشور در ایجاد اطلاعات ادامه خواهند داد. جامعه نقش مهمی ایفا می‌کند. CeiTa با تعدادی از سازمان‌های بلایای طبیعی همکاری کرده است که می‌توانند هشدارهای ایمنی منطقه‌ای مانند زلزله، سیل و سونامی را پیش‌بینی کنند. فقط باید به ONU CeiTa متصل شود. هنگامی که یک فاجعه طبیعی رخ می‌دهد، ایستگاه زلزله هشدار اولیه صادر می‌کند. ترمینال تحت هشدارهای ONU همگام‌سازی می‌شود.
(1) شبکه نوری هوشمند
در مقایسه با سیستم ارتباط بی‌سیم، سیستم ارتباط نوری و شبکه شبکه نوری هوشمند هنوز از نظر پیکربندی شبکه، نگهداری شبکه و تشخیص خطا در مرحله اولیه هستند و میزان هوشمندی آنها کافی نیست. با توجه به ظرفیت عظیم یک فیبر، وقوع هرگونه خرابی فیبر تأثیر زیادی بر اقتصاد و جامعه خواهد داشت. بنابراین، نظارت بر پارامترهای شبکه برای توسعه شبکه‌های هوشمند آینده بسیار مهم است. جهت‌های تحقیقاتی که باید در این جنبه در آینده مورد توجه قرار گیرند عبارتند از: سیستم نظارت بر پارامترهای سیستم مبتنی بر فناوری منسجم ساده شده و یادگیری ماشین، فناوری نظارت بر کمیت فیزیکی مبتنی بر تحلیل سیگنال منسجم و بازتاب نوری حساس به فاز در حوزه زمان.
(2) فناوری و سیستم یکپارچه
هدف اصلی یکپارچه‌سازی دستگاه، کاهش هزینه‌ها است. در فناوری ارتباطات فیبر نوری، انتقال سیگنال‌های با سرعت بالا در فواصل کوتاه می‌تواند از طریق بازسازی مداوم سیگنال محقق شود. با این حال، به دلیل مشکلات بازیابی فاز و حالت قطبش، ادغام سیستم‌های منسجم هنوز نسبتاً دشوار است. علاوه بر این، اگر یک سیستم نوری-الکتریکی-نوری یکپارچه در مقیاس بزرگ محقق شود، ظرفیت سیستم نیز به طور قابل توجهی بهبود خواهد یافت. با این حال، به دلیل عواملی مانند راندمان فنی پایین، پیچیدگی بالا و دشواری ادغام، ترویج گسترده سیگنال‌های تمام نوری مانند سیگنال‌های تمام نوری 2R (تقویت مجدد، شکل‌دهی مجدد)، 3R (تقویت مجدد، زمان‌بندی مجدد و شکل‌دهی مجدد) در زمینه فناوری پردازش ارتباطات نوری غیرممکن است. بنابراین، از نظر فناوری و سیستم‌های یکپارچه‌سازی، جهت‌گیری‌های تحقیقات آینده به شرح زیر است: اگرچه تحقیقات موجود در مورد سیستم‌های مالتی پلکس تقسیم فضایی نسبتاً غنی است، اما اجزای کلیدی سیستم‌های مالتی پلکس تقسیم فضایی هنوز در دانشگاه و صنعت به پیشرفت‌های تکنولوژیکی دست نیافته‌اند و تقویت بیشتر مورد نیاز است. تحقیقاتی مانند لیزرها و مدولاتورهای مجتمع، گیرنده‌های مجتمع دوبعدی، تقویت‌کننده‌های نوری مجتمع با راندمان انرژی بالا و غیره؛ انواع جدید فیبرهای نوری ممکن است پهنای باند سیستم را به طور قابل توجهی گسترش دهند، اما تحقیقات بیشتری برای اطمینان از اینکه عملکرد جامع و فرآیندهای تولید آنها می‌تواند به سطح فیبر تک حالته موجود برسد، مورد نیاز است؛ دستگاه‌های مختلفی را که می‌توانند با فیبر جدید در لینک ارتباطی استفاده شوند، مطالعه کنید.
(3) دستگاه‌های ارتباط نوری
در دستگاه‌های ارتباط نوری، تحقیق و توسعه دستگاه‌های فوتونیک سیلیکونی به نتایج اولیه‌ای دست یافته است. با این حال، در حال حاضر، تحقیقات مرتبط داخلی عمدتاً مبتنی بر دستگاه‌های غیرفعال است و تحقیقات روی دستگاه‌های فعال نسبتاً ضعیف است. در زمینه دستگاه‌های ارتباط نوری، مسیرهای تحقیقاتی آینده شامل موارد زیر است: تحقیقات ادغام دستگاه‌های فعال و دستگاه‌های نوری سیلیکونی؛ تحقیق روی فناوری ادغام دستگاه‌های نوری غیر سیلیکونی، مانند تحقیق روی فناوری ادغام مواد و زیرلایه‌های III-V؛ توسعه بیشتر تحقیق و توسعه دستگاه‌های جدید. پیگیری، مانند موجبر نوری لیتیوم نیوبات یکپارچه با مزایای سرعت بالا و مصرف توان کم.
زمان ارسال: 3 آگوست 2023
