แก้การขาดแคลนแบนด์วิดธ์ในเน็ต ด้วย Optical Communication

 ในปี 1965 กอร์ดอน อี.มัวร์ (Gordon E. Moore) หนึ่งในปรมาจารย์ในด้านพีซีไมโครโปรเซสเซอร์ ได้ให้การพยากรณ์ไว้ว่า กำลังม้าในทางคำนวณของคอมพิวเตอร์ชิปจะเพิ่มเป็นสองเท่าในทุก 18 เดือนที่ผ่านไปและคำพยากรณ์นี้ได้กลายเป็นกฎของมัวร์ในเวลาต่อมา ดังจะเห็นได้จากจำนวนทรานซิสเตอร์ที่บรรจุอยู่ในชิป เช่น ของ Intel 4004 ในปี 1971 ได้มีทรานซิสเตอร์อยู่ 2,300 ตัว จากปี 1972-1978 จำนวนทรานซิสเตอร์ในชิปของ Intel ได้เพิ่มจาก 3,500 ตัว เป็ฯ 29,000 ตัว Intel 80286 ในปี 1982 มีทรานซิสเตอร์ 134,000 ตัว 1985 Intel 80386DX มีทรานซิสเตอร์ 275,000 ตัว 1989 Intel 80486DX มีทรานซิสเตอร์ 1.2 ล้านตัว จากนั้นก็ก้าวเข้าสู่ยุคของ Intel Pentium ในปี 1993 ซึ่งมีทรานซิสเตอร์ 3.1 ล้านตัว Pentium Pro (1995) และ Pentium II (1997) มีทรานซิสเตอร์จำนวน 5.5 และ 7.5 ล้านตัว ตามลำดับ และได้มีการคาดกันว่าในอนาคตคือในราวปี ค.ศ. 2011 ชิปของผู้ผลิต เช่น Intel จะมีทรานซิสเตอร์ 1,000 ล้านตัว เป็นต้น อันเป็นพัฒนาการในโลกของวัสดุกึ่งตัวนำที่เข้าใจกันว่ากฎของมัวร์ยังมีความเป็นจริงอยู่อย่างไรก็ตาม ท่ามกลางการรุดหน้าของอิเล็กทรอนิกส์เทคโนโลยีซึ่งไม่แน่ว่าจะก้าวไปสู่ทางตันเมื่อใด ก็ได้เกิดมีสาขาวิชาใหม่ ๆ ขึ้นมาในอันที่จะใช้ความรู้ในเรื่องของแสงให้เป็นประโยชน์ในรูปของ Optical และ Optoelectronic Technologies เพื่อแก้ปัญหาต่าง ๆ ซึ่งไม่เหมาะที่จะใช้วิชาอิเล็กทรอนิกส์แต่เพียงอย่างเดียว เช่น เรื่องของการขาดแคลนแบนด์วิดธ์ในทางสื่อสารโทรคมนาคม ซึ่งกำลังเป็นปัญหาใหมญ่ในขณะนี้


