Wavelength Division Multiplexing (WDM) คืออะไร: คู่มือทางเทคนิค

เครือข่ายใยแก้วนำแสงทั่วโลกมีความยาวมากกว่า 1.8 ล้านกิโลเมตร ณ ปี พ.ศ. 2568 อาศัยเทคโนโลยีที่เป็นนวัตกรรมเพื่อตอบสนองความต้องการแบนด์วิดท์ที่เพิ่มขึ้นจาก 5G, คลาวด์คอมพิวติ้ง และ IoT เทคโนโลยีการแบ่งสัญญาณแบบ Wavelength Division Multiplexing (WDM) ถือเป็นหัวใจสำคัญที่ช่วยให้สตรีมข้อมูลหลายสตรีมสามารถเดินทางพร้อมกันผ่านใยแก้วนำแสงเส้นเดียว คู่มือนี้จะเจาะลึกถึงหลักการ ประเภท การใช้งาน และแนวโน้มในอนาคตของ WDM คู่มือนี้จัดทำขึ้นสำหรับผู้เชี่ยวชาญที่กำลังมองหาโซลูชันจาก CommMesh เพื่อให้เข้าใจอย่างครอบคลุมเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพเครือข่ายความจุสูง

บทนำสู่การแบ่งความยาวคลื่นแบบมัลติเพล็กซ์ (WDM)

Wavelength Division Multiplexing (WDM) เป็นเทคนิคการส่งสัญญาณใยแก้วนำแสงที่รวมสัญญาณแสงหลายสัญญาณที่มีความยาวคลื่นต่างกันไว้ในใยแก้วนำแสงเส้นเดียว ซึ่งจะช่วยเพิ่มความจุได้อย่างมาก แต่ละความยาวคลื่นหรือ “ช่องสัญญาณ” จะส่งข้อมูลแบบสตรีมอิสระ ทำให้มีแบนด์วิดท์สูงสุด 400 Gbps ต่อช่องสัญญาณ โดยมีความจุรวมสูงสุดถึงเทระบิตต่อวินาที (Tbps) เมื่อใช้หลายช่องสัญญาณ WDM ซึ่งเปิดตัวในช่วงทศวรรษ 1980 ได้พัฒนาจากระบบพื้นฐานไปสู่การใช้งานที่ซับซ้อนเพื่อรองรับการสื่อสารโทรคมนาคมสมัยใหม่ ณ ปี พ.ศ. 2568 ปริมาณการรับส่งข้อมูลเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่าทุกๆ 18–24 เดือน (ต่อ ซิสโก้) WDM เป็นสิ่งที่ขาดไม่ได้สำหรับเครือข่ายระยะไกล รถไฟใต้ดิน และการเข้าถึง

หลักการของการมัลติเพล็กซ์แบบแบ่งความยาวคลื่น

WDM ทำงานโดยใช้ประโยชน์จากแบนด์วิดท์อันกว้างใหญ่ของเส้นใยแก้วนำแสง ซึ่งสามารถรองรับความยาวคลื่นได้หลายพันความยาวคลื่นในช่วง 1260–1675 นาโนเมตร ซึ่งจำกัดด้วยการลดทอนของเส้นใยแก้วนำแสง (เช่น 0.2 เดซิเบล/กม. ที่ 1550 นาโนเมตร) หลักการสำคัญประกอบด้วย:

