บทที่ 9
การสื่อสารผ่านเส้นใยแก้วนำแสง
9.1 ชนิดของแสง
แสง คือพลังงานรูปหนึ่ง จัดเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเช่นเดียวกับคลื่นวิทยุ แต่มีความถี่และความยาวคลื่นแตกต่างกัน โดยมีความเร็วในการเคลื่อนที่ของแสงเท่ากันคลื่นวิทยุ ค่าความเร็วในการเคลื่อนที่ของแสงในอากาศหรือสุญญากาศประมาณ 3 x 108 เมตร/วินาที (m/s) แสงสามารถกำเนิดขึ้นมาได้จากแหล่งกำเนิดแสงหลายชนิดด้วยกัน เช่น หลอดไฟมีไส้ หลอดนีออน หลอดฟลูออเรสเซนต์ จากดวงอาทิตย์ จากปฏิกิริยาทางเคมี และจากอุปกรณ์จำพวกสารกึ่งตัวนำ เป็นต้น แสงที่กำเนิดขึ้นมาแยกออกได้เป็น 2 ประเภท คือ แสงธรรมดา (Light) และแสงเลเซอร์ (LASER)
แถบคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าของย่านความถี่แสง
9.1 ชนิดของแสง (ต่อ)
1. แสงธรรมดา เป็นแสงที่มีความยาวคลื่นแสงหลายค่ารวมกัน มีเฟสสัญญาณแสงไม่แน่นนอน เมื่อนำแสงธรรมดาไปผ่านแท่งปริซึมจะเกิดการกระจายตัวออกเป็นแสงสีต่างๆ ที่ตาคนมองเห็น ได้แก่ แดง, ส้ม, เหลือง, เขียว, ฟ้า, น้ำเงิน และม่วง แสงธรรมดาเป็นแสงที่เกิดจากความร้อนในสสาร ทำให้อะตอมของสสารนั้นสั่นไม่เป็นระเบียบ จึงไม่สามารถนำไปใช้งานในระบบสื่อสารได้
2. แสงเลเซอร์ เป็นแสงที่เกิดขึ้นจากการเปล่งแสงแบบเร้า (Stimulated Emission) ให้ปล่อยรังสีออกมา พร้อมทั้งมีการขยายคลื่นแสงนั้นด้วย คำว่า LASER มาจากคำเต็มว่า Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation แสงที่กำเนิดขึ้นมามีความยาวคลื่นแสงค่าเดียวคงที่ มีเฟสสัญญาณที่แน่นนอน ลักษณะลำแสงพุ่งไปในทิศทางเดียวกัน แหล่งกำเนิดแสงไม่ต้องอาศัยความร้อน สามารถใช้งานได้ในระบบสื่อสาร
สเปคตรัมความยาวคลื่นแสงเลเซอร์ในตัวกลางต่างชนิดกัน
9.1 ชนิดของแสง (ต่อ)
แสงเลเซอร์ เป็นแสงที่กำเนิดขึ้นมาได้โดยใช้ตัวกลางที่เป็นได้ทั้งของแข็ง ของเหลว และก๊าซ แสงเลเซอร์ที่กำเนิดขึ้นมาจากตัวกลางแตกต่างกันจะให้แสง สี ความยาวคลื่น และความถี่ที่แตกต่างกันไป แสงเลเซอร์ที่กำเนิดขึ้นมาได้ มีทั้งแสงที่ตาคนมองเห็น และแสงที่ตาคนมองไม่เห็น ได้แก่ แสงอินฟราเรด และแสงอัลตราไวโอเลต กำลังงานของแสงเลเซอร์ที่กำเนิดขึ้นมาได้มีความแตกต่างกัน ขึ้นอยู่กับชนิดของตัวกลางที่ให้กำเนิดแสงเลเซอร์ออกมา มีตั้งแต่กำลังงานต่ำๆ มีหน่วยเป็นไมโครวัตต์ (mW)
กำลังงานของแสงเลเซอร์
9.2 คุณสมบัติของแสง