รูปที่ 1 ระบบโทรศัพท์ในสหรัฐฯ เมื่อ ค.ศ. 1915

จากอิเล็กทรอนิกส์ไปสู่โฟตอน

ถ้าจะมองพัฒนาการของไมโครโปรเซสเซอร์ ซึ่งเริ่มจาก Bell Labs ในปี 1947 ที่มีทรานซิสเตอร์เพียงตัวเดียวและต้องใช้เวลาถึง 50 ปีกว่าจะมีโปรเซสเซอร์ที่มีทรานซิสเตอร์ถึง 7.5 ล้านตัวนั้น เมื่อเทียบกับวิวัฒนาการของการสื่อสารที่เริ่มีระบบโทรเลขในปี 1844 ซึ่งอาศัยรหัสแบบ Morse ในการรับส่งสัญญาณที่เป็นแบบดิจิตอล โดยมีขีดความสามารถในการส่งสัญญาณแค่เพียง 5 บิตต่อวินาที ต่อมาในปี 1876 ก็มีโทรศัพท์ที่รับส่งสัญญาณเสียงได้วินาทีละ 2,000 บิต โทรศัพท์ในเชิงพาณิชย์ได้เริ่มในสหรัฐฯ ในปี 1915 ซึ่งอาศัยสายทองแดงที่ทำงานด้วยระบบ frequency multiplexing  โดยมีอัตราเร็วในการสื่อสารเพิ่มขึ้นเป็น 30,000 บิตต่อวินาที แต่ยังคงพูดกันได้ชัดในระยะไม่เกิน 40 ไมล์ ในปี 1940 AT&T ได้จัดวางเคเบิลโทรศัพท์ที่เรียกว่า coaxial circuits ซึ่งภายในเคเบิลแต่ละสายจะส่งสัญญาณเสียงได้ 480 voice calls หรือเมื่อคิดรวมกันหมดก็จะได้ตัวเลขในการส่งสัญญาณ (16 kilobits ต่อ voice circuit) ที่เท่ากับ 7,680,000 บิตต่อวินาที ในปี 1956 ได้มีการวางสายเคเบิลจากนิวฟาวน์แลนด์ไปยังสก็ตแลนด์ ที่รับส่งสัญญาณได้เคเบิลละ 36 voice calls หรือเท่ากับ 1,152,000 บิตต่อวินาที
จากนั้นก็ก้าวไปสู่ยุคของการใช้ดาวเทียมเพื่อการสื่อสารในปี 1962 โดยอาศัยดาวเทียมที่ชื่อว่า Telstar ที่มี 12 voice circuits ที่รับส่งสัญญาณเสียงที่อยู่ในรูปของดิจิตอลได้วินาทีละ 768,000 บิตการใช้สายใยแก้ว (glass fibers) เพื่อรับส่งสัญญาณโทรศัพท์ระหว่างกรุงนิวยอร์คและวอชิงตัน ดี.ซี. ได้เริ่มเมื่อปี 1983 โดยรับส่งสัญญาณได้วินาทีละ 45,000,000 บิต ผู้ให้บริการด้านโทรศัพท์ของสหรัฐฯ เริ่มติดตั้งอุปกรณ์ไฟเบอร์ออปติกขนาด 2.5 gigabit ในปี 1996 รวมทั้งการให้บริการของบริษัท MCI ที่มีสมรรถนะสูงกว่าบริษัทอื่นถึง 4 เท่า เพื่อสำหรับใช้เป็นอินเทอร์เน็ตแบ็กโบน อันทำให้อัตรการรับส่งข้อมูลด้วยสายใยแก้วได้ก้าวมาถึงจุดที่ให้ความเร็วได้ถึง 40,000,000,000 บิตต่อวินาที พัฒนการในการรับส่งสัญญาณข้อมูลด้วยออปติคัลไฟเบอร์ยังคงก้าวต่อไปอีกในแง่ของความเร็ว ดังจะเห็นได้จากการมีผู้ผลิตอุปกรณ์ไฟเบอร์ออปติกรายใหม่ ๆ ที่ปรากฎในตลาดของสหรัฐฯ หนึ่งในบริษัทที่กำลังมาแรงในด้านการส่งสัญญาณด้วยออปติคัลไฟเบอร์ ในขณะนี้ก็มี อาทิเช่น Ciena ที่รับปากว่าจะนำอุปกรณ์ด้านไฟเบอร์ออปติกที่ส่งสัญญาได้ 100 gigabit ออกสู่ตลาดในต้นปีหน้า (1998) ที่ตามมาอย่างกระชั้นชิดก็มี Lucent Technologies ที่สามารถส่งสัญญาณข้อมูลในห้องทดลองได้ในระดับ terabit (tera = 108) สถานภาพของการสื่อสารด้วยไฟเบอร์ออปติกจวบจนขณะนี้ (1997) สามารถส่งข้อมูลเมื่อคิดโดยรวมได้เร็วถึง 100,000,000,000 บิตต่อวินาที อันทำให้มีผู้สรุปว่าในยุคของการสื่อสารด้วยแสงหรือโฟโตนิก (photonics) นี้อัตราการเพิ่มของแบนด์วิดธ์ต่อปีจะอยู่ในรูปของ grometric growth คือเพิ่มขึ้นปีละ 3 เท่า
ในแง่ของการคำนวณและการสื่อสารเราสามารถควบคุมอิเล็กตรอนได้ง่ายกว่าโฟตอน (photos) แต่อิเล็กตรอนก็มีข้อเสียในแง่ของความช้า รวมทั้งไม่มีประสิทธิภาพที่ดีเท่าโฟตอน นอกจากนี้เมื่อเวลาที่อิเล็กตรอนวิ่งไปในเส้นทางอันเป็นการส่งสัญญาณที่อยู่ใกล้ชิดกัน ปฏิสัมพันธ์ของกระแสของอิเล็กตรอนจะทำให้เกิดการรบกวนที่เรียกว่า cross-talk อาการเช่นนี้จะไม่มีในโฟตอน เพราะการตัดกันของลำแสงที่เป็นโฟตอนกับลำแสงอื่นจะไม่ก่อให้เกิดปฏิกิริยาใด ๆ อนึ่ง โฟตอนเป็นอนุภาคที่ไม่มวล จึงสามารถเดินทางด้วยความเร็วสูงสุดในรูปของแสง โฟตอนหรือแสงจึงมีประสิทธิภาพในการส่งข้อมูลเป็นบิตที่สูงกว่าอิเล็กตรอนหลายเท่า แต่ก็มีปัญหาในแง่ของการต้องใช้เทคโนโลยีที่ใช้ในการควบคุมอิเล็กตรอน สิ่งที่พอจะเรียกได้ว่าเหมือนกันระหว่างอิเล็กตรอนและโฟตอนก็คืออนุภาคทั้งสองอยู่ภายใต้ปรากฎการณ์ที่เป็นควอนตัม (quantum) คือทั้งอิเล็กตรอนและโฟตอนอยู่ได้ทั้งในสถานะที่เป้นอนุภาคและเป็นคลื่อนอันแล้วแต่มุมมอง ในทางอิเล็กทรอนิกส์นั้นการแปรปรวนระหว่างความเป็นอนุภาคกับความเป็นคลื่นอาจไม่ใช่เรื่องสำคัญ แต่ในทางโฟโตนิก (photonics) ได้มีข้อต้องการว่าวิศวกรผู้เกี่ยวข้องจะต้องมีความรู้ด้านกลศาสตร์ของควอนตัม (quantum mechanics) เพราะการเข้าใจกลศาสตร์แขนงนี้ตลอดจนความจำเป็นต้องใช้วิชานี้ ถือว่ามีความสำคัญในการออกแบบอุปกรณ์และระบบในด้านการคำนวณหรือการสื่อสารด้วยออปติก ความท้าทายในด้านโฟโตนิกจึงอยู่ที่การประกอบสิ่งที่เป็นเทคโนโลยีในด้านนี้เข้าด้วยกันจนสามารถทำงานได้
