ไฟเบอร์ออฟติก

0
28

ใยแก้วนำแสง หรือ ออปติกไฟเบอร์ หรือ ไฟเบอร์ออปติก เป็นแก้วหรือพลาสติกคุณภาพสูง ที่สามารถยืดหยุ่นโค้งงอได้ โดยมีเส้นผ่านศูนย์กลางเพียง 8-10 ไมครอน (10 ไมครอน = 10 ในล้านส่วนของเมตร =10×10^-6=0.00001 เมตร = 0.01 มม.) ซึ่งเล็กกว่าเส้นผมที่มีขนาด 40-120 ไมครอน, กระดาษ 100 ไมครอน[2] ใยแก้วนำแสงนั้นทำหน้าที่เป็นตัวกลางในการส่งแสงจากด้านหนึ่งไปอีกด้านหนึ่ง ด้วยความเร็วเกือบเท่าแสง เมื่อนำมาใช้ในการสื่อสารโทรคมนาคม ทำให้การส่ง-รับข้อมูลได้เร็วมาก สามารถส่ง-รับข้อมูลในระยะทางได้เกิน 100 กม.ในหนึ่งช่วง และเนื่องจากแสงเป็นตัวนำส่งข้อมูล จึงทำให้สัญญาณแม่เหล็กไฟฟ้าภายนอก ไม่สามารถรบกวนความชัดเจนของข้อมูลได้ ใยแก้วนำแสงจึงถูกนำมาใช้แทนตัวกลางอื่นๆในการส่งข้อมูล อีกทั้งยังเป็นเส้นใยขนาดเล็กที่ทำหน้าที่เป็นตัวนำแสง โครงสร้างของเส้นใยแสงประกอบด้วยส่วนที่แสงเดินทางผ่านเรียกว่า CORE และส่วนที่หุ้มCORE อยู่เรียกว่า CLAD ทั้ง CORE และ CLAD เป็นDIELECTRIC ใส 2 ชนิด (DIELECTRIC หมายถึงสารที่ไม่เป็นตัวนำไฟฟ้า เช่น แก้ว พลาสติก) โดยการทำให้ค่าดัชนีการหักเหของ 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 ค่าต่างๆ เหล่านี้เป็นค่าที่กำหนดขึ้นจากคุณสมบัติการส่งและคุณสมบัติทางเมคานิกส์ที่ต้องการ เส้นใยแสงนอกจากมีคุณสมบัติการส่งดีเยี่ยมแล้วยังมีลักษณะเด่นอย่างอื่นอีกเช่น ขนาดเล็กน้ำหนักเบาอีกด้วย

 

” fiber optic structure”

ชนิดของใยแก้วนำแสง

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

Multi-mode (MM)

การกระจายของแสงใน multi-mode

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

Single-mode (SM)

ออพติคเคเบิลเป็นสีเหลือง ใยแก้วนำแสงบอกขนาด 9/125 หมายถึง ขนาด core เส้นผ่าศูนย์กลาง 9 ไมครอน ขนาดเปลือกหุ้มเส้นผ่าศูนย์กลาง 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

โครงสร้าง

โครงสร้างแบบ singlemode หมายเลข 1 คือ core 8-10 ไมครอน, 2 คือ cladding 125 ไมครอน, 3 คือ สีเคลือบ 250 ไมครอน และ 4 คือ พลาสติคกันกระแทก 900 ไมครอน

