ไฟเบอร์ออปติก: การทำความเข้าใจพื้นฐาน

ไม่มีอะไรเปลี่ยนแปลงโลกแห่งการสื่อสารได้มากเท่ากับการพัฒนาและการใช้งานใยแก้วนำแสง บทความนี้ให้หลักการพื้นฐานที่จำเป็นในการทำงานกับเทคโนโลยีนี้
 

เจ้าหน้าที่ฝ่ายวิศวกรรมและการตลาด

ใยแก้วนำแสงทำจากแก้วหรือพลาสติก ส่วนใหญ่มีเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณเส้นผมมนุษย์ และอาจยาวหลายไมล์ แสงจะถูกส่งไปตามศูนย์กลางของเส้นใยจากปลายด้านหนึ่งไปยังอีกด้านหนึ่ง และอาจส่งสัญญาณได้ ระบบไฟเบอร์ออปติกมีความเหนือกว่าตัวนำโลหะในการใช้งานหลายอย่าง ข้อได้เปรียบที่ใหญ่ที่สุดคือแบนด์วิธ เนื่องจากความยาวคลื่นของแสง จึงเป็นไปได้ที่จะส่งสัญญาณที่มีข้อมูลมากกว่าที่เป็นไปได้ด้วยตัวนำโลหะ - แม้แต่ตัวนำโคแอกเซียลด้วย ข้อดีอื่นๆ ได้แก่:

• การแยกไฟฟ้า - ไฟเบอร์ออปติกไม่จำเป็นต้องต่อสายดิน ทั้งตัวส่งและตัวรับถูกแยกออกจากกัน ดังนั้นจึงไม่มีปัญหากราวด์กราวด์ อีกทั้งไม่มีอันตรายจากประกายไฟหรือไฟฟ้าช็อต

• อิสระจาก EMI - ไฟเบอร์ออปติกมีภูมิคุ้มกันต่อการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI) และไม่ปล่อยรังสีออกมาเองเพื่อทำให้เกิดการรบกวนอื่นๆ

• การสูญเสียพลังงานต่ำ - ช่วยให้เดินสายเคเบิลได้นานขึ้นและมีเครื่องขยายสัญญาณทวนสัญญาณน้อยลง

• เบากว่าและเล็กกว่า - ไฟเบอร์มีน้ำหนักน้อยกว่าและต้องการพื้นที่น้อยกว่าตัวนำโลหะที่มีความสามารถในการส่งสัญญาณเท่ากัน

ลวดทองแดงมีน้ำหนักมากกว่าประมาณ 13 เท่า ไฟเบอร์ยังติดตั้งได้ง่ายกว่าและใช้พื้นที่ท่อน้อยกว่า

การใช้งาน

ขอบเขตการใช้งานที่สำคัญบางประการของใยแก้วนำแสง ได้แก่:

• การสื่อสาร - การส่งสัญญาณเสียง ข้อมูล และวิดีโอเป็นการใช้ใยแก้วนำแสงที่พบบ่อยที่สุด และสิ่งเหล่านี้รวมถึง:

– โทรคมนาคม
– เครือข่ายท้องถิ่น (LAN)
– ระบบควบคุมอุตสาหกรรม
– ระบบเอวิโอนิก
– ระบบสั่งการ การควบคุม และการสื่อสารทางทหาร

• การตรวจจับ - ไฟเบอร์ออปติกสามารถใช้เพื่อส่งแสงจากแหล่งกำเนิดระยะไกลไปยังเครื่องตรวจจับเพื่อรับข้อมูลความดัน อุณหภูมิ หรือสเปกตรัม ไฟเบอร์ยังสามารถใช้เป็นตัวแปลงสัญญาณโดยตรงเพื่อวัดผลกระทบด้านสิ่งแวดล้อมหลายประการ เช่น ความเครียด ความดัน ความต้านทานไฟฟ้า และ pH การเปลี่ยนแปลงสภาพแวดล้อมส่งผลต่อความเข้มของแสง เฟส และ/หรือโพลาไรเซชันในลักษณะที่สามารถตรวจจับได้ที่ปลายอีกด้านของเส้นใย

• การส่งพลังงาน - ใยแก้วนำแสงสามารถส่งพลังงานในระดับสูงอย่างน่าทึ่งสำหรับงานต่างๆ เช่น การตัดด้วยเลเซอร์ การเชื่อม การมาร์ก และการเจาะ

• การส่องสว่าง - กลุ่มเส้นใยที่รวมตัวกันโดยมีแหล่งกำเนิดแสงที่ปลายด้านหนึ่งสามารถส่องสว่างบริเวณที่เข้าถึงได้ยาก เช่น ภายในร่างกายมนุษย์ ร่วมกับกล้องเอนโดสโคป นอกจากนี้ยังสามารถใช้เป็นป้ายแสดงหรือใช้เป็นไฟประดับตกแต่งได้อีกด้วย

 

รูปที่ 1. ใยแก้วนำแสงประกอบด้วยแกน การหุ้ม และการเคลือบ.

