การวิเคราะห์ปัจจัยที่จำกัดระยะการส่งสัญญาณของโมดูลออปติคอล

ระยะการส่งสัญญาณของโมดูลออปติคอลนั้นถูกจำกัดด้วยปัจจัยทางกายภาพและทางวิศวกรรมหลายประการ ซึ่งรวมกันแล้วจะกำหนดระยะทางสูงสุดที่สามารถส่งสัญญาณออปติคอลผ่านใยแก้วนำแสงได้อย่างมีประสิทธิภาพ บทความนี้จะอธิบายถึงปัจจัยจำกัดที่พบได้บ่อยที่สุดหลายประการ

ประการแรกประเภทและคุณภาพของแหล่งกำเนิดแสงมีบทบาทสำคัญอย่างยิ่ง การใช้งานในระยะสั้นมักใช้ต้นทุนที่ต่ำกว่าเลเซอร์ LED หรือ VCSELในขณะที่ระบบส่งสัญญาณระยะกลางและระยะไกลต้องอาศัยประสิทธิภาพที่สูงกว่าเลเซอร์ DFB หรือ EMLกำลังส่งออก ความกว้างของสเปกตรัม และความเสถียรของความยาวคลื่น ล้วนส่งผลโดยตรงต่อความสามารถในการส่งสัญญาณ

ที่สอง,การลดทอนของเส้นใยการลดทอนเป็นหนึ่งในปัจจัยหลักที่จำกัดระยะการส่งสัญญาณ เมื่อสัญญาณแสงแพร่กระจายผ่านใยแก้วนำแสง สัญญาณจะค่อยๆ อ่อนลงเนื่องจากการดูดซับของวัสดุ การกระเจิงแบบเรย์ลี และการสูญเสียจากการโค้งงอ สำหรับใยแก้วนำแสงแบบโหมดเดียว การลดทอนโดยทั่วไปจะอยู่ที่ประมาณ0.5 dB/km ที่ 1310 nmและอาจต่ำถึง0.2–0.3 dB/km ที่ 1550 nmในทางตรงกันข้าม เส้นใยแบบมัลติโหมดมีการลดทอนสัญญาณที่สูงกว่ามาก3–4 dB/km ที่ 850 nmซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมระบบมัลติโหมดจึงมักจำกัดอยู่เฉพาะการสื่อสารระยะสั้น ตั้งแต่หลายร้อยเมตรจนถึงประมาณ 2 กิโลเมตร

นอกจากนี้,ผลกระทบจากการกระจายตัวการกระจายตัวของสัญญาณแสงความเร็วสูงนั้นจำกัดระยะการส่งสัญญาณอย่างมาก การกระจายตัว—รวมถึงการกระจายตัวของวัสดุและการกระจายตัวของท่อนำคลื่น—ทำให้พัลส์แสงขยายตัวระหว่างการส่ง ส่งผลให้เกิดการรบกวนระหว่างสัญลักษณ์ ผลกระทบนี้จะรุนแรงเป็นพิเศษที่อัตราข้อมูลสูง10 Gbps ขึ้นไปเพื่อลดการกระจายตัว ระบบขนส่งทางไกลมักใช้เส้นใยชดเชยการกระจายตัว (DCF)หรือใช้เลเซอร์ที่มีความกว้างของเส้นสเปกตรัมแคบ ผสานกับรูปแบบการมอดูเลชั่นขั้นสูง.

ในขณะเดียวกันความยาวคลื่นในการทำงานขนาดของโมดูลออปติคอลมีความสัมพันธ์อย่างใกล้ชิดกับระยะการส่งสัญญาณแถบ 850 นาโนเมตรส่วนใหญ่ใช้สำหรับการส่งสัญญาณระยะสั้นผ่านใยแก้วนำแสงแบบมัลติโหมดแถบ 1310 นาโนเมตรซึ่งสอดคล้องกับช่วงการกระจายตัวเป็นศูนย์ของใยแก้วนำแสงแบบโหมดเดี่ยว เหมาะสำหรับการใช้งานในระยะกลาง10–40 กม.. เดอะแถบ 1550 นาโนเมตรให้การลดทอนต่ำที่สุดและเข้ากันได้กับเครื่องขยายสัญญาณใยแก้วนำแสงที่เจือด้วยเออร์เบียม (EDFA)ทำให้มีการใช้งานอย่างแพร่หลายสำหรับสถานการณ์การส่งสัญญาณระยะไกลและระยะไกลพิเศษ40 กม., เช่น80 กิโลเมตร หรืออาจจะ 120 กิโลเมตรลิงก์

ความเร็วในการส่งข้อมูลเองก็เป็นข้อจำกัดแบบผกผันต่อระยะทางเช่นกัน อัตราการส่งข้อมูลที่สูงขึ้นต้องการอัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวนที่เข้มงวดมากขึ้นที่ตัวรับ ส่งผลให้ความไวของตัวรับลดลงและระยะทางสูงสุดสั้นลง ตัวอย่างเช่น โมดูลออปติคอลที่รองรับ40 กม. ที่ความเร็ว 1 Gbpsอาจมีข้อจำกัดน้อยกว่า 10 กม. ที่ความเร็ว 100 Gbps.

นอกจากนี้,ปัจจัยด้านสิ่งแวดล้อม—เช่น ความผันผวนของอุณหภูมิ การงอของเส้นใยมากเกินไป การปนเปื้อนของตัวเชื่อมต่อ และการเสื่อมสภาพของชิ้นส่วน—สามารถทำให้เกิดการสูญเสียหรือการสะท้อนเพิ่มเติม ซึ่งจะลดระยะการส่งสัญญาณที่มีประสิทธิภาพลงไปอีก นอกจากนี้ยังควรทราบว่า การสื่อสารด้วยใยแก้วนำแสงนั้นไม่ได้หมายความว่า “ยิ่งสั้นยิ่งดี” เสมอไป มักจะมีระยะทางที่ไกลกว่านั้นข้อกำหนดระยะการส่งสัญญาณขั้นต่ำ(ตัวอย่างเช่น โมดูลแบบโหมดเดียวโดยทั่วไปต้องการระยะ ≥2 เมตร) เพื่อป้องกันการสะท้อนแสงมากเกินไป ซึ่งอาจทำให้แหล่งกำเนิดแสงเลเซอร์ไม่เสถียร