ใยแก้วนำแสงนอกจากประกอบด้วยใยแก้วที่ทำด้วยแก้วหรือพลาสติคคุณภาพสูงแล้ว ยังประกอบด้วยเปลือกหุ้มด้านในหรือ cladding ที่มีค่าดัชนีในการหักเหของแสงต่ำ มีเส้นผ่าศูนย์กลาง 125 ไมครอน เคลือบด้วยสีซิลิโคนหนา 125 ไมครอนโดยรอบ สีนี้ช่วยบ่งบอกว่าสายใยแก้วนำแสงเป็นสายลำดับที่เท่าไร เพราะเนื่องจากสายแต่ละเส้นมีขนาดเล็กมาก สายใยแก้วจึงถูกมัดรวมกัน เป็นชุดๆละไม่เกิน 12 เส้น อยู่ในหลอดพลาสติคคล้ายหลอดกาแฟ เรียกว่า loose tube แต่ละเส้นจึงบอกให้รู้ว่าเส้นไหนเป็นเส้นไหน ต้นทางปลายทางจะได้ต่อเป็นเส้นเดียวกัน ตามตารางด้านล่าง ในแต่ละเส้น มี 2 สี สีหนึ่งบอกว่าเป็นชุดที่เท่าไร อีกสีหนึ่งบอกว่าเป็นเส้นที่เท่าไร เช่น ชุดที่ 1 เส้นที่ 5 จะมีสีน้ำเงิน-เทา เป็นต้นส่วนประกอบสุดท้าย จะเป็นพลาสติคหุ้มเพื่อกันกระแทก มีเส้นผ่าศูนย์กลางโดยรวมตั้งแต่ 400-900 ไมครอน

ออพติคเคเบิลประกอบด้วย 8 loose tube (e) มีสีกำกับตามตารางและใยแก้วนำแสงไม่เกิน 12 เส้น (f)

ออพติคเคเบิลและใยแก้วนำแสงและสีกำกับ

มาตรฐานของสี

ชุดที่/เส้นที่สี
1น้ำเงิน
2ส้ม
3เขียว
4น้ำตาล
5เทา
6ขาว
7แดง
8ดำ
9เหลือง
10ม่วง
11ชมพู
12คราม

การลดทอนแสง

การลดทอนของแสงมีค่าเป็นเดซิเบล (dB) โดยมีสูตรดังนี้

Loss=10logPower Output/Power Input

ถ้าค่า loss=3 dB แสดงว่า ค่า power หายไปครึ่งหนึ่ง

แสงที่ส่งเข้าไปในใยแก้วนำแสง จะถูกลดทอนด้วยสาเหตุดังต่อไปนี้

  1. การลดทอนในตัวใยแก้วนำแสงเอง ค่าลดทอนอยู่ที่ประมาณ 0.4 dB/km ผู้ติดตั้งต้องหาระยะทางเพื่อคำนวณค่าลดทอนส่วนนี้ด้วย เพราะถ้าเดินสายบางช่วง ยาวถึง 20 กม ค่าลดทอนเฉพาะของสายใยแก้วนำแสงอย่างเดียวจะสูงถึง 8 dB เลยทีเดียว
  2. การตัดต่อ ณ จุดเชื่อมต่อย่อมต้องเกิดการลดทอนเสมอ
    1. การวางสายเป็นระยะทางไกลๆ ย่อมต้องมีการต่อสายให้ยาวขึ้นหรือแยกออกซ้าย/ขวา การต่อสายเรียกว่า สไปรซ (splice) มี 2 แบบคือการต่อแบบหลอมละลาย core ทั้งสองปลายเข้าด้วยกัน เรียกว่า ฟิวชั่น (fusion) วิธีนี้เป็นวิธีดีที่สุด เกิดการลดทอนเพียง 0.1 dB แต่เครื่อง fusion มีราคาแพงมาก อีกวธีหนึ่งคือ mechanical splice โดยการนำ core ทั้งสองด้านมาชนกันแล้วล๊อกให้แน่น วิธีนี้เกิดการลดทอนแสงเกือบ 0.5 dB
    2. เมื่อวางสายจากต้นทางถึงปลายทางแล้ว ต้องต่อสายใยแก้วนำแสงเข้ากับกล่องกระจายสาย (Distribution box) ทั้งต้นทางและปลายทาง ก็ต้องทำการ splice เข้าหัว connector อีก

