สายสัญญาณ Fiber Optic
โครงสร้างของสาย Fiber Optic
ส่วนประกอบของ Fiber Optic ประกอบด้วยส่วนสำคัญหลัก 2 ประการ ได้แก่
• ส่วนที่เป็นแกนอยู่ตรงกลางหรือชั้นใน แล้วหุ้มด้วยส่วนที่เรียกว่า Cladding จากนั้นก็จะถูกหุ้มด้วยส่วนที่ป้องกัน (Coating) โดยที่แต่ละส่วนนั้นทำด้วยวัสดุที่มีค่าดัชนีหักเหของแสงที่มีค่าแตกต่างกัน
• แกน เป็นส่วนตรงกลางของ Fiber Optic และเป็นส่วนที่ใช้นำแสงอีกด้วย โดยมีค่าดัชนีของการหักเหของแสงส่วนนี้ จะต้องมากกว่าส่วนของ Cladding แล้วลำแสงที่ผ่านไปในแกน จะถูกขังหรือเคลื่อนที่ไปตาม Fiber Optic ด้วยขบวนการสะท้อนกลับหมดภายใน
• ส่วนของการป้องกัน เป็นชั้นที่ต่อจาก Cladding เป็นที่ใช้ป้องกันแสงจากภายนอกไม่ให้เข้ามาที่เส้น Fiber Optic อีกทั้งยังใช้ป้องกันมิให้แสงจากท่อนำแสง Fiber Optic ภายในให้ออกไปสู่ภายนอกได้อีกด้วย นอกจากนี้ยังใช้ประโยชน์เมื่อมีการเชื่อมต่อเส้น Fiber Optic โครงสร้างภายในอาจประกอบด้วย ชั้นของ Plastic หลายๆ ชั้น นอกจากนี้ส่วนป้องกันยังทำหน้าที่เป็นตัวป้องกันการกระทำจากแรงภายนอกได้อีกด้วย ตัวอย่างของค่าดัชนีหักเห เช่น แกนมีค่าดัชนีหักเหประมาณ 1.48 ส่วนของ Cladding และส่วนป้องกันซึ่งทำหน้าที่ป้องกันแสงจากแกนออกไปที่ภายนอก และป้องกันแสงจากภายนอกรบกวนจะมีค่าดัชนีหักเหเป็น 1.46 และ 1.52 ตามลำดับ
แสดงโครงสร้างภายในของ Fiber Optic
ชนิดของ Fiber Optic
ภายใน Fiber Optic นั้น จำนวนของลำแสงที่เดินทางหรือเกิดขึ้นจะเป็นตัวบอก Mode ของแสงที่เดินทางภายใน Fiber Optic นั้นๆ กล่าวคือ ถ้ามีแนวของลำแสงอยู่ในแนวเดียว เรียกว่า Single Mode Fiber Optic (SMF) แต่ถ้าหากภายใน Fiber Optic นั้นมีแนวของลำแสงอยู่เป็นจำนวนมาก เราเรียกว่า Multi-Mode Fiber Optic (MMF)
นอกจากการแบ่งชนิดของ Fiber Optic ตาม Mode ของการทำงานแล้ว ยังสามารถแบ่งตามวัสดุที่ทำ เช่น เส้นใยที่ทำจากแก้ว Plastic หรือ Polymer และยังสามารถแบ่งได้ตามลักษณะของรูปร่าง ตามลักษณะของดัชนีหักเห เช่น Fiber ชนิด Step Index หรือ Graded Index เป็นต้น
Single Mode Fiber Optic
Single Mode Fiber Optic มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของแกนและ Cladding ประมาณ 5-10 และ 125 ไมครอน ตามลำดับ ซึ่งส่วนของแกนมีขนาดเล็กกว่า Fiber Optic ชนิด Multi-mode มาก และให้แสงออกมาเพียง Mode เดียว ลักษณะหน้าตัดของเส้น Fiber Optic แบบ Single Mode
แสดงลักษณะการทำงานภายในของ Single Mode Fiber Optic
Multimode Fiber Optic
Multimode Fiber Optic ส่วนใหญ่มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของแกนและ Cladding โดยประมาณ 50 ไมครอน 62.5 ไมครอน โดยมี Cladding ขนาด 125 ไมครอน
