Технологията на оптичните предаватели се разпространява от традиционните комуникационни полета. В сферата на изкуствения интелект високо{1}}скоростните оптични връзки са от ключово значение за преодоляване на изчислителните затруднения; в комуникацията с видима светлина (VLC) може да предостави нови спектрални ресурси за 6G. Чрез интегриране с технологии като микровълнова фотоника, той може да се приложи и в по-широки области, включително сензори, изображения и защита.
01 Технологична еволюция
Theоптичен предавател, основен компонент на оптичните комуникационни системи, преминава през трансформация от единичен-функционален модул в интелигентна, високо-ефективна система. Ранните предаватели с оптични влакна извършват предимно основно електро-оптично преобразуване, но сега те са се превърнали в ключов елемент, определящ работата на цели комуникационни мрежи.
Според последното изследване на института Fraunhofer, традиционните оптични системи вече не могат да отговорят на изискванията на бъдещите приложения. Това принуди изследователите да разработят по-усъвършенствани технологии за оптични предаватели, като например използване на селективни превключватели-на дължина на вълната и мултиплексиране с пространствено разделяне за подобряване на капацитета и гъвкавостта на мрежата.
Решаваща посока в технологичната еволюция е подобряването на спектралната ефективност. Изследователите са разработили нови видове решетки, за да увеличат спектралната разделителна способност от традиционните 100 GHz на 25 GHz. Това прави честотните ленти за предаване на данни по-тесни и пакетите данни по-малки, като по този начин позволява повече пакети данни да бъдат предавани едновременно в рамките на едно и също оптично влакно.
02 Предимства на производителността
Причината, поради която оптичните предаватели са станали ядрото на съвременните комуникационни мрежи, се крие в техните многостранни предимства в производителността. Високо{1}}възможността за предаване на данни е една от най-забележителните им характеристики, поддържащи скорости на пренос на данни от Gbps и дори по-високи.
Тази характеристика ги прави широко приложими в сценарии, изискващи масивно предаване на данни, като свързване на центрове за данни и широколентов достъп. Обратно, традиционните медни кабели са значително ограничени както по отношение на скоростта на предаване, така и по отношение на разстоянието при сравними условия.
Предавателите с оптични влакна използват оптични сигнали за предаване на данни, което води до по-ниски загуби при предаване и затихване в сравнение с традиционните медни кабели. Това означава, че сигналите могат да поддържат високо качество и стабилност на големи разстояния, намалявайки влиянието на затихването на сигнала върху качеството на комуникацията.
Това свойство е особено важно за сценарии, изискващи-покритие на дълги разстояния, като например градски мрежи (MAN) и широкообхватни мрежи (WAN).Оптични предавателиможе да постигне предаване на данни на десетки или дори стотици километри.
Предавателите с оптични влакна са по-малко податливи на външни електромагнитни смущения по време на предаване. В сравнение с кабелното предаване, те могат по-добре да поддържат целостта и стабилността на сигнала, по-малко са податливи на фактори на околната среда и гарантират сигурен и надежден трансфер на данни.
03 Сценарии за приложение
Сценариите за приложение на оптични предаватели се разшириха от традиционните телекомуникации до множество нововъзникващи индустрии. Техните работни характеристики определят тяхната пригодност за различни сценарии.
Следващата таблица сравнява изискванията за производителност на оптични предаватели в различни сценарии на приложение:
| Сценарий за приложение | Основни изисквания за изпълнение | Типично разстояние на предаване | Технически характеристики |
|---|---|---|---|
| Взаимосвързване на центъра за данни | Висока скорост, ниска латентност | Средно-късо разстояние | Висока-гъстота на разполагане, ниска консумация на енергия |
| MAN/WAN | Голямо разстояние, висока стабилност | Десетки до стотици километри | Силни анти{0}}смущения, ниски загуби |
| Бъдещи мрежи (6G/Quantum Comm.) | Ултра{0}}висок капацитет, гъвкавост | Комбинирано дълго/късо разстояние | Технологии за мултиплексиране, мащабируемост |
| CATV мрежи | Високо качество на сигнала, широко покритие | дълги разстояния | Висока изходна мощност, контрол на изкривяването |
| Системи за наблюдение | Стабилен и надежден, висока адаптивност | Средно-късо разстояние | Силна адаптивност към околната среда, лесно разгръщане |
В областта на връзките на центровете за данни, малкият размер и лекото естество наоптични предавателидават възможност за гъвкаво оформление и инсталиране в среда-с ограничено пространство. Използването на оптични модули и свързващи кабели позволява окабеляване с висока-плътност и разполагане на портове, отговаряйки на изискванията на широко{3}}мащабни центрове за данни за плътност на интерфейса и компактност на оборудването.
