หวีความถี่แสงและการส่งสัญญาณแสง?

อย่างที่ทราบกันดีว่าตั้งแต่ทศวรรษ 1990 เป็นต้นมา เทคโนโลยี WDM ถูกนำมาใช้สำหรับการเชื่อมต่อใยแก้วนำแสงระยะไกลหลายร้อยหรือหลายพันกิโลเมตร สำหรับภูมิภาคส่วนใหญ่ของประเทศ โครงสร้างพื้นฐานใยแก้วนำแสงถือเป็นสินทรัพย์ที่มีราคาแพงที่สุด ในขณะที่ต้นทุนของส่วนประกอบเครื่องรับส่งสัญญาณนั้นค่อนข้างต่ำ
อย่างไรก็ตาม ด้วยอัตราข้อมูลที่เพิ่มขึ้นอย่างก้าวกระโดดในเครือข่าย เช่น 5G เทคโนโลยี WDM จึงกลายมาเป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่งในลิงก์ระยะสั้น ซึ่งมีการใช้งานในปริมาณมากขึ้นมาก และจึงมีความอ่อนไหวต่อต้นทุนและขนาดของชุดทรานซีฟเวอร์มากขึ้น

ปัจจุบัน เครือข่ายเหล่านี้ยังคงต้องอาศัยเส้นใยแก้วนำแสงโหมดเดียวจำนวนหลายพันเส้นที่ส่งแบบขนานผ่านช่องสัญญาณของการมัลติเพล็กซ์แบบแบ่งช่องสัญญาณ โดยมีอัตราข้อมูลค่อนข้างต่ำที่ไม่เกินสองสามร้อย Gbit/s (800G) ต่อช่องสัญญาณ โดยมีการใช้งานที่เป็นไปได้จำนวนเล็กน้อยในคลาส T

อย่างไรก็ตาม ในอนาคตอันใกล้ แนวคิดของการประมวลผลแบบขนานในเชิงพื้นที่ทั่วไปจะถึงขีดจำกัดของความสามารถในการปรับขนาดในไม่ช้า และจะต้องเสริมด้วยการประมวลผลแบบขนานเชิงสเปกตรัมของสตรีมข้อมูลในแต่ละไฟเบอร์ เพื่อรักษาอัตราการส่งข้อมูลที่เพิ่มขึ้นต่อไป ซึ่งอาจเปิดพื้นที่การใช้งานใหม่ทั้งหมดสำหรับเทคโนโลยี WDM ซึ่งความสามารถในการปรับขนาดสูงสุดในแง่ของจำนวนช่องสัญญาณและอัตราข้อมูลเป็นสิ่งสำคัญ

ในบริบทนี้เครื่องกำเนิดหวีความถี่แสง (FCG)มีบทบาทสำคัญในฐานะแหล่งกำเนิดแสงแบบคงที่ที่กะทัดรัดและมีความยาวคลื่นหลายแบบที่สามารถให้พาหะแสงออปติกที่มีการกำหนดไว้อย่างชัดเจนได้จำนวนมาก นอกจากนี้ ข้อได้เปรียบที่สำคัญโดยเฉพาะอย่างยิ่งของหวีความถี่ออปติกก็คือ เส้นหวีนั้นมีระยะห่างของความถี่ที่เท่ากันโดยเนื้อแท้ จึงลดความจำเป็นในการใช้แถบป้องกันระหว่างช่องสัญญาณ และหลีกเลี่ยงการควบคุมความถี่ที่จำเป็นสำหรับเส้นเดียวในรูปแบบทั่วไปที่ใช้อาร์เรย์ของเลเซอร์ DFB

สิ่งสำคัญที่ต้องทราบคือ ข้อดีเหล่านี้ไม่ได้ใช้ได้กับเครื่องส่ง WDM เท่านั้น แต่ยังใช้ได้กับเครื่องรับด้วย โดยที่อาร์เรย์ออสซิลเลเตอร์ท้องถิ่นแบบแยกส่วน (LO) สามารถถูกแทนที่ด้วยเครื่องกำเนิดสัญญาณแบบหวีตัวเดียว การใช้เครื่องกำเนิดสัญญาณแบบหวี LO ยังช่วยให้การประมวลผลสัญญาณดิจิทัลสำหรับช่อง WDM ง่ายขึ้นอีกด้วย จึงลดความซับซ้อนของเครื่องรับและเพิ่มความทนทานต่อสัญญาณรบกวนเฟส