แสดงต้นทางและปลายทางของใยแก้วนำแสงจะนำมาพักที่จุดกระจายหลักก่อนต่อเข้าอุปกรณ์

  1. ในการต่อใยแก้วนำแสงจากกล่องกระจายสายเข้าอุปกรณ์ เราจะใช้สาย patch cord ได้แก่สายใยแก้วนำแสงยาวประมาณ 2-20 เมตร แล้วแต่ระยะห่าง ที่ปลายทั้งสองด้านมีหัว connector ต่ออยู่ สาย patch cord จะใช้โยงจากอุปกรณ์หนึ่งไปอีกอุปกรณ์หนึ่ง ชนิดของหัว connector มีหลายแบบขึ้นอยู่กับบริษัทผู้ผลิตอุปกรณ์ เช่น LC, FC, ST, SC เป็นต้น หัว connector แต่ละตัว เมื่อต่อเข้ากับอุปกรณ์ก็จะมีการลดทอนประมาณ 0.1-0.3 dB ผู้โยง patch cord จะต้องรู้ชนิดของ connector แต่ละด้าน เพราะใช้แทนกันไม่ได้
แสดงการเข้าหัว connector ใยแก้วนำแสง

แสดง patch cord ที่มีหัวด้านหนึ่งเป็น LC อีกด้านหนึ่งเป็น SC

แสดง patch cord ที่มีหัวด้านหนึ่งเป็น ST อีกด้านหนึ่งเป็น SC

แสดงหัว LC

แสดงหัว SC

  1. การลดทอนเนื่องจากใยแก้วนำแสงสกปรก อาจมาจากไขมันที่มือคนทำงานเองดังรูป

ภาพขยายจากกล้องแสดงการลดทอนอันเกิดจากมีเศษผงไปติดที่ core

  1. การลดทอนเนื่องจากการเดินสายเป็นส่วนโค้ง โดยมีรัศมีของวงรอบ (bend radius) ต่ำเกินไป ทำให้แสงบางส่วนทะลุออกจาก core มาที่ cladding มาตรฐานปัจจุบันของ ITU (International Telecommunication Union) G.657 ค่าลดทอนอยู่ที่ 0.15 dB/รอบ ที่รัศมี 7.5 mm และควรหลีกเลี่ยงเดินสายเลี้ยวเป็นมุมฉาก เพราะจะทำให้ core แตกได้

แสงสูญเสียพลังงานเนื่องจาก microbending

  1. การลดทอนอาจมีความจำเป็นในบางกรณี เช่น การเชื่อมต่อระหว่างอุปกรณ์ 2 ชนิดที่วางอยู่ใกล้กัน แม้แต่ละอุปกรณ์จะกำหนดว่าต้องการค่าลดทอนต่ำสุด เช่น บ่งว่าทำงานที่ -2 ถึง -15 dB แต่เพื่อความเสถียรในการทำงาน ค่ากำลังของแสงควรอยู่ประมาณครึ่งหนึ่งคือ ประมาณ -8 dB ดังนั้น เมื่อใช้ patch cord เชื่อมหากัน ควรติดตั้งตัวลดทอน (attenuator) สัก 8 dB เข้าไป หรือใช้ patch cord แบบ MM แทนที่จะเป็น SM เพื่อให้เกิดการลดทอนเป็นต้น
  2. การลดทอนที่หัว connector ตามรูปด้านบน connector มีหลายแบบ แล้วแต่บริษัทผู้ผลิตอุปกรณ์ การทำงานก็คือ เมื่อนำมาต่อเข้าด้วยกัน จุดประสงค์ก็เพื่อต่อแสงจากด้านหนึ่งไปอีกด้านหนึ่ง ดังนั้นทุกชนิดมีสิ่งที่เหมือนกันคือ ferrule สีขาวที่ปลาย connector ทำด้วยพลาสติคสีขาวที่แสงผ่านได้ดี ขนาดเส้นผ่าศูนย์กลางประมาณ 2 mm ยาวประมาณ 10 mm ปลายด้านในของ connector ชนกับ core ของใยแก้วนำแสงพอดี ตามรูป

การส่งผ่านแสงของ connector แบบ PC และ APC

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) นั้นว่ามีพิกัดในส่วนของระยะทาง, 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

 

การแบ่งลักษณะการใช้งานของสาย Fiber Optic.

1. Tight Buffer เป็นสายไฟเบอร์แบบเดินภายในอาคาร (Indoor)

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

2. Loose Tube เป็นสายไฟเบอร์ที่ออกแบบมาใช้เดินภายนอกอาคาร (Outdoor)

โดยการนำสายไฟ 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

3. สายแบบ Indoor/Outdoor

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