อุปกรณ์ต่าง ๆ ที่ใช้ในการประมวลผลในด้านออปติก (optical processing) จะเหมือนกับอิเล็กทรอนิกส์ในแง่ที่ว่าต้องสามารถเป็นต้นกำเนิดของข้อมูลที่เป็นบิต รวมทั้งการตรวจสอบข้อมูลดังกล่าวได้ ตลอดจนสามารถส่งข้อมูลที่เป็นบิตจากจุดหนึ่งไปยังอีกจุดหนึ่ง รวมทั้งการสามารถที่จะจัดการกับข้อมูลในรูปของ logical operations ได้ พร้อมทั้งการเก็บและการเรียกข้อมูลดังกล่าวออกมาใช้ เมื่อเป็นเช่นนี้สิ่งที่ต้องการในขั้นแรกก็คืออุปกรณ์ที่จะให้กำเนิดแสง (light generator)  ซึ่งอาจเป็นเลเซอร์ (laser) หรือ Light Emiting Diode (LED) ภายในอุปกรณ์ ดังกล่าวจะมีอิเล็กตรอนซึ่งวิ่งผ่าน semiconductor junction โดยในขณะที่วิ่งผ่านนั้นก็จะมีพลังงานที่สะสมอยู่ภายในอิเล็กตรอนจนสามารถก้าวไปสู่ระดับของพลังงานที่เรียกว่า excited energy level อันเป็นภาวะที่ไม่มีเสถียรภาพสำหรับอิเล็กตรอน จนทำให้ต้องมีการขับพลังงานที่เป็นส่วนเกินออกมาในรูปของโฟตอน เพื่อกลับเข้าสู่สภาวะปกติ (stable ground state) กระบวนการดังกล่าวจะเกิดขึ้นใน LED โดยหาความแน่นอนไม่ได้ แต่สำหรับภายในเลเซอร์ อิเล็กตรอนจะอยู่ในสภาพที่เปล่งแสงออกมาเป็นแบบ coherent อันเป็นสถานะที่โฟตอนทุกตัวจะอยู่ในเฟสเดียวกันอุปกรณ์ที่เป็น solid state lasers จึงค่อนข้างมีประสิทธิภาพ โดยสามารถทำหน้าที่ในด้านสวิตชิงได้ในอัตราที่เป็นสิบกิกะเฮิรตซ์  (tens of gigahertz) อันเหมาะสำหรับการสื่อสารและการประมวลผลข้อมูลที่เป็นไฮแบนด์วิดธ์ ในอดีตอุปกรณ์แบบนี้จะมีขนาดใหญ่และให้ความยาวคลื่นได้ในวงจำกัด แต่ในปัจจุบันปัญหาดังกล่าวได้หมดไป อันเนื่องการรุดหน้าของเทคโนโลยีแขนงนี้
ในปี 1989 นักวิจัยที่ Bellcore ได้ประดิษฐ์ไมโครเลเซอร์(microlaser) ขึ้นมาเป็นครั้งแรก โดยมรขนาดเฉลี่ยประมาณตัวละ 1 ไมครอน ตรงเส้นผ่าศูนย์กลาง เลเซอร์แต่ละตัวให้พลังงานได้น้อยมาก แต่เมื่อนำเลเซอร์ดังกล่าวมารวมกันเป็นจำนวนมากก็จะให่พลังงานได้มากพอสมควร ที่สำคัญก็คือการสามารถเปล่งแสงออกมาโดยตั้งฉากกับผิวของชิปอันเป็นคุณสมบัติที่จะมีประโยชน์สำหรับการส่งข้อมูลต่าง ๆ ออกไปจากไอซี (IC)โดยตรง
ต่อมาในปี 1991 การค้นคว้าในด้านเลเซอร์ก็ได้ก้าวไปอีกขั้น โดยนักวิจัยของบริษํท 3M ได้ปรดิษฐ์ solid state zine selscide lasers ที่สามารถเปล่งแสงซึ่งเป็นสีน้ำเงินและน้ำเงินเกมเขียว ซึ่งมีความยาวคลื่นที่สั้นเป็นประวัติการณ์ นั่นก็คือช่วงคลื่นมีขนาดเพียง 490 นาโนมิเตอร์ (นาโน=109) 
ในปี 1992 นักงิทยาศาสตร์ของ Defence Research Agency ของประเทศอังกฤษสามารถทำให้ซิลิคอน(acid etched silicon)เปล่งแสงออกมาในรูปของ photoluminescence และ eleectorluminescence ซึ่งโดยปกติแล้วจะมีเพียงสายกึ่งตัวนำ เช่นGaAs(gallium arscaide)เท่านั้นที่สามารถเปล่งแสงในช่วงคลื่นที่มองเห็นได้ แต่ก็ยังไม่ได้นำมาใช้ในคอมพิวเตอร์อย่างกว้างขวาง การค้นพบที่ทำให้ซิลิคอนเปล่งแสงอกมาได้นี้จึงมีความสำคัญอย่างมากในแง่ของการทำให้วิชาออปโตอิเล็กทรอนิกส์ (optoelectronics) ก้าวมาสู่ระดับแนวหน้า
ในช่วงหลัง ปี 1991 โซติดสเตต เยนเนอเรเตอร์ (solid state generators) และโฟโตไดโอดดีเทคเตอร์(photodiode detectors) ได้ก้าวมาถึงจุดที่เป็นที่ยอมรับในแง่ของการใช้งานamplifiersยหเว้นออปติคัลโปรเซสซิง (optical processing)ซึ่งยังต้องการอุปกรณ์ที่แปลกใหม่มาให้การสนับสนุนในแง่ของการใช้แสงเพื่อควบคุมแสง อันจะเหมือนกับทรานซิสเตอร์ที่ใช้กระแสไฟฟ้าอันหนึ่งไปควบคุมกระแสไฟฟ้าอีกอัน (โดยที่การทำงานของอิเล็กตรอนจะมีการกระทบกระ ทั่งกันตลอดเวลา แต่ในกรณีของโฟตอนจะไม่เป็นเช่นนี้ จึงจำเป็นต้องหาวัสดุชนิดพิเศษที่เรียกว่า nonlinear optical materials เพื่อมาใช้ในกระบวนการที่เป็นออปติตคัลโปรเซสซิง

