ไฟเบอร์ออปติกใช้แสงประเภทใด

ใยแก้วนำแสง (Optical fiber) ส่วนใหญ่จะใช้แสงอินฟราเรด ไม่ใช่แสงที่มองเห็นได้ เนื่องจากมีการลดทอนสัญญาณที่ต่ำกว่า ความยาวคลื่นที่นิยมใช้คือ 1310 นาโนเมตร และ 1550 นาโนเมตร ซึ่งเส้นใยแก้วซิลิกามีการสูญเสียสัญญาณต่ำสุด (ต่ำถึง 0.2 dB/km) เลเซอร์หรือ LED จะเป็นตัวกำเนิดแสง ซึ่งทำหน้าที่ส่งข้อมูลผ่านการสะท้อนกลับหมดภายในแกนของเส้นใยแก้ว

ภาพรวมประเภทของแสง

กลไกหลักเบื้องหลังการสื่อสารโทรคมนาคมสมัยใหม่คือ แสงอินฟราเรด โดยเฉพาะความยาวคลื่นระหว่าง 1310 นาโนเมตร ถึง 1550 นาโนเมตร นี่ไม่ใช่ตัวเลือกที่เลือกมาแบบสุ่ม แต่เป็นการตัดสินใจทางวิศวกรรมที่คำนวณมาอย่างดีโดยอิงจากฟิสิกส์ของแก้วซิลิกา ที่ความยาวคลื่นเหล่านี้ การสูญเสียสัญญาณหรือการลดทอนจะอยู่ที่จุดต่ำสุด เพียงประมาณ 0.2 เดซิเบลต่อกิโลเมตร (dB/km) การลดทอนที่ต่ำนี้เป็นรากฐานสำคัญของการสื่อสารระยะไกล ช่วยให้สัญญาณข้อมูลสามารถเดินทางได้ไกลกว่า 100 กิโลเมตร ก่อนที่จะต้องมีการขยายสัญญาณ เพื่อเปรียบเทียบให้เห็นภาพ สายเคเบิลทองแดงมาตรฐานจะต้องมีการเพิ่มสัญญาณเกือบทุกๆ 5 กิโลเมตร

แสงสีแดงที่มองเห็นได้ทั่วไป เช่น จาก เลเซอร์พอยเตอร์ 650 นาโนเมตร บางครั้งใช้สำหรับเส้นใยพลาสติกราคาถูกที่มีระยะสั้นมากไม่เกิน 50 เมตร แต่การลดทอนที่สูงกว่า 3 dB/km ทำให้ไม่สามารถนำมาใช้กับการส่งข้อมูลจริงจังได้ มนตร์ขลังที่แท้จริงเกิดขึ้นในสเปกตรัมอินฟราเรด ความยาวคลื่น 1550 นาโนเมตร เป็นที่ต้องการอย่างมากเพราะตรงกับช่วงการสูญเสียที่ต่ำที่สุดของใยแก้วซิลิกา และเป็นมาตรฐานสำหรับสายเคเบิลระยะไกลและสายเคเบิลใต้ทะเล นอกจากนี้ แหล่งกำเนิดแสงไม่ใช่หลอดไฟธรรมดา แต่เป็น เลเซอร์ไดโอดเซมิคอนดักเตอร์ หรือสำหรับงานที่ต้องการประสิทธิภาพน้อยกว่าจะใช้ ไดโอดเปล่งแสง (LED) เลเซอร์ไดโอดแบบ อินเดียมแกลเลียมอาร์เซไนด์ฟอสไฟด์ (InGaAsP) ทั่วไปสำหรับงานนี้อาจให้กำลังไฟฟ้าระหว่าง 1 ถึง 10 มิลลิวัตต์ มีความกว้างสเปกตรัมน้อยกว่า 5 นาโนเมตร และมีอายุการใช้งานเกิน 100,000 ชั่วโมง

การเลือกใช้แสงอินฟราเรด โดยเฉพาะที่ 1310 นาโนเมตร และ 1550 นาโนเมตร เป็นเสาหลักพื้นฐานของเทคโนโลยีใยแก้วนำแสง ซึ่งกำหนดโดยคุณสมบัติทางกายภาพที่มีอยู่ของเส้นใยแก้วเอง เพื่อลดการสูญเสียสัญญาณและเพิ่มระยะทางในการส่งข้อมูลให้ได้ไกลและมีประสิทธิภาพสูงสุด

