Tehnologija optičnih oddajnikov se preliva iz tradicionalnih komunikacijskih področij. Na področju umetne inteligence so-hitrostne optične povezave ključnega pomena za prebijanje skozi računalniška ozka grla; v komunikaciji v vidni svetlobi (VLC) lahko zagotovi nove spektralne vire za 6G. Z integracijo s tehnologijami, kot je mikrovalovna fotonika, ga je mogoče uporabiti tudi na širših področjih, vključno z zaznavanjem, slikanjem in obrambo.
01 Tehnološki razvoj
Theoddajnik z optičnimi vlakni, osrednja komponenta optičnih komunikacijskih sistemov, se preoblikuje iz enega-funkcijskega modula v inteligenten, visoko-učinkovit sistem. Zgodnji oddajniki z optičnimi vlakni so izvajali predvsem osnovno elektro{3}}optično pretvorbo, zdaj pa so postali ključni element, ki določa učinkovitost celotnih komunikacijskih omrežij.
Po najnovejših raziskavah inštituta Fraunhofer tradicionalni sistemi z optičnimi vlakni ne morejo več izpolnjevati zahtev prihodnjih aplikacij. To je prisililo raziskovalce, da so razvili naprednejše tehnologije oddajnikov z optičnimi vlakni, kot je uporaba-selektivnih stikal za valovne dolžine in prostorskega multipleksiranja za povečanje zmogljivosti in prilagodljivosti omrežja.
Ključna smer v tehnološkem razvoju je izboljšanje spektralne učinkovitosti. Raziskovalci so razvili nove vrste rešetk za povečanje spektralne ločljivosti s tradicionalnih 100 GHz na 25 GHz. Zaradi tega so frekvenčni pasovi za prenos podatkov ožji in podatkovni paketi manjši, kar omogoča hkratni prenos več podatkovnih paketov znotraj istega optičnega vlakna.
02 Prednosti delovanja
Razlog, da so oddajniki z optičnimi vlakni postali jedro sodobnih komunikacijskih omrežij, je v njihovih večplastnih zmogljivostnih prednostih. Zmogljivost prenosa visoke-hitrosti je ena od njihovih najpomembnejših lastnosti, saj podpira hitrosti prenosa podatkov Gbps in celo višje.
Zaradi te lastnosti so široko uporabni v scenarijih, ki zahtevajo obsežen prenos podatkov, kot so medsebojne povezave podatkovnih centrov in širokopasovni dostop. V nasprotju s tem so tradicionalni bakreni kabli znatno omejeni tako glede hitrosti prenosa kot razdalje v primerljivih pogojih.
Oddajniki z optičnimi vlakni uporabljajo optične signale za prenos podatkov, kar ima za posledico nižje izgube pri prenosu in slabljenje v primerjavi s tradicionalnimi bakrenimi kabli. To pomeni, da lahko signali ohranijo visoko kakovost in stabilnost na dolgih razdaljah, kar zmanjša vpliv oslabitve signala na kakovost komunikacije.
Ta lastnost je še posebej pomembna za scenarije, ki zahtevajo pokritost-na velike razdalje, kot so metropolitanska omrežja (MAN) in prostrana omrežja (WAN).Oddajniki z optičnimi vlaknilahko doseže prenos podatkov na več deset ali celo sto kilometrov.
Oddajniki z optičnimi vlakni so med prenosom manj dovzetni za zunanje elektromagnetne motnje. V primerjavi s kabelskim prenosom lahko bolje ohranjajo celovitost in stabilnost signala, manj so izpostavljeni okoljskim dejavnikom ter zagotavljajo varen in zanesljiv prenos podatkov.
03 Scenariji uporabe
Scenariji uporabe za oddajnike z optičnimi vlakni so se iz tradicionalnih telekomunikacij razširili na številne nastajajoče industrije. Njihove značilnosti delovanja določajo njihovo primernost za različne scenarije.
Naslednja tabela primerja zahteve glede zmogljivosti za oddajnike z optičnimi vlakni v različnih scenarijih uporabe:
| Scenarij uporabe | Glavne zahteve glede delovanja | Tipična razdalja prenosa | Tehnične lastnosti |
|---|---|---|---|
| Medsebojno povezovanje podatkovnega centra | Visoka hitrost, nizka latenca | Srednja-kratka razdalja | Visoka-gostota uvajanja, nizka poraba energije |
| MAN/WAN | Dolge razdalje, visoka stabilnost | Od deset do sto kilometrov | Močna proti-motnja, nizka izguba |
| Omrežja prihodnosti (6G/Quantum Comm.) | Ultra-visoka zmogljivost, prilagodljivost | Kombinirana dolga/kratka razdalja | Tehnologije multipleksiranja, razširljivost |
| CATV omrežja | Visoka kakovost signala, široka pokritost | Na dolge razdalje | Visoka izhodna moč, nadzor popačenja |
| Nadzorni sistemi | Stabilen in zanesljiv, visoka prilagodljivost | Srednja-kratka razdalja | Močna okoljska prilagodljivost, enostavna namestitev |
Na področju medsebojnih povezav podatkovnih centrov sta majhnost in lahka naravaoddajniki z optičnimi vlakniomogočajo prilagodljivo postavitev in namestitev v-prostorsko omejenih okoljih. Uporaba optičnih modulov in povezovalnih kablov omogoča visoko-gostoto kablov in razporeditev vrat, kar izpolnjuje zahteve velikih-podatkovnih centrov glede gostote vmesnikov in kompaktnosti opreme.
