zensuntech

สายไฟเบอร์ออฟติก (Fiber Optic) หรือ ใยแก้ว นำแสง

ใยแก้วนำแสง

ใยแก้วนำแสง หรือ สายไฟเบอร์ออฟติก (Fiber Optic) มีความยืดหยุ่น โปร่งใส เส้นใย ทำโดย การขึ้นรูปแก้ว (silica) หรือพลาสติกถึงเส้นผ่านศูนย์กลางหนากว่าเส้นผมของมนุษย์ ใยแก้วนำแสงมักใช้เป็นเครื่องมือในการส่งแสงระหว่างปลายทั้งสองของเส้นใย และพบการใช้งานที่กว้าง การสื่อสารด้วย สายไฟเบอร์ออปติก ที่อนุญาตการส่งในระยะทางไกลและสูงกว่า แบนด์วิดธ์ (อัตราข้อมูล) กว่าสายไฟฟ้า ใช้เส้นใยแทนโลหะสาย เพราะสัญญาณเดินทางไปด้วยน้อย การสูญเสีย นอกจากนี้เส้นใยมีตัวคุ้มกันสัญญาณรบกวนแม่เหล็กไฟฟ้า, ปัญหาที่สายโลหะประสบ เส้นใยยังใช้สำหรับ ไฟส่องสว่าง และการถ่ายภาพและมักถูกห่อเป็นกลุ่มเพื่อให้สามารถนำแสงเข้ามาหรือภาพออกจากพื้นที่ จำกัด เช่นในกรณีของ fiberscope เส้นใยที่ได้รับการออกแบบมาเป็นพิเศษนั้นยังถูกใช้สำหรับการใช้งานอื่น ๆ อีกหลากหลาย เซ็นเซอร์ ใยแก้วนำแสง และ ไฟเบอร์เลเซอร์

ส่วนประกอบของ สายไฟเบอร์ออฟติก (Fiber Optic)

ใยแก้วนำแสงมักจะรวมถึง แกนกลาง ล้อมรอบด้วยความโปร่งใส หุ้ม วัสดุที่ต่ำกว่า ดรรชนีหักเหแสงจะถูกเก็บไว้ในแกนกลางโดยปรากฏการณ์ของ การสะท้อนกลับหมดภายใน ซึ่งเป็นสาเหตุให้เส้นใยทำหน้าที่เป็น ท่อนำคลื่นเส้นใยที่รองรับเส้นทางการแพร่กระจายจำนวนมากหรือ โหมดตามขวาง เรียกว่า เส้นใยหลายโหมดในขณะที่ผู้ที่รองรับโหมดเดียวจะถูกเรียกว่า เส้นใยโหมดเดียว (SMF) เส้นใยหลายโหมดโดยทั่วไปจะมีเส้นผ่านศูนย์กลางแกนกลางที่กว้างขึ้นและใช้สำหรับการเชื่อมโยงการสื่อสารระยะสั้นและสำหรับการใช้งานที่ต้องส่งพลังงานสูง เส้นใยโหมดเดี่ยวถูกนำมาใช้สำหรับการเชื่อมโยงการสื่อสารส่วนใหญ่ที่ยาวกว่า 1,000 เมตร (3,300 ฟุต)

ความสามารถในการเข้าร่วมกับเส้นใยแสงที่มีการสูญเสียต่ำเป็นสิ่งสำคัญในการสื่อสารใยแก้วนำแสง สิ่งนี้มีความซับซ้อนมากกว่าการเชื่อมต่อสายไฟหรือสายเคเบิลและต้องระมัดระวัง การแยก เส้นใยออกการจัดเรียงแกนของเส้นใยอย่างแม่นยำและการเชื่อมต่อของแกนกลางเหล่านี้ สำหรับแอปพลิเคชันที่ต้องการการเชื่อมต่อแบบถาวร ประกบฟิวชั่น เป็นเรื่องปกติ ในเทคนิคนี้อาร์คไฟฟ้าถูกใช้เพื่อละลายปลายของเส้นใยเข้าด้วยกัน อีกเทคนิคทั่วไปคือ ประกบเชิงกลที่ปลายของเส้นใยสัมผัสกับแรงทางกล การเชื่อมต่อชั่วคราวหรือกึ่งถาวรทำโดยวิธีเฉพาะ เชื่อมต่อใยแก้วนำแสง