1. การจัดสรรความยาวคลื่น
   • แต่ละช่องใช้ความยาวคลื่นที่แตกต่างกัน โดยมีระยะห่างกัน 0.8 นาโนเมตร (100 GHz) หรือ 0.4 นาโนเมตร (50 GHz) ในแบนด์ C (1530–1565 นาโนเมตร) หรือแบนด์ L (1565–1625 นาโนเมตร) ตามกริด ITU-T G.694.1
   • ตัวอย่าง: 40 ช่องสัญญาณที่ระยะห่าง 100 GHz ให้ผลผลิต 16 Tbps โดยมี 400 Gbps ต่อช่องสัญญาณ
2. การมัลติเพล็กซ์และการดีมัลติเพล็กซ์
   • การมัลติเพล็กซ์:มัลติเพล็กเซอร์ (MUX) รวมความยาวคลื่นโดยใช้ฟิลเตอร์ฟิล์มบางหรือตะแกรงนำคลื่นแบบอาร์เรย์ (AWG) เพื่อให้แน่ใจว่าการสูญเสียการแทรกน้อยกว่า 0.5 dB
   • การแยกมัลติเพล็กซ์:อุปกรณ์แยกสัญญาณแบบมัลติเพล็กเซอร์ (DEMUX) จะแยกความยาวคลื่นที่ตัวรับ โดยมีสัญญาณรบกวนต่ำกว่า -30 dB
   • หมายเหตุทางเทคนิค: เครื่องขยายสัญญาณออปติคัล (เช่น EDFA) จะเพิ่มสัญญาณทุกๆ 80–100 กม. เพื่อชดเชยการสูญเสีย 20–25 dB
3. การแพร่กระจายแสง
   • สัญญาณเดินทางผ่านการสะท้อนภายในทั้งหมดในแกนกลางของไฟเบอร์ (ดัชนีหักเหแสง ~1.46) โดยมีการกระจาย (เช่น 17 ps/nm/km) ที่ถูกควบคุมโดยไฟเบอร์ชดเชยการกระจาย (DCF)
   • ผลกระทบที่ไม่เป็นเชิงเส้น เช่น การผสมสี่คลื่น จะลดลงเหลือน้อยที่สุดด้วยระยะห่างของความยาวคลื่นที่แม่นยำ

ประเภทของการมัลติเพล็กซ์แบบแบ่งความยาวคลื่น

WDM หลายรุ่นรองรับความต้องการด้านความจุและต้นทุนที่แตกต่างกัน:

1. การแบ่งมัลติเพล็กซ์แบบหยาบ (CWDM)
   • หลักการ:ใช้ระยะห่างของความยาวคลื่นที่กว้างขึ้น (20 นาโนเมตร เช่น 1470–1610 นาโนเมตร) รองรับ 18 ช่องสัญญาณ โดยแต่ละช่องมีความเร็ว 2.5–10 Gbps
   • ข้อดี:ต้นทุนต่ำกว่า ($500–$2000 ต่อ MUX) และออปติกที่เรียบง่ายกว่า โดยมีการสูญเสียน้อยกว่า 3 dB
   • แอปพลิเคชั่น:เครือข่ายรถไฟฟ้าระยะสั้น (50–80 กม.) และการเชื่อมโยงวิทยาเขต
   • ข้อจำกัด:จำกัดอยู่ที่ 8–18 ช่องเนื่องจากมีระยะห่างที่กว้างกว่า ตามมาตรฐาน ITU-T G.694.2
2. การแบ่งมัลติเพล็กซ์แบบความยาวคลื่นหนาแน่น (DWDM)
   • หลักการ:ใช้ระยะห่างแคบ (0.8 นาโนเมตรหรือ 100 GHz เช่น 1530–1565 นาโนเมตร) รองรับ 40–96 ช่องสัญญาณ โดยแต่ละช่องมีความเร็ว 10–400 Gbps
   • ข้อดี:ความจุสูง (สูงถึง 96 Tbps) โดยมีการสูญเสีย <0.5 dB ต่อช่องสัญญาณ ขยายโดย EDFA ทุกๆ 80 กม.
   • แอปพลิเคชั่น:ระยะไกล (100–3,000 กม.) และเครือข่ายหลัก
   • ข้อจำกัด:ต้นทุนที่สูงขึ้น ($5000–$10,000 ต่อระบบ) และการควบคุมอุณหภูมิที่ซับซ้อน (±0.1°C)
3. WDM แบบสองทิศทาง (BWDM)
   • หลักการ:ใช้ไฟเบอร์เดียวกันสำหรับการรับส่งข้อมูลต้นทางและปลายทางที่ความยาวคลื่นต่างกัน (เช่น 1,310 นาโนเมตรและ 1,550 นาโนเมตร)
   • ข้อดี:เพิ่มความจุเป็นสองเท่าบนไฟเบอร์ที่มีอยู่ โดยมีการสูญเสียน้อยกว่า 1 dB
   • แอปพลิเคชั่น: FTTH (Fiber to the Home) และเครือข่ายขนาดเล็ก
   • ข้อจำกัด:ไวต่อสัญญาณรบกวนข้ามสัญญาณ 0.2 dB จำเป็นต้องใช้ตัวกรองที่แม่นยำ