สเปกตรัมของแสงที่กว้างเกินไปจะทำให้เกิด การกระจายรงค์ (chromatic dispersion) ซึ่งความเร็วของแสงที่ต่างกันภายในพัลส์เดียวกันทำให้พัลส์กระจายตัวออก ส่งผลให้ข้อมูลผิดเพี้ยนเมื่อส่งระยะไกล ลำแสงที่แคบและมีความสอดคล้องกันจากเลเซอร์ไดโอดจะช่วยลดผลกระทบนี้ ทำให้ได้ อัตราการส่งข้อมูล ที่สูงขึ้น มักวัดเป็น กิกะบิตต่อวินาที (Gbps) หรือแม้แต่ เทราบิตต่อวินาที (Tbps) ต่อช่องสัญญาณ ความเร็วในการมอดูเลต ของเลเซอร์เหล่านี้เป็นอีกปัจจัยสำคัญ โดยรุ่นสมัยใหม่สามารถเปิดและปิดได้หลายพันล้านครั้งต่อวินาทีเพื่อเข้ารหัสข้อมูลดิจิทัล

แหล่งกำเนิดแสงทั่วไป

เมื่อติดตั้งหรือทำงานกับระบบใยแก้วนำแสง การเลือกแหล่งกำเนิดแสงที่เหมาะสมเป็นการตัดสินใจที่สำคัญซึ่งต้องสร้างสมดุลระหว่างประสิทธิภาพและงบประมาณ แหล่งกำเนิดแสงหลักสองประเภทคือ เลเซอร์ไดโอด (LD) และไดโอดเปล่งแสง (LED) การเลือกใช้ไม่ใช่ว่าประเภทใดดีกว่ากันโดยรวม แต่ขึ้นอยู่กับว่าประเภทใดเหมาะสมกับงานเฉพาะนั้นมากกว่า LD ให้กำลังและความเร็วสูงสำหรับโครงข่ายหลักระยะไกล ในขณะที่ LED เป็นโซลูชันที่คุ้มค่าสำหรับลิงก์ที่มีอัตราข้อมูลต่ำและระยะทางสั้นภายในอาคารหรือวิทยาเขต

เลเซอร์ไดโอด (LDs) เป็นผู้นำที่ไร้ข้อกังขาสำหรับแอปพลิเคชันประสิทธิภาพสูง ข้อได้เปรียบหลักคือลำแสงที่มี ทิศทางแน่นอนและมีความสอดคล้องกันสูง ซึ่งช่วยให้สามารถเชื่อมต่อเข้ากับแกนขนาดเล็กเพียง 8 ถึง 10 ไมโครเมตร ของเส้นใยโหมดเดี่ยวได้อย่างมีประสิทธิภาพ เลเซอร์แบบ distributed feedback (DFB) ทั่วไปที่ใช้ในระบบโทรคมนาคมทำงานที่ความยาวคลื่นแม่นยำ 1550 นาโนเมตร ปล่อยลำแสงออปติคอลแคบ 3 มิลลิวัตต์ และมีความกว้างสเปกตรัมต่ำกว่า 0.1 นาโนเมตร สเปกตรัมที่แคบนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งเพราะช่วยลด การกระจายรงค์ ได้อย่างมาก ซึ่งเป็นปรากฏการณ์ที่ความเร็วแสงต่างกันทำให้สัญญาณพร่ามัวเมื่อเดินทางไกล

สิ่งนี้ช่วยให้ LD สามารถส่งข้อมูลด้วยความเร็วที่น่าทึ่งถึง 10 Gbps, 40 Gbps หรือแม้แต่ 100 Gbps ในระยะทางเกิน 100 กิโลเมตร ก่อนที่จะต้องใช้เครื่องทวนสัญญาณ ข้อแลกเปลี่ยนสำหรับประสิทธิภาพนี้คือราคาชิ้นส่วนที่สูงขึ้น โดยปกติจะอยู่ระหว่าง 100 ถึง 500 เหรียญต่อยูนิต และมีความไวต่อแรงดันไฟฟ้าที่กระชากและการสะท้อนกลับมากกว่า ซึ่งต้องใช้ชุดวงจรขับเคลื่อนที่ซับซ้อนและราคาแพงกว่า ค่าเฉลี่ยเวลาการใช้งานก่อนเกิดความล้มเหลว (MTTF) นั้นน่าประทับใจคือ มากกว่า 100,000 ชั่วโมง (ประมาณ 11 ปี ของการทำงานต่อเนื่อง)