แสง เมื่อเคลื่อนที่ผ่านเข้าไปในตัวกลางใช้เป็นพาหะนำแสงไปในตัวกลางที่ต่างชนิดกัน จะทำให้ลักษณะการเดินทางของแสงเกิดการเปลี่ยนแปลงตามไปด้วย ลักษณะการเดินทางของแสงเกิดการเปลี่ยนแปลงไปได้เป็น 3 ลักษณะ คือ
1. แสงเดินทางเป็นเส้นตรง เมื่อแสงเดินทางผ่านตัวกลางต่างชนิดกันที่มีค่าดัชนีการหักเหของแสงเท่ากัน
2. แสงเดินทางหักเห เมื่อแสงเดินทางผ่านตัวกลางต่างชนิดกันที่มีค่าดัชนีการหักเหของแสงต่างกัน และมุมตกกระทบของแสงผ่านรอยต่อของตัวกลางมีความชันของมุมตกกระทบน้อย
3. แสงเกิดการสะท้อนกลับ เมื่อแสงเดินทางผ่านตัวกลางต่างชนิดกันที่มีค่าดัชนีการหักเหของแสงต่างกัน และมุมตกกระทบของแสงผ่านรอยต่อของตัวกลางมีความชันของมุมตกกระทบมาก
ค่าดัชนีหักเหแสงของตัวกลางแต่ละชนิด
การหักเหของแสงผ่านตัวกลางสองชนิด�มีค่าดัชนีหักเหแสงต่างกัน
9.3 เส้นใยแก้วนำแสง
เส้นใยแก้วนำแสง (Optical Fiber) หรือเส้นใยนำแสง หรือไฟเบอร์ออฟติก (Fiber Optics) คือเส้นใยขนาดเล็กที่ผลิตขึ้นมาจากแก้วหรือไฟเบอร์ โดยใช้เทคโนโลยีชั้นสูงในการผลิต ทำให้ได้เส้นใยแก้วนำแสงที่มีขนาดเล็ก และมีขนาดความยาวมากเช่นเดียวกับสายไฟฟ้า ประโยชน์ของเส้นใยแก้วนำแสง ใช้เป็นสายนำแสงให้เดินทางไปภายในสายเส้นใยแก้วนำแสงได้ในระยะทางไกล ตามทิศทางที่ต้องการใช้งานในระบบสื่อสารโทรคมนาคมทางแสง
ข้อดีของเส้นใยแก้วนำแสง
1. ใช้การสื่อสารด้วยคลื่นแสงที่มีความถี่สูงมาก ทำให้แถบของความถี่ใช้งานกว้างมากขึ้น สามารถส่งข้อมูลข่าวสารได้ในปริมาณมากขึ้น
2. เกิดการสูญเสียในการส่งสัญญาณต่ำ ทำให้การติดตั้งสถานีทวนสัญญาณมีระยะทาง ไกลมากขึ้น ช่วยลดค่าใช้จ่ายในการลงทุนของระบบการทำงานลง
3. มีขนาดเล็ก น้ำหนักเบา ทำให้ประหยัดเนื้อที่ในการติดตั้ง และติดตั้งใช้งานได้ง่าย
4. ไม่เกิดการเหนี่ยวนำทางแม่เหล็กไฟฟ้า (Noninduction) ไม่เกิดการรบกวนทางคลื่น วิทยุ (Radio Frequency Interference) และไม่เกิดการรั่วไหลของสัญญาณในสาย จึงไม่มีปัญหาในเรื่องการชีลด์เพื่อป้องกันการรบกวน
ข้อดีของเส้นใยแก้วนำแสง
5. เป็นฉนวนทางไฟฟ้า ทำให้เกิดการแยกกันทางไฟฟ้าระหว่างเครื่องรับและเครื่องส่ง
6. การแอบต่อไปใช้งานทำได้ยาก ช่วยรักษาความปลอดภัยในการสื่อสารโทรคมนาคมมากขึ้น
7. ช่วยประหยัดทรัพยากรธรรมชาติ เพราะแก้วที่ใช้ในการผลิตเส้นใยแก้วนำแสงหาได้ง่ายในธรรมชาติมากกว่าทองแดง
9.3 เส้นใยแก้วนำแสง (ต่อ)