เนื่องจากขนาดของเส้นผ่านศูนย์กลางของแกนมีขนาดใหญ่ ดังนั้นแสงที่ตกกระทบที่ด้ายปลาย Input ของสาย Fiber Optic จะมีมุมตกกระทบที่แตกต่างกันหลายค่า และจากหลักการสะท้อนแสงกลับหมดของแสงที่เกิดขึ้น ภายในส่วนของแกนทำให้มีแนวของลำแสงเกิดขึ้นหลาย Mode โดยแต่ละ Mode ใช้ระยะเวลาในการเดินทางที่แตกต่างกัน อันเป็นสาเหตุที่ทำให้เกิดการแตกกระจายของแสง (Mode Dispersion)
Multimode Fiber Optic มี 2 แบบได้แก่ Step Index และ Grade Index
ตัวอย่างของ Multimode Fiber แบบ Step Index
แสดงตัวอย่างการทำงานภายในของ Grade Index Multimode ที่นิยมใช้ในระบบเครือข่ายทั่วไป
ขนาดสัดส่วนของ Fiber Optic
ขนาดสัดส่วนของ Fiber Optic มีดังนี้
• Grade Index Multimode Fiber
• Single Mode Fiber
ขนาดของ Core และ Cladding
ปัจจุบันนี้ มีขนาดของ Fiber Optic Cable ที่ใช้อยู่ ได้แก่
• 8/125
• 62.5/125
• 100/140
แสดง Fiber Optic มาตรฐานขนาดต่างๆ
ขนาดจำนวนของ Optical Fiber
ความแตกต่างระหว่าง Fiber Optic ทั่วไป พอจะสามารถแยกออกเป็น 3 แบบหลักๆ ได้แก่
• Simplex Cable
• Duplex Cable
• Multifiber Cable
แบบ Simplex Fiber Optic cable
เป็นสาย Fiber Optic ที่มีสาย Fiber Optic เพียงเส้นเดียวภายใน Cable Jacket เนื่องจากมีเพียง Fiber เส้นเดียวภายใน ดังนั้นปกติจะมี Buffer ขนาดที่ใหญ่กว่าทั่วไป รวมทั้งมี Jacket ที่หนากว่าปกติเช่นกัน
แบบ Duplex Cable
ภายในจะมีสาย Fiber Optic 2 เส้น ภายใน Jacket เดียวกัน สายประเภทนี้ได้รับความนิยมให้ใช้เป็น Fiber Back Bone และสามารถทำงานเป็น Full Duplex ได้
แบบ Multifiber Cable
เป็นสาย Fiber Optic ที่มีสาย Fiber ภายในหลายๆ เส้น มีตั้งแต่ 2 เส้นขึ้นไปจนถึงกว่า 100 เส้น หรืออาจมากถึง 300 เส้นก็ได้
ลักษณะของสาย Fiber Optic แบบ Multifiber หรือ Multicore
การเชื่อมต่อด้วยConnector
การเชื่อมต่อ Fiber Optic ยังสามารถทำได้โดยการใช้ Connector อีกด้วย ทำให้มีความสะดวกในการถอดได้ตามความจำเป็น Connector สำหรับ Fiber Optic มีหลายแบบ ดังนี้
FC Connector
FC Connector ได้รับการออกแบบโดย NTT ของญี่ปุ่น ที่ได้รับความนิยมมากในญี่ปุ่น รวมทั้งสหรัฐและยุโรป ส่วนมาก Connector แบบนี้ จะถูกนำไปใช้งานทางด้านเครือข่ายโทรศัพท์ เนื่องจาก Connector แบบนี้ อาศัยการขันเกลียวเพื่อยึดติดกับหัวปรับ ข้อดีของ Connector ประเภทนี้ ได้แก่ การเชื่อมต่อที่แน่นหนา แต่ข้อเสียคือการเชื่อมต่ออาจต้องเสียเวลามาก
แสดงลักษณะของ FC Connector
SC Connector
ออกแบบโดย AT&T สำหรับการเชื่อมต่อ Fiber Optic ภายในอาคารสำนักงาน ซึ่งเครือข่าย LAN ชนิดนี้ เหมาะสำหรับงานที่ต้องการถอดเปลี่ยน Connector อย่างรวดเร็ว โดยไม่สนใจความแน่นหนาของ Connector
แสดง SC Connector
FDDI Connector
ออกแบบโดย American National Standards Institute, (ANSI) สำหรับใช้งานบนเครือข่าย FDDI โดยเฉพาะ
แสดง FDDI Connector
Connector แบบ SMA
เป็น Connector อีกแบบหนึ่งที่ได้รับความนิยมมาก โดยเฉพาะในงานของ NATO และในกิจการทางทหารของสหรัฐ ออกแบบโดย Amphenol Corp.
