หวีความถี่แสงและการส่งสัญญาณแสง?

อย่างที่ทราบกันดีว่านับตั้งแต่ทศวรรษ 1990 เป็นต้นมา เทคโนโลยี WDM ถูกนำมาใช้กับการเชื่อมต่อใยแก้วนำแสงระยะไกลหลายร้อยหรือหลายพันกิโลเมตร สำหรับภูมิภาคส่วนใหญ่ของประเทศ โครงสร้างพื้นฐานใยแก้วนำแสงถือเป็นสินทรัพย์ที่มีราคาแพงที่สุด ในขณะที่ต้นทุนของส่วนประกอบตัวรับส่งสัญญาณค่อนข้างต่ำ
อย่างไรก็ตาม ด้วยอัตราข้อมูลที่เพิ่มขึ้นอย่างก้าวกระโดดในเครือข่าย เช่น 5G เทคโนโลยี WDM จึงมีความสำคัญเพิ่มมากขึ้นในลิงก์ระยะสั้นเช่นกัน ซึ่งมีการใช้งานในปริมาณที่มากขึ้นมาก และจึงมีความอ่อนไหวต่อต้นทุนและขนาดของชุดตัวรับส่งสัญญาณมากขึ้น

ปัจจุบัน เครือข่ายเหล่านี้ยังคงต้องอาศัยเส้นใยแก้วนำแสงโหมดเดียวจำนวนหลายพันเส้นที่ส่งแบบขนานผ่านช่องสัญญาณของการมัลติเพล็กซ์แบบแบ่งช่องสัญญาณ โดยมีอัตราข้อมูลที่ค่อนข้างต่ำที่สูงสุดเพียงไม่กี่ร้อย Gbit/s (800G) ต่อช่องสัญญาณ โดยมีการใช้งานที่เป็นไปได้เพียงเล็กน้อยในระดับ T

อย่างไรก็ตาม ในอนาคตอันใกล้ แนวคิดการประมวลผลแบบขนานเชิงพื้นที่ทั่วไปจะถึงขีดจำกัดด้านความสามารถในการปรับขนาดในไม่ช้า และจะต้องเสริมด้วยการประมวลผลแบบขนานเชิงสเปกตรัมของสตรีมข้อมูลในแต่ละเส้นใยนำแสง เพื่อรักษาอัตราข้อมูลที่เพิ่มขึ้นต่อไป สิ่งนี้อาจเปิดพื้นที่การใช้งานใหม่ให้กับเทคโนโลยี WDM ซึ่งความสามารถในการปรับขนาดสูงสุดในแง่ของจำนวนช่องสัญญาณและอัตราข้อมูลเป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่ง

ในบริบทนี้เครื่องกำเนิดหวีความถี่แสง (FCG)มีบทบาทสำคัญในฐานะแหล่งกำเนิดแสงแบบคงที่ขนาดกะทัดรัดที่มีความยาวคลื่นหลายระดับ ซึ่งสามารถให้สัญญาณพาแสงที่มีความคมชัดสูงได้จำนวนมาก นอกจากนี้ ข้อได้เปรียบที่สำคัญอย่างยิ่งของหวีความถี่แสงคือ เส้นหวีมีระยะห่างของความถี่ที่เท่ากันโดยเนื้อแท้ จึงช่วยลดความจำเป็นในการใช้แถบป้องกันระหว่างช่องสัญญาณ และหลีกเลี่ยงการควบคุมความถี่ที่จำเป็นสำหรับเส้นเดียวในระบบทั่วไปที่ใช้เลเซอร์ DFB หลายชุด

สิ่งสำคัญที่ต้องทราบคือ ข้อดีเหล่านี้ไม่ได้จำกัดอยู่แค่เครื่องส่ง WDM เท่านั้น แต่ยังรวมถึงเครื่องรับด้วย โดยที่อาร์เรย์ออสซิลเลเตอร์เฉพาะที่ (LO) แบบแยกส่วนสามารถถูกแทนที่ด้วยเครื่องกำเนิดสัญญาณแบบหวีเดี่ยวได้ การใช้เครื่องกำเนิดสัญญาณแบบหวี LO ยังช่วยอำนวยความสะดวกในการประมวลผลสัญญาณดิจิทัลสำหรับช่องสัญญาณ WDM อีกด้วย ซึ่งจะช่วยลดความซับซ้อนของเครื่องรับและเพิ่มความทนทานต่อสัญญาณรบกวนเฟส