 

การก่อสร้าง

ใยแก้วนำแสงประกอบด้วยองค์ประกอบพื้นฐานสามประการ ได้แก่ แกนกลาง การหุ้ม และการเคลือบด้านนอก (รูปที่ 1)

แกนกลางมักทำจากแก้วหรือพลาสติก แม้ว่าบางครั้งจะใช้วัสดุอื่น ขึ้นอยู่กับสเปกตรัมการส่งผ่านที่ต้องการ

แกนกลางเป็นส่วนที่ส่งผ่านแสงของเส้นใย โดยทั่วไปการหุ้มจะทำจากวัสดุชนิดเดียวกับแกน แต่มีดัชนีการหักเหของแสงต่ำกว่าเล็กน้อย (โดยปกติจะต่ำกว่าประมาณ 1%) ความแตกต่างของดัชนีนี้ทำให้เกิดการสะท้อนภายในทั้งหมดเกิดขึ้นที่ขอบเขตดัชนีตามความยาวของเส้นใย เพื่อให้แสงถูกส่งลงมาที่เส้นใยและไม่เล็ดลอดผ่านผนังด้านข้าง

 

 

รูปที่ 2.ลำแสงที่ส่องผ่านจากวัสดุหนึ่งไปยังอีกวัตถุหนึ่งที่มีดัชนีการหักเหของแสงที่แตกต่างกันจะโค้งงอหรือหักเหที่ส่วนต่อประสาน

การเคลือบมักจะประกอบด้วยการเคลือบพลาสติกหนึ่งชั้นขึ้นไปเพื่อปกป้องเส้นใยจากสภาพแวดล้อมทางกายภาพ บางครั้งมีการเพิ่มปลอกโลหะลงในสารเคลือบเพื่อการปกป้องทางกายภาพเพิ่มเติม

ใยแก้วนำแสงมักจะระบุตามขนาด โดยกำหนดเป็นเส้นผ่านศูนย์กลางภายนอกของแกน การหุ้ม และการเคลือบ ตัวอย่างเช่น 62.5/125/250 จะหมายถึงไฟเบอร์ที่มีแกนเส้นผ่านศูนย์กลาง 62.5-µm การหุ้มเส้นผ่านศูนย์กลาง 125-µm และ 0.{{8} } การเคลือบด้านนอกที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางมม.

 

 

มีซัพพลายเออร์ 81 รายของไฟเบอร์ออปติกไฟเบอร์ใน Photonics Marketpla

 

หลักการ

วัสดุเชิงแสงมีลักษณะเฉพาะด้วยดัชนีการหักเหของแสง ซึ่งเรียกว่า n ดัชนีการหักเหของวัสดุคืออัตราส่วนของความเร็วแสงในสุญญากาศต่อความเร็วแสงในวัสดุ เมื่อลำแสงผ่านจากวัสดุหนึ่งไปยังอีกวัสดุหนึ่งด้วยดัชนีการหักเหที่แตกต่างกัน ลำแสงจะโค้งงอ (หรือหักเห) ที่ส่วนต่อประสาน (รูปที่ 2)

การหักเหอธิบายโดยกฎของสเนลล์:

ที่ไหนn_Iและn_Rคือดัชนีการหักเหของวัสดุที่มีการหักเหของลำแสงและIและRคือมุมตกกระทบและการหักเหของลำแสง ถ้ามุมตกกระทบมากกว่ามุมวิกฤตของส่วนต่อประสาน (โดยทั่วไปประมาณ 82 องศาสำหรับเส้นใยนำแสง) แสงจะสะท้อนกลับเข้าไปในตัวกลางตกกระทบโดยไม่สูญเสียโดยกระบวนการที่เรียกว่าการสะท้อนภายในทั้งหมด (รูปที่ 3)

รูปที่ 3.การสะท้อนภายในทั้งหมดทำให้แสงคงอยู่ภายในแกนกลางของเส้นใย

 