เลเซอร์ไดโอดที่ใช้งานจริง

การเลือกเลเซอร์ไดโอดที่เหมาะสมสำหรับแอปพลิเคชันใยแก้วนำแสงเป็นการตัดสินใจทางวิศวกรรมที่แม่นยำ ซึ่งส่งผลโดยตรงต่อประสิทธิภาพของระบบ ระยะการส่งสัญญาณ และต้นทุนรวมในการเป็นเจ้าของ เลเซอร์แต่ละประเภทไม่ได้ถูกสร้างขึ้นมาให้เท่ากัน การเลือกใช้ระหว่าง Fabry-Perot (FP), Distributed Feedback (DFB) หรือ Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser (VCSEL) ขึ้นอยู่กับข้อกำหนดทางเทคนิคเฉพาะ เช่น อัตราข้อมูล ระยะการส่งข้อมูล และความบริสุทธิ์ของสเปกตรัม ตัวอย่างเช่น โครงข่ายหลักของศูนย์ข้อมูลต้องการความแม่นยำของเลเซอร์ DFB สำหรับลิงก์ 100 กม. ในขณะที่การเชื่อมต่อระหว่างแร็คเซิร์ฟเวอร์อาจใช้ VCSEL ที่ราคาต่ำกว่าสำหรับระยะ 100 เมตร การเข้าใจพารามิเตอร์การทำงาน—ความเสถียรของความยาวคลื่น กำลังเอาต์พุต ความเร็วการมอดูเลต และความกว้างสเปกตรัม—เป็นสิ่งสำคัญสำหรับการออกแบบเครือข่ายที่ให้การรับส่งข้อมูลความเร็วสูงและเชื่อถือได้โดยไม่ต้องจ่ายเงินเกินความจำเป็นให้กับประสิทธิภาพเลเซอร์ที่ไม่ได้ใช้

เลเซอร์ Fabry-Perot (FP) เป็นแหล่งเลเซอร์ที่พบบ่อยและประหยัดที่สุดสำหรับระยะทางและอัตราข้อมูลระดับปานกลาง ทำงานที่ความยาวคลื่นประมาณ 1310 นาโนเมตร ซึ่งการกระจายรงค์ในเส้นใยโหมดเดี่ยวมาตรฐานเกือบจะเป็นศูนย์ แต่ความกว้าง สเปกตรัมที่ค่อนข้างกว้างที่ 3-5 นาโนเมตร ในที่สุดก็จำกัดระยะทางไว้ที่ประมาณ 20 กิโลเมตร และอัตราข้อมูลที่ประมาณ 2.5 กิกะบิตต่อวินาที (Gbps) กำลังเอาต์พุตทั่วไปที่ 3 มิลลิวัตต์ นั้นเพียงพอสำหรับการใช้งานเหล่านี้ ด้วยราคาต่อหน่วยในช่วง 20 ถึง 80 เหรียญ จึงเป็นโซลูชันที่คุ้มค่าสำหรับเครือข่ายพื้นที่ส่วนท้องถิ่นในองค์กร (LAN) และลิงก์ระดับเมืองระยะสั้นที่ประสิทธิภาพสูงสุดของเลเซอร์ DFB ไม่มีความจำเป็น ค่าเฉลี่ยเวลาการใช้งานก่อนเกิดความล้มเหลว (MTTF) มักจะอยู่ที่ มากกว่า 200,000 ชั่วโมง

สำหรับเครือข่ายโครงข่ายหลักระยะไกลประสิทธิภาพสูง เลเซอร์ Distributed Feedback (DFB) เป็นมาตรฐานอุตสาหกรรม จุดต่างสำคัญคือโครงสร้างเกรตติ้งในตัวที่บังคับให้ทำงานใน โหมดตามยาวเดี่ยว (single longitudinal mode) ส่งผลให้มี ความกว้างสเปกตรัมที่แคบอย่างยิ่งน้อยกว่า 0.1 นาโนเมตร ความแม่นยำนี้เป็นสิ่งที่ต่อรองไม่ได้ เพราะช่วยลดการกระจายรงค์ ทำให้สัญญาณข้อมูลเดินทางได้ เกิน 80 กิโลเมตร ที่ความเร็ว 10 Gbps, 40 Gbps หรือ 100 Gbps โดยไม่ต้องมีการปรับสัญญาณใหม่ เลเซอร์ DFB ส่วนใหญ่จะถูกปรับจูนไปที่ย่าน 1550 นาโนเมตร ซึ่งมีการลดทอนของเส้นใยต่ำที่สุด (~0.2 dB/km) เลเซอร์เหล่านี้มีกำลังส่งสูงกว่ามาก โดยมีกำลังเอาต์พุตตั้งแต่ 10 มิลลิวัตต์ ถึงมากกว่า 40 มิลลิวัตต์ สำหรับระบบที่มีตัวขยายสัญญาณออปติคอลในตัว

