ผู้ใช้:Saithan waiwasa

ไฟล์:A45e3.jpg

== การสื่อสารด้วยเส้นใยนำแสง (Fiber optic) ==

1. ประวัติของการสื่อสารด้วยเส้นใยแสง
   

* • การส่งข่าวสารด้วยแสง

                   ในสมัยโบราณมนุษย์เราได้คิดหาวิธีการต่างๆ ที่จะส่งข่าวสารเพื่อให้ผู้ที่อยู่ห่างไกลสามารถรับรู้ความตั้งใจหรือความประสงค์ของตนเองได้ แสงเป็นตัวกลางหนึ่งที่มนุษย์นำมาใช้ในการสื่อสาร เช่น การใช้สัญญาณไฟ, การทำให้ตะเกียงสว่างหรือมืด, การให้สัญญาณธง และวิธีการอื่นๆ แนวความคิดเหล่านี้ก็เพื่อจุดประสงค์ในการส่งข่าวสารไปไกลๆ นั่นเอง ซึ่งกระทำโดยการเปลี่ยนเนื้อหา ข่าวสารที่ต้องการส่งออกไปนั้นให้เป็นรูปร่างลักษณะที่ตกลงกันเอาไว้ล่วงหน้า ส่วนทางด้านรับนั้นก็จะใช้วิธีแปลความหมายให้กลับเป็นข่าวสารตามเดิมโดยอาศัยข้อตกลงต่างๆ ที่ได้ตกลงกันเอาไว้ล่วงหน้าแล้ววิธีการที่กล่าวมาเหล่านี้จัดเป็นการสื่อสารแสงชนิดหนึ่งที่ใช้แสงธรรมชาติ การทดลองการสื่อสารด้วยแสงที่ใช้แสงธรรมชาติที่ต้องกล่าวถึงในที่นี้คือ การทดลองของเบลล์ นักประดิษฐ์โทรศัพท์ที่มีชื่อสียงของสหรัฐอเมริกา ในปีค.ศ.1880 เขาได้ผลิตโทรศัพท์ใช้แสง (Photo-Phone) ซึ่งใช้แสงอาทิตย์ขึ้นดังแสดงในรูป 10-1 เสียงจะถูกเปลี่ยนเป็นแสงและส่งไปได้ไกลถึง 213 เมตร และที่ทางด้านรับจะเปลี่ยนแสงกลับเป็นเสียงอย่างเดิมอีก

การแสดงหลักการโทรทัศน์แสง (Photo-Phone) ของเบลล์

                   ต่อจากนั้นมาได้มีการประดิษฐ์ หลอดโฟโต้อีเล็กตริก (Photoelectric Tube) ที่ทำหน้าที่เปลี่ยนแสงเป็นไฟฟ้าได้ และได้คิดวิธีการที่ทางด้านส่งจะทำการเปลี่ยนความสว่างของหลอดไฟให้เป็นไปตามสัญญาณไฟฟ้า แล้วส่งไปในอากาศ ทางด้านรับใช้หลอดโฟโต้อีเล็กตริกเปลี่ยนแสงให้กลับเป็นสัญญาณไฟฟ้าอย่างเดิม จากวิธีการที่กล่าวมานี้จะเห็นได้ว่าการใช้แสงเพื่อส่งข่าวสารนั้นได้มีการคิดกันเป็นเวลานานแล้ว แต่เนื่องจากสายส่งระหว่างจุดส่งกับจุดรับเป็นอากาศ ทำให้แสงกระจายกว้างออกไปหรือเกิดแตกกระจายออกไปหมด (Scatter) ทำให้เป็นการยากที่จะส่งออกไปในระยะทางไกลๆ ได้ วิธีการเหล่านี้จึงเป็นแต่เพียงวิธีที่เหมะแก่การนำมาใช้ในการสื่อสารระยะใกล้เท่านั้น

* •การค้นพบเส้นใยแสง

                    การส่งแสงผ่านอากาศนั้นไม่สามารถหลีกเลี่ยงการรบกวนของสิ่งต่างๆ เช่นฝน หมอก และสิ่งกีดขวางต่างๆ ได้ ดังนั้นจึงจำเป็นต้องมีสายส่งที่มีความเชื่อถือได้สูง โดยที่การส่งนั้นจะไม่ถูกรบกวนจากภายนอกได้เลย สายส่งสำหรับการส่งสัญญาณแสงสามารถแบ่งออกได้เป็น 2 ชนิด คือระบบนำแสงไปในอากาศ เช่น การนำเลนส์มาเรียงกันเป็นชุด การใช้กระจกสะท้อนมาเรียงกันเป็นชุด การใช้ใช้ gass lens เป็นชุด เป็นต้น กับระบบสายนำแสงที่ทำด้วยไดอิเล็กตริก (dielectric) ได้แก่ เส้นใยแสง สารไดอีเล็กตริก เป็นสารที่นำไฟฟ้ายาก เช่น แก้ว เป็นต้น ตัวอย่างของสายส่งแสงที่เป็นระบบนำแสงไปในอากาศ แสดงในรูป 10-2