สาขาวิทยาศาสตร์ประยุกต์และวิศวกรรมที่เกี่ยวข้องกับการออกแบบและการประยุกต์ใช้เส้นใยแก้วนำแสงเป็นที่รู้จักกันในนามของใยแก้วนำแสง คำประกาศเกียรติคุณจากนักฟิสิกส์ชาวอเมริกันอินเดียน Narinder Singh Kapany ผู้ซึ่งได้รับการยอมรับอย่างกว้างขวางว่าเป็นบิดาของไฟเบอร์ออฟติก

สายไฟเบอร์ออฟติก

ชนิดของ สายไฟเบอร์ออฟติก ใยแก้วนำแสง

 ใยแก้วนำแสงเป็นคลื่นอิเล็กทริกทรงกระบอก (nonconducting waveguide) ทำหน้าที่ส่งแสงไปตามแกนของมันโดยกระบวนการของการสะท้อนภายในทั้งหมดเส้นใยประกอบด้วย แกนกลาง ล้อมรอบด้วย หุ้ม ชั้นทั้งสองซึ่งทำจาก อิเล็กทริก วัสดุในการ จำกัด สัญญาณแสงในแกนกลาง ดัชนีการหักเหดัชนี ของแกนกลางจะต้องมากกว่าการหุ้ม  เขตแดนระหว่างหลักและหุ้มอย่างใดอย่างหนึ่งอาจจะเป็นอย่างกระทันหันในเส้นใยขั้นตอนดัชนีหรือค่อยเป็นค่อยไปเส้นใยให้คะแนนดัชนี

1.ดัชนีหักเหใยแก้วนำแสง

ดัชนีหักเห (หรือดัชนีหักเห) เป็นวิธีการวัด ความเร็วของแสง ในวัสดุ แสงเดินทางเร็วที่สุดใน สุญญากาศเช่นในอวกาศ ความเร็วของแสงในสุญญากาศประมาณ 300,000 กิโลเมตร (186,000 ไมล์) ต่อวินาที ดัชนีการหักเหของสื่อคำนวณโดยการหารความเร็วของแสงในสุญญากาศด้วยความเร็วของแสงในสื่อนั้น ดัชนีการหักเหของสุญญากาศจึงเป็น 1 ตามนิยาม เส้นใยโหมดเดี่ยวทั่วไปที่ใช้สำหรับการสื่อสารโทรคมนาคมนั้นมีส่วนหุ้มทำจากซิลิกาบริสุทธิ์โดยมีดัชนีอยู่ที่ 1.444 ที่ 1500 นาโนเมตรและแกนหลักของซิลิกาเจือที่มีดัชนีอยู่ที่ประมาณ 1.4475 ยิ่งดัชนีการหักเหของแสงยิ่งใหญ่แสงที่เคลื่อนที่ช้าลงจะเคลื่อนที่ไปในตัวกลางดังกล่าว จากข้อมูลนี้กฎง่ายๆคือสัญญาณที่ใช้ใยแก้วนำแสงเพื่อการสื่อสารจะเดินทางประมาณ 200,000 กิโลเมตร ต่อวินาที เมื่อต้องการใส่อีกวิธีสัญญาณจะใช้เวลา 5 มิลลิวินาที ในการเดินทาง 1,000 กิโลเมตรในเส้นใย ดังนั้นการโทรศัพท์ด้วยเส้นใยระหว่างซิดนีย์และนิวยอร์กระยะทาง 16,000 กิโลเมตรหมายความว่ามีความล่าช้าขั้นต่ำ 80 มิลลิวินาที 

