หวีความถี่แสงและการส่งผ่านแสง?

เราทราบกันดีว่านับตั้งแต่ทศวรรษ 1990 เทคโนโลยี WDM (Wavelength Division Multiplexing) ได้ถูกนำมาใช้สำหรับการเชื่อมต่อใยแก้วนำแสงระยะไกลที่ครอบคลุมระยะทางหลายร้อยหรือหลายพันกิโลเมตร สำหรับประเทศและภูมิภาคส่วนใหญ่ โครงสร้างพื้นฐานใยแก้วนำแสงเป็นสินทรัพย์ที่มีราคาแพงที่สุด ในขณะที่ต้นทุนของส่วนประกอบตัวรับส่งสัญญาณนั้นค่อนข้างต่ำ

อย่างไรก็ตาม ด้วยการเติบโตอย่างรวดเร็วของอัตราการส่งข้อมูลเครือข่าย เช่น 5G เทคโนโลยี WDM จึงมีความสำคัญมากขึ้นเรื่อยๆ ในการเชื่อมต่อระยะสั้น และปริมาณการใช้งานของการเชื่อมต่อระยะสั้นก็มีมากขึ้น ทำให้ต้นทุนและขนาดของส่วนประกอบตัวรับส่งสัญญาณมีความอ่อนไหวมากขึ้น

ในปัจจุบัน เครือข่ายเหล่านี้ยังคงใช้ใยแก้วนำแสงแบบโหมดเดี่ยวหลายพันเส้นสำหรับการส่งสัญญาณแบบขนานผ่านช่องสัญญาณมัลติเพล็กซ์แบบแบ่งพื้นที่ และอัตราการส่งข้อมูลของแต่ละช่องสัญญาณค่อนข้างต่ำ อย่างมากสุดเพียงไม่กี่ร้อยกิกะบิตต่อวินาที (800G) ซึ่งระดับ T อาจมีข้อจำกัดในการใช้งาน

แต่ในอนาคตอันใกล้ แนวคิดของการขนานเชิงพื้นที่แบบธรรมดาจะถึงขีดจำกัดความสามารถในการขยายขนาดในไม่ช้า และจะต้องเสริมด้วยการขนานสเปกตรัมของกระแสข้อมูลในแต่ละไฟเบอร์เพื่อรักษาการปรับปรุงอัตราการส่งข้อมูลต่อไป ซึ่งอาจเปิดพื้นที่การใช้งานใหม่ทั้งหมดสำหรับเทคโนโลยีการมัลติเพล็กซ์แบบแบ่งความยาวคลื่น ซึ่งความสามารถในการขยายขนาดสูงสุดของจำนวนช่องสัญญาณและอัตราการส่งข้อมูลมีความสำคัญอย่างยิ่ง

ในกรณีนี้ เครื่องกำเนิดหวีความถี่ (FCG) ซึ่งเป็นแหล่งกำเนิดแสงหลายความยาวคลื่นขนาดกะทัดรัดและคงที่ สามารถให้คลื่นแสงที่มีความถี่กำหนดได้อย่างดีจำนวนมาก จึงมีบทบาทสำคัญอย่างยิ่ง นอกจากนี้ ข้อได้เปรียบที่สำคัญอย่างยิ่งของหวีความถี่แสงคือ เส้นหวีความถี่มีระยะห่างเท่าๆ กันในเชิงความถี่ ซึ่งสามารถลดข้อกำหนดสำหรับแถบป้องกันระหว่างช่องสัญญาณและหลีกเลี่ยงการควบคุมความถี่ที่จำเป็นสำหรับเส้นเดี่ยวในวิธีการแบบดั้งเดิมที่ใช้แถวเลเซอร์ DFB

ควรสังเกตว่าข้อดีเหล่านี้ไม่เพียงใช้ได้กับตัวส่งสัญญาณแบบมัลติเพล็กซ์แบบแบ่งความยาวคลื่นเท่านั้น แต่ยังใช้ได้กับตัวรับสัญญาณด้วย โดยสามารถแทนที่อาร์เรย์ออสซิลเลเตอร์เฉพาะที่ (LO) แบบแยกส่วนด้วยตัวสร้างสัญญาณหวีแบบเดี่ยว การใช้ตัวสร้างสัญญาณหวี LO ยังช่วยอำนวยความสะดวกในการประมวลผลสัญญาณดิจิทัลในช่องสัญญาณมัลติเพล็กซ์แบบแบ่งความยาวคลื่น ลดความซับซ้อนของตัวรับสัญญาณ และปรับปรุงความทนทานต่อสัญญาณรบกวนเฟสได้อีกด้วย

