つい最近まで、珠海とマカオの間の横琴の共同開発に関する年央の解答用紙がゆっくりと明らかにされつつあった。国境を越えた光ファイバーの一つが注目を集めた。珠海とマカオを経由して、マカオから横琴までのコンピューティングパワーの相互接続とリソースの共有を実現し、情報チャネルを構築しました。上海市はまた、質の高い経済発展と住民のためのより良い通信サービスを確保するために、「光から銅バックへ」全ファイバー通信ネットワークのアップグレードと変革プロジェクトも推進している。
インターネット技術の急速な発展に伴い、ユーザーのインターネットトラフィックに対する需要は日に日に増大しており、光ファイバー通信の容量をいかに向上させるかが喫緊の課題となっている。
光ファイバー通信技術の登場以来、科学技術や社会の分野に大きな変化をもたらしてきました。レーザー技術の重要な応用として、光ファイバー通信技術に代表されるレーザー情報技術は、現代の通信ネットワークの枠組みを構築し、情報伝達の重要な部分となっています。光ファイバー通信技術は、現在のインターネット世界を支える重要な技術であり、情報化時代の中核技術の一つでもあります。
モノのインターネット、ビッグデータ、仮想現実、人工知能 (AI)、第 5 世代移動通信 (5G) およびその他のテクノロジーなど、さまざまな新興テクノロジーが継続的に出現するにつれ、情報交換と送信に対する要求が高まっています。シスコが 2019 年に発表した調査データによると、世界の年間 IP トラフィックは 2017 年の 1.5ZB (1ZB=1021B) から 2022 年には 4.8ZB に増加し、年間複合成長率は 26% になると予想されています。高トラフィックの増加傾向に直面して、通信ネットワークの最も基幹部分である光ファイバー通信は、アップグレードするという多大なプレッシャーにさらされています。高速、大容量の光ファイバ通信システムおよびネットワークは、光ファイバ通信技術の発展の主流となるでしょう。
光ファイバー通信技術の開発の歴史と研究状況
最初のルビー レーザーは、1958 年にアーサー ショーローとチャールズ タウンズがレーザーの仕組みを発見した後、1960 年に開発されました。その後、1970 年に室温で連続動作可能な最初の AlGaAs 半導体レーザーの開発に成功し、1977 年に半導体レーザーは実用環境下で数万時間の連続動作を実現しました。
これまでのところ、レーザーは商用光ファイバー通信の前提条件を備えています。レーザーの発明の当初から、発明者らは通信分野におけるレーザーの重要な潜在的応用を認識していました。しかし、レーザー通信技術には明らかな欠点が 2 つあります。1 つはレーザー ビームの発散により大量のエネルギーが失われることです。もう1つは、大気環境でのアプリケーションは気象条件の変化に大きく影響されるなど、アプリケーション環境に大きく影響されることです。したがって、レーザー通信には、適切な光導波路が非常に重要です。
ノーベル物理学賞受賞者のカオ・クン博士が提案した通信用光ファイバーは、導波路用レーザー通信技術のニーズを満たしています。彼は、ガラス光ファイバのレイリー散乱損失は非常に低く (20 dB/km 未満)、光ファイバのパワー損失は主にガラス材料の不純物による光の吸収に起因するため、材料の精製が鍵であると提案しました。光ファイバ損失の低減が重要であり、良好な通信性能を維持するにはシングルモード伝送が重要であるとも指摘しました。
1970 年、コーニング グラス カンパニーは、Kao 博士の精製提案に従って、損失が約 20dB/km の石英ベースのマルチモード光ファイバを開発し、光ファイバが通信伝送媒体として現実のものとなりました。継続的な研究開発の結果、石英ベースの光ファイバーの損失は理論上の限界に近づきました。これまでのところ、光ファイバー通信の条件は十分に満たされています。