ระหว่างที่ผู้โทรรายหนึ่งพูดและผู้อื่นได้ยิน (ในกรณีนี้ไฟเบอร์อาจจะเดินทางอีกต่อไปและจะมีความล่าช้าเพิ่มเติมเนื่องจากการสลับอุปกรณ์สื่อสารและกระบวนการเข้ารหัสและถอดรหัสเสียงบนไฟเบอร์)

ใยแก้วนำแสงที่ทันสมัยส่วนใหญ่มีการ ชี้นำอย่างอ่อนซึ่งหมายความว่าความแตกต่างของดัชนีการหักเหระหว่างแกนกลางและส่วนหุ้มนั้นมีขนาดเล็กมาก (โดยทั่วไปจะน้อยกว่า 1%)

2.การสะท้อนกลับภายในของใยแก้วนำแสง

เมื่อแสงที่เดินทางในตัวกลางที่มีความหนาแน่นออพติคอลชนกับขอบเขตที่มุมชัน (ใหญ่กว่า มุมวิกฤต สำหรับขอบเขต) แสงจะสะท้อนออกมาอย่างสมบูรณ์ สิ่งนี้เรียกว่าการสะท้อนกลับหมด เอฟเฟกต์นี้ใช้ในเส้นใยแสงเพื่อ จำกัด แสงในแกนกลาง แสงเดินทางผ่านแกนกลางของเส้นใยสะท้อนกลับไปมานอกขอบเขตระหว่างแกนกลางและส่วนหุ้ม เนื่องจากแสงจะต้องกระทบเขตแดนด้วยมุมที่มากกว่ามุมวิกฤตจึงมีเพียงแสงที่เข้าสู่เส้นใยในช่วงมุมที่กำหนดเท่านั้นที่สามารถเคลื่อนที่ไปตามเส้นใยได้โดยไม่รั่วไหลออกมา ช่วงของมุมนี้เรียกว่า กรวยการยอมรับ ของ ไฟเบอร์ ขนาดของกรวยตอบรับนี้เป็นฟังก์ชั่นของความแตกต่างของดัชนีการหักเหระหว่างแกนของเส้นใยและการหุ้ม

ในแง่ที่ง่ายกว่ามีมุมสูงสุดจากแกนเส้นใยซึ่งแสงอาจเข้าสู่เส้นใยเพื่อที่มันจะแพร่กระจายหรือเคลื่อนที่ในแกนกลางของเส้นใย   ไซน์ของมุมสูงสุดนี้เป็นช่องตัวเลข (NA) ของเส้นใย ไฟเบอร์ที่มี NA ขนาดใหญ่นั้นต้องการความแม่นยำน้อยกว่าในการประกบกันและทำงานได้ดีกว่าไฟเบอร์ที่มี NA ที่เล็กกว่า เส้นใยโหมดเดี่ยวมี NA ขนาดเล็ก

