Teknologien med fiberoptiske sendere smitter af på traditionelle kommunikationsområder. Inden for kunstig intelligens er optiske højhastighedsforbindelser nøglen til at bryde gennem beregningsmæssige flaskehalse; i visible light communication (VLC), kan det give nye spektrale ressourcer til 6G. Gennem integration med teknologier såsom mikrobølgefotonik kan det også anvendes til bredere områder, herunder sansning, billeddannelse og forsvar.
01 Teknologisk udvikling
Defiberoptisk sender, en kernekomponent i optiske kommunikationssystemer, gennemgår en transformation fra et enkelt-funktionsmodul til et intelligent,-højeffektivt system. Tidlige fiberoptiske sendere udførte primært grundlæggende elektro-optisk konvertering, men de er nu blevet et nøgleelement, der bestemmer ydeevnen af hele kommunikationsnetværk.
Ifølge den seneste forskning fra Fraunhofer Instituttet kan traditionelle fiberoptiske systemer ikke længere opfylde kravene til fremtidige applikationer. Dette har tvunget forskere til at udvikle mere avancerede fiberoptiske transmitterteknologier, såsom brug af bølgelængde-selektive switche og rumlig divisionsmultipleksing for at forbedre netværkskapacitet og fleksibilitet.
En afgørende retning i den teknologiske udvikling er at forbedre den spektrale effektivitet. Forskere har udviklet nye typer gitre for at øge spektral opløsning fra den traditionelle 100GHz til 25GHz. Dette gør frekvensbåndene til datatransmission smallere og datapakkerne mindre, hvorved flere datapakker kan transmitteres samtidigt inden for den samme optiske fiber.
02 Ydeevnefordele
Årsagen til fiberoptiske sendere er blevet kernen i moderne kommunikationsnetværk ligger i deres mangefacetterede ydeevnefordele. Høj-transmissionskapacitet er en af deres mest fremtrædende funktioner, der understøtter dataoverførselshastigheder på Gbps og endnu højere.
Denne egenskab gør dem bredt anvendelige i scenarier, der kræver massiv datatransmission, såsom datacenterforbindelser og bredbåndsadgang. I modsætning hertil er traditionelle kobberkabler betydeligt begrænset i både transmissionshastighed og afstand under sammenlignelige forhold.
Fiberoptiske sendere bruger optiske signaler til at transmittere data, hvilket resulterer i lavere transmissionstab og dæmpning sammenlignet med traditionelle kobberkabler. Det betyder, at signaler kan opretholde høj kvalitet og stabilitet over lange afstande, hvilket reducerer indvirkningen af signaldæmpning på kommunikationskvaliteten.
Denne egenskab er især vigtig for scenarier, der kræver lang-afstandsdækning, såsom metropolitan area networks (MAN'er) og wide area networks (WAN'er).Fiberoptiske senderekan opnå datatransmission over ti eller endda hundreder af kilometer.
Fiberoptiske sendere er mindre modtagelige for ekstern elektromagnetisk interferens under transmission. Sammenlignet med kabeltransmission kan de bedre opretholde signalintegritet og stabilitet, er mindre tilbøjelige til miljøfaktorer og sikrer sikker og pålidelig dataoverførsel.
03 Applikationsscenarier
Anvendelsesscenarierne for fiberoptiske sendere er udvidet fra traditionel telekommunikation til flere nye industrier. Deres præstationskarakteristika bestemmer deres egnethed til forskellige scenarier.
Følgende tabel sammenligner ydeevnekravene for fiberoptiske transmittere i forskellige anvendelsesscenarier:
| Applikationsscenario | Vigtigste præstationskrav | Typisk transmissionsafstand | Tekniske egenskaber |
|---|---|---|---|
| Datacentersammenkobling | Høj hastighed, lav latens | Medium-Kort afstand | Implementering med høj-densitet, lavt strømforbrug |
| MAN/WAN | Lang afstand, høj stabilitet | Ti til hundrede af kilometer | Stærk anti-interferens, lavt tab |
| Fremtidige netværk (6G/Quantum Comm.) | Ultra-høj kapacitet, fleksibilitet | Kombineret lang/kort afstand | Multiplexing-teknologier, skalerbarhed |
| CATV netværk | Høj signalkvalitet, bred dækning | Langdistance | Høj udgangseffekt, forvrængningskontrol |
| Overvågningssystemer | Stabil og pålidelig, høj tilpasningsevne | Medium-Kort afstand | Stærk miljøtilpasningsevne, nem implementering |
Inden for datacenterforbindelser er den lille størrelse og lette naturfiberoptiske senderegive mulighed for fleksibelt layout og installation i{0}}pladsbegrænsede miljøer. Brug af optiske moduler og patch-kabler muliggør kabling og portinstallation med høj-densitet og opfylder kravene fra store-datacentre til grænsefladetæthed og udstyrs kompakthed.