นอกจากนี้ การใช้สัญญาณหวี LO ที่มีฟังก์ชันล็อคเฟสสำหรับการรับสัญญาณแบบขนานที่สอดคล้องกัน ยังสามารถสร้างรูปคลื่นในโดเมนเวลาของสัญญาณมัลติเพล็กซ์แบบแบ่งความยาวคลื่นทั้งหมดขึ้นมาใหม่ได้ ซึ่งจะช่วยชดเชยความเสียหายที่เกิดจากความไม่เป็นเชิงเส้นทางแสงของเส้นใยแก้วนำแสง นอกเหนือจากข้อได้เปรียบเชิงแนวคิดที่ได้จากการส่งสัญญาณหวีแล้ว ขนาดที่เล็กลงและการผลิตในปริมาณมากอย่างมีประสิทธิภาพทางเศรษฐกิจก็เป็นปัจจัยสำคัญสำหรับตัวรับส่งสัญญาณมัลติเพล็กซ์แบบแบ่งความยาวคลื่นในอนาคตด้วย

ดังนั้น ในบรรดาแนวคิดต่างๆ เกี่ยวกับเครื่องกำเนิดสัญญาณหวี อุปกรณ์ระดับชิปจึงมีความน่าสนใจเป็นพิเศษ เมื่อรวมกับวงจรรวมโฟตอนิกส์ที่มีความสามารถในการปรับขนาดสูงสำหรับการปรับสัญญาณข้อมูล การมัลติเพล็กซ์ การกำหนดเส้นทาง และการรับสัญญาณ อุปกรณ์ดังกล่าวอาจกลายเป็นกุญแจสำคัญในการสร้างตัวรับส่งสัญญาณแบบมัลติเพล็กซ์แบบแบ่งความยาวคลื่นที่มีขนาดกะทัดรัดและมีประสิทธิภาพ ซึ่งสามารถผลิตได้ในปริมาณมากด้วยต้นทุนต่ำ และมีความสามารถในการส่งข้อมูลหลายสิบเทราบิตต่อวินาทีต่อไฟเบอร์

ที่ปลายทางผู้ส่ง แต่ละช่องสัญญาณจะถูกรวมเข้าด้วยกันอีกครั้งผ่านมัลติเพล็กเซอร์ (MUX) และสัญญาณมัลติเพล็กซ์แบบแบ่งความยาวคลื่นจะถูกส่งผ่านใยแก้วนำแสงแบบโหมดเดียว ที่ปลายทางผู้รับ ตัวรับสัญญาณมัลติเพล็กซ์แบบแบ่งความยาวคลื่น (WDM Rx) จะใช้ออสซิลเลเตอร์ภายใน (LO) ของเครื่องกำเนิดสัญญาณหวีตัวที่สองสำหรับการตรวจจับการรบกวนหลายความยาวคลื่น ช่องสัญญาณของสัญญาณมัลติเพล็กซ์แบบแบ่งความยาวคลื่นขาเข้าจะถูกแยกโดยดีมัลติเพล็กเซอร์แล้วส่งไปยังอาร์เรย์ตัวรับสัญญาณแบบโคฮีเรนต์ (Coherent Rx) โดยความถี่ดีมัลติเพล็กซ์ของออสซิลเลเตอร์ภายใน (LO) จะถูกใช้เป็นค่าอ้างอิงเฟสสำหรับตัวรับสัญญาณแบบโคฮีเรนต์แต่ละตัว ประสิทธิภาพของลิงก์มัลติเพล็กซ์แบบแบ่งความยาวคลื่นนี้ขึ้นอยู่กับเครื่องกำเนิดสัญญาณหวีพื้นฐานเป็นอย่างมาก โดยเฉพาะอย่างยิ่งความกว้างของแสงและกำลังแสงของแต่ละเส้นหวี

แน่นอนว่า เทคโนโลยีหวีความถี่แสงยังอยู่ในขั้นตอนการพัฒนา และสถานการณ์การใช้งานและขนาดตลาดค่อนข้างเล็ก หากสามารถเอาชนะข้อจำกัดทางเทคโนโลยี ลดต้นทุน และปรับปรุงความน่าเชื่อถือได้ ก็อาจจะสามารถนำไปประยุกต์ใช้ในระดับใหญ่ในด้านการส่งสัญญาณแสงได้