Review of trends and prospects in the development of infocommunication system devices

Abstract

The study was motivated by the need to develop high-speed infocommunication systems in connection with the growth of digital traffic volumes and the limitations of conventional electronic switching, which created the need to analyse optical switching technologies, nanophotonic structures and methods for manufacturing photonic components. The aim of the study was to systematically analyse optical switching technologies and nanophotonic components, evaluate their properties, advantages and disadvantages, and determine their possible applicatioxhing speed, implementation technology and level of integration. The analysis indicated that the development of infocommunication systems had driven a transition from electronic to optical switching, which could reduce switching latency to 1 ps-10 ns, increase single-channel capacity to 400 Gbit/s-1.6 Tbit/s or higher, and reduce energy consumption to 0.5-5 pJ/bit. Hybrid photonic-electronic architectures were particularly promising, with the photonic domain used for high-speed data transmission and the electronic domain for control and routing. Wavelength-division multiplexing technologies enabled transport networks to scale to tens and hundreds of terabits per second, while the development of all-optical networks remained constrained by the need for 3R signal regeneration and the complexity of routing and wavelength assignment. Nanophotonic and plasmonic technologies can overcome the diffraction limits of conventional photonics and support nanometre-scale components; plasmonic waveguides (20-200 nm) provide a substantially higher level of integration than dielectric waveguides, although they have greater propagation losses. Photonic integrated circuits have reached the highest technology readiness level (Technology Readiness Level 7-9), whereas plasmonic and terahertz technologies are predominantly at Technology Readiness Levels 3-6. Researchers, engineers, and telecommunications system developers may use these findings when designing optical networks and photonic components.

Актуальність визначалася необхідністю розвитку високошвидкісних інфокомунікаційних систем в умовах зростання обсягів цифрового трафіку та обмежень традиційної електронної комутації, що зумовлювало потребу в аналізі оптичних комутаційних технологій, нанофотонних структур і методів створення фотонних компонентів. Метою було здійснити системний аналіз технологій оптичної комутації та нанофотонних компонентів, оцінювання їх характеристик, переваг і обмежень, а також визначення можливостей використання у сучасних високошвидкісних інфокомунікаційних мережах. У дослідженні проаналізовано наукові джерела із використанням бібліографічного, порівняльного, систематизаційного та технологічного аналізу для оцінювання оптичних комутаторів, нанофотонних технологій і методів їх виготовлення. Проведено класифікацію пристроїв за принципом роботи, швидкодією, технологією реалізації та рівнем інтеграції. Встановлено, що розвиток інфокомунікаційних систем зумовив перехід від електронної до оптичної комутації, яка забезпечує скорочення затримки комутації до 1 пс-10 нс, підвищення пропускної здатності одного каналу до 400 Гбіт/с – 1,6 Тбіт/с і більше та зниження енергоспоживання до 0,5-5 пДж/біт. Показано перспективність гібридних фотонноелектронних архітектур, у яких фотонний домен використовується для високошвидкісної передачі даних, а електронний – для керування й маршрутизації. Визначено, що технології спектрального ущільнення забезпечують масштабування транспортних мереж до десятків і сотень терабіт за секунду, тоді як розвиток повністю оптичних мереж стримується необхідністю 3R-регенерації сигналу та складністю задачі маршрутизації і призначення довжин хвиль. Показано, що нанофотонні та плазмонні технології дозволяють подолати дифракційні обмеження класичної фотоніки, забезпечуючи створення компонентів нанометрового масштабу, а плазмонні хвилеводи (20-200 нм) значно підвищують рівень інтеграції порівняно з діелектричними, хоча характеризуються більшими втратами поширення. Встановлено, що інтегральні фотонні схеми досягли найвищого рівня технологічної готовності (Technology Readiness Level 7-9), тоді як плазмонні та терагерцові технології перебувають переважно на рівнях Technology Readiness Level 3-6. Результати можуть використовуватися науковцями, інженерами та розробниками телекомунікаційних систем під час проєктування оптичних мереж і фотонних компонентів.