Med udviklingen af nye teknologier som autonome køretøjer, 6G mobilkommunikation og kvantekommunikation er efterspørgslen efter fiberoptiske netværk konstant stigende. Disse applikationer kræver højere datatransmissionshastigheder og lavere latens, hvilket traditionelle fiberoptiske sendere ikke længere fuldt ud kan opfylde.
WESORAM-projektet udviklet af Tysklands Fraunhofer Institut demonstrerede med succes evnen til vilkårligt at dirigere signaler fra 8 inputkanaler til 16 outputkanaler. Denne "kryds-forbindelse"-kapacitet øger netværkskapaciteten og giver større fleksibilitet til transmission og routing af datastrømme.
Specielt designede fiberoptiske sendere spiller også en afgørende rolle i kabel-tv-netværk (CATV). For eksempel er EMCOREs I-Type Medallion 6000-serie 1550 nm eksternt modulerede sendere optimeret til internationale CATV-systemer, der understøtter fiberforbindelser på op til 150 kilometer.
04 Industriens fremskridt
Fiberoptisk transmitterteknologi er under hastig udvikling, hvor adskillige innovative forskningsprojekter driver fremskridt på dette område. Forskere har opnået et stort gennembrud i fiberoptisk kommunikationshastighed ved at realisere en transmissionshastighed på 1,84 Pbit/s over en cirka 8-kilometer lang fiber.
Denne hastighed svarer til at overføre data fra omkring 236 én-terabyte (1TB) harddiske pr. sekund, omtrent det dobbelte af den nuværende samlede globale internettrafik. Mere bemærkelsesværdigt opnåede forskerholdet en hastighed på over 1 Pbit/s for første gang ved brug af kun en "enkelt laser + enkelt optisk chip."
Optisk frekvenskamteknologi var nøglen til dette gennembrud. Denne teknologi konverterer lys fra en infrarød laser til et regnbuespektrum sammensat af mange farver, hvor frekvens- og frekvensforskellene mellem hvert monokromatisk lys er faste, hvilket gør det velegnet til bølgelængdedelingsmultipleksing.
Alt genereret lys er sammenhængende, hvilket giver mulighed for fælles digital signalbehandling mellem forskellige kanaler, hvilket i sidste ende i høj grad accelererer datatransmissionshastighederne.
Der er også gjort betydelige fremskridt inden for multi-kernefiberteknologi. Et forskerhold fra US National Institute of Standards and Technology (NIST) demonstrerede for første gang, at ultra-stabile optiske atomursignaler kan transmitteres kompatibelt sammen med telekommunikationsdata i en multi-kernefiber, der er installeret over snesevis af kilometer.
Det betyder, at nye fibernetværk med høj-kapacitet ikke kun kan transmittere enorme mængder data, men også potentielt synkronisere atomure rundt om i verden med høj præcision.
05 Udfordringer og fremtid
På trods af betydelige fremskridt står fiberoptisk transmitterteknologi stadig over for flere udfordringer. Omkostninger er en af dem, især i bølgelængdedelingsmultiplekseringssystemer (WDM), hvor omkostningerne til optiske og optoelektroniske komponenter er høje, delvist på grund af behovet for præcis bølgelængdetuning.
De fysiske egenskaber af dielektrikkerne, der bruges i disse komponenter, er temperatur-afhængige. Denne temperaturfølsomhed kan forårsage skift i filterbølgelængder.
OPTIMUX-projektet, initieret af Fraunhofer HHI Institute, er dedikeret til at udvikle innovative og effektive multiplekseringsløsninger for hele transmissionsvejen. Projektet fokuserer på optimale multiplekseringsstrategier for fiberoptisk datatransmission ved brug af rumlig multipleksing, med det formål at opnå symbolhastigheder så høje som 300 GBd.
Med den hurtige udvikling af digitalisering og stigningen af data-drevne applikationer nærmer eksisterende netværksinfrastruktur sine grænser. Mens bølgelængdedelingsmultipleksing er en almindelig metode, tilbyder rumlig multipleksing en ny vej til netværksoptimering. Ved at bruge flere fiberkerner og transmissionstilstande kan kapaciteten øges markant.