ออปติคัลสวิตช์

สารที่เป็นแก้วธรรมดาจะมีคุณสมบัติที่เป็นลิเนียร์ (linear) เพราะคุณสมบัติในทางออปติคัลไม่ขึ้นกับระดับของแสง ส่วนแก้วที่เป็นแบบนอนลิเนียร์ (nonlinear) จะยอมให้แสงเข้ามาเปลี่ยนคุณสมบัติในด้านออปติคัลได้เช่นแก้วที่เรียกว่า photochromic ที่ใช้เป็นเลนส์ของแว่นตา ซึ่งจะดูมืดเมื่อได้รับแสงแดด มีสารอยู่หลายชนิดที่มีคุณสมบัติในทาง nonlinear ที่ต่างกัน (เช่นในขณะที่ความเข้มของแสงเปลี่ยนไปก็จะเกิดการเปลี่ยนแปลงต่าง ๆ ในแง่ของสีดัชนีหักเห ความทึบ หรือ polarization) โดยจะมีการพัฒนาที่ทำให้เกิดมีสารใหม่ ๆ ดังกล่าวปรากฎออกมาตลอดเวลา เช่น ลิเทียมไนโอเบต (littium niobate) และ S-SEEDs (Symmetric Self Electro optic Effect Devices) ที่ทำหน้าที่เป็นหน่วยประมวลผล (processing elements) สำหรับออปติคัลคอมพิวเตอร์


