얼마 전 주하이와 마카오 간 헝친 공동개발을 위한 중간 답안지가 서서히 펼쳐지고 있었다. 국경을 넘는 광섬유 중 하나가 눈길을 끌었습니다. 주하이와 마카오를 거쳐 마카오에서 헝친까지 컴퓨팅 성능 상호 연결 및 리소스 공유를 실현하고 정보 채널을 구축했습니다. 상하이는 또한 고품질 경제 발전과 주민들을 위한 더 나은 통신 서비스를 보장하기 위해 "광학을 구리 후면으로" 전체 광섬유 통신 네트워크의 업그레이드 및 전환 프로젝트를 추진하고 있습니다.
인터넷 기술의 급속한 발전으로 인해 인터넷 트래픽에 대한 사용자의 요구가 날로 증가하고 있으므로 광섬유 통신 용량을 어떻게 향상시킬 것인가가 시급한 문제가 되었습니다.
광섬유 통신 기술이 등장한 이후 과학기술 분야와 사회 전반에 큰 변화를 가져왔습니다. 레이저 기술의 중요한 응용으로서 광섬유 통신 기술로 대표되는 레이저 정보 기술은 현대 통신 네트워크의 틀을 구축하고 정보 전송의 중요한 부분으로 자리 잡았습니다. 광섬유 통신 기술은 현 인터넷 세계를 지탱하는 중요한 원동력이자 정보화 시대의 핵심 기술 중 하나이다.
사물인터넷, 빅데이터, 가상현실, 인공지능(AI), 5세대 이동통신(5G) 등 다양한 신기술이 지속적으로 등장하면서 정보 교환 및 전송에 대한 수요가 높아지고 있습니다. Cisco가 2019년 발표한 연구 데이터에 따르면 전 세계 연간 IP 트래픽은 2017년 1.5ZB(1ZB=1021B)에서 2022년 4.8ZB로 증가해 연평균 성장률 26%를 기록할 것으로 예상됩니다. 높은 트래픽 증가 추세에 직면하여 통신 네트워크의 가장 백본 부분인 광섬유 통신은 업그레이드에 대한 엄청난 압력을 받고 있습니다. 고속, 대용량 광섬유 통신 시스템 및 네트워크는 광섬유 통신 기술의 주류 개발 방향이 될 것입니다.
광섬유 통신기술 개발 이력 및 연구현황
최초의 루비 레이저는 1958년 Arthur Showlow와 Charles Townes가 레이저의 작동 원리를 발견한 이후 1960년에 개발되었습니다. 이후 1970년에는 상온에서 연속적으로 작동할 수 있는 최초의 AlGaAs 반도체 레이저 개발에 성공했으며, 1977년에는 반도체 레이저가 실제 환경에서 수만 시간 연속 작동하도록 구현됐다.
지금까지 레이저는 상업용 광섬유 통신을 위한 전제조건을 갖추고 있었습니다. 레이저 발명 초기부터 발명가들은 통신 분야에서 레이저의 중요한 잠재적 응용 가능성을 인식했습니다. 그러나 레이저 통신 기술에는 두 가지 명백한 단점이 있습니다. 하나는 레이저 빔의 발산으로 인해 많은 양의 에너지가 손실된다는 것입니다. 다른 하나는 대기 환경에서의 적용이 기상 조건의 변화에 크게 영향을 받는 것과 같이 적용 환경에 의해 크게 영향을 받는다는 것입니다. 따라서 레이저 통신을 위해서는 적합한 광 도파관이 매우 중요합니다.
노벨 물리학상 수상자 Kao Kung 박사가 제안한 통신에 사용되는 광섬유는 도파관용 레이저 통신 기술의 요구를 충족합니다. 그는 유리 광섬유의 레일리 산란 손실이 매우 낮을 수 있으며(20dB/km 미만), 광섬유의 전력 손실은 주로 유리 재료의 불순물에 의한 빛의 흡수에서 발생하므로 재료 정화가 핵심이라고 제안했습니다. 광섬유 손실을 줄이는 것이 핵심이며, 좋은 통신 성능을 유지하려면 단일 모드 전송이 중요하다고 지적했습니다.
1970년 코닝 글라스사는 카오 박사의 정화 제안에 따라 손실이 약 20dB/km인 석영 기반 다중 모드 광섬유를 개발하여 광섬유를 통신 전송 매체용으로 현실화했습니다. 지속적인 연구개발 끝에 석영 기반 광섬유의 손실은 이론적인 한계에 도달했습니다. 지금까지 광섬유 통신 조건은 완전히 충족되었습니다.