แสดงลักษณะ SMA Connector
ST-Connector
เป็น Connector ที่ถูกนำมาใช้งานสำหรับสาย Fiber Optic ชนิด Single Mode และ Multimode มากที่สุด โดยที่ Connector ประเภทนี้ มีอัตราการสูญเสียกำลังแสงเพียงแค่ไม่เกิน 0.5 dB เท่านั้น วิธีการเชื่อมต่อก็เพียงสอดเข้าไปที่รู Connector แล้วบิดตัวเพื่อให้เกิดการล็อคตัวขึ้น เพิ่มความทนทาน ทำให้ไม่เกิดปัญหาเนื่องจากการสั่นสะเทือน ถูกนำมาใช้กับระบบ LAN Hub หรือ Switches
แสดงลักษณะของ ST-Connector และ อุปกรณ์ตัวแปลงสาย LAN ที่ใช้ ST Connector Jack (ขวา)
การสูญเสียของสัญญาณแสงในสาย Fiber Optic
การสูญเสียของสัญญาณแสงในสาย Fiber Optic เป็นส่วนสำคัญที่ทำให้เกิดความผิดพลาดของข้อมูลข่าวสาร ทำให้การเชื่อมต่อสื่อสารด้วยระยะทางไม่เป็นไปตามที่คาดหวัง (ปกติสาย Fiber Optic สามารถเชื่อมต่อได้ด้วยระยะทางที่ยาวเกินกว่า 1-2 กิโลเมตร ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับว่า ท่านใช้สาย Fiber Optic แบบใด? แบบ Multimode หรือ Single Mode? รวมทั้งยังขึ้นอยู่กับโปรโตคอลของเครือข่าย อย่างไรก็ดี ปัจจัยหลักคือการสูญเสียของสัญญาณแสงในสาย ข้อเท็จจริงที่เกี่ยวกับการทำให้เกิดการสูญเสียของกำลังแสงในสาย มีหลายประการดังนี้
• ความสูญเสีย Power ของ Fiber Optic นั้นขึ้นอยู่กับความยาวคลื่นที่ใช้ ความยาวคลื่นยิ่งมากเท่าใด อัตราการสูญเสียของแสงจะน้อยลง เช่น การสูญเสียกำลังแสงบนความยาวคลื่น 1300 nm ได้แก่ <0.5 dB/กิโลเมตร
• สำหรับ Silica Glass นั้น ความยาวคลื่นสั้นที่สุดจะมีอัตราการสูญเสียมากที่สุด
• อัตราการสูญเสีย Power ที่น้อยที่สุด ได้แก่ ความยาวคลื่น 1550 nm
• หน่วยวัดที่แสดงการสูญเสียของ Power ได้แก่ Decibel (dB) โดยมีหน่วยคิดเป็น dB ต่อกิโลเมตร (dB/km)
• ค่านี้ถูกนำมาคำนวณ โดยเอาความยาวทั้งหมดของสาย Fiber Optic คิดเป็น Km
• การสูญเสียของ Fiber Optic สามารถมีสาเหตุหลายประการดังนี้
◦ Extrinsic
◦ Bending Loss เนื่องจากการโค้งงอของสายเกินค่ามาตรฐานที่ผู้ผลิตกำหนด
◦ การสูญเสียอันเนื่องมาจากการทำ Splice รวมทั้งการเข้าหัวสายที่ไม่สมบูรณ์
◦ การสูญเสียเนื่องจากรอยแตกหักเกิดขึ้นที่พื้นผิว
◦ การสูญเสียอันเนื่องจากมุมแสงไม่เป็นไปตามคุณลักษณะจำเพาะของผู้ผลิต (Numeric Aperture Mismatch)
แสดงลักษณะ Numeric Aperture]
แสดงลักษณะมุมรับแสงที่มีค่า Numeric Aperture
จากรูปจะเห็นว่า ค่า Numeric Aperture เป็นค่าแสดงขนาดมุมรับแสงที่ถูกกำหนดโดยผู้ผลิต ดังนั้นการนำเอาสาย Fiber Optic ที่มีค่า Numeric Aperture ไม่เข้ากัน ส่งผลให้แสงสามารถเล็ดลอดออกไปจากสาย Fiber Optic ได้ มุมรับแสงมีรูปร่างคล้ายกับกรวย
