Technológia optických vysielačov sa šíri z tradičných komunikačných oblastí. V oblasti umelej inteligencie sú vysokorýchlostné optické prepojenia kľúčom k prekonaniu výpočtových prekážok; v komunikácii vo viditeľnom svetle (VLC) môže poskytnúť nové spektrálne zdroje pre 6G. Prostredníctvom integrácie s technológiami, ako je mikrovlnná fotonika, sa dá použiť aj v širších oblastiach vrátane snímania, zobrazovania a obrany.
01 Technologický vývoj
Thevysielač z optických vlákien, základná súčasť optických komunikačných systémov, prechádza transformáciou z jedného-funkčného modulu na inteligentný, vysoko účinný systém-. Prvé optické vysielače vykonávali predovšetkým základnú elektro-opickú konverziu, ale teraz sa stali kľúčovým prvkom určujúcim výkon celých komunikačných sietí.
Podľa najnovšieho výskumu Fraunhoferovho inštitútu tradičné optické systémy už nemôžu spĺňať požiadavky budúcich aplikácií. To prinútilo výskumníkov vyvinúť pokročilejšie technológie vysielačov z optických vlákien, ako je používanie selektívnych prepínačov s vlnovou dĺžkou{1}} a multiplexovania s priestorovým delením na zvýšenie kapacity a flexibility siete.
Rozhodujúcim smerom v technologickom vývoji je zlepšenie spektrálnej účinnosti. Výskumníci vyvinuli nové typy mriežok na zvýšenie spektrálneho rozlíšenia z tradičných 100 GHz na 25 GHz. Vďaka tomu sú frekvenčné pásma na prenos dát užšie a dátové pakety menšie, čím je možné súčasne prenášať viac dátových paketov v rámci toho istého optického vlákna.
02 Výkonnostné výhody
Dôvod, prečo sa optické vysielače stali jadrom moderných komunikačných sietí, spočíva v ich mnohostranných výkonnostných výhodách. Schopnosť vysoko{1}}rýchlostného prenosu je jednou z ich najvýznamnejších funkcií, ktorá podporuje prenosové rýchlosti Gb/s a ešte vyššie.
Táto vlastnosť ich robí široko použiteľnými v scenároch vyžadujúcich masívny prenos dát, ako sú prepojenia dátových centier a širokopásmový prístup. Naproti tomu tradičné medené káble sú v porovnateľných podmienkach výrazne obmedzené tak v prenosovej rýchlosti, ako aj vo vzdialenosti.
Vysielače z optických vlákien používajú na prenos údajov optické signály, čo vedie k nižším prenosovým stratám a útlmu v porovnaní s tradičnými medenými káblami. To znamená, že signály si môžu zachovať vysokú kvalitu a stabilitu na veľké vzdialenosti, čím sa znižuje vplyv útlmu signálu na kvalitu komunikácie.
Táto vlastnosť je obzvlášť dôležitá pre scenáre vyžadujúce pokrytie na veľké{0}}vzdialenosti, ako sú metropolitné siete (MAN) a rozľahlé siete (WAN).Vysielače z optických vlákienmôže dosiahnuť prenos dát na desiatky alebo dokonca stovky kilometrov.
Vysielače z optických vlákien sú počas prenosu menej náchylné na vonkajšie elektromagnetické rušenie. V porovnaní s káblovým prenosom dokážu lepšie udržiavať integritu a stabilitu signálu, sú menej náchylné na faktory prostredia a zaisťujú bezpečný a spoľahlivý prenos dát.
03 Aplikačné scenáre
Aplikačné scenáre pre vysielače z optických vlákien sa rozšírili z tradičných telekomunikácií do viacerých rozvíjajúcich sa odvetví. Ich výkonnostné charakteristiky určujú ich vhodnosť pre rôzne scenáre.
Nasledujúca tabuľka porovnáva výkonnostné požiadavky na vysielače z optických vlákien v rôznych aplikačných scenároch:
| Aplikačný scenár | Hlavné požiadavky na výkon | Typická prenosová vzdialenosť | Technické vlastnosti |
|---|---|---|---|
| Prepojenie dátového centra | Vysoká rýchlosť, nízka latencia | Stredná-krátka vzdialenosť | Vysoká{0}}hustota nasadenia, nízka spotreba energie |
| MAN/WAN | Veľká vzdialenosť, vysoká stabilita | Desiatky až stovky kilometrov | Silná ochrana-interferencie, nízka strata |
| Budúce siete (6G/Quantum Comm.) | Mimoriadne{0}}vysoká kapacita, flexibilita | Kombinovaná dlhá/krátka vzdialenosť | Technológie multiplexovania, škálovateľnosť |
| CATV siete | Vysoká kvalita signálu, široké pokrytie | Dlhá vzdialenosť | Vysoký výstupný výkon, kontrola skreslenia |
| Dohľadové systémy | Stabilný a spoľahlivý, vysoká prispôsobivosť | Stredná-krátka vzdialenosť | Silná prispôsobivosť k životnému prostrediu, jednoduché nasadenie |
V oblasti prepojenia dátových centier sú malé rozmery a nízka hmotnosťvysielače z optických vlákienumožňujú flexibilné rozloženie a inštaláciu v-obmedzenom priestore. Používanie optických modulov a prepojovacích káblov umožňuje-vysokú hustotu kabeláže a nasadenie portov, čím spĺňa požiadavky veľkých- dátových centier na hustotu rozhrania a kompaktnosť vybavenia.