초기 광섬유 통신 시스템은 모두 직접 감지 수신 방식을 채택했습니다. 이는 비교적 간단한 광섬유 통신 방식이다. PD는 제곱법칙 검출기로서 광신호의 세기만 검출할 수 있다. 이러한 직접 검출 수신 방식은 1970년대 1세대 광섬유 통신 기술부터 1990년대 초반까지 이어져 왔다.
대역폭 내에서 스펙트럼 활용도를 높이려면 두 가지 측면에서 시작해야 합니다. 하나는 기술을 사용하여 Shannon 한계에 접근하는 것이지만 스펙트럼 효율성의 증가로 인해 통신 대 잡음비에 대한 요구 사항이 증가하여 전송거리; 다른 하나는 위상을 최대한 활용하는 것입니다. 편광 상태의 정보 전달 용량을 전송에 사용하는 2세대 코히어런트 광통신 시스템입니다.
2세대 코히어런트 광통신 시스템은 인트라다인 검출을 위한 광 믹서를 사용하고 편광 다이버시티 수신을 채택합니다. 즉, 수신단에서 신호광과 국부 발진기 광을 편광 상태가 직교하는 두 개의 광선으로 분해합니다. 서로에게. 이러한 방식으로 편광에 민감하지 않은 수신이 달성될 수 있습니다. 또한, 이때 수신단의 주파수 추적, 반송파 위상 복구, 등화, 동기화, 편파 추적 및 역다중화는 모두 디지털 신호 처리(DSP) 기술을 통해 완료될 수 있으므로 하드웨어가 크게 단순화된다는 점에 유의해야 합니다. 수신기 설계 및 향상된 신호 복구 기능.
광섬유 통신 기술 개발에 따른 몇 가지 과제와 고려 사항
다양한 기술의 적용을 통해 학계와 업계에서는 기본적으로 광섬유 통신 시스템의 스펙트럼 효율의 한계에 도달했습니다. 전송 용량을 계속 늘리려면 시스템 대역폭 B를 늘리거나(용량을 선형적으로 증가) 신호 대 잡음비를 늘려야 달성할 수 있습니다. 구체적인 논의는 다음과 같다.
1. 전송 전력을 높이는 솔루션
광섬유 단면적의 유효면적을 적절하게 늘려 고전력 전송으로 인한 비선형 효과를 줄일 수 있으므로 전송에 단일 모드 광섬유 대신 소수 모드 광섬유를 사용하여 전력을 높이는 솔루션입니다. 또한, 현재 가장 일반적인 비선형 효과 해결 방법은 DBP(Digital BackPropagation) 알고리즘을 사용하는 것이지만, 알고리즘 성능이 향상되면 계산 복잡성이 증가하게 됩니다. 최근 비선형 보상 분야의 기계 학습 기술에 대한 연구는 알고리즘의 복잡성을 크게 줄이는 좋은 응용 전망을 보여 주므로 향후 기계 학습을 통해 DBP 시스템 설계를 지원할 수 있습니다.
2. 광 증폭기의 대역폭을 늘리십시오.
대역폭을 늘리면 EDFA의 주파수 범위 제한을 극복할 수 있습니다. C-band, L-band 외에 S-band도 적용 범위에 포함될 수 있으며 증폭에는 SOA 또는 Raman 증폭기를 사용할 수 있습니다. 그러나 기존 광섬유는 S밴드 이외의 주파수 대역에서 손실이 크기 때문에 전송 손실을 줄이기 위한 새로운 형태의 광섬유 설계가 필요하다. 하지만 나머지 대역에서는 상용화된 광증폭 기술도 과제다.
3. 저전송손실 광섬유 연구
낮은 전송 손실 광섬유에 대한 연구는 이 분야에서 가장 중요한 문제 중 하나입니다. 중공 섬유(HCF)는 전송 손실이 낮을 가능성이 있어 섬유 전송의 시간 지연을 줄이고 섬유의 비선형 문제를 크게 제거할 수 있습니다.
4. 우주분할 다중화 관련 기술 연구
공간 분할 다중화 기술은 단일 광섬유의 용량을 늘리는 효과적인 솔루션입니다. 구체적으로 전송에는 다중 코어 광섬유가 사용되며 단일 광섬유의 용량은 두 배로 늘어납니다. 이에 대한 핵심 쟁점은 더 높은 효율의 광증폭기가 존재하는가이다. 그렇지 않으면 다중 단일 코어 광섬유와 동일할 수 있습니다. 선형 편광 모드, 위상 특이성을 기반으로 한 OAM 빔, 편광 특이성을 기반으로 한 원통형 벡터 빔을 포함한 모드 분할 다중화 기술을 사용하여 이러한 기술을 사용할 수 있습니다. 빔 다중화는 새로운 자유도를 제공하고 광통신 시스템의 용량을 향상시킵니다. 광섬유 통신 기술에 폭넓은 응용 전망을 가지고 있지만 관련 광 증폭기에 대한 연구도 과제입니다. 또한, 차동 모드 그룹 지연으로 인한 시스템 복잡성과 다중 입력 다중 출력 디지털 이퀄라이제이션 기술의 균형을 어떻게 맞출 것인지도 주목할 만합니다.