ทางเลือกจาก LED

LED 850 นาโนเมตร ทั่วไปมีความกว้างสเปกตรัมประมาณ 40 นาโนเมตร และ LED 1300 นาโนเมตร อาจกว้างได้ถึง 80 นาโนเมตร ลักษณะประจำตัวนี้จำกัดอัตราข้อมูลที่มีประสิทธิภาพไว้ที่ประมาณ 100 ถึง 200 Mbps และระยะทางส่งข้อมูลต่ำกว่า 2 กิโลเมตร บนเส้นใยโหมดรวม (multi-mode fiber) เนื่องจากปัญหาการกระจายตัวของโหมดและการกระจายรงค์ที่รุนแรง อย่างไรก็ตาม ประสิทธิภาพนี้เพียงพอสำหรับลิงก์ระยะสั้นและงบประมาณต่ำ ตั้งแต่เครือข่ายเซนเซอร์ในโรงงานไปจนถึงระบบอาคารอัจฉริยะ ข้อได้เปรียบสำคัญคือความทนทานเป็นเลิศ ทนต่อปัจจัยแวดล้อมได้ดี และราคาต่อหน่วยที่มักจะ ต่ำกว่าเลเซอร์ไดโอดพื้นฐานถึง 80-90%

SLED มาตรฐานจะปล่อยแสงจากบริเวณที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 50 ไมโครเมตร ซึ่งเข้ากันได้ดีกับแกนของ ใยแก้วโหมดรวม 62.5 ไมโครเมตร ทั่วไป ช่วยให้การเชื่อมต่อทำได้ค่อนข้างง่าย โดยมีประสิทธิภาพการเชื่อมต่ออยู่ที่ 2% ถึง 5% อย่างไรก็ตาม พื้นที่ปล่อยแสงที่กว้างส่งผลให้ลำแสงเอาต์พุตกระจายตัวสูงด้วย มุมครึ่งกำลัง 120 องศา ซึ่งจำกัดปริมาณพลังงานแสงที่สามารถส่งเข้าไปในเส้นใยได้ SLED ทั่วไปที่ 850 นาโนเมตร อาจมีกำลังเอาต์พุตทั้งหมด 500 ไมโครวัตต์ จากชิป แต่มีเพียงประมาณ 15 ไมโครวัตต์ (หรือ -18.2 dBm) เท่านั้นที่ส่งเข้าไปในเส้นใยได้สำเร็จ แบนด์วิดท์การมอดูเลตก็จำกัดเช่นกัน ปกติจะอยู่ที่ประมาณ 50 ถึง 100 MHz ซึ่งจำกัดอัตราข้อมูล ในทางตรงกันข้าม ELED จะมีโครงสร้างเหมือนเลเซอร์มากกว่า โดยจะปล่อยแสงออกจากขอบชิป ทำให้ได้เอาต์พุตที่มีทิศทางแน่นอนกว่าด้วย มุมครึ่งกำลัง 30 องศา ช่วยให้ประสิทธิภาพการเชื่อมต่อสูงขึ้นเป็น 5% ถึง 10% และส่งกำลังได้ 40 ถึง 60 ไมโครวัตต์ (-14 dBm ถึง -12.2 dBm) ซึ่งมาพร้อมกับราคาที่สูงขึ้นเล็กน้อย โดย ELED มีราคาประมาณ 25 ถึง 40 เหรียญ เมื่อเทียบกับ 10 ถึง 20 เหรียญ สำหรับ SLED พื้นฐาน

สำหรับการเชื่อมต่อข้อมูล RS-232 หรือ RS-485 แบบง่ายๆ ในระยะ 500 เมตร ในโรงงานอุตสาหกรรม ชุดเครื่องส่งแบบ LED ราคา 15 เหรียญ จับคู่กับตัวรับแบบ PIN photo diode ราคา 20 เหรียญ จะสร้างช่องทางการสื่อสารที่แข็งแกร่งและเชื่อถือได้ด้วยต้นทุนชิ้นส่วนรวมต่ำกว่า 50 เหรียญ ระบบนี้สามารถทำงานได้อย่างน่าเชื่อถือ เกิน 20 ปี โดยมีอัตราความล้มเหลวน้อยกว่า 0.1% ต่อ 10,000 ชั่วโมง

