Back

ปุจฉา – วิสัชนา เกี่ยวกับเส้นใยแก้วนำแสง

รศ. ดร.อธิคม ฤกษบุตร 

รองอธิการบดี ฝ่ายกิจการนักศึกษา

คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีมหานคร

1 กันยายน 2558

 

Fiber optic / Optic fiber / Optical fiber ไม่ว่าคำไหนก็มีความหมายเดียวกันคือ "เส้นใยนำแสง" โดยส่วนใหญ่มักทำมาจากวัสดุที่แก้วใส จึงมักเรียกติดปากว่า "เส้นใยแก้ว" ในขณะที่บางทีจะเรียกเต็มยศว่า "เส้นใยแก้วนำแสง" ความโดดเด่นของเส้นใยแก้วอยู่ที่สามารถใช้แทนสายไฟทองแดงในการสื่อสารข้อมูลระยะไกล(มาก)หรือระบบสื่อสารความเร็วสูง(มาก) ปัจจุบันเทคโนโลยีการสื่อสารเติบโตไปอย่างกล้าวกระโดด ทั้งในเรื่องของระบบอินเตอร์เน็ต โทรศัพท์เคลื่อนที่แบบ 3G 4G แอปต่างๆ บน smart phone เหล่านี้ ทำให้เราสามารถติดต่อสื่อสารหรือใช้งานต่างๆ ได้มากมายไร้ขีดจำกัด แต่เชื่อไหมว่า พระเอกที่อยู่เบื้องหลังระบบสื่อสารทรงประสิทธิภาพยุคนี้ก็คือเส้นใยแก้ว ที่ทำหน้าเป็นโครงข่ายหลักในการเชื่อมโยงข้อมูลทุกรูปแบบไปยังจุดต่าง ๆ ทั่วโลกเลยทีเดียว

 

ปุจฉา : ทำไมเส้นใยแก้ว (optical fiber) จึงนำแสงได้

วิสัชนา : เส้นใยแก้วทำมาจากตัวกลางโปร่งใส (transparency medium) ที่เป็นของแข็ง เช่น แก้ว ที่มีเนื้อสารบริสุทธิ์ปราศจากสิ่งแปลกปลอมเจือปน(หรือมีน้อย) ซึ่งโดยปรกติแสงสามารถเดินทางผ่านตัวกลางโปร่งแสงหรือตัวกลางโปร่งใสได้อยู่แล้ว ตัวอย่างของตัวกลางโปร่งแสงหรือโปร่งใสที่แสงเดินทางผ่านได้ที่เราคุ้นเคยก็เช่น อากาศ แก้ว น้ำ เพชร พลาสติกใส เป็นต้น

 

ปุจฉา : เส้นใยแก้ว "ตัน" หรือ "กลวง"

วิสัชนา :  เส้นในแก้ว "ตัน" ครับ การนำแสงในเส้นใยแก้วจะไม่เหมือนท่อน้ำ เพราะน้ำต้องเดินทางผ่านที่โล่งเท่านั้น แต่แสงเดินทางผ่านที่โล่ง (space) ก็ได้ หรือเดินทางในของแข็งหรือของเหลวก็ได้ แต่ต้องเป็นตัวกลางโปร่งแสงนะ เช่น แก้วใส พลาสติกไส น้ำ เป็นต้น กรณีของเส้นใยแก้วจะเป็นเส้นใยโปร่งแสงตันทำหน้าที่เป็นท่อนำแสงจากปลายด้านหนึ่งไปสู่ปลายอีกด้านหนึ่ง

 

ปุจฉา : ทำไมเส้นใยแก้วนำแสงจึงมีค่าการลดทอนสัญญาณต่ำ (low attenuation) ทำให้สามารถนำแสงไปได้ไกล(มาก)