นอกจากนี้ การใช้สัญญาณหวี LO ที่มีการล็อกเฟสสำหรับการรับสัญญาณแบบขนานที่สอดคล้องกันยังทำให้สามารถสร้างรูปคลื่นโดเมนเวลาของสัญญาณ WDM ทั้งหมดขึ้นใหม่ได้ จึงสามารถชดเชยความเสียหายที่เกิดจากความไม่เชิงเส้นของแสงในเส้นใยส่งสัญญาณได้ นอกเหนือจากข้อได้เปรียบเชิงแนวคิดของการส่งสัญญาณแบบหวีแล้ว ขนาดที่เล็กลงและการผลิตจำนวนมากที่คุ้มต้นทุนยังเป็นปัจจัยสำคัญสำหรับเครื่องรับส่งสัญญาณ WDM ในอนาคตอีกด้วย
ดังนั้น ในบรรดาแนวคิดเครื่องกำเนิดสัญญาณหวีต่างๆ อุปกรณ์ขนาดชิปจึงมีความน่าสนใจเป็นพิเศษ เมื่อใช้ร่วมกับวงจรรวมโฟตอนิกส์ที่ปรับขนาดได้สูงสำหรับการมอดูเลตสัญญาณข้อมูล การมัลติเพล็กซ์ การกำหนดเส้นทาง และการรับสัญญาณ อุปกรณ์ดังกล่าวอาจเป็นกุญแจสำคัญในการสร้างเครื่องรับส่งสัญญาณ WDM ขนาดกะทัดรัดและมีประสิทธิภาพสูง ซึ่งสามารถผลิตได้ในปริมาณมากด้วยต้นทุนต่ำ โดยมีความสามารถในการส่งข้อมูลสูงสุดถึงสิบเทระบิตต่อวินาทีต่อไฟเบอร์

รูปต่อไปนี้แสดงแผนผังของเครื่องส่งสัญญาณ WDM ที่ใช้หวีความถี่ออปติก FCG เป็นแหล่งกำเนิดแสงหลายความยาวคลื่น สัญญาณหวี FCG จะถูกแยกออกก่อนในเครื่องแยกสัญญาณแบบดีมัลติเพล็กเซอร์ (DEMUX) จากนั้นจึงเข้าสู่มอดูเลเตอร์ไฟฟ้าออปติก EOM จากนั้นสัญญาณจะถูกปรับให้เข้ากับการมอดูเลตแอมพลิจูดควอเดรเจอร์ QAM ขั้นสูงเพื่อประสิทธิภาพสเปกตรัม (SE) ที่เหมาะสมที่สุด

ที่ทางออกของเครื่องส่งสัญญาณ ช่องสัญญาณจะถูกนำมารวมกันใหม่ในมัลติเพล็กเซอร์ (MUX) และสัญญาณ WDM จะถูกส่งผ่านไฟเบอร์โหมดเดี่ยว ที่ปลายทางรับ ตัวรับมัลติเพล็กเซอร์แบบแบ่งความยาวคลื่น (WDM Rx) ใช้ตัวกำเนิดสัญญาณแบบโลคัล LO ของ FCG ตัวที่ 2 สำหรับการตรวจจับความสอดคล้องกันของความยาวคลื่นหลายช่วง ช่องสัญญาณของสัญญาณ WDM อินพุตจะถูกแยกด้วยตัวแยกสัญญาณและป้อนให้กับอาร์เรย์ตัวรับความสอดคล้องกัน (Coh. Rx) ซึ่งความถี่การแยกสัญญาณของตัวกำเนิดสัญญาณแบบโลคัล LO จะถูกใช้เป็นเฟสอ้างอิงสำหรับตัวรับความสอดคล้องกันแต่ละตัว ประสิทธิภาพของลิงก์ WDM ดังกล่าวขึ้นอยู่กับเครื่องกำเนิดสัญญาณหวีพื้นฐานเป็นส่วนใหญ่ โดยเฉพาะอย่างยิ่งความกว้างของเส้นออปติกและกำลังออปติกต่อเส้นออปติกหวี

แน่นอนว่าเทคโนโลยีหวีความถี่ออปติกยังคงอยู่ในระยะพัฒนา และสถานการณ์การใช้งานและขนาดตลาดของเทคโนโลยีนี้ค่อนข้างเล็ก หากสามารถเอาชนะข้อจำกัดทางเทคนิค ลดต้นทุน และปรับปรุงความน่าเชื่อถือได้ เทคโนโลยีดังกล่าวก็จะสามารถนำไปใช้งานในระดับมาตราส่วนในการส่งสัญญาณออปติกได้