ใยแก้วนำแสง

ใยแก้วนำแสง หรือ ออปติกไฟเบอร์ หรือ ไฟเบอร์ออปติก เป็นแก้วหรือพลาสติกคุณภาพสูง ที่สามารถยืดหยุ่นโค้งงอได้ โดยมีเส้นผ่านศูนย์กลางเพียง 8-10 ไมครอน (10 ไมครอน = 10 ในล้านส่วนของเมตร =10x10^-6=0.00001 เมตร = 0.01 มม.) ซึ่งเล็กกว่าเส้นผมที่มีขนาด 40-120 ไมครอน, กระดาษ 100 ไมครอน ใยแก้วนำแสงนั้นทำหน้าที่เป็นตัวกลางในการส่งแสงจากด้านหนึ่งไปอีกด้านหนึ่ง ด้วยความเร็วเกือบเท่าแสง เมื่อนำมาใช้ในการสื่อสารโทรคมนาคม ทำให้การส่ง-รับข้อมูลได้เร็วมาก สามารถส่ง-รับข้อมูลในระยะทางได้เกิน 100 กม. ในหนึ่งช่วง และเนื่องจากแสงเป็นตัวนำส่งข้อมูล จึงทำให้สัญญาณแม่เหล็กไฟฟ้าภายนอก ไม่สามารถรบกวนความชัดเจนของข้อมูลได้ ใยแก้วนำแสงจึงถูกนำมาใช้แทนตัวกลางอื่น ๆ ในการส่งข้อมูล อีกทั้งยังเป็นเส้นใยขนาดเล็กที่ทำหน้าที่เป็นตัวนำแสง โครงสร้างของเส้นใยแสงประกอบด้วยส่วนที่แสงเดินทางผ่านเรียกว่า CORE และส่วนที่หุ้ม CORE อยู่เรียกว่า CLAD ทั้ง CORE และ CLAD เป็น DIELECTRIC ใส 2 ชนิด (DIELECTRIC หมายถึงสารที่ไม่เป็นตัวนำไฟฟ้า เช่น แก้ว พลาสติก) โดยทำให้ค่าดัชนีการหักเหของ CLAD มีค่าน้อยกว่าค่าดัชนีการหักเหของCORE เล็กน้อยประมาณ 0.2-3% และอาศัยปรากฏการณ์สะท้อนกลับหมดของแสง สามารถทำให้แสงที่ป้อนเข้าไปใน CORE เดินทางไปได้นอกจากนั้นเนื่องกล่าวกันว่าเส้นใยแสงมีขนาดเล็กมากขนาดเท่าเส้นผมนั้นหมายความว่า ขนาดของเส้นผ่าศูนย์กลางด้านนอกของ CLAD ซึ่งมีขนาดประมาณ 0.1 ม.ม. ส่วน CORE ที่แสงเดินทางผ่าน นั้นมีขนาดเล็กลงไปอีกคือประมาณหลาย um ~ หลายสิบ um (1 um=10-3mm) ซึ่งมีค่าหลายเท่าของความยาวคลื่นของแสงที่ใช้งาน ค่าต่าง ๆ เหล่านี้เป็นค่าที่กำหนดขึ้นจากคุณสมบัติการส่งและคุณสมบัติทางเมคานิกส์ที่ต้องการ เส้นใยแสงนอกจากมีคุณสมบัติการส่งดีเยี่ยมแล้วยังมีลักษณะเด่นอย่างอื่นอีกเช่น ขนาดเล็กน้ำหนักเบาอีกด้วย

ออพติคเคเบิล 1 เส้น ประกอบด้วย ใยแก้วนำแสงตั้งแต่ 2 core ขึ้นไป มี 2 ชนิด คือ แบบ multi-mode (MM) และแบบ single-mode (SM) ความแตกต่างของทั้งสองชนิดนี้ คือขนาดของตัวใยแก้วใจกลางหรือที่เรียกว่า core

ออพติคเคเบิลมีสีส้ม ใยแก้วนำแสงบอกขนาด 50/125 หมายถึง ขนาด core เส้นผ่าศูนย์กลาง 50 ไมครอน ขนาดเปลือกหุ้มเส้นผ่าศูนย์กลาง 125 ไมครอน เนื่องจากมีขนาด core ใหญ่ ทำให้แสงที่เดินทางกระจัดกระจาย ทำให้แสงเกิดการหักล้างกัน จึงมีการสูญเสียของแสงมาก จึงส่งข้อมูลได้ไม่ไกลเกิน 200 เมตร ความเร็วก็ไม่เกิน 100 ล้านบิทต่อวินาที ที่ความยาวคลื่น 850 นาโนเมตร เหมาะสำหรับใช้ภายในอาคารเท่านั้น แต่มีข้อดีก็คือ ราคาถูก เพราะ core มีขนาดใหญ่ สามารถผลิตได้ง่ายกว่า