С развитието на нови технологии като автономни превозни средства, 6G мобилна комуникация и квантова комуникация, търсенето на оптични мрежи непрекъснато нараства. Тези приложения изискват по-високи скорости на предаване на данни и по-ниска латентност, които традиционните оптични предаватели вече не могат да задоволят напълно.
Проектът WESORAM, разработен от германския институт Fraunhofer, успешно демонстрира способността за произволно насочване на сигнали от 8 входни канала към 16 изходни канала. Тази възможност за „кръстосано-свързване“ увеличава капацитета на мрежата и осигурява по-голяма гъвкавост за предаване и маршрутизиране на потоци от данни.
Специално проектираните оптични предаватели също играят жизненоважна роля в мрежите за кабелна телевизия (CATV). Например I-Type Medallion 6000 серия 1550 nm външно модулирани предаватели на EMCORE са оптимизирани за международни CATV системи, поддържащи оптични връзки до 150 километра.
04 Прогрес в индустрията
Технологията на оптичния предавател е в процес на бързо развитие, с множество иновативни изследователски проекти, които водят напредъка в тази област. Учените постигнаха голям пробив в скоростта на комуникация с оптични влакна, реализирайки скорост на предаване от 1,84 Pbit/s по влакно с дължина приблизително 8{3}} километра.
Тази скорост е еквивалентна на предаване на данни от около 236 един-терабайта (1TB) твърди дискове в секунда, което е приблизително двойно повече от текущия общ глобален интернет трафик. По-специално, изследователският екип постигна скорост, надвишаваща 1 Pbit/s за първи път, използвайки само „единичен лазер + единичен оптичен чип“.
Технологията с оптичен честотен гребен беше ключова за този пробив. Тази технология преобразува светлината от инфрачервен лазер в спектър на дъгата, съставен от много цветове, където честотата и честотните разлики между всяка монохроматична светлина са фиксирани, което я прави подходяща за мултиплексиране с разделяне на дължината на вълната.
Цялата генерирана светлина е кохерентна, което позволява съвместна цифрова обработка на сигнала между различни канали, което в крайна сметка значително ускорява скоростта на предаване на данни.
Значителен напредък бе постигнат и в много{0}}технологията за влакна. Изследователски екип от Националния институт за стандарти и технологии на САЩ (NIST) демонстрира за първи път, че ултра-стабилните оптични атомни часовникови сигнали могат да се предават съвместимо заедно с телекомуникационните данни в много-ядрено влакно, разположено на десетки километри.
Това означава, че възникващите оптични мрежи с голям{0}}капацитет могат не само да предават огромни количества данни, но и потенциално да синхронизират атомните часовници по света с висока точност.
05 Предизвикателства и бъдеще
Въпреки значителния напредък, технологията на оптичния предавател все още е изправена пред няколко предизвикателства. Цената е една от тях, особено в системите за мултиплексиране по дължина на вълната (WDM), където цената на оптичните и оптоелектронните компоненти е висока, отчасти поради необходимостта от прецизна настройка на дължината на вълната.
Физическите свойства на диелектриците, използвани в тези компоненти, зависят- от температурата. Тази температурна чувствителност може да причини промени в дължините на вълните на филтъра.
Проектът OPTIMUX, иницииран от Fraunhofer HHI Institute, е посветен на разработването на иновативни и ефективни решения за мултиплексиране за целия път на предаване. Проектът се фокусира върху оптимални стратегии за мултиплексиране за предаване на данни чрез оптични влакна, използвайки пространствено мултиплексиране, с цел постигане на символни скорости до 300 GBd.
С бързото развитие на цифровизацията и възхода на-управлявани от данни приложения, съществуващата мрежова инфраструктура наближава своите граници. Докато мултиплексирането по дължина на вълната е често срещан метод, пространственото мултиплексиране предлага нов път за оптимизация на мрежата. Чрез използване на множество влакнести ядра и режими на предаване, капацитетът може да бъде значително увеличен.