ค่า Numeric Aperture (NA)
(ค่า NA เป็น Parameter ที่ใช้บอกขอบเขตหรืออาณาบริเวณที่ปลายของเส้น Fiber Optic สำหรับรับแสงเข้าไปในเส้น Fiber หรือปล่อยแสงออกมาจากเส้น Fiber ทั้งนี้ให้ลองเปรียบเทียบตอนปลายของเส้น Fiber เสมือนเป็นปากขวดใส่น้ำที่มีกรวยสอดอยู่ (ดังภาพล่าง) เมื่อต้องการกรอกน้ำใส่ขวดจะต้องควบคุมให้น้ำเข้าไปในกรวยเท่านั้น หากน้ำที่เทลงไปอยู่ในทิศทางหรือมุมที่กรวยนั้นรับไม่ได้ น้ำนั้นก็ไม่สามารถจะไหลเข้าขวดได้ ในทำนองเดียวกัน ลำแสงที่ส่งเข้าไปใน Fiber แล้วสามารถเดินทางอยู่ใน Core ตลอดระยะทาง จะต้องทำมุมกับปลายเส้น Fiber ให้อยู่ภายในขอบเขตของกรวยดังรูป B หากแสงที่ส่งเข้าไปในเส้น Fiber Optic ทำมุมมากกว่าความกว้างของปากกรวย (เส้น C) แสงอาจเดินทางเข้าไปในส่วนของ Core ของ Fiber Optic ก็ได้ แต่เมื่อแสงไปกระทบกับรอยต่อระหว่าง Core กับ Cladding ไปเรื่อยๆ พลังงานก็จะสูญเสียเพิ่มขึ้น และหมดไปในที่สุดเพียงชั่วระยะทางสั้นๆ ของการเดินทางในเส้น Fiber เท่านั้น
ปัญหาจากขนาดของแกน รวมทั้งรูปร่างของแกนท่อนำแสงไม่เข้ากัน (Core Size Mismatch) หรือ Profile Mismatch
แสดงลักษณะการเอาสาย Fiber Optic ที่มีขนาดต่างๆมาเชื่อมต่อกันทำให้เกิดการสูญเสียกำลังแสงได้
Intrinsic
• Loss Inherent to Fiber
• การสูญเสียที่เกิดจากการผลิต Fiber
• Freshnel Reflection
Bending Loss
Bending Loss เกิดจากปัญหาการโค้งงอของสายเกินค่ารัศมีความโค้งงอของสายตามปกติ (Minimum Bend Radius) อย่างไรก็ดี Bending Loss ยังสามารถเกิดขึ้นได้จากการองค์ประกอบย่อยๆ ดังนี้
• ความโค้งที่มีความแหลมบริเวณแกนของสาย
• ความไม่สมบูรณ์ของ Buffer และ Jacket โดยมีความคลาดเคลื่อนของการวางตำแหน่งระหว่างกันที่ห่างประมาณ 2-3 มิลลิเมตร
• การติดตั้งสายไม่ถูกวิธีหรือไม่เรียบร้อย
ปัจจัยต่างๆ เหล่านี้ เรียกว่า Microbending สามารถเกิดขึ้นได้เมื่อความยาวของสายเพิ่มมากขึ้น
การสูญเสียเนื่องจากการเข้าหัว Connector และทำ Splice ไม่ดี
Splice Loss สามารถเกิดขึ้น ณ ที่ใดก็ได้ที่มีการตัดต่อและเชื่อมสายเข้าด้วยกัน โดยประกอบด้วย การ Loss 2 แบบ ได้แก่ Mechanical Loss และ Fusion Splicing Loss
• Mechanical Loss จะมีอัตราสูงที่สุด เมื่อเทียบกับ Fusion Splicing โดยมีอัตราการ Loss ตั้งแต่ 0.2 ไปจนถึง 1.0 dB ขึ้นไป
• Mechanical Loss จะมีอัตราสูงที่สุด เมื่อเทียบกับ Fusion Splicing โดยมีอัตราการ Loss ตั้งแต่ 0.2 ไปจนถึง 1.0 dB ขึ้นไป