ไฟล์:763dc.jpg

สายส่งแสงที่ใช้เลนส์มาเรียงต่อกันเป็นชุด

                โดยการนำเลนซ์ หรือ กระจกเงาไปติดตั้งไว้เป็นระยะๆ ในท่อที่วางบนพื้นดินหรือฝังอยู่ใต้ดิน และส่งแสงผ่านไป เช่น การนำเลนซ์มาเรียงกันเป็นระยะๆ ห่างกันทุก 100 เมตร และได้ทำการทดลองส่งเป็นระยะทางไกลประมาณ 50 กิโลเมตร ในระบบนี้เนื่องจากส่งไปในที่ว่างที่ถูกปิดกั้นเอาไว้ จึงไม่ได้รับผลรบกวนจากปรากฏการณ์ธรรมชาติ แต่ต้องการการควบคุมที่ละเอียดเพื่อจัดตำแหน่งและมุมของเลนซ์หรือกระจกเงาให้ถูกต้องการทำการควบคุมนี้เป็นสิ่งที่ยุ่งยากมากในทางปฏิบัติ ส่วนสายส่งที่ใช้เส้นใยแสง เป็นการส่งโดยป้อนแสงเข้าไปในใยแก้วในปี ค.ศ 1951 ได้มีการพัฒนาเส้นใยแสงสำหรับใช้ในวงการแพทย์ ซึ่งกล่าวได้ว่าเป็นเส้นใยแสงอันแรกที่สร้างขึ้น โดยมีการสูญเสียของแสง 1,000 dB/km (เมื่อแสงเดินทางไปในเส้นใยแสง 3 เมตร กำลังของแสงจะลดลงครึ่งหนึ่ง) เส้นใยแสงนี้มีการสูญเสียของแสงมากไม่สามารถนำมาใช้เป็นตัวกลางของการสื่อสารได้

                 การเริ่มวิจัยค้นคว้าเกี่ยวกับเส้นใยแสงเพื่อนำมาใช้ในการสื่อสารอย่างจริงจังนั้นเริ่มเมื่อปี ค.ศ. 1966 มร.เคา (MR.KAO) แห่งศูนย์วิจัย STL ของประเทศอังกฤษ ได้แถลงบทความในเชิงประวัติศาสตร์เกี่ยวกับความเป็นไปได้ในอนาคตของการสื่อสารด้วยเส้นใยแสง ในบทความนี้ได้วิเคราะห์เกี่ยวกับสาเหตุของการสูญเสียของแสงในเส้นใยแสง และกล่าวว่าถ้าหากว่าสามารถกำจัดสิ่งแปลกปลอม (Impurity) ที่มีอยู่ในแก้วออกอย่างเพียงพอแล้วจะสามารถทำให้การสูญเสียของแสงตำลงประมาณ 20 dB/km (เมื่อแสงเดินทางได้ 150 เมตร กำลังของแสงจะตกลงครึ่งหนึ่ง) บทความนี้ได้กลายเป็นสิ่งเร้ากระตุ้นให้แต่ละประเทศเริ่มต้นการวิจัยที่มุ่งจะสร้างเส้นใยแสงที่มีการสูญเสียตำ และในปี 1970 บริษัท CORNING GLASS ของประเทศอเมริกาก็ประสบผลสำเร็จ ในการทดลองสร้างเส้นใยแสงที่มีการสูญเสียต่ำอย่างน่าอัศจรรย์สำหรับในสมัยนั้นคือ มีการสูญเสียแสง 20 dB/km นับตั้งแต่นั้นมาจนถึงปัจจุบันเทคโนโลยีของเส้นใยแสงที่มุ่งพัฒนาให้เส้นใยแสงมีการสูญเสียต่ำได้พัฒนาไปอย่างรวดเร็ว

                 การพัฒนาเส้นใยแสงให้มีค่าต่ำสุดนั้น ประสบความสำเร็จรวดเร็วมากกล่าวคือ ปี ค.ศ.1972 การสูญเสียลดลงเหลือ 7 dB/km, ปี ค.ศ. 1973 ลดลงเป็น 2.5 dB/km และในปี ค.ศ. 1976 ลดลงเป็น 0.47 dB/km นอกจากนั้นในปี ค.ศ. 1979 ก็สามารถทำให้ลดลงเป็น 0.2 dB/km นั่นหมายความว่าในปัจจุบันสามารถผลิตเส้นใยแสงที่มีการสูญเสียต่ำ จนกระทั่งเข้ามาใกล้ขีดจำกัดทางทฤษฎีของเส้นใยแสงที่ทำด้วย SILICA GLASS แล้ว