ออพติคเคเบิลเป็นสีเหลือง ใยแก้วนำแสงบอกขนาด 9/125 หมายถึง ขนาด core เส้นผ่าศูนย์กลาง 9 ไมครอน ขนาดเปลือกหุ้มเส้นผ่านศูนย์กลาง 125 ไมครอน เมื่อ core มีขนาดเล็กมาก ทำให้แสงเดินทางเป็นระเบียบขึ้น ทำให้เกิดการสูญเสียน้อยลง ความเร็วในการรับส่งข้อมูลสูงสุดประมาณ 2,500 ล้านบิทต่อวินาทีต่อหนึ่งความยาวคลื่นแสงที่ 1300 นาโนเมตร ด้วยระยะทางไม่เกิน 20 กม. ระยะทางในการใช้งานจริง ได้ถึง 100 กม. แต่ความเร็วจะลดลง แต่ไม่ต่ำกว่า 1,000 ล้านบิทต่อวินาที ข้อดีของ SM อีกอันหนึ่งก็คือ มันทำงานที่ความยาวคลื่นที่ 1300 นาโนเมตร ซึ่งเป็นช่วงที่มีการลดทอนแสงน้อยที่สุด ตามรูป

ใยแก้วนำแสงนอกจากประกอบด้วยใยแก้วที่ทำด้วยแก้วหรือพลาสติคคุณภาพสูงแล้ว ยังประกอบด้วยเปลือกหุ้มด้านในหรือ cladding ที่มีค่าดัชนีในการหักเหของแสงต่ำ มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 125 ไมครอน เคลือบด้วยสีซิลิโคนหนา 125 ไมครอนโดยรอบ สีนี้ช่วยบ่งบอกว่าสายใยแก้วนำแสงเป็นสายลำดับที่เท่าไร เพราะเนื่องจากสายแต่ละเส้นมีขนาดเล็กมาก สายใยแก้วจึงถูกมัดรวมกัน เป็นชุด ๆ ละไม่เกิน 12 เส้น อยู่ในหลอดพลาสติกคล้ายหลอดกาแฟ เรียกว่า loose tube แต่ละเส้นจึงบอกให้รู้ว่าเส้นไหนเป็นเส้นไหน ต้นทางปลายทางจะได้ต่อเป็นเส้นเดียวกัน ตามตารางด้านล่าง ในแต่ละเส้น มี 2 สี สีหนึ่งบอกว่าเป็นชุดที่เท่าไร อีกสีหนึ่งบอกว่าเป็นเส้นที่เท่าไร เช่น ชุดที่ 1 เส้นที่ 5 จะมีสีน้ำเงิน-เทา เป็นต้นส่วนประกอบสุดท้าย จะเป็นพลาสติกหุ้มเพื่อกันกระแทก มีเส้นผ่านศูนย์กลางโดยรวมตั้งแต่ 400-900 ไมครอน

ปลายด้านนอกถูกขัดมันเรียบ (Polished Contact) ดังนั้น connector จึงมีชื่อเรียกว่า FC/PC หรือ SC/PC (เฉพาะ SC/PC ตัว connector มีสีน้ำเงิน) แต่ถ้าไม่มี PC กำกับ ให้ถือว่าเป็น PC เพราะเป็นการใช้อย่างแพร่หลายในการส่งข้อมูลประเภท data หรือ Information

การส่งผ่านแสงระหว่าง ferrule สองด้าน ทำให้แสงบางส่วนหายไป เราเรียกการสูญเสียนั้นว่า Insertion Loss (IL) และมีแสงบางส่วนสะท้อนกลับเข้าไปลดทอนลำแสงหลัก ทำให้เกิดการสูญเสียอีกตัวหนึ่ง เรียกว่า Optical Return Loss (ORL)