รูปที่ 2 S-SEED เป็น p-in-โฟโตไดโอด

รูปที่ 2 S-SEED เป็น p-in-โฟโตไดโอด ที่ประกอบด้วยชั้นต่างๆ ของ GaAs และ GaAIAs (gallium aluminum arsenide) ชั้นต่าง ๆ ดังกล่าวทำหน้าที่เป็น quantums wells เพื่อจับอิเล็กตรอนและโพรงที่อยู่ใกล้ผลของพลังงานดังในข้างต้นจะทำให้อุปกรณ์ดังในรูปทำหน้าที่ในด้าน optical transmission ได้อย่างมีประสิทธิภาพ
S-SEED ที่ปรากฎในรูปที่ 2 จัดเป็นอุปกรณ์นอนลิเนียร์ชนิดหนึ่ง ที่ประกอบด้วยชั้นต่าง ๆ ของ GaAs และ GaAlAs ที่วางสลับกันนับเป็นร้อยชั้น โดยอัดแน่นอยู่ในโฟโตไดโอด (photodiode)  positive feedback ที่เกิดขึ้นในอุปกรณ์ดังกล่าวจะทำให้อุปกรณ์ชนิดนี้ทำหน้าที่เป็นออปติคัลสวิตช์ (optical switch) โดยปกติผลในทางนอนลิเนียร์ อาจมีไม่มากพออันทำให้ต้องพึ่งพากรรมวิธีทางอิเล็กทรอนิกส์ เช่น ในกรณีของวัสดุที่เป็นแบบ photorefractive ซึ่งมีดัชนีหักเหที่แปรตามความเข้มของแสงและมีที่ใช้ในโฟโตนิกโปรเซสซิง และในเมมโมรี S-SEED ที่เชื่อมโยงกับออปติคัล I/O พร้อมด้วยผลทางอิเล็กทรอนิกส์จะสามารถทำให้เกิด hard nonlinearity ขึ้นได้ โดยทำหน้าที่เป็นออปติคัลทรานซิสเตอร์ (NOR function) ซึ่งมี switching rate สูงกว่า 1 GHz, S-SEED ที่นำมาประกอบเป็นตับในรูปของ Optical Cellular logic Image Processio (O-CLIP) จะมีประโยชน์ในด้านพาราเลลโปรเซสซิง อันเป็นผลของการค้นคว้าวิจัย จนถึงเดือนสิงหาคม 1992 และพอสรุปในที่นี้ได้ว่าสาขาใหญ่ของการค้นคว้าในด้านโฟโตนิกประกอบด้วย
1. Parallel Optical Memories
2. Optical Switches หรือ Light Switches เพื่อให้สามารถใช้ประโยชน์จากแบนด์วิดธ์ของการสื่อสารที่ได้จากไฟเบอร์ออปติคัลอย่างเต็มที่
3. Optical Information Processing โดยในที่นี้จะเน้นหนักในเรื่องของออปติคัลสวิตช์ซึ่งเกี่ยวกับออปติคัลทรานสมิชชิง อันเป็นเรื่องของการหาทางเพิ่มแบนด์วิดธ์ในการสื่อสารโทรคมนาคมและคอมพิวเตอร์เน็ตเวิร์ก

พัฒนาการในด้านออปติคัลทรานสมิชชิง

ในโลกของการสื่อสารโทรคมนาคมและคอมพิวเตอร์เน็ตเวิร์ก ยังมีแอพพลิเคชันอีกหลายอย่างที่ต้องการการออปติไมซ์ หรือมิฉะนั้นก็ไม่มีทางที่แอพพลิเคชันดังกล่าวจะของการไปสู่การมีแบบด์วิดธ์ที่ไม่จำกัดก็คือ การค้นคว้าพัฒนาในด้านออปติคับไฟเป็นไปได้ อันเนื่องจากข้อจำกัดในด้านแบนด์วิดธ์ย่างก้าวที่สำคัญมากอันหนึ่งเบอร์ (optical fibers ) อันเนื่องจากว่าในช่วงคลื่นของการสื่อสารที่เป็น low-loss (1.3 ถึง 1.6 ไมครอน) ภายในไฟเบอร์นั้นได้มีแบนด์วิดธ์ให้ใช้ได้ราว 40 THz (T=tera=1012)