Z razvojem novih tehnologij, kot so avtonomna vozila, mobilna komunikacija 6G in kvantna komunikacija, povpraševanje po omrežjih z optičnimi vlakni nenehno narašča. Te aplikacije zahtevajo višje hitrosti prenosa podatkov in manjše zakasnitve, česar tradicionalni oddajniki z optičnimi vlakni ne morejo več v celoti zadovoljiti.
Projekt WESORAM, ki ga je razvil nemški inštitut Fraunhofer, je uspešno pokazal sposobnost poljubnega usmerjanja signalov iz 8 vhodnih kanalov v 16 izhodnih kanalov. Ta zmožnost »navzkrižne-povezave« poveča zmogljivost omrežja in zagotavlja večjo prilagodljivost za prenos in usmerjanje podatkovnih tokov.
Posebej zasnovani oddajniki z optičnimi vlakni imajo ključno vlogo tudi v omrežjih kabelske televizije (CATV). Na primer, zunanje modulirani oddajniki I-Type Medallion 6000 podjetja EMCORE 1550 nm so optimizirani za mednarodne sisteme CATV in podpirajo optične povezave do 150 kilometrov.
04 Napredek industrije
Tehnologija oddajnikov z optičnimi vlakni se hitro razvija, številni inovativni raziskovalni projekti pa spodbujajo napredek na tem področju. Znanstveniki so dosegli velik preboj v hitrosti komunikacije z optičnimi vlakni, saj so dosegli hitrost prenosa 1,84 Pbit/s po približno 8-kilometrov dolgem vlaknu.
Ta hitrost je enakovredna prenosu podatkov s približno 236 eno-terabajtnih (1TB) trdih diskov na sekundo, kar je približno dvakrat več od trenutnega celotnega svetovnega internetnega prometa. Še posebej pomembno je, da je raziskovalna skupina prvič dosegla hitrost, ki presega 1 Pbit/s, z uporabo samo "enega laserja + enega optičnega čipa."
Tehnologija optičnega frekvenčnega glavnika je bila ključna za ta preboj. Ta tehnologija pretvori svetlobo infrardečega laserja v mavrični spekter, sestavljen iz številnih barv, kjer so frekvenca in frekvenčne razlike med vsako monokromatsko svetlobo fiksne, zaradi česar je primerna za multipleksiranje z delitvijo valovnih dolžin.
Vsa ustvarjena svetloba je koherentna, kar omogoča skupno digitalno obdelavo signalov med različnimi kanali, kar na koncu močno pospeši hitrost prenosa podatkov.
Pomemben napredek je bil dosežen tudi na področju več{0}}tehnologije vlaken. Raziskovalna skupina ameriškega nacionalnega inštituta za standarde in tehnologijo (NIST) je prvič pokazala, da je mogoče ultra-stabilne signale optične atomske ure prenašati združljivo skupaj s telekomunikacijskimi podatki v več-jedrnem vlaknu, razporejenem na več deset kilometrov.
To pomeni, da nastajajoča visoko{0}}zmogljiva optična omrežja ne bi mogla le prenašati ogromnih količin podatkov, temveč bi lahko tudi z visoko natančnostjo sinhronizirala atomske ure po vsem svetu.
05 Izzivi in prihodnost
Kljub znatnemu napredku se tehnologija oddajnikov z optičnimi vlakni še vedno sooča s številnimi izzivi. Stroški so eden izmed njih, zlasti v sistemih za multipleksiranje z delitvijo valovnih dolžin (WDM), kjer so stroški optičnih in optoelektronskih komponent visoki, deloma zaradi potrebe po natančni nastavitvi valovne dolžine.
Fizikalne lastnosti dielektrikov, uporabljenih v teh komponentah, so-odvisne od temperature. Ta temperaturna občutljivost lahko povzroči premike v valovnih dolžinah filtra.
Projekt OPTIMUX, ki ga je sprožil inštitut Fraunhofer HHI, je namenjen razvoju inovativnih in učinkovitih rešitev za multipleksiranje za celotno prenosno pot. Projekt se osredotoča na optimalne strategije multipleksiranja za prenos podatkov po optičnih vlaknih z uporabo prostorskega multipleksiranja, s ciljem doseči hitrosti simbolov do 300 GBd.
S hitrim razvojem digitalizacije in porastom aplikacij-, ki temeljijo na podatkih, se obstoječa omrežna infrastruktura približuje svojim mejam. Medtem ko je multipleksiranje po valovnih dolžinah običajna metoda, ponuja prostorsko multipleksiranje novo pot za optimizacijo omrežja. Z uporabo več jeder vlaken in načinov prenosa je mogoče znatno povečati zmogljivost.