สายไฟเบอร์ออฟติก

3.โหมดมัลติเส้นใยไฟเบอร์ที่มีขนาดเส้นผ่าศูนย์กลางหลักขนาดใหญ่

(มากกว่า 10 ไมโครเมตร) อาจจะวิเคราะห์โดยเลนส์เรขาคณิตเส้นใยดังกล่าวเรียกว่าเส้นใย หลายโหมดจากการวิเคราะห์ทางแม่เหล็กไฟฟ้า (ดูด้านล่าง) ในเส้นใยแบบหลายขั้นตอนดัชนีแสง รังสี ของแสงจะถูกชี้นำไปตามแกนเส้นใยโดยการสะท้อนกลับทั้งหมด รังสีที่เป็นไปตามขอบเขตการหุ้มแกนกลางในมุมสูง (วัดได้เมื่อเทียบกับเส้น ปกติ กับขอบเขต) ซึ่งสูงกว่า มุมวิกฤต สำหรับขอบเขตนี้จะสะท้อนให้เห็นอย่างสมบูรณ์ มุมวิกฤต (มุมต่ำสุดสำหรับการสะท้อนกลับหมดภายใน) ถูกกำหนดโดยความแตกต่างในดัชนีการหักเหระหว่างแกนกลางและวัสดุหุ้ม รังสีที่ตรงกับขอบเขตในมุมต่ำนั้นจะหักเหจาก แกนกลางแกน ไปยังส่วนหุ้มและไม่ถ่ายทอดแสงและข้อมูลตามแนวของเส้นใย   มุมวิกฤตกำหนดมุมยอมรับของเส้นใยที่มักจะรายงานเป็นช่องตัวเลขรูรับแสงตัวเลขสูงช่วยให้แสงสามารถแพร่กระจายเส้นใยในรังสีได้ทั้งใกล้กับแกนและในมุมต่าง ๆ ช่วยให้การเชื่อมต่อแสงเข้าสู่เส้นใยได้อย่างมีประสิทธิภาพ อย่างไรก็ตามรูรับแสงที่เป็นตัวเลขสูงนี้จะเพิ่มปริมาณ การกระจายตัว เนื่องจากรังสีที่มุมต่าง ๆ มีต่างกัน ความยาวเส้นทาง ดังนั้นจึงต้องใช้เวลาต่างกันในการเคลื่อนที่ของเส้นใย

ในเส้นใยเกรดอย่างช้าๆดัชนีการหักเหของแสงในแกนกลางจะลดลงอย่างต่อเนื่องระหว่างแกนและส่วนหุ้ม สิ่งนี้ทำให้รังสีแสงโค้งงอได้อย่างราบรื่นเมื่อเข้าใกล้กาบหุ้มแทนที่จะสะท้อนอย่างทันทีจากขอบเขตแกนกลางหุ้ม เส้นทางโค้งที่เกิดขึ้นจะลดการกระจายตัวแบบหลายเส้นทางเนื่องจากรังสีจากมุมสูงผ่านบริเวณรอบนอกของแกนกลางมากกว่าดัชนีกลางสูง โปรไฟล์ดัชนีถูกเลือกเพื่อลดความแตกต่างของความเร็วในการแพร่กระจายตามแนวแกนของรังสีต่างๆในไฟเบอร์ โปรไฟล์ดัชนีในอุดมคตินี้อยู่ใกล้กับ แบบพาราโบลา ความสัมพันธ์ระหว่างดัชนีและระยะห่างจากแกน

4.เส้นใยโหมดเดี่ยว

ไฟเบอร์ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางแกนน้อยกว่าประมาณสิบเท่า ความยาวคลื่น ของแสงที่ส่องผ่านไม่สามารถสร้างแบบจำลองได้โดยใช้เลนส์ทางเรขาคณิต   แต่จะต้องมีการวิเคราะห์โครงสร้างท่อนำคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าโดยการแก้ปัญหาของสมการของแมกซ์เวลล์เป็นลดลงถึงสมการคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าการวิเคราะห์คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าอาจจำเป็นต้องเข้าใจพฤติกรรมเช่นจุดที่เกิดขึ้นเมื่อ เนื่องกัน แสงที่ต่อแพร่กระจายในเส้นใยหลายโหมด ในฐานะที่เป็นท่อนำคลื่นแสงไฟเบอร์รองรับหนึ่งหรือหลาย โหมดขวางโหมด ซึ่งแสงสามารถแพร่กระจายไปตามเส้นใย ฟเบอร์ สนับสนุนเพียงหนึ่งโหมดที่เรียกว่าโหมดเดียวหรือเส้นใยโมโนโหมดพฤติกรรมของไฟเบอร์มัลติคอร์ขนาดใหญ่กว่านั้นสามารถสร้างแบบจำลองโดยใช้สมการคลื่นซึ่งแสดงให้เห็นว่าไฟเบอร์ดังกล่าวรองรับการแพร่กระจายมากกว่าหนึ่งโหมด (ชื่อนี้) ผลของการสร้างแบบจำลองของเส้นใยหลายโหมดดังกล่าวโดยประมาณเห็นด้วยกับการทำนายของเลนส์ทางเรขาคณิตถ้าแกนของเส้นใยมีขนาดใหญ่พอที่จะรองรับมากกว่าสองสามโหมด