สภาพแวดล้อมที่มั่งคั่งไปด้วยแบนด์วิดธ์นี้ได้ทำให้มีผู้หาวิธีที่จะใช้ทรัพยากรดังกล่าวให้เกิดประโยชน์ให้มากที่สุด เช่น การใช้ออปติคัลไฟเบอร์เป็นตัวนำในการสื่อสาร แต่มนุษย์ก็ยังไม่สามารถเข้าไปใกล้แบนด์วิดธ์ขนาด 40THz ได้ สำหรับแอพพลิเคชันต่าง ๆ ที่มีความสิ้นเปลืองแบนด์วิดธ์สูง เพราะแม้ว่าจะใช้ออปติคัลเทคโนโลยีแทนสายทองแดงและแทนอุปกรณ์บางอย่างที่เป็นอิเล็กทรอนิกส์ในโลกของการสื่อสารก็ตาม แต่ก็ยังมาติดอยู่ที่การต้องใช้อิเล็กทรอนิกส์สวิตช์เพื่อทำหน้าที่ในการเลือกเส้นทางและการตัดสินใจต่างๆ ในเน็ตเวิร์กและแม้ว่าการทำงานของอิเล็กทรอนิกส์สวิตชิงจะดูเร็วมาก ๆ ในสายตาของมนุษย์ก็ตาม แต่เมื่อนำมาเทียบกับออปติคับเทคโนโลยีก็จะช้าเหมือนแต่คลาน เมื่อเป็นเช่นนี้การที่จะทำให้ความเร็วในการส่งสัญญาณเข้าใกล้ระดับ terabitต่อวินาที จึงต้องอาศัยเน็ตเวิร์กที่เป็นออปติคัลทั้งหมด เพื่อให้ข้อมูลต่าง ๆ อยู่ในสภาพที่เป็นแสงตลอดทั่วไปในเน็ตเวิร์ก โดยมีการแปลงเข้าสู่อิเล็กทรอนิกส์เฉพาะต้นทางกับปลายทางเท่านั้น
การทำให้แบนด์วิดธ์มีราคาถูกและเป็นสินค้าที่ไม่มีขีดจำกัดจะทำให้ผู้ใช้สามารถปรับสิ่งที่เป็น   "ระบบ" ให้อยู่ในสภาพที่เป็นออปติไมซ์ในแง่ของการทำหน้าที่ โดยไม่ต้องคำนึงถึงเรื่องแบนด์วิดธ์แต่อย่างใด ซึ่งก็จะต้องย้อนกลับไปพูดถึงงานค้นคว้าในด้านไฟเบอร์ที่เป็นพื้นฐานเสียก่อน
แรกผลักดันเพื่อให้มีการวิจัยในด้านออปติคัลไฟเบอร์นั้นไม่ได้เริ่มมาจากวงการคอมพิวเตอร์ แต่ได้ปฏิสนธิมาจากโลกของโทรศัพท์ ซึ่งได้ก่อให้เกิดผลพวงแก่ผู้ใช้คอมพิวเตอร์ทางอ้อม และสำหรับเมื่อไม่กี่ปีมานี้ก็ได้เกิดการรุดหน้าในเทคดนโลยที่จัดว่าสำคัญอยู่สามอย่างด้วยกันคือ
- ออปติคัล แอมพลิฟลายเออร์ (Optical Amplifiersฆ
- โซลิตอน ทรานสมิชชิง (Soliton Transmission)
- WDM (Wavelength Division Multiplexing)
ซึ่งเมื่อได้มีการผสมผสานเทคโนโลยีในข้างต้นเข้าด้วยกันได้เมื่อใด ก็จะสามารถทำให้ความเร็วในการสื่อสารข้อมุลก้าวไปสู่ระดับเทราบิต (terabet) ได้เมื่อนั้น
ส่วนประกอบของออปติคัล (ไฟเบอร์) แอมพลิฟลายเออร์ จะมีใยแก้วที่เคลือบด้วยเออร์เบียม (erbium) และปั๊มเลเซอร์หนึ่งตัวเพื่อทำหน้าที่เพิ่มความเร็วของคลื่นแสงที่ผ่านเข้าไปในไฟเบอร์โดยไม่ต้องอาศัยวิธีการทางอิเล็กทรอนิกส์ในการแปลงและขยายความแรงของคลื่น ตัวอย่างของการค้นคว้าในด้านนี้ก็มีอาทิเช่น ห้องทดลองของ British Telecom (BT) ซึ่งได้นำเน็ตเวิร์กที่มีออปติคัลแอมพลิฟลายเออร์ออกแสดง โดยสามารถส่งข้อมูลพร้อม  ๆ กันเป็นจำนวน 39.8 Gbps (G=109) ไปยังเทอร์มินัลต่างๆ นับเป็นจำนวน 43.8 ล้านตัว นอกจากนี้ก็มีAT&T ที่แสดงการใช้ออปติคัลแอมพลิฟลายเออร์ (ซึ่งมีออปติคัลไฟเบอร์ที่เคลือบด้วยเออร์เบียมเชื่อมอยู่เป็นช่วง ๆ ) เพื่อส่งคลื่นแสงที่เป็นแบบ error and attennation free ในอัตราความเร็ว 5 Gbps โดยมีระยะทาง 5,580 ไมล์
สิ่งที่เข้ามาทำให้ออปติคัลแอมพลิฟลายเออร์มีประสิทธิภาพมากขึ้นก็คือ โซลิตอน (soliton) ที่ทำหน้าที่แก้ไขไม่ให้คลื่นแสงมีเค้ารูปที่ผิดไปจากเดิมในกรณีที่คลื่นดังกล่าวต้องวิ่งไปในระยะทางที่ค่อนข้างไกลด้วยความเร็วที่เพิ่มขึ้น จากการทดลองที่ Bell Lab ของ AT&T เมื่อปี 1992 นักวิจัยของห้องทดลองดังกล่าวสามารถส่งข้อมูล (error free soliton) ที่มีความเร็ว 10 Gbps ไปในระยะทาง 6,820 ไมล์ได้สำเร็จ
เทคโนโลยีชนิดที่สามที่เข้ามาเพิ่มขีดความสามารถให้กับออปติคัลไฟเบอร์ก็คือ WDM (Wavelength Division Multiplexing) อันเป็นวิธีส่งคลื่นเลเซอร์ชนิดต่าง ๆ เข้าไปในไฟเบอร์เพียงสายเดียว โดยอาศัยคุณสมบัติที่ว่าโซลิตอนของช่วงคลื่นที่มีขนาดต่าง ๆ กันจะไม่มีปฏิกิริยาหรือปนกัน จึงได้มีการใช้ประโยชน์จาก wavelengths ที่แยกจากกันนี้ในการมัลติเพล็กซ์ (multiplex) แชนเนิลต่าง ๆ ที่วิ่งผ่านไฟเบอร์เพียงเส้นเดียว ในกรณีที่ไม่มีออปติคัลแอมพลิฟลายเออร์สามารถทำงานได้ในช่วงคลื่นที่มีขนาดต่าง ๆ กัน
การรวมกันของเทคโนโลยีทั้งสามอย่างจึงได้เข้ามาผลักดันให้ความเร็วของการส่งข้อมูลสามารถก้าวไปถึงขั้นเทราบิตต่อวินาทีเครดิตของการค้นคว้าในด้าน WDM จึงตกเป็นของนักวิทยาศาสตร์นับร้อยที่ทำการวิจัย ทั้งในมหาวิทยาลัยและสถาบันเอกชน เช่น Lucent Technologies ของสหรัฐฯ Pirelli ของอิตาลีจนถึง Corning Glass และ Ciena ซึ่งอยู่ในสหรัฐฯ ทั้งสองบริษัท
วิวัฒนาการทางเทคนิคของออปติคัลทรานสมิชชิงที่พูดในข้างต้นน่าจะพอเพียงสำหรับเป็นพื้นฐานที่จะเชื่อมโยงกับความเป็นไปในโลกของโฟโตนิกในปัจจุบัน โดยเฉพาะในทางปฏิบัติ ซึ่งจำเป็นต้องนำเทคโนโลยีบางอย่างที่พูดไปแล้วอย่างย่นย่อมาขยายความเพื่อให้เกิดความชัดเจนมากขึ้น เช่น เรื่องของ "มัลติเพล็กซิง" ตลอดจนสภาพของตลาดในขณะนี้ว่ามีใครข้างที่กำลังมีบทบาทในฐานะที่เป็นผู้นำในด้านออปติคัลไฟเบอร์เทคโนโลยี