ชมคำจำกัดความวิดีโอของการสะท้อนภายในทั้งหมด

โหมด

เมื่อแสงถูกนำทางลงมาที่เส้นใย (เนื่องจากไมโครเวฟถูกนำทางไปตามท่อนำคลื่น) การเปลี่ยนเฟสจะเกิดขึ้นที่ทุกขอบเขตการสะท้อนแสง มีจำนวนเส้นทางที่ไม่ต่อเนื่องกันในใยแก้วนำแสง (เรียกว่าโหมด) ที่สร้างการเปลี่ยนเฟสเชิงสร้างสรรค์ (ในเฟสและดังนั้นจึงเป็นสารเพิ่มเติม) ที่เสริมกำลังการส่งสัญญาณ เนื่องจากแต่ละโหมดเกิดขึ้นในมุมที่แตกต่างกันกับแกนไฟเบอร์ในขณะที่ลำแสงเคลื่อนที่ไปตามความยาว แต่ละโหมดจะเดินทางด้วยความยาวที่แตกต่างกันผ่านไฟเบอร์จากอินพุตไปยังเอาต์พุต มีเพียงโหมดเดียวเท่านั้น นั่นคือโหมด Zero-order ที่เคลื่อนที่ตามความยาวของเส้นใยโดยไม่มีการสะท้อนจากผนังด้านข้าง สิ่งนี้เรียกว่าไฟเบอร์โหมดเดี่ยว จำนวนโหมดจริงที่สามารถแพร่กระจายในใยแก้วนำแสงที่กำหนดจะพิจารณาจากความยาวคลื่นของแสง เส้นผ่านศูนย์กลางและดัชนีการหักเหของแกนกลางของเส้นใย
 

มีหลายสาเหตุของการลดทอนในใยแก้วนำแสง:

 

• การกระเจิงของเรย์ลี - การแปรผันของดัชนีการหักเหของวัสดุแกนกลางในระดับจุลภาคสามารถทำให้เกิดการกระเจิงในลำแสงได้มาก ส่งผลให้สูญเสียพลังงานแสงอย่างมาก การกระเจิงของเรย์ลีขึ้นอยู่กับความยาวคลื่นและมีนัยสำคัญน้อยกว่าในช่วงความยาวคลื่นที่ยาวกว่า นี่เป็นกลไกการสูญเสียที่สำคัญที่สุดในเส้นใยนำแสงสมัยใหม่ โดยทั่วไปคิดเป็นมากถึง 90% ของการสูญเสียใดๆ ที่เกิดขึ้น

 

• การดูดซึม - วิธีการผลิตในปัจจุบันได้ลดการดูดซึมที่เกิดจากสิ่งเจือปน (โดยเฉพาะอย่างยิ่งน้ำในเส้นใย) ให้อยู่ในระดับที่ต่ำมาก ภายในแบนด์พาสของการส่งผ่านไฟเบอร์ การสูญเสียการดูดซึมไม่มีนัยสำคัญ

• การดัดงอ - วิธีการผลิตสามารถทำให้เกิดการโค้งงอเล็กน้อยในรูปทรงของเส้นใย บางครั้งการโค้งงอเหล่านี้จะมากพอที่จะทำให้แสงภายในแกนกลางกระทบกับส่วนต่อประสานแกนกลาง/การหุ้มที่น้อยกว่ามุมวิกฤต เพื่อให้แสงสูญเสียเข้าไปในวัสดุหุ้ม สิ่งนี้สามารถเกิดขึ้นได้เมื่อเส้นใยโค้งงอในรัศมีแคบ (น้อยกว่าไม่กี่เซนติเมตร) ความไวในการโค้งงอมักจะแสดงในรูปของการสูญเสีย dB/km สำหรับรัศมีการโค้งงอและความยาวคลื่นเฉพาะ

 

 

รูปที่ 4.ค่ารูรับแสงเชิงตัวเลขขึ้นอยู่กับมุมที่รังสีเข้าสู่เส้นใยและเส้นผ่านศูนย์กลางของแกนกลางของเส้นใย

 

ประเภทไฟเบอร์

โดยทั่วไปแล้วใยแก้วนำแสงมีสามประเภท: โหมดเดี่ยว, ดัชนีเกรดมัลติโหมด และดัชนีขั้นตอนมัลติโหมด มีลักษณะเฉพาะคือวิธีที่แสงเดินทางลงมาตามเส้นใยและขึ้นอยู่กับทั้งความยาวคลื่นของแสงและรูปทรงเชิงกลของเส้นใย ตัวอย่างวิธีการแพร่กระจายแสงแสดงในรูปที่ 5

 

 

บริษัทของเราเชี่ยวชาญในการผลิตเส้นใย/สายเคเบิลใยแก้วนำแสงพลาสติก และสายแพทช์ไฟเบอร์ออปติกทุกชนิด หากคุณสนใจ โปรดติดต่อฉันได้ตลอดเวลา