การวิเคราะห์ท่อนำคลื่นแสดงให้เห็นว่าพลังงานแสงในเส้นใยไม่ได้ถูก จำกัด ในแกนกลางอย่างสมบูรณ์ แต่โดยเฉพาะอย่างยิ่งในเส้นใยโหมดเดี่ยวเป็นส่วนสำคัญของการใช้พลังงานในโหมดที่ถูกผูกไว้ในการเดินทางหุ้มเป็นคลื่นหายไปอย่างรวดเร็ว

ชนิดที่พบมากที่สุดของเส้นใยโหมดเดี่ยวมีขนาดเส้นผ่าศูนย์กลางหลักของ 8-10 ไมโครเมตรและถูกออกแบบมาสำหรับการใช้งานในที่อยู่ใกล้อินฟราเรดโครงสร้างโหมดขึ้นอยู่กับความยาวคลื่นของแสงที่ใช้ดังนั้นไฟเบอร์นี้จึงรองรับโหมดเพิ่มเติมจำนวนเล็กน้อยที่ความยาวคลื่นที่มองเห็นได้ ไฟเบอร์แบบหลายโหมดโดยการเปรียบเทียบนั้นผลิตขึ้นด้วยเส้นผ่านศูนย์กลางแกนกลางที่มีขนาดเล็กถึง 50 ไมโครเมตรและมีขนาดใหญ่ถึงหลายร้อยไมโครเมตร ความถี่ปกติ V สำหรับไฟเบอร์นี้ควรน้อยกว่าศูนย์แรกของ ฟังก์ชัน Bessel J0 (ประมาณ 2.405)

5.เส้นใยที่มีวัตถุประสงค์เส้นใยแก้วนำแสง

พิเศษพิเศษบางชนิดถูกสร้างขึ้นด้วยแกนที่ไม่ใช่ทรงกระบอกและ / หรือชั้นหุ้มซึ่งมักจะมีรูปวงรีหรือรูปสี่เหลี่ยมผืนผ้าตัดขวาง สิ่งเหล่านี้รวมถึง การดูแลรักษาด้วยโพลาไรซ์ และเส้นใยที่ออกแบบมาเพื่อยับยั้งการ โหมดแกลเลอรี่ แพร่กระจายของไฟเบอร์รักษาโพลาไรเซชันเป็นไฟเบอร์ชนิดพิเศษที่ใช้กันทั่วไปในเซ็นเซอร์ไฟเบอร์ออปติกเนื่องจากความสามารถในการรักษาโพลาไรเซชันของแสงที่ใส่เข้าไป

เส้นใยโทนิค – คริสตัล ทำด้วยรูปแบบปกติของการเปลี่ยนแปลงดัชนี (มักจะอยู่ในรูปของหลุมทรงกระบอกที่วิ่งไปตามความยาวของเส้นใย) เส้นใยดังกล่าวใช้เอ การเลี้ยวเบน ฟเฟกต์แทนหรือนอกเหนือจากการสะท้อนกลับภายในทั้งหมดเพื่อ จำกัด แสงเข้ากับแกนกลางของไฟเบอร์ คุณสมบัติของไฟเบอร์สามารถปรับให้เหมาะกับการใช้งานที่หลากหลาย

 

 

 

สายไฟเบอร์ออฟติก

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *

Scroll to top