광섬유 통신 기술 발전 전망
광섬유 통신기술은 초기의 저속전송에서 현재의 고속전송에 이르기까지 발전하여 정보사회를 지탱하는 중추기술의 하나로 자리매김하며 거대한 학문과 사회장을 형성해 왔다. 미래에는 정보전송에 대한 사회의 요구가 지속적으로 증가함에 따라 광섬유 통신시스템과 네트워크 기술은 초대용량, 지능화, 통합화 방향으로 진화할 것입니다. 전송 성능을 향상시키면서 지속적으로 비용을 절감하고 국민 생활에 봉사하며 국가의 정보 구축에 도움이 될 것입니다. 사회는 중요한 역할을 한다. CeiTa는 지진, 홍수, 쓰나미와 같은 지역 안전 경고를 예측할 수 있는 여러 자연 재해 조직과 협력해 왔습니다. CeiTa의 ONU에만 연결하면 됩니다. 자연재해가 발생하면 지진국에서 조기 경보를 발령합니다. ONU Alerts 아래의 터미널이 동기화됩니다.
(1) 지능형 광 네트워크
무선 통신 시스템과 비교하여 지능형 광 네트워크의 광 통신 시스템 및 네트워크는 네트워크 구성, 네트워크 유지 관리 및 오류 진단 측면에서 아직 초기 단계에 있으며 지능 수준이 부족합니다. 단일 광섬유의 엄청난 용량으로 인해 광섬유 장애가 발생하면 경제와 사회에 큰 영향을 미칩니다. 따라서 네트워크 매개변수 모니터링은 미래 지능형 네트워크 개발에 매우 중요합니다. 앞으로 이러한 측면에서 주목해야 할 연구방향으로는 단순화된 코히어런트 기술과 머신러닝을 기반으로 한 시스템 매개변수 모니터링 시스템, 코히어런트 신호 분석 및 위상감응형 광시간 영역 반사를 기반으로 한 물리량 모니터링 기술 등이 있다.
(2) 통합 기술 및 시스템
장치 통합의 핵심 목적은 비용 절감입니다. 광섬유 통신 기술에서는 지속적인 신호 재생을 통해 신호의 근거리 고속 전송을 구현할 수 있습니다. 그러나 위상 및 편광 상태 복구 문제로 인해 응집성 시스템의 통합은 여전히 상대적으로 어렵습니다. 또한, 대규모 통합 광-전기-광학 시스템이 구현될 수 있다면 시스템 용량도 크게 향상될 것입니다. 그러나 낮은 기술적 효율성, 높은 복잡성, 통합의 어려움 등의 요인으로 인해 전광 2R(재증폭, 재성형), 3R(재증폭) 등 전광 신호를 널리 홍보하는 것은 불가능합니다. , 리타이밍 및 리쉐이핑)을 광통신 분야에서 사용합니다. 처리 기술. 따라서 통합 기술 및 시스템 측면에서 향후 연구 방향은 다음과 같다. 우주 분할 다중화 시스템에 대한 기존 연구는 상대적으로 풍부하지만, 공간 분할 다중화 시스템의 핵심 구성 요소는 아직 학계와 산업계에서 기술적 혁신을 이루지 못했다. 그리고 더욱 강화가 필요합니다. 통합 레이저 및 변조기, 2차원 통합 수신기, 고에너지 효율 통합 광 증폭기 등의 연구; 새로운 유형의 광섬유는 시스템 대역폭을 크게 확장할 수 있지만 포괄적인 성능과 제조 프로세스가 기존 단일 모드 광섬유 수준에 도달할 수 있는지 확인하려면 추가 연구가 여전히 필요합니다. 통신 링크에서 새로운 광섬유와 함께 사용할 수 있는 다양한 장치를 연구합니다.
(3) 광통신기기
광통신소자 분야에서는 실리콘 광소자에 대한 연구개발이 초기 성과를 거두었다. 그러나 현재 국내 관련 연구는 수동소자 중심으로 이루어지고 있으며, 능동소자에 대한 연구는 상대적으로 미흡한 실정이다. 광통신소자 분야에서는 능동소자와 실리콘 광소자의 융합연구, 향후 연구방향이 있다. III-V 재료 및 기판 집적 기술 연구 등 비실리콘 광소자 집적 기술 연구; 새로운 장치 연구 및 개발의 추가 개발. 고속 및 저전력 소비의 장점을 갖춘 통합 니오브산 리튬 광 도파관과 같은 후속 조치.
게시 시간: 2023년 8월 3일
