หวีความถี่แสงและการส่งสัญญาณแสง?

เราทราบกันดีว่านับตั้งแต่ช่วงทศวรรษ 1990 เป็นต้นมา เทคโนโลยีการแบ่งสัญญาณแบบมัลติเพล็กซ์ WDM ถูกนำมาใช้กับการเชื่อมต่อใยแก้วนำแสงระยะไกลหลายร้อยหรือหลายพันกิโลเมตร สำหรับประเทศและภูมิภาคส่วนใหญ่ โครงสร้างพื้นฐานใยแก้วนำแสงถือเป็นสินทรัพย์ที่มีราคาแพงที่สุด ในขณะที่ต้นทุนของส่วนประกอบเครื่องรับส่งสัญญาณค่อนข้างต่ำ

อย่างไรก็ตาม ด้วยการเติบโตอย่างรวดเร็วของอัตราการส่งข้อมูลเครือข่าย เช่น 5G เทคโนโลยี WDM จึงมีความสำคัญเพิ่มมากขึ้นในลิงก์ระยะสั้น และปริมาณการใช้งานของลิงก์ระยะสั้นก็มากขึ้น ซึ่งทำให้ต้นทุนและขนาดของส่วนประกอบของทรานซีฟเวอร์มีความละเอียดอ่อนมากขึ้น

ปัจจุบัน เครือข่ายเหล่านี้ยังคงต้องอาศัยใยแก้วนำแสงโหมดเดี่ยวหลายพันเส้นสำหรับการส่งข้อมูลแบบขนานผ่านช่องสัญญาณมัลติเพล็กซ์แบบแบ่งช่องสัญญาณ และอัตราข้อมูลของแต่ละช่องสัญญาณค่อนข้างต่ำ สูงสุดเพียงไม่กี่ร้อยกิกะบิตต่อวินาที (800 กิกะบิตต่อวินาที) การใช้งานระดับ T อาจมีข้อจำกัด

แต่ในอนาคตอันใกล้ แนวคิดการประมวลผลแบบขนานเชิงพื้นที่ทั่วไปจะถึงขีดจำกัดความสามารถในการปรับขนาดในไม่ช้า และจำเป็นต้องเสริมด้วยการประมวลผลแบบขนานสเปกตรัมของสตรีมข้อมูลในแต่ละเส้นใยนำแสงเพื่อรักษาอัตราข้อมูลที่ดีขึ้นต่อไป ซึ่งอาจเปิดพื้นที่การประยุกต์ใช้งานใหม่ให้กับเทคโนโลยีการแบ่งความยาวคลื่นแบบมัลติเพล็กซ์ ซึ่งความสามารถในการปรับขนาดสูงสุดของจำนวนช่องสัญญาณและอัตราข้อมูลเป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่ง

ในกรณีนี้ เครื่องกำเนิดหวีความถี่ (FCG) ซึ่งเป็นแหล่งกำเนิดแสงหลายความยาวคลื่นแบบคงที่และกะทัดรัด สามารถให้สัญญาณพาแสงที่มีการกำหนดไว้อย่างชัดเจนจำนวนมาก จึงมีบทบาทสำคัญอย่างยิ่ง นอกจากนี้ ข้อได้เปรียบที่สำคัญอย่างยิ่งของหวีความถี่แสงคือ เส้นหวีมีระยะห่างของความถี่ที่เท่ากัน ซึ่งช่วยลดข้อกำหนดสำหรับแถบป้องกันระหว่างช่องสัญญาณ และหลีกเลี่ยงการควบคุมความถี่ที่จำเป็นสำหรับเส้นเดี่ยวในรูปแบบดั้งเดิมที่ใช้อาร์เรย์เลเซอร์ DFB

ควรสังเกตว่าข้อดีเหล่านี้ไม่เพียงแต่ใช้ได้กับเครื่องส่งของมัลติเพล็กซ์แบบแบ่งความยาวคลื่นเท่านั้น แต่ยังใช้ได้กับเครื่องรับด้วย โดยที่อาร์เรย์ออสซิลเลเตอร์ท้องถิ่นแบบแยกส่วน (LO) สามารถถูกแทนที่ด้วยเครื่องกำเนิดสัญญาณแบบหวีเดี่ยวได้ การใช้เครื่องกำเนิดสัญญาณแบบหวี LO ยังช่วยอำนวยความสะดวกในการประมวลผลสัญญาณดิจิทัลในช่องสัญญาณมัลติเพล็กซ์แบบแบ่งความยาวคลื่น ซึ่งจะช่วยลดความซับซ้อนของตัวรับและปรับปรุงความทนทานต่อสัญญาณรบกวนเฟส

