Technologie optických vysílačů se přelévá z tradičních komunikačních oborů. V oblasti umělé inteligence jsou vysokorychlostní optická propojení klíčem k překonání problémových míst ve výpočtu; v komunikaci ve viditelném světle (VLC) může poskytovat nové spektrální zdroje pro 6G. Díky integraci s technologiemi, jako je mikrovlnná fotonika, může být také aplikován na širší oblasti včetně snímání, zobrazování a obrany.
01 Technologický vývoj
Theoptický vysílač, základní součást optických komunikačních systémů, prochází transformací z jednoho-funkčního modulu na inteligentní, vysoce{1}}účinný systém. Rané optické vysílače prováděly především základní elektro-optické konverze, ale nyní se staly klíčovým prvkem určujícím výkon celých komunikačních sítí.
Podle nejnovějšího výzkumu Fraunhoferova institutu tradiční optické systémy již nemohou splňovat požadavky budoucích aplikací. To přimělo výzkumníky k vývoji pokročilejších technologií vysílačů z optických vláken, jako je použití selektivních přepínačů{1}} vlnové délky a multiplexování s prostorovým dělením ke zvýšení kapacity a flexibility sítě.
Rozhodujícím směrem technologického vývoje je zlepšování spektrální účinnosti. Výzkumníci vyvinuli nové typy mřížek pro zvýšení spektrálního rozlišení z tradičních 100 GHz na 25 GHz. To zužuje frekvenční pásma pro přenos dat a zmenšuje datové pakety, což umožňuje, aby bylo v rámci stejného optického vlákna současně přenášeno více datových paketů.
02 Výkonnostní výhody
Důvod, proč se optické vysílače staly jádrem moderních komunikačních sítí, spočívá v jejich mnohostranných výkonnostních výhodách. Vysoká-rychlost přenosu je jednou z jejich nejvýznamnějších funkcí, která podporuje přenosové rychlosti Gb/s a ještě vyšší.
Tato vlastnost je činí široce použitelnými ve scénářích vyžadujících masivní přenos dat, jako jsou propojení datových center a širokopásmový přístup. Naproti tomu tradiční měděné kabely jsou za srovnatelných podmínek výrazně omezeny jak v přenosové rychlosti, tak ve vzdálenosti.
Vysílače z optických vláken využívají k přenosu dat optické signály, což má za následek nižší přenosové ztráty a útlum ve srovnání s tradičními měděnými kabely. To znamená, že signály si mohou zachovat vysokou kvalitu a stabilitu na velké vzdálenosti, což snižuje dopad útlumu signálu na kvalitu komunikace.
Tato vlastnost je zvláště důležitá pro scénáře vyžadující-pokrytí na velké vzdálenosti, jako jsou metropolitní sítě (MAN) a rozlehlé sítě (WAN).Vysílače z optických vlákenmůže dosáhnout přenosu dat na desítky nebo dokonce stovky kilometrů.
Vysílače z optických vláken jsou během přenosu méně náchylné na vnější elektromagnetické rušení. Ve srovnání s kabelovým přenosem mohou lépe udržovat integritu a stabilitu signálu, jsou méně náchylné na faktory prostředí a zajišťují bezpečný a spolehlivý přenos dat.
03 Aplikační scénáře
Aplikační scénáře pro vysílače z optických vláken se rozšířily z tradičních telekomunikací do mnoha nově vznikajících průmyslových odvětví. Jejich výkonnostní charakteristiky určují jejich vhodnost pro různé scénáře.
Následující tabulka porovnává požadavky na výkon optických vysílačů v různých aplikačních scénářích:
| Aplikační scénář | Hlavní požadavky na výkon | Typická přenosová vzdálenost | Technické vlastnosti |
|---|---|---|---|
| Propojení datového centra | Vysoká rychlost, nízká latence | Střední-Krátká vzdálenost | Vysoká{0}}hustota nasazení, nízká spotřeba energie |
| MAN/WAN | Dlouhá vzdálenost, vysoká stabilita | Desítky až stovky kilometrů | Silná ochrana-interference, nízká ztráta |
| Budoucí sítě (6G/Quantum Comm.) | Mimořádně-vysoká kapacita, flexibilita | Kombinovaná dlouhá/krátká vzdálenost | Technologie multiplexování, škálovatelnost |
| CATV sítě | Vysoká kvalita signálu, široké pokrytí | Dlouhá vzdálenost | Vysoký výstupní výkon, kontrola zkreslení |
| Dohledové systémy | Stabilní a spolehlivý, vysoká přizpůsobivost | Střední-Krátká vzdálenost | Silná přizpůsobivost prostředí, snadné nasazení |
V oblasti propojení datových center, malá velikost a lehká povahavysílače z optických vlákenumožňují flexibilní rozvržení a instalaci v prostorově{0}}omezených prostředích. Použití optických modulů a propojovacích kabelů umožňuje-vysokou hustotu kabeláže a nasazení portů, což splňuje požadavky velkých-datových center na hustotu rozhraní a kompaktnost zařízení.
