อะไรคือไฟเบอร์ออปติก

บทนิยาม

เส้นใยแสงคือเส้นใยที่บางและยืดหยุ่นทำจากแก้ว (ซิลิกา) หรือพลาสติก ออกแบบมาเพื่อการส่งผ่านสัญญาณแสงโดยเฉพาะ แม้จะมีลักษณะที่บอบบาง แต่เส้นใยแสงมักมีเส้นผ่าศูนย์กลางใหญ่กว่าเส้นผมของมนุษย์

อย่างละเอียดมากขึ้น เส้นใยแสงทำงานเป็นคลื่นนำ ทำให้สามารถส่งคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในรูปแบบของแสงที่ความถี่แสงได้ คุณสมบัติเฉพาะนี้ทำให้สามารถขนส่งข้อมูลทางไกลได้อย่างมีประสิทธิภาพและสูญเสียสัญญาณน้อย ทำให้เป็นหัวใจหลักของเทคโนโลยีการสื่อสารสมัยใหม่

โครงสร้างของเส้นใยแสง

เส้นใยแสงประกอบด้วยสองส่วนสำคัญคือแกนกลางและชั้นคลุม แกนกลางเป็นโครงสร้างทรงกระบอกที่ทำจากแก้วโดยส่วนใหญ่ เป็นทางเดินสำหรับการแพร่กระจายของแสง สัญญาณแสงจะเดินทางภายในบริเวณนี้ โดยใช้หลักการสะท้อนภายในทั้งหมด รอบ ๆ แกนกลางคือชั้นคลุม ที่ทำจากพลาสติกโดยส่วนใหญ่ ชั้นคลุมมีบทบาทสำคัญในการจำกัดแสงไว้ภายในแกนกลาง ทำให้สัญญาณแสงคงสภาพและสามารถส่งผ่านระยะทางไกลได้โดยไม่มีการรั่วไหลหรือเสื่อมสภาพอย่างมีนัยสำคัญ

รูปภาพด้านล่างแสดงรายละเอียดโครงสร้างของเส้นใยแสง แสดงชั้นของแกนกลางและชั้นคลุม และบทบาทของแต่ละชั้นในการส่งผ่านแสงอย่างมีประสิทธิภาพ

รายละเอียดโครงสร้างและการทำงาน

ระบบเส้นใยแสงทั้งหมดถูกห่อหุ้มด้วยแจ็คเก็ตที่ยืดหยุ่น ซึ่งทำหน้าที่เป็นชั้นป้องกัน แจ็คเก็ตนี้ช่วยปกป้องเส้นใยจากการเสียหายทางกายภาพ ปัจจัยภายนอก และแรงกดดันทางกล ทำให้มั่นใจว่าเส้นใยยังคงสภาพตลอดการติดตั้ง การทำงาน และการจัดการ

ควรทราบว่าในเส้นใยแสง ชั้นคลุมไม่ได้มีบทบาทโดยตรงในการส่งผ่านคลื่นแสง แต่แสงจะเดินทางผ่านแกนกลางเท่านั้น อย่างไรก็ตาม การรวมกันของแกนกลางและชั้นคลุมมีความสำคัญในการลดการสูญเสียสัญญาณที่เกิดจากการกระจาย เพราะความแตกต่างของดัชนีหักเหระหว่างสองส่วนนี้ทำให้สามารถนำแสงได้อย่างมีประสิทธิภาพ ดัชนีหักเหของแกนกลางต้องสูงกว่าชั้นคลุม หลักการนี้เป็นพื้นฐานที่ทำให้แสงสามารถส่งผ่านเส้นใยได้อย่างมีประสิทธิภาพ

การแพร่กระจายของแสงในเส้นใยแสง

เส้นใยแสงถูกออกแบบมาเพื่อส่งสัญญาณในรูปแบบของแสง (โฟตอน) คำถามที่เกิดขึ้นคือ แสงเดินทางผ่านเส้นใยแสงอย่างไร คำตอบอยู่ที่ปรากฏการณ์สะท้อนภายในทั้งหมด

เมื่อแสงเข้าสู่เส้นใยแสง มันจะเดินทางผ่านแกนกลางโดยมีการสะท้อนจากชั้นคลุมอย่างต่อเนื่อง การสะท้อนเหล่านี้เป็นสะท้อนภายในทั้งหมด ซึ่งเกิดขึ้นภายใต้เงื่อนไขเฉพาะ เมื่อพิจารณาจากเรื่องสะท้อนภายในทั้งหมด ปรากฏการณ์นี้เกิดขึ้นเมื่อแสงเดินทางจากสื่อที่มีดัชนีหักเหสูง (แกนกลางที่หนาแน่น) ไปยังสื่อที่มีดัชนีหักเหต่ำ (ชั้นคลุมที่เบา) ที่มุมตกกระทบมากกว่ามุมวิกฤต