การส่งข้อมูลที่เป็น data ดังกล่าว จะใช้ ferrule ที่เป็น PC กับ PC เพราะต้องการ IR ต่ำ ค่า ORL ไม่ได้ถูกนำมาพิจารณา เพราะถ้าข้อมูลบางส่วนหาย ระบบจะ recover ได้ แต่ในปัจจุบัน มีการส่งข้อมูลภาพด้วย เช่นระบบเคเบิลทีวี ORL จะทำให้สัญญาณภาพหายไปบางส่วน จะเห็นเป็นภาพกระพริบบนจอภาพ เพื่อแก้ปัญหานี้ ferrule จึงถูกขัดให้เอียง 8° เรียกหัว connector แบบนี้ว่า Angle-polished Contact หรือ APC (ส่วนใหญ่ จะเป็น connector แบบ SC มีสีเขียว) การเอียงของปลาย ferrule นี้ ทำให้แสงข้ามไปอีกด้านหนึ่งน้อยลง ทำให้ IR สูงขึ้น แต่ส่วนที่กระจายออกด้านข้างบางส่วน ไม่ไปลบล้างกับลำแสงหลัก ทำให้ OLR น้อยลง ลดผลกระทบในการส่งภาพไปได้ ดังนั้น การต่อ connector นอกจากจะต้องต่อแบบเดียวกันแล้ว ต้องต่อชนิดเดียวกันด้วย

ค่าลดทอนที่ถูกต้อง เพื่อให้อุปกรณ์สื่อสารทำงานได้ ต้องดูที่ spec ของอุปกรณ์ SFP (Small Form-Factor Pluggable Transceiver) หรือ GBIC (Gigabit Interface Converter) นั้นว่ามีพิกัดระยะทาง, SM หรือ MM หรือ ความยาวคลื่นเท่าไร อุปกรณ์ดังกล่าว ใช้เปลี่ยนพลังงานไฟฟ้าเป็นพลังงานแสงและเปลี่ยนพลังงานแสงให้เป็นไฟฟ้า ซึ่งจะติดไว้ทั้งฝั่งส่งและฝั่งรับ ฝั่งละ 2 ตัว ใช้ใยแก้วนำแสง 2 core, core แรกส่ง ปลายทางรับ core 2 รับ ปลายทางส่ง SFP หรือ GBIC จะมีพิกัดบอกระยะทางและความยาวคลื่น ต้องเลือกใช้ให้ถูก

ใช้เป็นตัวกลางในการส่งข้อมูลด้านสื่อสารโทรคมนาคม เช่นสวิทช์ เครือข่ายเชิงแสงแบบพาสซีพ(Passive Optical Network)

โดยมีการหุ้มฉนวนอีกชั้นหนึ่งให้มี ความหนา 900 ไมครอน ( 1 ไมครอน = 0.001 มิลลิเมตร ) เพื่อสะดวกในการใช้งานและป้องกันสายไฟเบอร์ ในการติดตั้ง ปริมาณของเส้นใยแก้วบรรจุอยู่ไม่มากนัก เช่น 4,6,8 Core ส่วนสายที่ใช้เชื่อมต่อระหว่างอุปกรณ์จะมีขนาด 1 Core ซึ่งเรียกว่า Simplex ขนาด 2 Core เรียกว่า Zip Core

โดยนำสายไฟ เบอร์มาไว้ในแท่งพลาสติก และใส่เยลกันน้ำเข้าไป เพื่อป้องกันไม่ให้สัมผัสกับแรงต่างๆ อีกทั้งยังกันน้ำซึมเข้าภายในสาย สายแบบ Outdoor ยังแบ่งตามลักษณะการใช้งานได้อีกดังนี้

2.1 Duct Cable เป็นสาย Fiber Optic แบบร้อยท่อ โครงสร้างของสายไม่มีส่วนใดเป็นตัวนำ ไฟฟ้า ซึ่งจะไม่มีปัญหาเรื่องฟ้าผ่า แต่จะมีความแข็งแรงทนทานน้อย ในการติดตั้งจึงควรร้อยไปในท่อ Conduit หรือ HDPE (High-Density-Polyethylene)

2.2 Direct Burial เป็นสาย Fiber Optic ที่ออกแบบมาให้สามารถใช้ฝังดินได้โดยไม่ต้องร้อยท่อ โดยโครงสร้างของสายจะมีส่วนของ Steel Armored เกราะ ช่วยป้องกัน และเพิ่มความแข็งแรงให้สาย

2.3 Figure - 8 เป็นสายไฟเบอร์ที่ใช้แขวนโยงระหว่างเสา โดยมีส่วนที่เป็นลวดสลิงทำหน้าที่รับ แรงดึงและประคองสาย  จึงทำให้สายมีรูปร่างหน้าตัดแบบเลข 8 จึงเรียกว่า Figure - 8