โครงสร้างของเส้นใยแก้วนำแสง ประกอบขึ้นจากส่วนประกอบหลักที่สำคัญ 2 ส่วน คือ ส่วนที่ให้แสงเดินทางผ่าน เรียกว่าคอร์ (Core) เป็นส่วนที่อยู่ตอนกลางของเส้นใยแก้วนำแสงในรูปทรงกระบอก และส่วนที่ใช้หุ้มคอร์โดยรอบ เรียกว่าแคลดดิง (Cladding) ทั้งคอร์และแคลดดิงเป็นฉนวนชนิดโปร่งใส นำมาประกอบร่วมกันเป็นเส้นใยแก้วนำแสง
รูปร่างของเส้นใยแก้วนำแสง
9.4 ชนิดเส้นใยแก้วนำแสง
การแบ่งชนิดของเส้นใยแก้วนำแสง แบ่งออกได้หลายลักษณะด้วยกัน ได้แก่ แบ่งตามชนิดของสารที่ใช้ผลิต แบ่งตามแบบของการแพร่กระจายคลื่นแสง (Propagation Mode) และแบ่งตามลักษณะดัชนีการหักเหแสงของคอร์
เส้นใยแก้วนำแสงแบ่งตามชนิดสารที่ใช้ผลิต
สารที่นิยมใช้ในการผลิตเส้นใยแก้วนำแสง แบ่งออกได้เป็น 3 ชนิด ดังนี้
1. ใช้แก้วซิลิกา (SiO2) เป็นส่วนมาก และเติมสารอื่นปนลงไปด้วย เช่น โบรอน (B) ฟลูออไรน์ (F) และเจอร์เมเนียม (Ge) เป็นต้น เพื่อทำให้ค่าดัชนีการหักเหแสงเปลี่ยนไปตามต้องการ
2. ใช้แก้วหลายชนิดปนกัน ได้แก่ แก้วที่มีโบรอน (B) และซิลิคอน (Si) ผสมอยู่เป็นสารหลัก ผสมสารเจือปน เช่น แคลเซียม (Ca) และโซเดียม (Na) เป็นต้น
3. ใช้พลาสติก หลายประเภท เช่น ซิลิคอนเรซิน (Silicon Resin) และอาคริลเรซิน (Acryl Resin) เป็นต้น
เส้นใยแก้วนำแสงแบ่งตามแบบการแพร่กระจายคลื่นแสง
1. แบบแพร่กระจายคลื่นแสงค่าเดียว (SM) ลักษณะคลื่นแสงที่ผ่านเข้าไปในเส้นใยแก้วนำแสงลักษณะนี้มีค่าเดียว คลื่นแสงเดินทางภายในเส้นใยแก้วนำแสงเป็นเส้นตรง สภาพของแสงไม่ทนต่อการแตกกระจัดกระจาย
2. แบบแพร่กระจายคลื่นแสงหลายค่า (MM) ลักษณะคลื่นแสงที่ผ่านเข้าไปในเส้นใยแก้วนำแสงลักษณะนี้มีหลายค่า แสงมีหลายมุมตกกระทบตรงรอยต่อ แสงเดินทางมีการหักเหภายในเส้นใยแก้วนำแสงหลายตำแหน่ง
เส้นใยแก้วนำแสงแบ่งตามชนิดสารที่ใช้ผลิต
การแพร่กระจายคลื่นแสงค่าเดียว (SM)
การแพร่กระจายคลื่นแสงหลายค่า (MM)
เส้นใยแก้วนำแสงแบ่งตามลักษณะดัชนีการหักเหแสงของคอร์
1. แบบแสดงค่าเป็นขั้นบันได (SI) เส้นใยแก้วนำแสงชนิดนี้มีส่วนของคอร์และแคลดดิงแยกจากกันอย่างชัดเจน โดยคอร์และแคลดดิงมีค่าดัชนีการหักเหแสงแตกต่างกันแบบขั้นบันได เส้นใยแก้วนำแสงแบบขั้นบันได แสดงดังรูปที่ 9.9 (ก)
2. แบบแสดงค่าเป็นชั้น (GI) เส้นใยแก้วนำแสงชนิดนี้มีส่วนของคอร์และแคลดดิงแยกกันไม่ออก โดยคอร์ในส่วนตอนกลางมีค่าดัชนีหักเหแสงสูง และค่าดัชนีหักเหแสงจะค่อยๆ ลดลงเป็นชั้นๆ ทีละน้อย จนถึงขอบนอกหรือส่วนแคลดดิงของเส้นใยแก้วนำแสง ทำให้ส่วนคอร์และแคลดดิงกลมกลืนเป็นเนื้อเดียวกัน