ส่วนประกอบทางเทคนิคของระบบ WDM

WDM อาศัยฮาร์ดแวร์เฉพาะทาง:

1. เครื่องส่งและเครื่องรับ
   • เลเซอร์จะปล่อยความยาวคลื่นเฉพาะ (เช่น 1550.12 นาโนเมตร) ด้วยความเสถียร ±0.1 นาโนเมตร ปรับที่ 10–400 Gbps โดยใช้ NRZ หรือ QAM
   • เครื่องรับสัญญาณใช้โฟโตไดโอดในการตรวจจับสัญญาณ โดยมีความไว -28 dBm
2. มัลติเพล็กเซอร์แบบออปติคัลแอด-ดรอป (OADM)
   • OADM จะเพิ่มหรือลดความยาวคลื่นแต่ละความยาวคลื่น (เช่น 1550.92 นาโนเมตร) โดยมีการสูญเสียน้อยกว่า 0.3 dB ช่วยให้เครือข่ายมีความยืดหยุ่น
   • ใช้ในโทโพโลยีวงแหวนสำหรับเวลาการทำงาน 99.9%
3. เครื่องขยายเสียง
   • เครื่องขยายสัญญาณไฟเบอร์ที่ผสมเออร์เบียม (EDFA) จะเพิ่มสัญญาณ 20–30 dB ทุกๆ 80–100 กม. โดยทำงานในแบนด์ C ด้วยตัวเลขสัญญาณรบกวน 5–7 dB
   • เครื่องขยายสัญญาณ Raman ขยายสัญญาณได้ไกลถึง 150 กม. ด้วยค่าเกน 15–20 dB
4. การชดเชยการกระจาย
   • โมดูล DCF แก้ไขการกระจาย 17 ps/nm/km ช่วยให้มั่นใจถึงความสมบูรณ์ของสัญญาณในระยะทางมากกว่า 1,000 กม.
   • หมายเหตุทางเทคนิค: เพิ่มการสูญเสีย 0.5–1 dB แต่ป้องกันการบิดเบือนสัญญาณ 10%

การประยุกต์ใช้การแบ่งความยาวคลื่นแบบมัลติเพล็กซ์

ความคล่องตัวของ WDM ทำให้สามารถนำไปใช้ร่วมกับสถาปัตยกรรมเครือข่ายต่างๆ ได้ตั้งแต่ปี 2025 เป็นต้นมา:

1. เครือข่ายระยะไกลและเครือข่ายหลัก
   • ระบบ DWDM รองรับสายเคเบิลข้ามมหาสมุทร โดยมี 96 ช่องสัญญาณที่ส่งสัญญาณ 38.4 Tbps เป็นระยะทาง 10,000 กิโลเมตร และขยายสัญญาณทุกๆ 80 กิโลเมตร ตัวอย่าง: เครือข่ายเคเบิลเอเชียแปซิฟิกปี 2025 (APCN-3) ใช้ DWDM เพื่อรองรับความเร็ว 50 Tbps ต่อ เทเลจีโอกราฟี.
   • หมายเหตุทางเทคนิค: EDFA จะรักษาอัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวน (SNR) ไว้สูงกว่า 20 dB ซึ่งจะทำให้มีอัตราข้อผิดพลาดต่ำกว่า 10^-12
2. เครือข่ายรถไฟฟ้าและการเข้าถึง
   • CWDM เหมาะอย่างยิ่งสำหรับวงแหวนในเมืองระยะทาง 50–80 กิโลเมตร มีช่องสัญญาณ 8–18 ช่องที่ความเร็ว 10 Gbps ต่อช่อง ซึ่งช่วยลดต้นทุนได้ 40% เมื่อเทียบกับ DWDM ตัวอย่าง: การติดตั้งใช้งานในเขตเมืองของ Verizon ในเมืองต่างๆ ของสหรัฐอเมริกาใช้ CWDM สำหรับ 5G fronthaul ซึ่งรองรับการเชื่อมต่อความเร็ว 100 Gbps
   • BWDM ช่วยให้สามารถใช้ FTTH ได้ด้วยความยาวคลื่น 1310/1550 นาโนเมตรแบบทิศทางสองทางที่ส่งมอบความเร็ว 1 Gbps ต่อบ้าน
3. ศูนย์ข้อมูล
   • DWDM เชื่อมต่อแร็คที่มีความยาวมากกว่า 100 เมตร ด้วย 40 ช่องสัญญาณที่ความเร็ว 400 Gbps รวม 16 Tbps โครงสร้างพื้นฐานระดับไฮเปอร์สเกลอย่างจาก Amazon Web Services (AWS) ต่างใช้ DWDM สำหรับการรับส่งข้อมูลบนคลาวด์ ซึ่งต้องรองรับปริมาณข้อมูลขนาดเพตาไบต์ต่อวัน
   • หมายเหตุทางเทคนิค: OADM อนุญาตให้ลบช่องสัญญาณแบบไดนามิก โดยใช้เวลาในการกำหนดค่าใหม่ไม่เกิน 50 มิลลิวินาที
4. เครือข่ายองค์กรและมหาวิทยาลัย
   • CWDM เชื่อมต่ออาคารด้วยความเร็ว 10 Gbps ต่อช่องสัญญาณ ด้วยหน่วย MUX/DEMUX ราคาประหยัด ตัวอย่าง: มหาวิทยาลัยในยุโรปใช้ CWDM สำหรับเครือข่ายทั่วทั้งมหาวิทยาลัย อีทีเอสไอ รายงาน

ตัวชี้วัดประสิทธิภาพของระบบ WDM

ประสิทธิภาพของ WDM จะถูกประเมินผ่านพารามิเตอร์หลัก:

1. ความจุช่องสัญญาณและแบนด์วิดท์
   • DWDM นำเสนอช่องสัญญาณ 40–96 ช่องสัญญาณ (รวมสูงสุด 96 Tbps) โดยมีอัตราต่อช่องสัญญาณที่ 10–400 Gbps โดยใช้การมอดูเลตแบบสอดคล้องกัน (เช่น QPSK หรือ 16-QAM)
   • CWDM จำกัดไว้ที่ 18 ช่องสัญญาณ (สูงสุด 180 Gbps) เหมาะสำหรับการตั้งค่าที่คำนึงถึงต้นทุน
   • หมายเหตุทางเทคนิค: ประสิทธิภาพสเปกตรัมถึง 4–8 บิต/วินาที/เฮิรตซ์ใน DWDM ต่อ ITU-T G.694.1.
2. การลดทอนและการเข้าถึง
   • การสูญเสียไฟเบอร์ (0.2 dB/km ที่ 1550 นาโนเมตร) จะได้รับการชดเชยโดย EDFA (อัตราขยาย 20–30 dB) ขยายไปถึง 1,000 กม. โดยไม่ต้องสร้างใหม่
   • การกระจาย (17 ps/nm/km) ได้รับการบรรเทาโดย DCF ทำให้ค่าอัตราข้อผิดพลาดบิต (BER) ต่ำกว่า 10^-9
   • ความแตกต่าง: ระยะการทำงานของ CWDM คือ 80 กม. โดยไม่ต้องขยายสัญญาณ ในขณะที่ DWDM อยู่ที่ 3,000 กม. เมื่อใช้แอมป์ Raman
3. เสียงแทรกและเสียงรบกวน
   • ตัวกรอง AWG ช่วยจำกัดสัญญาณรบกวนระหว่างช่องสัญญาณให้อยู่ต่ำกว่า -30 dB ในขณะที่ตัวเลขสัญญาณรบกวน EDFA (4–6 dB) จำกัด SNR ไว้ที่ 20–25 dB
   • ผลกระทบที่ไม่เป็นเชิงเส้น เช่น การปรับเฟสด้วยตนเอง (SPM) จะถูกจัดการด้วยระดับพลังงานน้อยกว่า 5 dBm ต่อช่องสัญญาณ
4. ความน่าเชื่อถือและความหน่วง
   • ระบบ WDM บรรลุเวลาการทำงาน 99.999% ด้วยเครื่องขยายสัญญาณแบบซ้ำซ้อน โดยเพิ่มความหน่วงน้อยกว่า 0.1 มิลลิวินาทีต่อ MUX/DEMUX
   • หมายเหตุทางเทคนิค: OSNR (อัตราส่วนสัญญาณออปติคอลต่อสัญญาณรบกวน) จะต้องเกิน 20 dB สำหรับการส่งข้อมูล 400 Gbps