2.4 ADSS (All Dielectric Self Support)  เป็นสายไฟเบอร์ ที่สามารถโยงระหว่างเสาได้ โดยไม่ต้องมีลวดสลิงเพื่อประคองสาย เนื่องจาก โครงสร้างของสายประเภทนี้ ได้ถูกออกแบบให้ เป็น Double Jacket จึงทำให้มีความแข็งแรงสูง

เป็นสายเคเบิลใยแก้วที่สามารถเดินได้ทั้งภายนอกและภายในอาคาร เป็นสายที่มีคุณสมบัติพิเศษที่เรียกว่า Low Smoke Zero Halogen (LSZH) ซึ่งเมื่อเกิดอัคคีภัย จะเกิดควันน้อยและควันไม่เป็นพิษ เมื่อเทียบกับ Jacket ของสายชนิดอื่น ที่จะลามไฟง่ายและเกิดควันพิษ เนื่องจากการเดินสาย ในประเทศไทย ส่วนใหญ่จะเดินภายนอกอาคาร ด้วยสาย Outdoor แล้วเข้า อาคาร ซึ่งผิดมาตรฐานสากล ดังนั้นจึงควรใช้สายประเภทนี้เมื่อมีการเดิน จากภายนอกเข้าสู่ภายใน 

การสร้างเส้นใยแสงจากแท่งแก้วพรีฟอร์ม มีขั้นตอนในการสร้างเริ่มต้นด้วยการนำสารที่จะใช้ในการสร้างเส้นใยแสงมาผ่านกระบวนการสร้างแท่งแก้วที่มีความโปร่งใสและความบริสุทธิ์สูง (Vapor phase depostion) จากนั้นจึงนำแท่งแก้วที่ได้มาให้ความร้อนเพื่อทำให้บริเวณปลายของแท่งแก้ว เกิดการยุบตัวกลายเป็นแท่งแก้วพรีฟอร์ม และนำแท่งแก้วพรีฟอร์มที่ได้มาทำการดึงเป็นเส้นใยแสงต่อไป โดยแท่งแก้วพรีฟอร์มที่สร้างได้นั้นจะมีความยาวประมาณ 60 ถึง 120 เซนติเมตร และมีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 10 ถึง 25 มิลลิเมตร

สำหรับวิธีการดึงแท่งแก้วพรีฟอร์มเพื่อทำให้เป็นเส้นใยแสง โดยปลายด้านที่ยุบตัวของแท่งแก้วพรีฟอร์มจะอยู่ภายในเตาหลอม (Drawing furnace) และถูกดึงเป็นเส้นใยแสง ซึ่งการทำงานต่าง ๆ จะควบคุมอัตโนมัติ ไม่ว่าจะเป็นความเร็วในการดึงหรือขนาดของเส้นใยแสง จากนั้นเส้นใยแสงจะถูกหุ้มด้วยวัสดุที่มีความยืดหยุ่นเพื่อป้องกันการปนเปื้อนจากฝุ่นและไอน้ำก่อนที่จะทำการม้วนเก็บ สำหรับวิธีการสร้างแท่งแก้วพรีฟอร์มมีอยู่ด้วยกัน 4 วิธี ได้แก่