เหตุผลในการเลือกความยาวคลื่น

การเลือกความยาวคลื่นเฉพาะในใยแก้วนำแสง—หลักๆ คือ 850 นาโนเมตร, 1310 นาโนเมตร และ 1550 นาโนเมตร—ไม่ใช่เรื่องสุ่ม แต่เป็นการตัดสินใจทางวิศวกรรมที่ขับเคลื่อนโดยคุณสมบัติทางกายภาพพื้นฐานของแก้วซิลิกาและความจำเป็นทางเศรษฐกิจเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพสูงสุดในขณะที่ลดต้นทุนให้ต่ำที่สุด แต่ละย่านความยาวคลื่นจะสอดคล้องกับ หน้าต่างการลดทอน (attenuation window) เฉพาะที่การสูญเสียสัญญาณลดลงต่ำสุดในพื้นที่นั้นๆ

ตัวอย่างเช่น หน้าต่าง 1550 นาโนเมตร มีการสูญเสียต่ำสุดอย่างแท้จริง อยู่ที่ประมาณ 0.18–0.2 dB/km ซึ่ง ต่ำกว่าการลดทอนที่ 1310 นาโนเมตร (~0.35 dB/km) ถึง 50% สิ่งนี้แปลเป็นการเพิ่มขึ้นของ ระยะทางส่งสัญญาณถึง 75% ก่อนที่สัญญาณจะต้องขยายใหม่ นอกจากเรื่องการลดทอนแล้ว ปัจจัยอย่าง การกระจายรงค์, ความพร้อมของชิ้นส่วน และ ต้นทุนรวมของระบบ ก็เป็นตัวกำหนดการเลือกใช้ สัญญาณ 10 Gbps ที่เดินทางบนใยแก้วโหมดเดี่ยวมาตรฐานระยะ 80 กม. ที่ความยาวคลื่น 1310 นาโนเมตร อาจพบ การขยายตัวของพัลส์ที่เกิดจากการกระจายตัวน้อยลง 50% เมื่อเทียบกับสัญญาณเดียวกันที่ 1550 นาโนเมตร แต่การลดทอนที่สูงกว่าที่ 1310 นาโนเมตร มักทำให้ 1550 นาโนเมตร เป็นตัวเลือกที่ดีกว่าสำหรับลิงก์ที่ยาวมาก การเข้าใจข้อดีข้อเสียเหล่านี้เป็นสิ่งสำคัญสำหรับการออกแบบเครือข่ายออปติคอลที่มีประสิทธิภาพและคุ้มค่า

การลดการสูญเสียสัญญาณ (Attenuation):

ปัจจัยหลักในการเลือกความยาวคลื่นคือการลดการลดทอนสัญญาณ ซึ่งคือการอ่อนกำลังลงของสัญญาณแสงเมื่อเดินทางผ่านเส้นใยแก้ว คุณสมบัติการดูดซับที่มีอยู่ในแก้วซิลิกาที่มีความบริสุทธิ์สูงสร้างหน้าต่างการสูญเสียต่ำหลักสามช่วง หน้าต่างที่หนึ่ง ที่ 850 นาโนเมตร มีการลดทอนประมาณ 2.5–3.5 dB/km จำกัดการใช้งานไว้ที่ระยะสั้นแบบโหมดรวมไม่เกิน 5 กิโลเมตร หน้าต่างที่สอง ที่ 1310 นาโนเมตร เป็นจุดที่มีการกระจายตัวเป็นศูนย์สำหรับเส้นใยโหมดเดี่ยวมาตรฐาน (SMF) และมีการลดทอนที่ต่ำกว่าคือ 0.35 dB/km ช่วยให้สัญญาณ 10 มิลลิวัตต์ เดินทางได้ไกลประมาณ 25 กม. ก่อนที่กำลังจะตกลงไปถึงเกณฑ์ความไวของตัวรับที่ -28 dBm หน้าต่างที่สามและสำคัญที่สุด คือช่วง 1550 นาโนเมตร ซึ่งการลดทอนสัญญาณจะลดลงสู่จุดต่ำสุดที่ 0.18–0.2 dB/km ช่วยให้สัญญาณเดินทางได้ ไกลกว่า 100 กม. ซึ่ง เพิ่มระยะการส่งขึ้นถึง 400% เมื่อเทียบกับ 850 นาโนเมตร ทำให้เป็นตัวเลือกอันดับหนึ่งสำหรับสายเคเบิลระหว่างเมืองและใต้ทะเล ผลกระทบทางการเงินนั้นมหาศาล การใช้ 1550 นาโนเมตร สามารถลดจำนวนเครื่องขยายสัญญาณในลิงก์ 1000 กม. ได้ถึง 20% นำไปสู่การประหยัดงบลงทุน (CAPEX) ได้เป็น หลายล้านเหรียญ สำหรับการวางเครือข่ายขนาดใหญ่

