คำนำ: ไฟเบอร์การสื่อสารแบ่งออกเป็นไฟเบอร์โหมดเดี่ยวและไฟเบอร์มัลติโหมดตามจำนวนโหมดการส่งสัญญาณภายใต้ความยาวคลื่นของการใช้งาน เนื่องจากเส้นผ่านศูนย์กลางแกนกลางขนาดใหญ่ของไฟเบอร์มัลติโหมดจึงสามารถใช้กับแหล่งกำเนิดแสงราคาประหยัดได้ ดังนั้นจึงมีการใช้งานที่หลากหลายในสถานการณ์การส่งข้อมูลระยะสั้น เช่น ศูนย์ข้อมูลและเครือข่ายท้องถิ่น ด้วยการพัฒนาอย่างรวดเร็วของการก่อสร้างศูนย์ข้อมูลในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา มัลติโหมดไฟเบอร์ ซึ่งเป็นกระแสหลักของศูนย์ข้อมูลและพื้นที่ท้องถิ่น แอปพลิเคชันเครือข่ายยังได้เปิดตัวในฤดูใบไม้ผลิ ทำให้เกิดความกังวลอย่างกว้างขวาง วันนี้เราจะมาพูดถึงการพัฒนามัลติโหมดไฟเบอร์กัน
ตามข้อกำหนดมาตรฐาน ISO/IEC 11801 มัลติไฟเบอร์แบ่งออกเป็นห้าประเภทหลัก: OM1, OM2, OM3, OM4 และ OM5 ความสอดคล้องกับ IEC 60792-2-10 แสดงในตารางที่ 1 ในบรรดา OM1, OM2 หมายถึงมัลติโหมดไฟเบอร์ขนาด 62.5/125 มม. และ 50/125 มม. แบบดั้งเดิม OM3, OM4 และ OM5 หมายถึงไฟเบอร์มัลติโหมดขนาด 50/125 มม. 10 กิกะบิตใหม่
อันดับแรก:ไฟเบอร์มัลติโหมดแบบดั้งเดิม
การพัฒนามัลติโหมดไฟเบอร์เริ่มขึ้นในปี 1970 และ 1980 เส้นใยมัลติโหมดในยุคแรกๆ มีหลายขนาด และขนาดสี่ประเภทที่รวมอยู่ในมาตรฐาน International Electrotechnical Commission (IEC) รวมสี่ขนาด เส้นผ่านศูนย์กลางการหุ้มแกนแบ่งออกเป็น 50/125 μm, 62.5/125 μm, 85/125 μm และ 100/ 140 μm เนื่องจากการหุ้มแกนมีขนาดใหญ่ ต้นทุนการผลิตจึงสูง ความต้านทานการดัดงอไม่ดี จำนวนโหมดการส่งข้อมูลเพิ่มขึ้น และแบนด์วิธลดลง ดังนั้นประเภทของขนาดกาบแกนขนาดใหญ่จึงค่อยๆ ตัดออก และขนาดกาบแกนหลักสองขนาดจะค่อยๆ ก่อตัวขึ้น คือ 50/125 μm และ 62.5/125 μm ตามลำดับ
ในเครือข่ายท้องถิ่นในยุคแรก เพื่อลดต้นทุนระบบของเครือข่ายท้องถิ่นให้มากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ โดยทั่วไปแล้ว LED ราคาประหยัดจึงถูกใช้เป็นแหล่งกำเนิดแสง เนื่องจากกำลังเอาต์พุต LED ต่ำ มุมที่แตกต่างจึงค่อนข้างใหญ่ . อย่างไรก็ตาม เส้นผ่านศูนย์กลางแกนกลางและรูรับแสงเชิงตัวเลขของไฟเบอร์มัลติโหมด 50/125 มม. มีขนาดค่อนข้างเล็ก ซึ่งไม่เอื้อต่อการเชื่อมต่อกับ LED อย่างมีประสิทธิภาพ สำหรับไฟเบอร์มัลติโหมด 62.5/125 มม. ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางแกนขนาดใหญ่และรูรับแสงเชิงตัวเลข สามารถรวมพลังงานแสงเข้ากับลิงค์ออปติคอลได้มากขึ้น ดังนั้น ไฟเบอร์มัลติโหมดขนาด 50/125 มม. จึงไม่ได้ใช้กันอย่างแพร่หลายเท่ากับไฟเบอร์มัลติโหมดขนาด 62.5/125 มม. ก่อน กลางทศวรรษ 1990