เส้นใยแก้วนำแสงแบ่งตามลักษณะดัชนีการหักเหแสงของคอร์
แบบขั้นบันได (SI)
แบบชั้น (GI)
การแพร่กระจายคลื่นแสงในเส้นใยแก้วนำแสง
การเดินทางของแสงผ่านเข้าไปในเส้นใยแก้วนำแสง ผ่านส่วนของคอร์เกิดการหักเหแสงภายในคอร์แตกต่างกัน ขึ้นอยู่กับชนิดของสารใช้ผลิต ลักษณะการแพร่กระจายและโครงสร้างดัชนีหักเหของเส้นใยแก้วนำแสง เกิดคลื่นแสงปรากฏในเส้นใยแก้วนำแสง และได้สัญญาณเอาต์พุตของแสงแตกต่างกัน
เส้นใยแก้วนำแสงแบบขั้นบันไดแพร่กระจายคลื่นแสงค่าเดียว
การแพร่กระจายคลื่นแสงในเส้นใยแก้วนำแสง
เส้นใยแก้วนำแสงแบบขั้นบันไดแพร่กระจายคลื่นแสงหลายค่า
การแพร่กระจายคลื่นแสงในเส้นใยแก้วนำแสง
เส้นใยแก้วนำแสงแบบชั้นแพร่กระจายคลื่นแสงหลายค่า
สายเคเบิลเส้นใยแก้วนำแสงแบบต่างๆ
9.5 อุปกรณ์กำเนิดแสงและอุปกรณ์รับแสง
การสื่อสารโทรคมนาคมทางแสง ทางด้านเครื่องส่ง อุปกรณ์ให้กำเนิดแสงทำหน้าที่เปลี่ยนพลังงานไฟฟ้าของสัญญาณให้เป็นพลังงานแสง (Electrical to Optical Converter ; E/O) และทางด้านเครื่องรับ อุปกรณ์รับแสงทำหน้าที่เปลี่ยนพลังงานแสงกลับมาเป็นพลังงานไฟฟ้าตามเดิม (Optical to Electrical Converter ; O/E)
อุปกรณ์กำเนิดแสง
อุปกรณ์กำเนิดแสง เป็นอุปกรณ์เปลี่ยนสัญญาณไฟฟ้าให้เป็นสัญญาณแสงมีอยู่ 2 ชนิด คือ เลเซอร์ไดโอด (Laser Diode ; LD) และไดโอดเปล่งแสง (Light Emitting Diode ; LED) อุปกรณ์ทั้งสองชนิดมีคุณสมบัติที่แตกต่างกัน
1. เลเซอร์ไดโอด (LD) เป็นอุปกรณ์สารกึ่งตัวนำที่สามารถให้กำเนิดแสงเลเซอร์ออกมาได้ โครงสร้างประกอบด้วยสารกึ่งตัวนำ PN ต่อชนกันเหมือนไดโอด การจะทำให้เลเซอร์ ไดโอดสามารถให้กำเนิดแสงเลเซอร์ขึ้นมาได้ ต้องเพิ่มการให้กระแสไฟฟ้าไหลผ่านรอยต่อ PN ของเลเซอร์ไดโอดให้มากพอจนเกิดสภาพการย้อนกลับ และใส่กระจกเพื่อป้อนกลับพลังงานแสง โดยใช้ผิวเนื้อสารกึ่งตัวนำทำหน้าที่เป็นกระจกสะท้อนแสง
อุปกรณ์กำเนิดแสง (ต่อ)
เลเซอร์ไดโอดพร้อมการให้กำเนิดแสงเลเซอร์
อุปกรณ์กำเนิดแสง (ต่อ)
เมื่อเลเซอร์ไดโอดได้รับไบแอสตรง มีกระแสไฟฟ้าไหลผ่านรอยต่อ PN เพิ่มขึ้น ทำให้เกิดพาหะประจุไฟฟ้าเป็นจำนวนมากวิ่งเข้าไปในดีพลีชั่นริจิน ไปเร้าอะตอมที่ถูกชนให้ปล่อยพลังงานออกมาในรูปแสงกระจัดกระจายทั่วไป อิเล็กตรอนเพิ่มจำนวนมากขึ้น ทำให้ระดับพลังงานสูงขึ้น แสงที่กำเนิดขึ้นมามีการสะท้อนกระจกในตัวเลเซอร์ไดโอด วิ่งกลับออกมามีความเข้มของแสงสูงเพิ่มขึ้นเป็นลำแสงเลเซอร์เคลื่อนที่ออกมา