ชีวิตที่ 100,000,000,000 บิตต่อวินาที

ความพยายามของวิศวกรและนักประดิษฐ์ในอันที่จะส่งสัญญาณที่เป็นข่าวสารข้อมูลคราวละหลาย ๆ สัญญาณโดยใช้เส้นทางการสื่อสารเพียงเส้นทางเดียวนั้นได้มีมานานกว่าศษวรรษ เช่น เอดิสัน (Thomas), Jeam Manrice-Emile Bandot และผู้อื่นที่ต่างก็ค้นคว้าเพื่อหาทางใช้สายโทรเลขในยุคนั้นให้เกิดประโยชน์ในการส่งข่าวสารให้มากที่สุด อันเป็นการค้นคว้าในเรื่องของมัลติเพล็กซิงที่ถือว่าเป็นยุคบุกเบิกจนในปัจจุบันกรรมวิธีในด้านมัลติเพล็กซิงสำหรับในเชิงพาณิชย์ได้ก้าวไปไกลจนสามารถส่งข้อมูลได้ถึง 40,000 ล้านบิตต่อวินาที เข้าไปใน 16 แชนเนิล โดยแต่ละแชนเนิลสามารถส่งข้อมูลได้วินาทีละ 2.5 พันล้านบิตในรูปของคลื่นแสงที่มีความถี่สูง ที่สำคัญก็คือการใช้สีหลาย ๆ อย่างเพื่อแทนความถี่ที่ไม่เหมือนกันในรูปของ multi-color fiber options อันหมายถึงความสามารถที่จะส่งสัญญาณชนิดต่างๆ เข้าไปในไฟเบอร์เพียงเส้นเดียวโดยใช้สีเป็นเครื่องแยกความถี่