สร้างจากแก้วซึ่งเป็นฉนวน คือ สนามพลังงานที่ถูก ปล่อยออกมาจะไม่ถูกรบกวนและถูกดูดซับ แก้วเป็นวัสดุที่มีผลลดทอนน้อยมาก และเป็นอิสระจากการมอดูเลตทางความ ถี่ เมื่อเปรียบเทียบกับเคเบิลชนิดทองแดงแล้ว จะมีความสามารถในการรับส่งเหมือนกัน แต่ไฟเบอร์ออฟติกมีขนาดเล็กและน้ำหนักเบา กว่ามาก และสุดยอดของออฟติกก็คือมีราคาถูกแม้ว่าจะพิจารณารวมถึงต้นทุนในการติดตั้งอุปกรณ์ต่างๆ แล้วด้วยการพัฒนาต่อไปในอนาคตจะสามารถลดต้นทุนเครือข่ายไฟเบอร์ออฟติกได้มากกว่านี้ ไม่ว่าจะเป็นด้านการผลิต การติดตั้ง การบำรุงรักษา และที่แน่ๆ ก็คือการใช้งานเครือข่าย การส่งข้อมูลไปบนไฟเบอร์ออฟติก คุณจะต้องมีอุปกรณ์กำเนิดแสงที่ถูกมอดูเลต โดยทั่วไปแล้วจะใช้เลเซอร์ไดโอดที่ทำหน้าที่ปล่อยพัลส์แสง (light pulse) เข้าไปยังไฟเบอร์ และที่ด้านตรงปลายทาง คุณก็ต้องมีอุปกรณ์ตรวจจับแสง (photo detector) ซึ่งมักจะเป็นอุปกรณ์สารกึ่งตัวนำที่ทำงานคล้ายกับโซลาร์เซลด้วยการแปลงแสง ไปเป็นกระแสไฟฟ้าปัจจุบันไฟเบอร์ออฟติกทำงานกับแสงที่มีความยาวคลื่น ประมาณ 1µm ซึ่งตรงกับความถี่ 3·1014 Hz หรือ 300.000 GHz สำหรับเหตุผลทางเทคนิค อุปกรณ์ส่วนใหญ่ทำงานกับการผสมของสัญญาณที่อาศัยความแรงของสัญญาณ (AM) ซึ่งจะส่งผลให้มีแบนด์วิดธ์เป็น 5 ถึง 10 GHz เมื่อเปรียบเทียบกับความถี่พาหะ (carrier frequency) แล้ว จะเห็นว่าน้อยมาก มันจะถูกจำกัดโดยเทคโนโลยีที่ใช้งานได้ การลดทอนของแสงใน glass fiber ขึ้นอยู่กับความยาวคลื่น มีค่าลดทอนต่ำสุดใน attenuation curve อยู่ในช่วง 1310 nm และ 1550 nm ระยะความกว้าง 100 nm โดย ประมาณบริเวณค่าดังกล่าวนี้ถูกเรียกว่า วินโดวส์ ซึ่งความถี่บริเวณในวินโดวส์นี้จะใช้สำกรับการส่งข้อมูล ไฟเบอร์ในปัจจุบันนี้ครวบคลุมหลายวินโดวส์ (1300/1400/1500/1600mm)คุณ สามารถป้อนสัญญาณที่ความยาวคลื่นต่างกันในวินโดวส์เดียวกันเข้าไปในหนึ่งไฟเบอร์และที่ด้านปลายทางสัญญาณแสงจะถูกแยกออกได้ รูปแบบดังกล่าวนี้จะเป็นหลายช่องสัญญาณต่อวินโดวส์โดยใช้ไฟเบอร์อันเดียวซึ่ง เรียกกันว่า wavelength-division multiplexing (WDM)

เทคนิค อีกวิธีหนึ่งคือการส่งสัญญาณที่มีความยาวคลื่นต่างกันในลักษณะสองทิศทางโดย ผ่านไฟเบอร์อันเดียว วิธีการแบบนี้เรียกว่า bi-directional transmission ซึ่งสามารถจะลดจำนวนเคเบิลที่ต้องใช้ลง 50 % ชนิดของไฟเบอร์ปัจจุบัน นี้เคเบิลไฟเบอร์ทำจากซิลิกาเป็นส่วนใหญ่ ซิลิกาเป็นวัสดุบริสุทธิ์และยืดหยุ่นได้ และเป็นทรัพยากรที่คงจะไม่มีวันหมดไปง่าย ๆ เมื่อเปรียบเทียบกับทองแดงแล้ว ไฟเบอร์บางแบบทำจากโพลีเมอร์หรือวัสดุสังเคราะห์อื่น ๆ แต่ก็จะใช้งานสำหรับระยะทางสั้นเท่านั้นเพราะมีการลดทอนสูงอันเนื่องมากจากการมีขนาดของเส้นผ่านศูนย์กลางใหญ่จะทำให้ขนาดของแสงที่ปล่อย ออกไปมีจำนวนมาก ส่วนประกอบของไฟเบอร์ประกอบด้วย core , cladding (ทำหน้าที่เป็นส่วนห่อหุ้มคือเป็น insulation ของแต่ละไฟเบอร์) , และบัพเฟอร์ (เป็นตัวป้องกันทางกล หรือ mechanical protection) เคเบิลจะมีการติดฉลากเป็นค่าเส้นผ่านศูนย์กลางของ core และ cladding ตัวอย่างเช่นเคเบิลชนิด single-mode จะเป็น 9/125 µm ซึ่ง 9 ก็เป็นเส้นผ่านศูนย์กลางของ core ส่วน 125 ก็เป็นเส้นผ่านศูนย์กลางของ cladding บัฟเฟอร์ก็จะหุ้มรอบไฟเบอร์ที่มีขนาด 9/125 µm ซึ่งโดยทั่วไปจะมีขนาดประมาณ 250 µm