初期の光ファイバー通信システムはすべて直接検出方式の受信方式を採用していました。比較的シンプルな光ファイバー通信方式です。PD は 2 乗検波器であり、光信号の強度のみを検出できます。この直接検波受信方式は、1970年代の光ファイバー通信技術の第一世代から1990年代初頭まで継続されてきました。
帯域幅内でのスペクトル利用率を高めるには、2 つの側面から始める必要があります。1 つはテクノロジーを使用してシャノンの限界に近づくことですが、スペクトル効率の向上により、通信対雑音比の要件が増加し、それによって通信の帯域幅が減少します。伝送距離。もう 1 つは位相を最大限に利用するものです。偏波状態の情報伝達能力を伝送に使用します。これが第 2 世代コヒーレント光通信システムです。
第2世代コヒーレント光通信システムは、イントラダイン検波に光ミキサを用い、受信側で信号光と局発光を偏波状態が直交する2つの光に分解する偏波ダイバーシティ受信を採用しています。お互いに。このようにして、偏波に依存しない受信を実現できます。さらに、現時点では、受信側での周波数追跡、搬送波位相回復、等化、同期、偏波追跡および逆多重化はすべてデジタル信号処理 (DSP) テクノロジーによって完了できるため、ハードウェアが大幅に簡素化されることも指摘しておく必要があります。受信機の設計が改善され、信号回復能力が向上しました。
光ファイバー通信技術の開発が直面するいくつかの課題と考慮事項
さまざまな技術の応用により、学界と産業界は基本的に光ファイバー通信システムのスペクトル効率の限界に到達しました。伝送容量を増加し続けるには、システム帯域幅 B を増加する (容量を直線的に増加させる) か、信号対雑音比を増加することによってのみ達成できます。具体的な議論は以下の通りである。
1. 送信電力を高めるソリューション
大電力伝送によって生じる非線形効果は、ファイバ断面積の有効断面積を適切に増やすことで低減できるため、伝送にシングルモードファイバの代わりに少数モードファイバを使用することは、電力を増加させるための解決策です。さらに、非線形効果に対する現在の最も一般的な解決策は、デジタル バックプロパゲーション (DBP) アルゴリズムを使用することですが、アルゴリズムのパフォーマンスの向上は計算の複雑さの増加につながります。最近、非線形補償における機械学習技術の研究により、アルゴリズムの複雑さが大幅に軽減される優れた応用の見通しが示されているため、将来的には DBP システムの設計が機械学習によって支援される可能性があります。
2. 光アンプの帯域幅を増やす
帯域幅を増やすと、EDFA の周波数範囲の制限を突破できます。Cバンド、Lバンドに加えてSバンドも適用範囲に含めることができ、増幅にはSOA増幅器やラマン増幅器を使用することができます。しかし、既存の光ファイバはSバンド以外の周波数帯域で損失が大きく、伝送損失を低減するには新しいタイプの光ファイバを設計する必要があります。しかし、残りの帯域については、市販の光増幅技術も課題です。
3. 低伝送損失光ファイバの研究
低伝送損失ファイバの研究は、この分野における最も重要な課題の 1 つです。中空コアファイバ（HCF）は伝送損失が低い可能性があり、これによりファイバ伝送の時間遅延が減少し、ファイバの非線形問題を大幅に解消できます。
4. 空間分割多重関連技術の研究
空間分割多重技術は、単一ファイバーの容量を増加させる効果的なソリューションです。具体的には、伝送にマルチコア光ファイバを使用し、1本の光ファイバの容量を2倍にします。この点での中心的な問題は、より高効率な光アンプがあるかどうかです。そうでない場合は、複数の単芯光ファイバーと同等にしかなりません。直線偏波モード、位相特異点に基づくOAMビーム、偏波特異点に基づく円筒ベクトルビームなどのモード分割多重技術を使用することで、ビーム多重化により新たな自由度が提供され、光通信システムの容量が向上します。光ファイバ通信技術への幅広い応用が期待されていますが、関連する光増幅器の研究も課題です。また、差動モード群遅延や多入力多出力デジタル等化技術によるシステムの複雑さをどのようにバランスさせるかにも注目です。