วิสัชนา :  การที่เส้นใยแก้วนำแสงมีค่าการลดทอนสัญญาณต่ำ (low attenuation) สามารถนำแสงไปได้ไกล(มาก) เนื่องจากเหตุผลหลัก 2 ประการคือ (1) เส้นใยแก้วทำมาจากวัสดุโปร่งแสงที่บริสุทธิ์ (pure transparency material) ปราศจากสิ่งเจือปน (หรือเจือปนน้อยมากๆ) เช่น แก้วบริสุทธิ์หรือซิลิก้า (silica) ทำให้แสงที่เดินทางผ่านถูกดูดกลืน (absorption) พลังงานได้น้อยมาก แสงส่วนใหญ่ที่เดินทางผ่านจึงยังคงกำลังงานแสงส่วนใหญ่ไว้ได้ และ (2) โครงสร้างของมันประกอบด้วยเนื้อแก้วสองชั้น ชั้นที่อยู่ตรงกลางเรียกว่าคอร์ (core) และชั้นที่อยู่โดยรอบเรียกว่าแคลดดิ้ง (cladding) โดยคอร์จะมีค่าดัชนีหักเห (refractive index) มากกว่าแคลดดิ้งเล็กน้อย ทำให้แสงที่เดินทางภายในคอร์เกิดการสะท้อนกลับหมด (TIR - Total Internal Reflection) อยู่ภายในคอร์ กำลังงานแสงที่เดินทางภายในเส้นใยแก้วจึงไม่รั่วไหลเข้าไปในแคลดดิ้งและออกสู่ภายนอก ... ส่วนประกอบอื่นๆ นอกเหนือจากนี้ เช่น Coating ซึ่งส่วนใหญ่เป็นสารโพลีเมอร์เคลือบผิวโดยรอบแคลดดิ้งอีกที ช่วยให้เส้นใยแก้วมีความแข็งแรง โค้งงอได้มากขึ้น ทำให้เหมาะกับการนำไปใช้งานต่าง ๆ ได้

 

ปุจฉา : กลไกในการเกิดการลดทอนสัญญาณของเส้นใยแก้วมีอะไรบ้าง

วิสัชนา : แม้ว่าเส้นใยแก้วจะทำจากวัสดุโปร่งแสงเนื้อบริสุทธิ์ ก็ไม่ได้แปลว่าแสงที่เดินทางผ่านจะไม่สูญเสียกำลังงานเลย เพียงแต่จะสูญเสียได้น้อย (ประมาณ 0.2-0.3 dB/km) ส่วนกลไกที่ทำให้เกิดการสูญเสียมี 3 ประการคือ

(1) absorption - การดูดกลืนสัญญาณของเนื้อวัสดุเอง ลองสังเกตุแก้วที่ขุ่นมัว เราจะมองทะลุผ่านไม่ค่อยชัดแปลว่าแสงที่เดินทางผ่านแก้วนี้ถูกดูดกลืนมาก แต่แก้วที่ใสมากจะมองเห็นสิ่งที่อยู่ด้านหลังได้ชัด แสดงว่าแสงจะเดินทางผ่านได้มากหรือถูกดูดกลืนได้น้อย ดังนั้น เส้นใยแก้วที่มีคุณภาพสูงจึงต้องทำจากเนื้อแก้วบริสุทธิ์

(2) scattering - การกระเจิงสัญญาณของแสงเมื่อกระทบโมเลกุลของตัวกลาง ทำให้กำลังงานแสงกระจายไปทุกทิศทุกทางแต่กำลังงานส่วนใหญ่ยังคงเดินทางผ่านไปได้ ค่าการกระเจิงจะมากหรือน้อย ขึ้นอยู่กับความยาวคลื่นแสงที่เดินทางผ่านแก้ว โดยแสงในย่านความยาวคลื่น 1.3 และ 1.55 ไมครอน จะกระเจิงน้อยสุด (ทำให้เกิดการสูญเสียน้อยไปด้วย) ดังนั้น ระบบสื่อสารผ่านเส้นใยแก้วจึงมักใช้ความยาวคลื่นในช่วงดังกล่าวนี้

(3) radiation - เป็นการแผ่รังสีหรือการกระจายกำลังงานแสงออกจากเส้นใยแก้ว มักเกิดกรณีที่เส้นใยแก้วโค้งงอ ยิ่งโค้งงอด้วยรัศมีความโค้งน้อยๆ (หมายถึงโค้งมาก) ก็ยิ่งสูญเสียสัญญาณมาก ดังนั้น ในการติดตั้งเคเบิลใยแก้ว วิศวกรต้องออกแบบการเดินสายไม่ให้มีจุดโค้งงอที่มีรัศมีความโค้งต่ำกว่าสเปกที่กำหนด

 

ท้ายนี้ ใครที่มีข้อสงสัยเกี่ยวกับเส้นใยแก้วและระบบสื่อสารเชิงแสง สามารถเข้าไปสอบถามได้จาก facebook ชื่อ Fiber Optic Mahanakorn ได้เลยนะครับ