การจัดการความผิดเพี้ยนของสัญญาณ (Dispersion):

การลดทอนไม่ใช่ศัตรูเพียงอย่างเดียว การกระจายรงค์ (Chromatic dispersion) ซึ่งเป็นการกระจายตัวของพัลส์แสงเพราะความยาวคลื่นต่างกันเดินทางด้วยความเร็วต่างกัน กลายเป็นปัจจัยจำกัดที่สำคัญที่อัตราข้อมูลสูง แม้ว่า 1310 นาโนเมตร จะเป็น ความยาวคลื่นที่มีการกระจายตัวเป็นศูนย์ สำหรับ SMF มาตรฐาน แต่ภูมิภาค 1550 นาโนเมตร กลับมีการกระจายตัวที่เป็นบวกอย่างมากประมาณ 17–20 ps/(nm·km) สำหรับสัญญาณที่มี ความกว้างสเปกตรัม 0.1 นาโนเมตร ที่เดินทางไกล 100 กม. สิ่งนี้อาจทำให้พัลส์กระจายตัวออกไป 170–200 ps ซึ่งสามารถจำกัดอัตราข้อมูลสูงสุดได้อย่างรุนแรง

เพื่อแก้ปัญหานี้ วิศวกรต้องใช้ ใยแก้วแบบเลื่อนการกระจายตัว (dispersion-shifted fiber – DSF) หรือ โมดูลชดเชยการกระจายตัว (dispersion-compensating modules – DCMs) ซึ่งเพิ่มต้นทุนรวมของระบบไปอีก 15–30% นี่คือเหตุผลว่าทำไมสำหรับลิงก์ 10 Gigabit Ethernet ระยะปานกลาง 1310 นาโนเมตร จึงมักเป็นตัวเลือกที่ต้องการ เพราะช่วยหลีกเลี่ยงค่าใช้จ่ายและความซับซ้อนในการจัดการการกระจายตัว ในทางกลับกัน หน้าต่าง 850 นาโนเมตร ประสบปัญหา การกระจายตัวของโหมด (modal dispersion) อย่างรุนแรงในเส้นใยโหมดรวม ซึ่งจำกัดประสิทธิภาพแบนด์วิดท์ต่อระยะทางไว้ที่ประมาณ 500 MHz·km สำหรับเส้นใย 62.5 ไมโครเมตร ทำให้อัตราข้อมูลอยู่ที่ 10 Gbps สำหรับระยะทางที่สั้นกว่า 300 เมตร เท่านั้น

ความพร้อมของชิ้นส่วนและต้นทุนระบบ:

การเลือกความยาวคลื่นได้รับอิทธิพลอย่างมากจากความพร้อมใช้งานในเชิงพาณิชย์และความก้าวหน้าของส่วนประกอบออปติคอล ระบบนิเวศของอุปกรณ์สำหรับ 1310 นาโนเมตร และ 1550 นาโนเมตร นั้นมีขนาดใหญ่และมีการแข่งขันสูง เลเซอร์ DFB 1310 นาโนเมตร สำหรับงาน 10 Gbps อาจมีราคา 150–200 เหรียญ ในขณะที่รุ่น 1550 นาโนเมตร ที่กำลังส่งสูงกว่าสำหรับระยะไกลอาจมีราคา 400–600 เหรียญ การพัฒนา ตัวขยายสัญญาณออปติคอลใยแก้วเจือเออร์เบียม (EDFAs) ซึ่งทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพเฉพาะในช่วง 1525–1565 นาโนเมตร (C-band) เป็นความก้าวหน้าที่ยิ่งใหญ่ซึ่งทำให้ 1550 นาโนเมตร เป็นกระดูกสันหลังของการสื่อสารระยะไกล