ด้วยมุมตกกระทบนี้ แทนที่จะถูกหักเหเข้าสู่ชั้นคลุม แสงจะดำเนินการส่งผ่านแกนกลางโดยมีการสะท้อนต่อเนื่อง รูปร่างทรงกระบอกของแกนกลาง ที่มีเส้นผ่าศูนย์กลางเล็ก ทำให้มั่นใจว่ามีแสงเพียงเล็กน้อยที่สะท้อนออกจากแกนกลาง - ชั้นคลุม ทำให้มั่นใจว่ามุมตกกระทบของลำแสงยังคงมากกว่ามุมวิกฤต ทำให้แสงสามารถถูกนำพาไปตามความยาวของเส้นใยได้อย่างมีประสิทธิภาพ

โหมดการแพร่กระจายในเส้นใยแสง

เมื่อแสงเดินทางผ่านเส้นใยแสง มันสามารถเดินทางผ่านเส้นทางเดียวหรือหลายเส้นทางได้ ที่แท้จริงแล้ว "โหมด" ของการแพร่กระจายหมายถึงจำนวนเส้นทางที่ลำแสงสามารถเดินทางผ่านเส้นใยได้ มีโหมดการแพร่กระจายหลักๆ สองโหมดในเส้นใยแสง:

เส้นใยแสงโหมดเดียว

ในเส้นใยแสงโหมดเดียว ลำแสงเดินทางผ่านเส้นใยผ่านทางเดียวเท่านั้น ทางเดียวของการส่งคลื่นนี้ลดการบิดเบือนสัญญาณในการส่งผ่าน ด้วยไม่มีหลายเส้นทางสำหรับลำแสงเดินทาง ความสมบูรณ์ของสัญญาณสามารถรักษาได้ตลอดระยะทางที่ยาว ทำให้การสื่อสารมีความชัดเจนสูง

แกนกลางของเส้นใยแสงโหมดเดียวมีเส้นผ่าศูนย์กลางเล็กมาก ทำให้ต้องใช้ลำแสงที่มุ่งเน้นสูง ด้วยเหตุนี้แหล่งกำเนิดแสงเลเซอร์ถูกนำมาใช้เป็นส่วนใหญ่ เพราะสามารถส่งลำแสงที่คมชัดและมีความสอดคล้องที่สามารถเดินทางผ่านแกนกลางที่แคบได้โดยไม่มีการกระจายหรือกระจายตัวอย่างมีนัยสำคัญ

เส้นใยแสงหลายโหมด

เส้นใยแสงหลายโหมดมีแกนกลางที่มีเส้นผ่าศูนย์กลางใหญ่กว่าเส้นใยแสงโหมดเดียว แกนกลางที่กว้างนี้ทำให้ลำแสงสามารถเดินทางผ่านหลายเส้นทางภายในแกนกลาง คุณสมบัตินี้ทำให้เส้นใยสามารถขนส่งแสงได้มากขึ้น แต่ก็เพิ่มโอกาสในการกระจายสัญญาณและการสูญเสียสัญญาณ การกระจายสัญญาณเกิดขึ้นเมื่อลำแสงที่เดินทางผ่านเส้นทางต่างๆ ภายในแกนกลางไปถึงปลายทางในเวลาที่แตกต่างกันเล็กน้อย ทำให้สัญญาณเบลอ การสูญเสียสัญญาณหรือการอ่อนแอของสัญญาณยังมีมากขึ้นในเส้นใยแสงหลายโหมดเนื่องจากปัจจัยเช่น การกระจายและดูดซับภายในแกนกลางที่ใหญ่ อย่างไรก็ตาม ขนาดแกนกลางที่กว้างทำให้สามารถรองรับหลายเส้นทางสำหรับคลื่นแสง ทำให้เหมาะสมสำหรับการใช้งานที่ให้ความสำคัญกับความง่ายและต้นทุนต่ำกว่าการส่งผ่านระยะทางยาวและแบนด์วิดท์สูง

แก้วคืออะไร?

