Технологія волоконно-оптичних передавачів переходить із традиційних сфер зв’язку. У сфері штучного інтелекту високо-швидкісні оптичні з’єднання є ключовими для подолання вузьких місць обчислення; у зв’язку у видимому світлі (VLC) це може надати нові спектральні ресурси для 6G. Завдяки інтеграції з такими технологіями, як мікрохвильова фотоніка, його також можна застосовувати в більш широких сферах, включаючи датчики, зображення та захист.
01 Технологічна еволюція
Theволоконно-оптичний передавач, основний компонент систем оптичного зв’язку, трансформується з єдиного-функціонального модуля в інтелектуальну високо-ефективну систему. Ранні волоконно-оптичні передавачі в основному виконували базове електро-оптичне перетворення, але зараз вони стали ключовим елементом, що визначає продуктивність цілих комунікаційних мереж.
Згідно з останніми дослідженнями Інституту Фраунгофера, традиційні волоконно-оптичні системи більше не можуть відповідати вимогам майбутніх застосувань. Це змусило дослідників розробити вдосконалені технології волоконно-оптичних передавачів, наприклад використання-селективних перемикачів за довжиною хвилі та просторового мультиплексування для підвищення пропускної здатності та гнучкості мережі.
Вирішальним напрямком технологічної еволюції є підвищення спектральної ефективності. Дослідники розробили нові типи решіток для підвищення спектральної роздільної здатності від традиційних 100 ГГц до 25 ГГц. Це робить смуги частот для передачі даних вужчими, а пакети даних меншими, що дозволяє одночасно передавати більше пакетів даних в одному оптичному волокні.
02 Переваги продуктивності
Причина, по якій волоконно-оптичні передавачі стали ядром сучасних комунікаційних мереж, полягає в їхніх багатогранних перевагах продуктивності. Високошвидкісна-можливість передачі є однією з їхніх найвидатніших особливостей, підтримуючи швидкість передачі даних Гбіт/с і навіть вищу.
Ця характеристика робить їх широко застосовними в сценаріях, що вимагають масової передачі даних, таких як з’єднання центрів обробки даних і широкосмуговий доступ. Навпаки, традиційні мідні кабелі мають суттєво обмежені як швидкість передачі, так і відстань за порівнянних умов.
Волоконно-оптичні передавачі використовують оптичні сигнали для передачі даних, що призводить до менших втрат при передачі та загасання порівняно з традиційними мідними кабелями. Це означає, що сигнали можуть зберігати високу якість і стабільність на великих відстанях, зменшуючи вплив ослаблення сигналу на якість зв’язку.
Ця властивість особливо важлива для сценаріїв, що потребують-покриття на великих відстанях, як-от міські мережі (MAN) і глобальні мережі (WAN).Волоконно-оптичні передавачіможе забезпечити передачу даних на десятки або навіть сотні кілометрів.
Волоконно-оптичні передавачі менш чутливі до зовнішніх електромагнітних перешкод під час передачі. Порівняно з кабельною передачею вони можуть краще підтримувати цілісність і стабільність сигналу, менш схильні до факторів навколишнього середовища та забезпечують безпечну та надійну передачу даних.
03 Сценарії застосування
Сценарії застосування волоконно-оптичних передавачів розширилися від традиційних телекомунікацій до багатьох галузей, що розвиваються. Їх характеристики продуктивності визначають їх придатність для різних сценаріїв.
У наведеній нижче таблиці порівнюються вимоги до продуктивності волоконно-оптичних передавачів у різних сценаріях застосування:
| Сценарій застосування | Основні вимоги до виконання | Типова відстань передачі | Технічні характеристики |
|---|---|---|---|
| З'єднання центру обробки даних | Висока швидкість, низька затримка | Середня-Коротка дистанція | Висока-щільність розгортання, низьке енергоспоживання |
| MAN/WAN | Велика відстань, висока стабільність | Від десятків до сотень кілометрів | Сильний захист- від перешкод, низькі втрати |
| Мережі майбутнього (6G/Quantum Comm.) | Над-висока місткість, гнучкість | Комбінована довга/коротка дистанція | Технології мультиплексування, масштабованість |
| CATV мережі | Висока якість сигналу, широке покриття | Далека відстань | Висока вихідна потужність, контроль спотворень |
| Системи спостереження | Стабільний і надійний, висока адаптивність | Середня-Коротка дистанція | Висока адаптивність до навколишнього середовища, легке розгортання |
У сфері з’єднань центрів обробки даних малий розмір і легка природаволоконно-оптичні передавачізабезпечують гнучке планування та встановлення в-обмеженому просторі. Використання оптичних модулів і патч-кордів забезпечує високу-щільність кабелів і розгортання портів, що відповідає вимогам великих-центрів обробки даних щодо щільності інтерфейсу та компактності обладнання.