S rozvojem nových technologií, jako jsou autonomní vozidla, mobilní komunikace 6G a kvantová komunikace, poptávka po sítích z optických vláken neustále roste. Tyto aplikace vyžadují vyšší rychlosti přenosu dat a nižší latenci, což tradiční vysílače z optických vláken již nemohou plně uspokojit.
Projekt WESORAM vyvinutý německým Fraunhofer Institutem úspěšně prokázal schopnost libovolně směrovat signály z 8 vstupních kanálů do 16 výstupních kanálů. Tato možnost „křížového-připojení“ zvyšuje kapacitu sítě a poskytuje větší flexibilitu pro přenos a směrování datových toků.
Speciálně navržené vysílače z optických vláken také hrají zásadní roli v sítích kabelové televize (CATV). Například 1550 nm externě modulované vysílače I-Type Medallion společnosti EMCORE řady 6000 jsou optimalizovány pro mezinárodní CATV systémy a podporují optické spoje až do vzdálenosti 150 kilometrů.
04 Průmyslový pokrok
Technologie vysílačů s optickými vlákny prochází rychlým vývojem s řadou inovativních výzkumných projektů, které pohánějí pokrok v této oblasti. Vědci dosáhli zásadního průlomu v rychlosti komunikace pomocí optických vláken, když si uvědomili přenosovou rychlost 1,84 Pbit/s na přibližně 8-kilometrovém vláknu.
Tato rychlost odpovídá přenosu dat z přibližně 236 jedno{1}}terabajtových (1TB) pevných disků za sekundu, což je zhruba dvojnásobek současného celkového celosvětového internetového provozu. Pozoruhodnější je, že výzkumný tým poprvé dosáhl rychlosti překračující 1 Pbit/s pouze pomocí „jediného laseru + jediného optického čipu“.
Technologie optického frekvenčního hřebenu byla klíčem k tomuto průlomu. Tato technologie převádí světlo z infračerveného laseru na duhové spektrum složené z mnoha barev, kde jsou frekvenční a frekvenční rozdíly mezi každým monochromatickým světlem pevné, takže je vhodná pro multiplexování dělením vlnové délky.
Veškeré generované světlo je koherentní, což umožňuje společné digitální zpracování signálu mezi různými kanály, což v konečném důsledku značně zrychluje přenosové rychlosti dat.
Významného pokroku bylo dosaženo také v technologii více{0}}jádrových vláken. Výzkumný tým z amerického Národního institutu pro standardy a technologie (NIST) poprvé prokázal, že ultra-stabilní signály optických atomových hodin lze kompatibilně přenášet spolu s telekomunikačními daty ve více-jádrovém vláknu nasazeném na desítky kilometrů.
To znamená, že vznikající vysokokapacitní optické sítě by mohly nejen přenášet obrovské množství dat, ale také potenciálně s vysokou přesností synchronizovat atomové hodiny po celém světě.
05 Výzvy a budoucnost
Navzdory značnému pokroku technologie optických vysílačů stále čelí několika výzvám. Náklady jsou jedním z nich, zejména v systémech vlnového multiplexování (WDM), kde jsou náklady na optické a optoelektronické komponenty vysoké, částečně kvůli potřebě přesného ladění vlnové délky.
Fyzikální vlastnosti dielektrik použitých v těchto součástech jsou -závislé na teplotě. Tato teplotní citlivost může způsobit posuny vlnových délek filtru.
Projekt OPTIMUX, iniciovaný institutem Fraunhofer HHI, se věnuje vývoji inovativních a efektivních řešení multiplexování pro celou přenosovou cestu. Projekt se zaměřuje na optimální strategie multiplexování pro přenos dat optickými vlákny pomocí prostorového multiplexování s cílem dosáhnout symbolových rychlostí až 300 GBd.
S rychlým rozvojem digitalizace a vzestupem{0}}datově řízených aplikací se stávající síťová infrastruktura blíží svým limitům. Zatímco multiplexování vlnovou délkou je běžnou metodou, prostorové multiplexování nabízí novou cestu pro optimalizaci sítě. Využitím více vláknových jader a přenosových režimů lze výrazně zvýšit kapacitu.