• การ Loss ที่เกิดขึ้นสูง สามารถเกิดขึ้นได้จากองค์ประกอบหลายประการดังนี้
◦ Misalignments of Fiber Cores
◦ Poor Cleave
◦ Air Gap
◦ Contamination
◦ Index of Reflection Mismatch
◦ Core Diameter Mismatch
การ Loss ที่เกิดขึ้นจาก Connector
การสูญเสียที่เกิดขึ้นจาก Fiber Optic Connector สามารถมีระดับ 0.25 ไปจนถึง 1.5 dB และขึ้นอยู่กับชนิดของ Connector ที่ใช้งานอีกด้วย นอกจากนี้ยังมี Factor อื่นๆ ที่ทำให้เกิดการ Loss ของ Connector ดังนี้
• ปัญหาสกปรก หรือ Contamination บน Connector (ปัญหาที่เกิดบ่อยที่สุด)
• การติดตั้ง Connector ที่ไม่ถูกต้องไม่เรียบร้อย
• การชำรุดเสียหายที่เกิดขึ้นบนพื้นผิวของ Connector
• Poor Scribe (Cleave)
• Mismatched Fiber Cores
• Misaligned Fiber Cores
• Index of Reflection Mismatch
Loss Inherent to Fiber
การสูญเสียใน Fiber ที่ไม่สามารถจะขจัดไปได้ในระหว่างกระบวนการผลิต มีสาเหตุเกิดจาก Impurities ในกระจก รวมทั้งการดูดซึมของแสงในระดับของโมเลกุล การสูญเสียของแสงขึ้นอยู่กับความหนาแน่นเชิงแสง ส่วนประกอบของ Fiber Optic รวมทั้งโครงสร้างทางโมเลกุลของ Fiber ซึ่งเรียกว่า Rayleigh Scattering เมื่อแสงมากระทบกับส่วนประกอบดังกล่าว ก็จะเกิดการกระจายตัวของแสงไปยังทิศทางต่างๆ ขึ้น
การสูญเสียที่เกิดจากการแตกหักของพื้นผิว
เนื่องจากว่า สาย Fiber Optic มีส่วนที่ทำมาจาก Silica และกระจก ดังนั้นการโค้งงอสายมากเกินไปมีส่วนทำให้เกิดการแตกหัก รวมทั้งการติดตั้งที่ขาดระมัดระวัง
การดูแลรักษาสาย Fiber Optic
• Minimum Bend Radius สาย Fiber Optic ถูกกำหนดให้มี Minimum Bend Radius จากผู้ผลิต เพื่อเป็นเงื่อนไขของ Load ที่มีต่อสาย เช่น ช่วงที่มีการดึงสาย และในช่วงที่สายอยู่ในสภาวะที่ไม่ได้ Load เช่น ช่วงที่มีการติดตั้งสายเรียบร้อยแล้ว โดยสาย Fiber จะต้องไม่เกิดภาวะ Minimum Bend Radius ในท่อเกินไปกว่าที่กำหนดขึ้นโดยผู้ผลิต (สายที่อยู่ในท่อจะต้องไม่มีการงอไปงอมาเป็นงูเลื้อยมากเกินกว่าค่า Minimum Bend Radius )
• สาย Fiber และ Patch Cord ปกติจะมีค่า Minimum Bending ระหว่าง 2-3 ซ.ม และค่าของ Minimum Bending นี้ยังขึ้นอยู่กับ Operating Wavelength ของสายที่ใช้ และค่า Minimum Bending จะมากขึ้นมากขึ้นตามขนาดความยาวคลื่นที่ใช้
• การโค้งงอของสายที่มากเกินไป จะส่งผลให้เกิดความเสียหายแก่สาย Fiber ตรงที่ทำให้เกิด Attenuation เพิ่มขึ้นเป็นอย่างมากเกินค่าที่ผู้ผลิตตั้งไว้ นอกจากนี้จะทำให้สายเกิดความเสียหายอีกด้วย