ความท้าทายในการนำ WDM มาใช้

การปรับใช้ WDM เผชิญกับอุปสรรคทางเทคนิคหลายประการ:

1. ต้นทุนและความซับซ้อน
   • ระบบ DWDM มีราคา $50,000–$100,000 ต่อโหนด เนื่องจากเลเซอร์และแอมพลิฟายเออร์ที่แม่นยำ โซลูชัน: CWDM สำหรับเครือข่ายที่คำนึงถึงงบประมาณ ลดต้นทุนได้ 50%
   • ความซับซ้อนในการควบคุมอุณหภูมิ (±0.1°C) เพื่อความเสถียรของความยาวคลื่นเพิ่มค่าใช้จ่ายในการดำเนินงาน
2. การกระจายและผลกระทบที่ไม่เป็นเชิงเส้น
   • การกระจายตัวของสี (17 ps/nm/km) ทำให้สัญญาณเสื่อมสภาพในระยะ 100 กิโลเมตร ทำให้ค่า BER เพิ่มขึ้น 10% วิธีแก้ปัญหา: ชิป DCF หรือชิปประมวลผลสัญญาณดิจิทัล (DSP) ช่วยแก้ไขเอฟเฟกต์ 90%
   • การผสมสี่คลื่น (FWM) ที่กำลังสูง (>5 dBm) ก่อให้เกิดครอสทอล์ค วิธีแก้ปัญหา: ระยะห่างของช่องสัญญาณไม่เท่ากันหรือการมัลติเพล็กซ์แบบโพลาไรเซชัน
3. ข้อจำกัดในการขยายสัญญาณ
   • EDFA ขยายสัญญาณเฉพาะย่านความถี่ C (1530–1565 นาโนเมตร) ซึ่งจำกัดช่องสัญญาณ วิธีแก้ปัญหา: เครื่องขยายสัญญาณรามานขยายสัญญาณไปถึงย่านความถี่ L (1565–1625 นาโนเมตร) โดยเพิ่มช่องสัญญาณอีก 40 ช่อง
   • การสะสมสัญญาณรบกวนลด OSNR ลง 5 เดซิเบลต่อช่วงขยายสัญญาณ คำตอบ: การแก้ไขข้อผิดพลาดล่วงหน้า (FEC) ช่วยเพิ่มค่า BER ขึ้น 10-6
4. ปัญหาด้านความสามารถในการปรับขนาด
   • การเพิ่มช่องสัญญาณระหว่างเครือข่ายจำเป็นต้องใช้ OADM ซึ่งมีการสูญเสียสัญญาณ 0.3 เดซิเบลต่อช่อง วิธีแก้ปัญหา: OADM ที่กำหนดค่าใหม่ได้ (ROADM) ช่วยให้สามารถเพิ่มสัญญาณแบบไดนามิกได้ภายในเวลาไม่ถึง 1 นาที
   • สเปกตรัมหมดในเส้นใยเมืองที่มีความหนาแน่นสูง โซลูชัน: กริดแบบยืดหยุ่น WDM (flexi-WDM) ที่มีระยะห่าง 12.5 GHz เพิ่มความจุเป็นสองเท่า