การใช้งานเลเซอร์ไดโอด นิยมใช้งานกับการสื่อสารในระยะทางไกล หรืองานที่ต้องการสื่อสารข้อมูลข่าวสารความเร็วสูง และต้องการประสิทธิภาพในการสื่อสารสูงมาก
เลเซอร์ไดโอดพร้อมการให้กำเนิดแสงเลเซอร์
อุปกรณ์กำเนิดแสง (ต่อ)
2. ไดโอดเปล่งแสง (LED) เป็นอุปกรณ์สารกึ่งตัวนำที่สามารถให้กำเนิดแสงออก มาได้เช่นเดียวกับเลเซอร์ไดโอด มีโครงสร้างเหมือนกับไดโอดทั่วไป แสงที่ถูกกำเนิดขึ้นมาตรงรอยต่อไม่มีการขยายเหมือนกับเลเซอร์ไดโอด สารกึ่งตัวนำที่ใช้เป็นสารกึ่งตัวนำผสมมีหลายชนิด เช่น แกลเลียมอาร์ซีไนด์ (GaAs) แกลเลียมอะลูมิเนียมอาร์ซีไนด์ (GaAlAs) แกลเลียมฟอสไฟด์ (GaP) อะลูมิเนียมอาร์ซีไนด์ (AlAs) และแกลเลียมไนโตรเจน (GaN) เป็นต้น
อุปกรณ์กำเนิดแสง (ต่อ)
ไดโอดเปล่งแสงพร้อมการให้กำเนิดแสง
อุปกรณ์รับแสง
อุปกรณ์รับแสง เป็นอุปกรณ์เปลี่ยนสัญญาณแสงให้เป็นสัญญาณไฟฟ้า มีอยู่ 2 ชนิด คือ โฟโตไดโอด (Photodiode ; PD) และอวาเลนเชโฟโตไดโอด (Avalanche Photodiode ; APD) อุปกรณ์ทั้งสองชนิดมีคุณสมบัติที่แตกต่างกัน
1. โฟโตไดโอด (PD) เป็นอุปกรณ์สารกึ่งตัวนำทำหน้าที่เปลี่ยนพลังงานแสงให้เป็นพลังงานไฟฟ้า มีโครงสร้างเหมือนไดโอดทั่วไป คือ ประกอบด้วยสารกึ่งตัวนำ P และ N ต่อชนกัน ระหว่างรอยต่อ PN มีสารกึ่งตัวนำแบบเนื้อแท้ (Intrinsic ; I) คั่นอยู่ จึงเรียกโฟโตไดโอดชนิดนี้ว่า PIN – PD การใส่สารกึ่งตัวนำเนื้อแท้ (I) คั่นกลางระหว่างสาร P และสาร N มีหน้าที่ทำให้เกิดดีพลีชั่นริจินกว้างขึ้น เกิดผลดีต่อความไวในการรับแสงได้ดีขึ้น ตอบสนองความถี่ได้สูงขึ้น
อุปกรณ์รับแสง (ต่อ)
โฟโตไดโอดพร้อมการทำงาน
อุปกรณ์รับแสง (ต่อ)
2. อวาเลนเชโฟโตไดโอด (APD) เป็นอุปกรณ์สารกึ่งตัวนำทำหน้าที่เปลี่ยนพลังงานแสงเป็นพลังงานไฟฟ้าเช่นเดียวกับโฟโตไดโอด แต่มีข้อดีกว่าโฟโตไดโอดตรงที่สามารถทำหน้าที่เป็นตัวขยายสัญญาณได้ด้วย เป็นอุปกรณ์ที่มีความไวสูง ลักษณะโครงสร้างของอวาเลนเชโฟโตไดโอด คล้ายกับโฟโตไดโอด คือ ประกอบด้วยสารกึ่งตัวนำ PN ต่อชนกันและมีสารกึ่งตัวนำแบบเนื้อแท้ (I) ต่อคั่นอยู่ ในส่วนของสาร P เป็นสาร P ชนิดที่มีความหนาแน่นของโฮลสูง (P+) ทำให้เกิดสนามไฟฟ้าภายในบริเวณใกล้รอยต่อ P มีค่ามากขึ้น เมื่อเกิดกระแสไฟฟ้าไหลในอวาเลนเชโฟโตไดโอด ทำให้เกิดอิเล็กตรอนและโฮลเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง ส่งผลให้เกิดการขยายกระแสไฟฟ้าออกมาได้
อุปกรณ์รับแสง (ต่อ)
อวาเลนเชโฟโตไดโอดพร้อมการทำงาน