ด้วยอัตราการส่งข้อมูล LAN ที่เพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง ตั้งแต่ปลายศตวรรษที่ 20 LAN ได้รับการพัฒนาให้สูงกว่าอัตรา lGb/s แบนด์วิธของไฟเบอร์มัลติโหมดขนาด 62.5/125μm ที่มี LED เป็นแหล่งกำเนิดแสงนั้นค่อยๆ ไม่สามารถตอบสนองความต้องการได้ ในทางตรงกันข้าม ไฟเบอร์มัลติโหมดขนาด 50/125 มม. มีรูรับแสงตัวเลขและเส้นผ่านศูนย์กลางแกนที่เล็กกว่า และมีโหมดการนำความร้อนน้อยลง ดังนั้น โหมด การกระจายตัวของไฟเบอร์แบบมัลติโหมดลดลงอย่างมีประสิทธิภาพ และแบนด์วิธก็เพิ่มขึ้นอย่างมาก เนื่องจากเส้นผ่านศูนย์กลางแกนเล็ก ต้นทุนการผลิตไฟเบอร์มัลติโหมด 50/125 มม. ก็ต่ำกว่าเช่นกัน ดังนั้นจึงมีการใช้กันอย่างแพร่หลายอีกครั้ง
มาตรฐาน IEEE 802.3z Gigabit Ethernet ระบุว่ามัลติโหมดขนาด 50/125 มม. และไฟเบอร์มัลติโหมดขนาด 62.5/125 มม. สามารถใช้เป็นสื่อในการส่งข้อมูลสำหรับ Gigabit Ethernet ได้ อย่างไรก็ตาม สำหรับเครือข่ายใหม่ โดยทั่วไปแล้วควรใช้มัลติโหมดไฟเบอร์ขนาด 50/125 มม.
ที่สอง:ไฟเบอร์มัลติโหมดที่ปรับให้เหมาะสมด้วยเลเซอร์
ด้วยการพัฒนาเทคโนโลยี VCSEL 850 นาโนเมตร (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) จึงปรากฏขึ้น เลเซอร์ VCSEL มีการใช้กันอย่างแพร่หลายเนื่องจากมีราคาถูกกว่าเลเซอร์ความยาวคลื่นยาวและสามารถเพิ่มความเร็วเครือข่ายได้ เลเซอร์ VCSEL ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายเนื่องจากมีราคาถูกกว่าเลเซอร์ระยะยาว เลเซอร์ความยาวคลื่นและสามารถเพิ่มความเร็วเครือข่ายได้ เนื่องจากอุปกรณ์เปล่งแสงทั้งสองประเภทมีความแตกต่างกัน จึงต้องปรับเปลี่ยนตัวไฟเบอร์เองเพื่อรองรับการเปลี่ยนแปลงของแหล่งกำเนิดแสง
สำหรับความต้องการของเลเซอร์ VCSEL องค์การระหว่างประเทศเพื่อการมาตรฐาน/คณะกรรมการเทคนิคไฟฟ้าระหว่างประเทศ (ISO/IEC) และกลุ่มพันธมิตรอุตสาหกรรมโทรคมนาคม (TIA) ได้ร่วมกันร่างมาตรฐานใหม่สำหรับมัลติโหมดไฟเบอร์ที่มีแกนขนาด 50 มม. ISO/IEC จำแนกประเภทรุ่นใหม่ ของมัลติโหมดไฟเบอร์ให้อยู่ในหมวดหมู่ OM3 (มาตรฐาน IEC A1a.2) ในเกรดมัลติโหมดไฟเบอร์ใหม่ ซึ่งเป็นไฟเบอร์มัลติโหมดที่ปรับให้เหมาะสมด้วยเลเซอร์