З розвитком нових технологій, таких як автономні транспортні засоби, мобільний зв’язок 6G і квантовий зв’язок, попит на волоконно-оптичні мережі постійно зростає. Ці програми вимагають вищих швидкостей передачі даних і меншої затримки, які традиційні волоконно-оптичні передавачі більше не можуть повністю задовольнити.
Проект WESORAM, розроблений німецьким Інститутом Фраунгофера, успішно продемонстрував здатність довільно направляти сигнали з 8 вхідних каналів на 16 вихідних каналів. Ця можливість «перехресного-з’єднання» збільшує пропускну здатність мережі та забезпечує більшу гнучкість для передачі та маршрутизації потоків даних.
Спеціально розроблені волоконно-оптичні передавачі також відіграють важливу роль у мережах кабельного телебачення (CATV). Наприклад, передавачі I-Type Medallion 6000 від EMCORE із зовнішньою модуляцією 1550 нм оптимізовані для міжнародних систем кабельного телебачення, підтримуючи оптоволокно до 150 кілометрів.
04 Розвиток промисловості
Технологія волоконно-оптичних передавачів швидко розвивається завдяки численним інноваційним дослідницьким проектам, що сприяють прогресу в цій галузі. Вчені досягли значного прориву в оптоволоконній швидкості зв’язку, реалізувавши швидкість передачі 1,84 Пбіт/с по волокну довжиною приблизно 8{3}}кілометрів.
Ця швидкість еквівалентна передачі даних із приблизно 236 жорстких дисків ємністю один-терабайт (1 ТБ) за секунду, що приблизно вдвічі перевищує поточний загальний глобальний інтернет-трафік. Зокрема, дослідницька група вперше досягла швидкості, що перевищує 1 Пбіт/с, використовуючи лише «один лазер + один оптичний чіп».
Технологія оптичної частотної гребінки стала ключем до цього прориву. Ця технологія перетворює світло від інфрачервоного лазера в веселковий спектр, що складається з багатьох кольорів, де частота та різниця частот між кожним монохроматичним світлом є фіксованими, що робить його придатним для мультиплексування за довжиною хвилі.
Все генероване світло є когерентним, що дозволяє здійснювати спільну цифрову обробку сигналу між різними каналами, що в кінцевому підсумку значно прискорює швидкість передачі даних.
Значного прогресу також було досягнуто в багато{0}}технології оптоволокна. Дослідницька група з Національного інституту стандартів і технологій США (NIST) вперше продемонструвала, що над-стабільні сигнали оптичного атомного годинника можна передавати сумісно разом із телекомунікаційними даними в багато-волоконному кабелі, розгорнутому на десятки кілометрів.
Це означає, що нові -оптоволоконні мережі можуть не лише передавати величезні обсяги даних, але й потенційно синхронізувати атомні годинники по всьому світу з високою точністю.
05 Виклики та майбутнє
Незважаючи на значний прогрес, технологія волоконно-оптичних передавачів все ще стикається з кількома проблемами. Вартість є однією з них, особливо в системах мультиплексування за довжиною хвилі (WDM), де вартість оптичних і оптоелектронних компонентів висока, частково через необхідність точного налаштування довжини хвилі.
Фізичні властивості діелектриків, які використовуються в цих компонентах,-залежні від температури. Ця температурна чутливість може спричинити зміщення довжин хвиль фільтра.
Проект OPTIMUX, ініційований Інститутом Фраунгофера HHI, присвячений розробці інноваційних та ефективних рішень мультиплексування для всього шляху передачі. Проект зосереджений на оптимальних стратегіях мультиплексування для оптоволоконної передачі даних з використанням просторового мультиплексування з метою досягнення символьної швидкості до 300 Гбайт.
Зі стрімким розвитком оцифровки та зростанням додатків,-керованих даними, існуюча мережева інфраструктура наближається до своїх можливостей. Хоча мультиплексування за довжиною хвилі є поширеним методом, просторове мультиплексування пропонує новий шлях для оптимізації мережі. Використовуючи кілька волоконних ядер і режимів передачі, пропускну здатність можна значно збільшити.