แนวโน้มในอนาคตของการมัลติเพล็กซ์แบบแบ่งความยาวคลื่น

WDM กำลังพัฒนาเพื่อรองรับการเติบโตของข้อมูลในปี 2025:

1. WDM ความหนาแน่นสูงพิเศษ (SD-WDM)
   • รองรับมากกว่า 200 ช่องสัญญาณด้วยระยะห่าง 25 GHz ให้ความเร็ว 80 Tbps ต่อไฟเบอร์ ต้นแบบจาก Huawei มีเป้าหมายการใช้งานในปี 2026
   • หมายเหตุทางเทคนิค: ใช้ DSP ขั้นสูงเพื่อประสิทธิภาพ 8 บิต/วินาที/เฮิรตซ์
2. WDM ที่สอดคล้องกัน
   • ใช้การมอดูเลตเฟส (เช่น DP-QPSK) ที่ 800 Gbps ต่อช่องสัญญาณ ตลอดระยะทาง 1,000 กิโลเมตร โดยมี OSNR มากกว่า 25 เดซิเบล นำมาใช้ใน 40% ของลิงก์ระยะไกลใหม่ (ตาม TeleGeography)
   • โซลูชันสำหรับเอฟเฟกต์ที่ไม่เป็นเชิงเส้น: การปรับสมดุลแบบปรับตัวช่วยลดการบิดเบือนได้ 20%
3. โฟโตนิกส์แบบบูรณาการ
   • ชิป MUX/DEMUX โฟโตนิกส์ซิลิกอนช่วยลดขนาดลงได้ 50% และลดต้นทุนลงได้ 30% ช่วยให้ระบบมีขนาดกะทัดรัดสำหรับศูนย์ข้อมูล
   • ตัวอย่าง: ชิป Intel 2025 รองรับ 100 ช่องสัญญาณโดยมีการสูญเสีย 0.2 dB
4. WDM ที่ปรับให้เหมาะสมกับ AI
   • อัลกอริทึม AI คาดการณ์การจัดสรรช่องสัญญาณ ปรับปรุงการใช้คลื่นความถี่ได้ 25% และลดการใช้พลังงานลง 15% ผลการทดลองของ Nokia แสดงให้เห็นว่ามีระยะเวลาการทำงานอยู่ที่ 99.99%
   • หมายเหตุทางเทคนิค: โมเดลการเรียนรู้ของเครื่องจะวิเคราะห์ OSNR แบบเรียลไทม์เพื่อการกำหนดค่าใหม่แบบไดนามิก

บทสรุป

Wavelength Division Multiplexing (WDM) ปฏิวัติวงการใยแก้วนำแสงด้วยการมัลติเพล็กซ์ความยาวคลื่นหลายช่วง (เช่น 1310–1550 นาโนเมตร) ผ่านใยแก้วนำแสงเส้นเดียว ทำให้ได้ความจุเทระบิตต่อวินาที (Tbps) พร้อมการสูญเสียต่ำ (0.2 เดซิเบล/กิโลเมตร) ตั้งแต่ CWDM สำหรับเครือข่ายเมโทรที่คุ้มค่า ไปจนถึง DWDM สำหรับโครงข่ายหลักความหนาแน่นสูง หลักการมัลติเพล็กซ์ การขยายสัญญาณ และการชดเชยการกระจายสัญญาณของ WDM ขับเคลื่อนระบบโทรคมนาคมสมัยใหม่ แม้จะมีความท้าทาย เช่น ต้นทุนและผลกระทบแบบไม่เชิงเส้น โซลูชันอย่าง ROADM และ DSP ก็รับประกันความสามารถในการปรับขนาดได้ แนวโน้มในอนาคต รวมถึงการผสานรวม SD-WDM และ AI จะให้ประสิทธิภาพที่สูงกว่า สำหรับโซลูชัน WDM ลองดู คอมม์เมช.