ไฟเบอร์ OM4 ที่ตามมานั้นเป็นรุ่นอัพเกรดของไฟเบอร์มัลติโหมด OM3 จริง ๆ แล้วเมื่อเปรียบเทียบกับไฟเบอร์ OM3 มาตรฐาน OM4 จะปรับปรุงดัชนีแบนด์วิดท์ไฟเบอร์เท่านั้น นั่นคือมาตรฐานไฟเบอร์ OM4 ได้ปรับปรุงแบนด์วิดท์โหมดที่มีประสิทธิภาพ (EMB) และแบนด์วิธการฉีดแบบเต็ม (OFL) ที่ 850 นาโนเมตร เทียบกับไฟเบอร์ OM3 ดังแสดงในตารางที่ 2 ด้านล่าง
มีหลายโหมดของการส่งสัญญาณในมัลติโหมดไฟเบอร์ และปัญหาความต้านทานการดัดงอของไฟเบอร์ก็นำมาซึ่งเช่นกัน เมื่อไฟเบอร์งอ โหมดลำดับสูงจะรั่วไหลได้ง่าย ส่งผลให้สูญเสียสัญญาณ ซึ่งก็คือการสูญเสียไฟเบอร์จากการดัดงอ ด้วยสถานการณ์การใช้งานภายในอาคารที่เพิ่มมากขึ้น การเดินสายของมัลติโหมดไฟเบอร์ในสภาพแวดล้อมที่แคบได้ทำให้ ส่งต่อข้อกำหนดที่สูงขึ้นสำหรับความต้านทานการดัดงอ
ซึ่งแตกต่างจากโปรไฟล์ดัชนีการหักเหของแสงอย่างง่ายของเส้นใยโหมดเดี่ยว โปรไฟล์ดัชนีการหักเหของแสงของเส้นใยมัลติโหมดนั้นซับซ้อนมาก ซึ่งจำเป็นต้องมีการออกแบบและกระบวนการผลิตโปรไฟล์ดัชนีการหักเหของแสงที่ละเอียดมาก ในกระบวนการสำเร็จรูปหลักสี่ขั้นตอนในปัจจุบันของกระแสหลักระหว่างประเทศ การเตรียมมัลติโหมดไฟเบอร์ที่แม่นยำที่สุดคือกระบวนการพลาสมาเคมีสภาพอากาศสะสม (PCVD) นำเสนอโดยบริษัท Changfei กระบวนการนี้แตกต่างจากกระบวนการอื่นตรงที่มีชั้นสะสมหลายพันชั้นและมีความหนาเพียงประมาณ 1 ไมครอนต่อชั้นในระหว่าง การสะสมทำให้สามารถควบคุมเส้นโค้งดัชนีการหักเหของแสงที่ละเอียดเป็นพิเศษเพื่อให้ได้แบนด์วิธสูง
ด้วยการปรับโปรไฟล์ดัชนีการหักเหของแสงของไฟเบอร์มัลติโหมดให้เหมาะสม ไฟเบอร์มัลติโหมดที่ไม่ไวต่อการดัดงอจึงมีการปรับปรุงความต้านทานการโค้งงออย่างมีนัยสำคัญ ดังแสดงในรูปที่ 1 ด้านล่าง
รูปที่ 1 การเปรียบเทียบประสิทธิภาพของ Macrobend ระหว่างไฟเบอร์มัลติโหมดที่ทนต่อการดัดงอและไฟเบอร์มัลติโหมดทั่วไป
ที่สาม:มัลติไฟเบอร์แบบใหม่ (OM5)
ไฟเบอร์ OM3 และไฟเบอร์ OM4 เป็นไฟเบอร์มัลติโหมดที่ใช้เป็นหลักในย่านความถี่ 850 นาโนเมตร เนื่องจากอัตราการส่งข้อมูลยังคงเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง เฉพาะการออกแบบแบนด์แบบช่องสัญญาณเดียวเท่านั้นที่จะส่งผลให้ค่าใช้จ่ายในการเดินสายเข้มข้นมากขึ้นเรื่อยๆ และค่าใช้จ่ายในการจัดการและบำรุงรักษาที่เกี่ยวข้องก็จะเพิ่มขึ้นตามไปด้วย ดังนั้น ช่างเทคนิคจึงพยายามแนะนำแนวคิดการแบ่งมัลติเพล็กซ์ความยาวคลื่นในระบบส่งสัญญาณมัลติโหมด หากสามารถส่งความยาวคลื่นหลายรายการบนเส้นใยเดียว จำนวนเส้นใยคู่ขนานที่สอดคล้องกัน รวมถึงค่าใช้จ่ายในการวางและบำรุงรักษาจะลดลงอย่างมาก ในบริบทนี้ เส้นใย OM5 ได้เกิดขึ้น