แก้วเป็นของแข็ง amorphous ที่มีลักษณะแข็งโปร่งใสและเปราะ สร้างขึ้นโดยการหลอมรวมวัสดุหลายๆ ชนิดแล้วทำการทำให้เย็นลงอย่างรวดเร็ว (quenching) ต่างจากของแข็งผลึก แก้วไม่มีโครงสร้างโมเลกุลที่มีรูปแบบแน่นอนและสม่ำเสมอ แทนที่จะมีการจัดเรียงโมเลกุลที่ไม่เป็นระเบียบและไม่แน่นอน

แก้วมีลักษณะเฉพาะคือ การเปลี่ยนแปลงองค์ประกอบของวัสดุทำให้คุณสมบัติของแก้วเปลี่ยนแปลงตาม ความยืดหยุ่นในการเปลี่ยนแปลงคุณสมบัตินี้ทำให้แก้วเป็นวัสดุที่หลากหลาย โดยเฉพาะเมื่อใช้ในการสร้างเส้นใยแสงที่มีคุณสมบัติที่ปรับแต่งได้

ข้อดีของเส้นใยแสง

• การส่งผ่านสัญญาณที่ทนทานต่อการบิดเบือน: เส้นใยแสงช่วยให้คลื่นแสงสามารถส่งผ่านได้โดยมีความทนทานต่อการบิดเบือน ทำให้แน่ใจว่าความสมบูรณ์ของข้อมูลที่ส่งถูกรักษาไว้ แม้จะส่งผ่านระยะทางที่ยาว

• การสื่อสารที่ปลอดภัยและระยะทางยาว: เส้นใยเหล่านี้ให้วิธีการส่งข้อมูลที่ปลอดภัยผ่านระยะทางที่ยาว การส่งผ่านคลื่นแสงภายในเส้นใยจำกัดสัญญาณ ลดความเสี่ยงของการขโมยและสัญญาณรบกวน ทำให้เหมาะสมสำหรับการใช้งานที่ต้องการความปลอดภัยของข้อมูล

• อายุการใช้งานยาวนาน: เมื่อเทียบกับสายส่งสัญญาณประเภทอื่นๆ เส้นใยแสงมีอายุการใช้งานที่ยาวนานกว่า ความทนทานและความต้านทานต่อการสึกหรอทำให้สามารถรักษาประสิทธิภาพที่เชื่อถือได้ตลอดระยะเวลาที่ยาวนาน ลดความจำเป็นในการเปลี่ยนใหม่อย่างบ่อยครั้ง

ข้อเสียของเส้นใยแสง

• ค่าใช้จ่ายในการติดตั้งและบำรุงรักษาสูง: การติดตั้งและบำรุงรักษาระบบเส้นใยแสงอาจมีค่าใช้จ่ายสูง รวมถึงค่าใช้จ่ายในการใช้อุปกรณ์เฉพาะ การติดตั้งโดยแรงงานที่มีทักษะ และการบำรุงรักษาประจำเพื่อให้มั่นใจว่าระบบทำงานอย่างมีประสิทธิภาพ

• ความอ่อนไหวต่อปัจจัยสิ่งแวดล้อม: เนื่องจากความบอบบางของเส้นใยแสง ทำให้ต้องมีการป้องกันเพิ่มเติมจากสภาพแวดล้อม การสัมผัสกับความเครียดทางกายภาพ อุณหภูมิสุดขั้ว ความชื้น และปัจจัยอื่นๆ ในสิ่งแวดล้อมสามารถทำให้เส้นใยเสียหายและส่งผลกระทบต่อการส่งผ่านสัญญาณ

• ความจำเป็นในการใช้รีเพเตอร์: แม้ว่าเส้นใยแสงสามารถส่งสัญญาณผ่านระยะทางที่ยาวโดยมีการบิดเบือนน้อย แต่การใช้รีเพเตอร์มักจำเป็นในการส่งสัญญาณ รีเพเตอร์เหล่านี้ขยายและฟื้นฟูสัญญาณเพื่อชดเชยการสูญเสียที่เกิดขึ้นระหว่างระยะทาง ทำให้ระบบโดยรวมมีความซับซ้อนและมีค่าใช้จ่ายเพิ่มขึ้น

เส้นใยแสงมักถูกผลิตจากซิลิกาเนื่องจากมีคุณสมบัติการทำงานที่เหนือกว่า ซิลิกาเป็นวัสดุที่มีความเสถียรทางเคมี ทำให้สามารถทนทานต่อสภาพแวดล้อมที่รุนแรงได้โดยไม่มีการเสื่อมสภาพอย่างมีนัยสำคัญ ความเสถียรและคุณสมบัติทางแสงทำให้เป็นวัสดุที่เลือกใช้สำหรับการสื่อสารด้วยแสง ทำให้การส่งผ่านสัญญาณเชื่อถือได้และมีประสิทธิภาพ