รูปที่ 3 แสดง multiplexing scheme ที่ใช้สีเป็นเครื่องแสดงความแตกต่างของความถี่

ในโลกของการส่งสัญญาณที่เป็นแบบดิจิตอลนั้นเราอาจสมมติให้ช่วงของสัญญาณที่มีการเปล่งแสงว่ามีค่าเท่ากับ 1 ส่วนในช่วงที่ไม่มีการเปล่งแสงให้มีค่าเท่ากับ 0 สำหรับกรรมวิธีในการควบสัญญาณที่เรียกว่า frequency multiplexing โดยอาศัยหล้กที่ว่า การกะพริบของแสงที่มีสีต่าง ๆ นั้นสามารถที่จะวิ่งผ่านเข้าไปในสายใยแก้วได้โดยไม่มีการปะปนกัน เช่น การส่งสัญญาณในรูปของ 10011 (เขียว) พร้อม ๆ กับการส่งสัญญาณที่เป็น 11100(แดง) ที่สามารถซ้อนกันได้โดยไม่มีปัญหา (รูปที่ 3) อันเป็นผลของการค้นคว้าเช่นที่ Bell Labs ของ AT&T ในทางปฏิบัติ การส่งสัญญาณในรูปของ 16 แชนเนิล (ที่กล่าวในข้างต้น) สามารถดำเนินไปพร้อมกันในรูปของการควบคุมความถี่โดยอาศัยสีเข้าช่วย ซึ่งความถี่นี้จะอยู่ในย่านอินฟราเรด โดยในแต่ละ pulse จะมีคลื่นแสงที่มีความถี่ 40,000 ไซเกิล ในทางการค้านั้น การแข่งขันในเรื่องของปริมาณของการส่งข้อมูลยังคงดำเนินต่อไป เช่น Ciena Corp ซึ่งกำลังมาแรงและเพิ่มก่อตั้งเมื่อปี 1992 ได้ประกาศเมื่อเร็ว ๆ นี้ (กลางปี 1997) ว่าสามารถส่งสัญญาณขนาด 40 กิกะบิตต่อวินาที (กิกะ= 109) เข้าไปในสายใยแก้วสายเดียวได้ผลสำเร็จและจะเพิ่มเป็น 100 กิกะบิตต่อวินาทีในปี 1998 นอกจากนี้ก็มีผู้ผลิตที่เป็นรายใหญ่ เช่น Pirelli ซึ่งประกาศว่าขณะนนี้บริษัทพร้อมที่จะนำระบบแบบ 160 gigabit ออกสู่ตลาดได้ทุกเวลา รวมทั้ง Lucent Technologies (ของ AT&T) ที่ได้แสดงให้โลกรู้ว่าขณะนี้ได้ทำการทดลองที่สามาถส่งข้อมูลได้มากถึง 1012  บิตต่อวินาที ภายในห้องทดลองที่เรียกว่า Bell Labs อันเลื่องชื่อ
การสามารถส่งข้อมูลด้วยอัตราเร็ว 40,000 ล้านบิตต่อวินาทีตามที่พูดในข้างต้นนี้ได้มีความหมายในแง่ของการใช้งานว่า จะมีการเรียกโทรศัพท์กันถึง 600,000 เลขหมายหรือสำหรับในกรณีของการต่อเข้าไปในอินเทอร์เน็ตโดยใช้โมเด็มแบบ 28.8 kilobit ก็จะสามารถทำการเชื่อมโยงกับเน็ตได้ถึง 1.4 ล้านคอนเน็คชัน เป็นต้น ผลในทางเศรษฐกิจของการส่งข้อมูลได้เร็วมาก ๆ ก็จะเป็นว่า ก่อนที่จะมี optical amplifiers ให้ใช้นั้น การส่งข้อมูลผ่านสายใยแก้วจะต้องมีรีเยนเนอเรเตอร์ (regeneratios) ติดไว้ทุก ๆ 19 ถึง 25 ไมล์ โดยมีราคาตัวละ 15,000  เหรียญสหรัฐฯ ซึ่งสัญญาณแต่ละชนิดก็ต้องการรีเยนเนอเรเตอร์โดยเฉพาะดังนั้นถ้าจะส่งข้อมูลอย่างพร้อม ๆ กันด้วย 16 ชนิด (หรือ 16 แชลเนิล) ก็จะต้องเสียเงินไปกับรีเยนเนอเรเตอร์ราว 1.2 ล้านเหรียญสหรัฐฯสำหรับระยะทางทุก 20 ไมล์ ในกรณีที่ใช้ optical amplifiers ก็จะเป็นว่า ผู้ออกแบบสามารถวาง optical am;lifiers แต่ละคู่ให้ห่างกันได้ถึง 75 ไมล์ อันในระหว่างรีเยนเนอเรเตอร์สองตัว ราคาของ optical amplifiers นั้นจะสูงพอ ๆ กับรีเยนเนอเรเตอร์ แต่ก็เป็นการคุ้มในแง่ของการลงทุนอย่างไรก็ตาม พัฒนาการในด้าน Optical Communication เท่าที่เป็นอยู่ในขณะนี้ยังเปรียบเสมือนการยังอยู่ในยุคหิน อันเป็นความเห็นของศาสตร์จารย์เดวิด เพน (David Payne) ซึ่งเป็นผู้อำนวยการศูนย์ทดลองที่เรียกว่า Opto Electronics Research Center ของมหาวิทยาลัยเซาท์แธมป์ตัน ในประเทศอังกฤษ ที่เป็นหนึ่งในห้องทดลองชั้นนำของโลกที่ทำการค้นคว้าวิจัยในด้านออปโตอิเล็กทรอนิกส์

สรุป

ถ้อยแถลงของศาสตราจารย์ เดวิด เพน ในข้างต้น พร้อมด้วยผลิตภัฑณ์เช่นของ Ciena ย่อมเป็นเครื่องแสดงว่าอาณาจักรของออปติคัลเทคโนโลยียังมีสิ่งต่าง ๆ ให้วิจัยและพัฒนาได้อีกมากมาย โดยเฉพาะในเรื่องของอัตราความเร็วในการส่งข้อมูลซึ่งขณะนี้ได้ก้าวมาถึงจุดที่โลกก็จะมีผลิตภัณฑ์ด้าน optical transmission ที่ส่งข้อมูลได้มากถึง 100 gigabit/s อันเป็นการรับปากของ Ciena Corp ให้สหรัฐฯว่าจะต้องไปถึงจุดนั้นให้ได้

เขียนโดย : สหัส พรหมสิทธิ์
ไมโครคอมพิวเตอร์ ฉบับที่ 150 เดือนมกราคม 2541