光ファイバー通信技術の発展の展望
光ファイバ通信技術は、初期の低速伝送から現在の高速伝送まで発展し、情報社会を支える基幹技術の一つとなり、巨大な学問分野と社会分野を形成しています。今後、社会の情報伝達需要はますます増大し、光ファイバー通信システムやネットワーク技術は超大容量化、高知能化、高集積化へと進化していきます。伝送性能を向上させながら、コストを削減し続け、国民の生活に貢献し、国の情報構築に貢献します。社会は重要な役割を果たしています。CeiTa は、地震、洪水、津波などの地域の安全警告を予測できる多くの自然災害団体と協力してきました。CeiTaのONUに接続するだけです。自然災害が発生すると、地震観測所が緊急警報を発令します。ONU Alerts 配下の端末が同期されます。
(1) インテリジェント光ネットワーク
無線通信システムと比較すると、光通信システムとインテリジェント光ネットワークのネットワークは、ネットワーク構成、ネットワーク保守、障害診断の点でまだ初期段階にあり、インテリジェンスの程度が不十分である。1本のファイバの容量は非常に大きいため、ファイバに障害が発生すると経済や社会に大きな影響を及ぼします。したがって、ネットワークパラメータの監視は、将来のインテリジェントネットワークの開発にとって非常に重要です。この面で今後注目すべき研究方向としては、簡易コヒーレント技術と機械学習に基づくシステムパラメータモニタリングシステム、コヒーレント信号解析や位相感応光時間領域反射に基づく物理量モニタリング技術などが挙げられる。
(2) 統合された技術とシステム
デバイス統合の中心的な目的は、コストを削減することです。光ファイバー通信技術では、連続的な信号再生により短距離の高速信号伝送を実現します。ただし、位相と偏光状態の回復の問題により、コヒーレント システムの統合は依然として比較的困難です。また、大規模な光・電気・光集積システムが実現できれば、システム容量も大幅に向上する。しかし、技術効率の低さ、複雑さの高さ、統合の難しさなどの要因により、全光2R（再増幅、再整形）、3R（再増幅）などの全光信号を広く推進することは不可能です。 、リタイミング、およびリシェーピング）を光通信の分野で利用します。加工技術。したがって、統合技術とシステムの観点から、今後の研究の方向性は次のとおりです。空間分割多重システムに関する既存の研究は比較的充実していますが、空間分割多重システムの主要コンポーネントはまだ学界や産業界で技術的なブレークスルーを達成していません。そして更なる強化が必要です。集積レーザーと変調器、二次元集積受信機、高エネルギー効率集積光増幅器などの研究。新しいタイプの光ファイバーはシステム帯域幅を大幅に拡大する可能性がありますが、その総合的な性能と製造プロセスが既存の単一モードファイバーのレベルに到達できることを確認するには、さらなる研究がまだ必要です。通信リンクの新しいファイバーで使用できるさまざまなデバイスを研究します。
(3) 光通信デバイス
光通信デバイスでは、シリコンフォトニックデバイスの研究開発が初期の成果を上げています。しかし、現時点では国内の関連研究は受動素子が中心で、能動素子の研究は比較的少ないです。光通信デバイスに関しては、今後の研究の方向性として、能動デバイスとシリコン光デバイスの融合研究、光デバイスとの融合研究、光デバイスの融合研究などが挙げられる。III-V族材料と基板の集積技術の研究など、非シリコン光デバイスの集積技術の研究。新しいデバイスの研究開発をさらに発展させます。高速・低消費電力の利点を備えた一体型ニオブ酸リチウム光導波路などをフォローアップ。
投稿時刻: 2023 年 8 月 3 日