ไฟเบอร์มัลติโหมด OM5 ใช้ไฟเบอร์ OM4 ซึ่งขยายช่องสัญญาณแบนด์วิธสูงและรองรับแอปพลิเคชันการส่งสัญญาณจาก 850 นาโนเมตรถึง 950 นาโนเมตร แอปพลิเคชันกระแสหลักในปัจจุบันคือการออกแบบ SWDM4 และ SR4.2 SWDM4 เป็นการมัลติเพล็กซ์การแบ่งความยาวคลื่นของคลื่นสั้นสี่คลื่น ซึ่งได้แก่ 850 นาโนเมตร, 880 นาโนเมตร, 910 นาโนเมตร และ 940 นาโนเมตร ตามลำดับ ด้วยวิธีนี้ ใยแก้วนำแสงสามารถรองรับบริการของใยแก้วนำแสงแบบขนานสี่เส้นก่อนหน้านี้ SR4.2 เป็นมัลติเพล็กซ์แบบแบ่งความยาวคลื่นสองช่วง ซึ่งส่วนใหญ่ใช้สำหรับเทคโนโลยีเส้นใยเดี่ยวแบบสองทิศทาง OM5 สามารถจับคู่กับเลเซอร์ VCSEL ที่มีประสิทธิภาพต่ำและต้นทุนต่ำ เพื่อตอบสนองการสื่อสารระยะสั้น เช่น ศูนย์ข้อมูลได้ดีขึ้น ตารางที่ 3 ด้านล่างคือ การเปรียบเทียบข้อกำหนดแบนด์วิธหลักสำหรับเส้นใย OM4 และ OM5
ปัจจุบัน ไฟเบอร์ OM5 ถูกใช้เป็นไฟเบอร์มัลติโหมดระดับไฮเอนด์ชนิดใหม่ หนึ่งในกรณีทางธุรกิจที่ใหญ่ที่สุดคือกรณีเชิงพาณิชย์ OM5 ของศูนย์ข้อมูลหลักของ Changfei และ China Railways Corporation ศูนย์ข้อมูลมุ่งเป้าไปที่ข้อดีของแอปพลิเคชันของ ไฟเบอร์ OM5 ในระบบการแบ่งความยาวคลื่นของ SR4.2 บรรลุการสื่อสารความจุสูงสุดด้วยต้นทุนที่ต่ำที่สุด และเตรียมพร้อมสำหรับอัตราการอัปเกรดเพิ่มเติมในอนาคต อัตราในอนาคตจะเพิ่มขึ้นเป็น 100Gb/s หรือ 400Gb /s หรือแอปพลิเคชันไวด์แบนด์ไม่สามารถทดแทนไฟเบอร์ได้อีกต่อไป ซึ่งจะช่วยลดต้นทุนการอัพเกรดในอนาคตได้อย่างมาก
สรุป: เนื่องจากความต้องการใช้งานเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง มัลติโหมดไฟเบอร์กำลังเคลื่อนไปสู่การสูญเสียโค้งงอต่ำ แบนด์วิธสูง และมัลติเพล็กซ์แบบหลายความยาวคลื่น แอพพลิเคชันที่มีศักยภาพมากที่สุดคือไฟเบอร์ OM5 ซึ่งมีประสิทธิภาพสูงสุดของไฟเบอร์มัลติโหมดในปัจจุบัน และนำเสนอโซลูชันไฟเบอร์อันทรงพลังสำหรับระบบหลายความยาวคลื่น 100Gb/s และ 400Gb/s ในอนาคต นอกจากนี้ เพื่อตอบสนองความต้องการของการสื่อสารศูนย์ข้อมูลความเร็วสูง แบนด์วิธสูง ต้นทุนต่ำ มัลติโหมดใหม่ ไฟเบอร์ เช่น ไฟเบอร์อเนกประสงค์มัลติโหมดเดี่ยว ก็กำลังได้รับการพัฒนาเช่นกัน ในอนาคต Changfei จะเปิดตัวโซลูชั่นมัลติโหมดไฟเบอร์ใหม่ร่วมกับคู่แข่งในอุตสาหกรรม ซึ่งจะนำความก้าวหน้าครั้งใหม่มาใช้และลดต้นทุนให้กับศูนย์ข้อมูลและการเชื่อมต่อระหว่างกันด้วยไฟเบอร์ออปติก