นอกจากนี้ การใช้สัญญาณหวี LO ที่มีฟังก์ชันล็อกเฟสสำหรับการรับสัญญาณแบบขนานที่สอดคล้องกัน ยังสามารถสร้างรูปคลื่นโดเมนเวลาของสัญญาณมัลติเพล็กซ์แบบแบ่งความยาวคลื่นทั้งหมดได้ ซึ่งช่วยชดเชยความเสียหายที่เกิดจากความไม่เชิงเส้นเชิงแสงของเส้นใยนำสัญญาณ นอกจากข้อได้เปรียบเชิงแนวคิดจากการส่งสัญญาณแบบหวีแล้ว ขนาดที่เล็กลงและการผลิตขนาดใหญ่ที่มีประสิทธิภาพทางเศรษฐกิจยังเป็นปัจจัยสำคัญสำหรับเครื่องรับส่งสัญญาณแบบแบ่งความยาวคลื่นแบบมัลติเพล็กซ์ในอนาคตอีกด้วย

ดังนั้น ในบรรดาแนวคิดเครื่องกำเนิดสัญญาณแบบหวีต่างๆ อุปกรณ์ระดับชิปจึงมีความน่าสนใจเป็นพิเศษ เมื่อนำมาผสมผสานกับวงจรรวมโฟตอนิกส์ที่ปรับขนาดได้สูงสำหรับการมอดูเลตสัญญาณข้อมูล การมัลติเพล็กซ์ การกำหนดเส้นทาง และการรับสัญญาณ อุปกรณ์เหล่านี้อาจกลายเป็นกุญแจสำคัญสำหรับเครื่องรับส่งสัญญาณแบบแบ่งความยาวคลื่นแบบมัลติเพล็กซ์ที่มีประสิทธิภาพและกะทัดรัด ซึ่งสามารถผลิตได้ในปริมาณมากในต้นทุนต่ำ โดยมีความสามารถในการส่งข้อมูลหลายสิบเทระบิตต่อวินาทีต่อเส้นใย

ที่เอาต์พุตของฝั่งผู้ส่ง แต่ละช่องสัญญาณจะถูกรวมเข้าด้วยกันใหม่ผ่านมัลติเพล็กเซอร์ (MUX) และสัญญาณมัลติเพล็กซิ่งแบบแบ่งความยาวคลื่นจะถูกส่งผ่านใยแก้วนำแสงโหมดเดียว ที่ฝั่งผู้รับ ตัวรับมัลติเพล็กซิ่งแบบแบ่งความยาวคลื่น (WDM Rx) จะใช้ออสซิลเลเตอร์ LO ของ FCG ตัวที่สองเพื่อตรวจจับสัญญาณรบกวนหลายความยาวคลื่น ช่องสัญญาณของสัญญาณมัลติเพล็กซิ่งแบบแบ่งความยาวคลื่นขาเข้าจะถูกแยกด้วยดีมัลติเพล็กเซอร์ จากนั้นจึงส่งไปยังอาร์เรย์ตัวรับแบบโคฮีเรนต์ (Coherent Receiver Array: Coh. Rx) ในบรรดาสัญญาณเหล่านี้ ความถี่ดีมัลติเพล็กซิ่งของออสซิลเลเตอร์ LO ของโลคอลจะถูกใช้เป็นค่าอ้างอิงเฟสสำหรับตัวรับแบบโคฮีเรนต์แต่ละตัว ประสิทธิภาพของลิงก์มัลติเพล็กซิ่งแบบแบ่งความยาวคลื่นนี้ขึ้นอยู่กับเครื่องกำเนิดสัญญาณแบบหวีพื้นฐานเป็นส่วนใหญ่ โดยเฉพาะอย่างยิ่งความกว้างของแสงและกำลังแสงของสายหวีแต่ละเส้น

แน่นอนว่าเทคโนโลยีหวีความถี่แสงยังคงอยู่ในระยะการพัฒนา และสถานการณ์การใช้งานและขนาดตลาดยังค่อนข้างเล็ก หากสามารถเอาชนะปัญหาคอขวดทางเทคโนโลยี ลดต้นทุน และเพิ่มความน่าเชื่อถือได้ ก็อาจสามารถนำไปใช้งานในระดับมาตราส่วนในการส่งสัญญาณแสงได้