นอกจากนี้ การใช้สัญญาณหวี LO ที่มีการล็อกเฟสสำหรับการรับสัญญาณแบบขนานที่สอดคล้องกันยังทำให้สามารถสร้างรูปคลื่นโดเมนเวลาของสัญญาณ WDM ทั้งหมดขึ้นใหม่ได้ ซึ่งจะช่วยชดเชยความเสียหายที่เกิดจากความไม่เชิงเส้นเชิงแสงในเส้นใยนำสัญญาณ นอกจากข้อได้เปรียบเชิงแนวคิดของการส่งสัญญาณแบบหวีแล้ว ขนาดที่เล็กลงและการผลิตจำนวนมากที่คุ้มค่ายังเป็นกุญแจสำคัญสำหรับเครื่องรับส่งสัญญาณ WDM ในอนาคตอีกด้วย
ดังนั้น ในบรรดาแนวคิดเครื่องกำเนิดสัญญาณแบบหวีที่หลากหลาย อุปกรณ์ระดับชิปจึงมีความน่าสนใจเป็นพิเศษ เมื่อนำมาผสมผสานกับวงจรรวมโฟตอนิกส์ที่ปรับขนาดได้สูงสำหรับการมอดูเลตสัญญาณข้อมูล การมัลติเพล็กซ์ การกำหนดเส้นทาง และการรับสัญญาณ อุปกรณ์เหล่านี้อาจเป็นกุญแจสำคัญสู่เครื่องรับส่งสัญญาณ WDM ขนาดกะทัดรัด ประสิทธิภาพสูง ซึ่งสามารถผลิตได้ในปริมาณมากในต้นทุนต่ำ โดยมีความสามารถในการส่งข้อมูลสูงสุดถึงหลายสิบเทระบิตต่อวินาทีต่อเส้นใย

รูปต่อไปนี้แสดงแผนผังของเครื่องส่งสัญญาณ WDM ที่ใช้หวีความถี่แสง FCG เป็นแหล่งกำเนิดแสงหลายความยาวคลื่น สัญญาณหวี FCG จะถูกแยกออกในเครื่องแยกสัญญาณแบบดีมัลติเพล็กเซอร์ (DEMUX) ก่อน จากนั้นจึงเข้าสู่ตัวปรับสัญญาณไฟฟ้า-แสง EOM สัญญาณจะถูกปรับด้วยการปรับแอมพลิจูดควอดราเจอร์ QAM ขั้นสูงเพื่อประสิทธิภาพสเปกตรัม (SE) ที่เหมาะสมที่สุด

ที่ทางออกของเครื่องส่งสัญญาณ ช่องสัญญาณจะถูกรวมเข้าด้วยกันใหม่ในมัลติเพล็กเซอร์ (MUX) และสัญญาณ WDM จะถูกส่งผ่านเส้นใยแก้วโหมดเดี่ยว ที่ปลายทางรับ ตัวรับมัลติเพล็กเซอร์แบบแบ่งความยาวคลื่น (WDM Rx) จะใช้ออสซิลเลเตอร์โลคอล LO ของ FCG ตัวที่ 2 เพื่อตรวจจับความสอดคล้องกันของความยาวคลื่นหลายช่วง ช่องสัญญาณของสัญญาณ WDM อินพุตจะถูกแยกด้วยดีมัลติเพล็กเซอร์และป้อนไปยังอาร์เรย์ตัวรับความสอดคล้องกัน (Coherent Receiver Array: Coh. Rx) ซึ่งความถี่ดีมัลติเพล็กเซอร์ของออสซิลเลเตอร์โลคอล LO จะถูกใช้เป็นเฟสอ้างอิงสำหรับตัวรับความสอดคล้องกันแต่ละตัว ประสิทธิภาพของลิงก์ WDM ดังกล่าวขึ้นอยู่กับเครื่องกำเนิดสัญญาณแบบหวีพื้นฐานเป็นส่วนใหญ่ โดยเฉพาะอย่างยิ่งความกว้างของเส้นแสงและกำลังแสงต่อเส้นแบบหวี

แน่นอนว่าเทคโนโลยีหวีความถี่แสงยังคงอยู่ในระยะการพัฒนา และขนาดตลาดและสถานการณ์การใช้งานยังค่อนข้างเล็ก หากสามารถเอาชนะปัญหาคอขวดทางเทคนิค ลดต้นทุน และเพิ่มความน่าเชื่อถือได้ ก็จะสามารถนำไปใช้งานในระดับมาตราส่วนในการส่งสัญญาณแสงได้