EDFA หนึ่งเครื่องสามารถให้ อัตราขยาย 20–30 dB (ขยายสัญญาณ 100 ถึง 1000 เท่า) ด้วยราคา 5,000–15,000 เหรียญ ซึ่งประหยัดกว่าการติดตั้งเครื่องทวนสัญญาณอิเล็กทรอนิกส์ราคาแพงทุกๆ 80 กม. ความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีนี้ทำให้การรับส่งข้อมูลแบบรวมความยาวคลื่นหนาแน่น (DWDM) เป็นไปได้ในเชิงพาณิชย์ ช่วยให้ความยาวคลื่นแยกกัน 80 ถึง 160 ช่อง ซึ่งแต่ละช่องส่งข้อมูลได้ 100 Gbps สามารถรับส่งได้ในเส้นใยเส้นเดียว สร้างท่อข้อมูลขนาด 16 เทราบิตต่อวินาที ส่วนย่าน 850 นาโนเมตร ยังคงเป็นที่นิยมเพราะต้นทุนที่ต่ำมากของ VCSELs (ต่ำกว่า 20 เหรียญ) และ ทรานซีฟเวอร์โหมดรวม ทำให้เป็นพื้นฐานทางเศรษฐกิจของการเชื่อมต่อภายในศูนย์ข้อมูลสำหรับลิงก์ใดๆ ที่ต่ำกว่า 150 เมตร การเลือกใช้ในที่สุดก็สรุปได้ที่การยอมแลกที่ผ่านการคำนวณมาแล้ว: ยอมจ่ายค่าชิ้นส่วนเริ่มต้นที่สูงกว่าเพื่อประสิทธิภาพที่เหนือกว่าที่ 1550 นาโนเมตร หรือยอมรับข้อจำกัดด้านระยะทางและความเร็วเพื่อลดต้นทุนชิ้นส่วนลง 70–80% ที่ 850 นาโนเมตร

การเปรียบเทียบประสิทธิภาพแหล่งกำเนิดแสง

ลิงก์ 100 Gbps ในศูนย์ข้อมูล มีความต้องการที่ต่างจาก เครือข่ายเซนเซอร์ 10 Mbps ในโรงงานอุตสาหกรรมอย่างสิ้นเชิง ความแตกต่างด้านประสิทธิภาพนั้นมหาศาล: เลเซอร์ DFB 1550 นาโนเมตร ให้ความบริสุทธิ์ของสเปกตรัมมากกว่า 100,000 เท่า (ความกว้าง 0.1 นาโนเมตร) เมื่อเทียบกับ LED 850 นาโนเมตร ทั่วไป (ความกว้าง 100 นาโนเมตร) ช่วยให้ส่งสัญญาณได้ไกลกว่าถึง 200 เท่า (100 กม. เทียบกับ 0.5 กม.) ขณะที่ต้นทุนชิ้นส่วนอาจแตกต่างกัน เกิน 500%