S rozvojom nových technológií, ako sú autonómne vozidlá, mobilná komunikácia 6G a kvantová komunikácia, dopyt po sieťach z optických vlákien neustále rastie. Tieto aplikácie vyžadujú vyššie rýchlosti prenosu dát a nižšiu latenciu, čo tradičné optické vysielače už nedokážu plne uspokojiť.
Projekt WESORAM vyvinutý nemeckým Fraunhofer Institute úspešne preukázal schopnosť ľubovoľne smerovať signály z 8 vstupných kanálov do 16 výstupných kanálov. Táto schopnosť „cross{3}}connect“ zvyšuje kapacitu siete a poskytuje väčšiu flexibilitu pri prenose a smerovaní dátových tokov.
Špeciálne navrhnuté vysielače z optických vlákien tiež zohrávajú dôležitú úlohu v sieťach káblovej televízie (CATV). Napríklad externe modulované vysielače I-Type Medallion 6000 od spoločnosti EMCORE s vlnovou dĺžkou 1550 nm sú optimalizované pre medzinárodné CATV systémy a podporujú optické spojenia do vzdialenosti 150 kilometrov.
04 Pokrok v priemysle
Technológia vysielačov z optických vlákien prechádza rýchlym vývojom s mnohými inovatívnymi výskumnými projektmi, ktoré vedú k pokroku v tejto oblasti. Vedci dosiahli zásadný prelom v rýchlosti komunikácie z optických vlákien, pričom dosiahli prenosovú rýchlosť 1,84 Pbit/s na približne 8-kilometrovom vlákne.
Táto rýchlosť zodpovedá prenosu dát z približne 236 jedno{1}}terabajtových (1TB) pevných diskov za sekundu, čo je zhruba dvojnásobok súčasnej celkovej globálnej internetovej prevádzky. Ešte pozoruhodnejšie je, že výskumný tím po prvýkrát dosiahol rýchlosť presahujúcu 1 Pbit/s iba s použitím „jediného lasera + jediného optického čipu“.
Technológia optického frekvenčného hrebeňa bola kľúčom k tomuto prelomu. Táto technológia premieňa svetlo z infračerveného lasera na dúhové spektrum zložené z mnohých farieb, kde sú frekvenčné a frekvenčné rozdiely medzi každým monochromatickým svetlom pevné, vďaka čomu je vhodná na multiplexovanie delením vlnových dĺžok.
Všetko generované svetlo je koherentné, čo umožňuje spoločné digitálne spracovanie signálu medzi rôznymi kanálmi, čo v konečnom dôsledku výrazne zrýchľuje prenos dát.
Významný pokrok sa dosiahol aj vo viac{0}}jadrovej technológii vlákien. Výskumný tím z amerického Národného inštitútu pre štandardy a technológie (NIST) po prvýkrát preukázal, že ultra-stabilné signály optických atómových hodín možno kompatibilne prenášať spolu s telekomunikačnými údajmi vo viac-jadrovom vlákne rozmiestnenom na vzdialenosť desiatok kilometrov.
To znamená, že vznikajúce vysokokapacitné optické siete by mohli nielen prenášať obrovské množstvá údajov, ale aj potenciálne s vysokou presnosťou synchronizovať atómové hodiny po celom svete.
05 Výzvy a budúcnosť
Napriek výraznému pokroku technológia vysielačov z optických vlákien stále čelí niekoľkým výzvam. Náklady sú jedným z nich, najmä v systémoch multiplexovania s delením vlnovej dĺžky (WDM), kde sú náklady na optické a optoelektronické komponenty vysoké, čiastočne kvôli potrebe presného ladenia vlnovej dĺžky.
Fyzikálne vlastnosti dielektrika použitého v týchto komponentoch závisia od teploty-. Táto teplotná citlivosť môže spôsobiť posun vlnových dĺžok filtra.
Projekt OPTIMUX, iniciovaný inštitútom Fraunhofer HHI, sa venuje vývoju inovatívnych a efektívnych riešení multiplexovania pre celú prenosovú cestu. Projekt sa zameriava na optimálne stratégie multiplexovania pre prenos dát z optických vlákien pomocou priestorového multiplexovania s cieľom dosiahnuť symbolové rýchlosti až 300 GBd.
S rýchlym rozvojom digitalizácie a nárastom dátových{0}}aplikácií sa existujúca sieťová infraštruktúra blíži k svojim limitom. Zatiaľ čo multiplexovanie delením vlnovej dĺžky je bežnou metódou, priestorové multiplexovanie ponúka novú cestu pre optimalizáciu siete. Využitím viacerých optických jadier a režimov prenosu je možné výrazne zvýšiť kapacitu.