• กำลังเอาต์พุตและ Link Budget: ปริมาณพลังงานแสงที่ส่งเข้าไปในเส้นใยเป็นตัวกำหนดระยะทางส่งสูงสุดโดยตรง เลเซอร์ DFB กำลังสูง ปล่อยแสง 10-40 mW (+10 ถึง +16 dBm) ทำให้มีค่าเผื่อสำหรับลิงก์ระยะไกลที่ยอมรับการสูญเสียรวมได้ 30-35 dB VCSEL ทั่วไปปล่อยแสง 1-2 mW (0 ถึง +3 dBm) เหมาะสำหรับลิงก์ศูนย์ข้อมูลสูงสุด 300 เมตร ที่มีงบประมาณการสูญเสีย 6-8 dB ในขณะที่ LED ส่งแสงได้เพียง 0.01-0.05 mW (-20 ถึง -13 dBm) จำกัดระยะที่ใช้งานจริงไว้เพียง ไม่เกิน 2 กม. แม้จะใช้ใยแก้วโหมดรวม
• ลักษณะสเปกตรัมและการกระจายตัว: ความกว้างสเปกตรัมจำกัดอัตราข้อมูลและระยะทางสูงสุดผ่านการกระจายรงค์ สเปกตรัมที่แคบเป็นพิเศษ 0.1 นาโนเมตร ของ เลเซอร์ DFB ช่วยให้ส่งข้อมูล 100 Gbps ได้ไกล 80 กม. โดยที่พัลส์กระจายตัวน้อยมาก เลเซอร์ Fabry-Perot ที่มีความกว้างสเปกตรัม 3-5 นาโนเมตร ถูกจำกัดไว้ที่ 2.5 Gbps ที่ระยะ 20 กม. เนื่องจากมีการสะสมของการกระจายตัว ส่วนสเปกตรัมที่กว้าง 40-100 นาโนเมตร ของ LED จำกัดไว้ที่ 200 Mbps ในระยะทางเพียง 1-2 กม. ทำให้ไม่เหมาะสำหรับงานที่ต้องการความเร็วสูง
• แบนด์วิดท์การมอดูเลตและอัตราข้อมูล: ความเร็วสูงสุดในการสลับสัญญาณเป็นตัวกำหนดอัตราข้อมูล VCSELs เป็นผู้นำในด้านความเร็วที่คุ้มค่า รองรับ 25-56 Gbps ต่อช่องสัญญาณสำหรับระยะ 100-300 เมตร ในศูนย์ข้อมูล ส่วน เลเซอร์ DFB สามารถทำได้ถึง 100-400 Gbps โดยใช้รูปแบบการมอดูเลตขั้นสูงสำหรับระยะทาง 40-80 กม. LEDs มีแบนด์วิดท์จำกัดที่สุด ปกติคือ 50-200 MHz ซึ่งจำกัดการส่งข้อมูลไว้ที่ ไม่เกิน 250 Mbps แม้จะใช้การเข้ารหัสที่ดีที่สุดแล้วก็ตาม
• ความน่าเชื่อถือและอายุการใช้งาน: MTTF แตกต่างกันอย่างมากในแต่ละเทคโนโลยี LEDs มีอายุการใช้งานยาวนานเป็นพิเศษด้วย MTTF 500,000-1,000,000 ชั่วโมง (57-114 ปี) VCSELs มีอายุการใช้งาน 300,000-500,000 ชั่วโมง (34-57 ปี) ที่อุณหภูมิใช้งาน 25°C ส่วน เลเซอร์ DFB มี MTTF อยู่ที่ 100,000-200,000 ชั่วโมง (11-23 ปี) ซึ่งต้องการการจัดการความร้อนและการควบคุมพลังงานที่ระมัดระวังกว่าเพื่อรักษาความน่าเชื่อถือ
• การเพิ่มประสิทธิภาพตามการใช้งาน: แต่ละเทคโนโลยีมีความโดดเด่นในสถานการณ์ที่ต่างกัน LEDs ครองตลาดในระบบ ควบคุมทางอุตสาหกรรม ที่อัตราข้อมูล 10-100 Mbps ในระยะ 500ม.-2กม. นั้นเพียงพอและต้นทุนทรานซีฟเวอร์ที่ 20-50 เหรียญเป็นปัจจัยสำคัญ VCSELs ถูกปรับแต่งมาสำหรับแอปพลิเคชัน ศูนย์ข้อมูล ที่ต้องการความเร็ว 25-100 Gbps ในระยะ 100-300 เมตร ด้วยงบทรานซีฟเวอร์ที่ 100-200 เหรียญ ส่วน เลเซอร์ DFB จำเป็นสำหรับเครือข่าย โครงข่ายหลักโทรคมนาคม ที่ต้องการ 100+ Gbps ในระยะ 80-100 กม. ซึ่งต้นทุนทรานซีฟเวอร์ 500-1,000 เหรียญถือว่าคุ้มค่าเมื่อเทียบกับประสิทธิภาพที่ได้รับ

การเปรียบเทียบประสิทธิภาพเผยให้เห็นขอบเขตการใช้งานที่ชัดเจน: LED ให้ต้นทุนต่อลิงก์ต่ำที่สุดสำหรับแอปพลิเคชันความเร็วต่ำ, VCSEL ให้สัดส่วนราคาต่อประสิทธิภาพดีที่สุดสำหรับลิงก์ความเร็วสูงระยะสั้น และเลเซอร์ DFB ให้ประสิทธิภาพสูงสุดสำหรับการส่งข้อมูลระยะไกล การวิเคราะห์รายละเอียดความต้องการแบนด์วิดท์ทั้งปัจจุบันและอนาคต ระยะทาง และข้อจำกัดด้านงบประมาณ จะช่วยระบุเทคโนโลยีที่เหมาะสมที่สุดซึ่งให้ประสิทธิภาพที่จำเป็นโดยไม่ต้องเสียค่าใช้จ่ายส่วนเกินที่ไม่จำเป็น