                  เส้นใยแสงที่มีการสูญเสียแสง 0.2 dB/km นี้สามารถที่จะส่งได้ไกล 15 กิโลเมตร กำลังของแสงจึงจะตกลงเป็นครึ่งหนึ่ง ถ้าเป็นกระจกหน้าต่างธรรมดาจะส่งได้ไม่กี่เซนติเมตร แม้แต่ Optical glass ก็สามารถส่งได้ไกลเพียงไม่กี่เมตร ดังนั้น จะเห็นได้ว่าเส้นใยแสงมีความใสมาก

*•การประดิษฐ์แสงเลเซอร์

                  คำว่าแสงเลเซอร์ (LASER) ย่อมาจาก Light Amplification by Stimulated Emission of Radiaton หมายถึง เป็นการขยายแสงโดยการกระตุ้นให้ปล่อยแสงออกมา แสงเลเซอร์นี้มีคุณสมบัติแตกต่างกับแสงที่เกิดจากการทำให้ขดลวดทังสเตนของหลอดไฟแบบ Incandescent lamp ร้อน นั่นคือแสงที่เกิดจากหลอดไฟ Incandescent lamp และหลอดนีออน (Neon) และอื่นๆ นั้นจะมีความยาวคลื่นและเฟสไม่แน่นอนดังแสดงในรูป 10-3 (a) แต่แสงที่ได้จากเลเซอร์นั้นจะเป็นดังแสดงในรูปที่ 10-3 (b) ซึ่งมีความยาวคลื่นแสงและเฟสเท่ากันเป็นส่วนใหญ่และยังมีลักษณะเด่นอีกคือมีทิศทาง(DIRECTIVITY) ของแสงดีมาก เหมาะแก่การนำมาใช้ในการสื่อสารเป็นอย่างยิ่ง

ไฟล์:E75a2.jpg

ความแตกต่างระหวา่งแสงจากดวงไฟธรรมดากับแสงเลเซอร์

                   สารที่ให้กำเนิดแสงเลเซอร์ ประดิษฐ์ได้ในปี ค.ศ. 1960 สารที่เป็นแก๊สได้แก่ แก๊ส He-Ne และอื่นๆ เรียกว่า เลเซอร์แก๊ส (GAS LASER) ประดิษฐ์ได้ในปี ค.ศ. 1961 แต่ความต้องการในงานสื่อสารนั้น ต้องการเลเซอร์สารกึ่งตัวนำ (SEMICONDUCTOR LASER) ที่มีขนาดเล็กมากกว่า เลเซอร์โซลิด (SOLID LASER) และเลเซอร์แก๊สผลิตได้จำนวนมาก, เปลี่ยนไฟฟ้าให้เป็นแสงได้ดีแต่อย่างไรก็ตาม SEMICONDUCTOR LASER ที่ผลิตได้ในปี ค.ศ. 1960 นั้นมีอายุการใช้งานสั้นมากเพียงไม่กี่ชั่วโมง ยิ่งกว่านั้น ถ้าหากต้องการให้มันปล่อยแสงต่อเนื่องกันจำเป็นจะต้องรักษาสภาพอุณหภูมิให้ต่ำมากๆ เอาไว้ (ประมาณ -200 ํC) ด้วยเหตุนี้จึงไม่เหมาะที่จะมาใช้กับงานการสื่อสาร ดังนั้นหัวข้อสำคัญในการวิจัยของ SEMICONDUCTOR LASER จึงกล่าวได้ว่าเป็นการทำให้อายุการใช้งานของมันมากขึ้นในปี 1970 ประเทศอเมริกาประสบผลสำเร็จในการผลิต SEMICONDUCTOR LASER ด้วย Ga.Al.As (Gallium Aluminium Arsenide) ซึ่งสามารถทำงานที่อุณหภูมิปกติและปล่อยแสงอย่างต่อเนื่องกันได้

จากนั้นมาการพัฒนา SEMICONDUCTOR LASER ให้มีอายุการใช้งานนานขึ้นก็ประสบผลสำเร็จก้าวหน้าอย่างรวดเร็ว ปี ค.ศ. 1980 อายุการใช้งานของมันมีค่ามากกว่า 100,000 ชั่วโมง หรือประมาณ 12-13 ปี

                   ในปี 1970 นั้นมันเป็นปีเริ่มต้นของการสื่อสารเส้นใยแสง ทั้งนี้เพราะเป็นปีที่ประสบผลสำเร็จในการสร้างเส้นใยแสง ที่นำมาใช้งานได้และประสบความสำเร็จในการสร้าง SEMICONDUCTOR LASER ที่ทำงานปล่อยแสงอย่างต่อเนื่องกัน สิ่งสำคัญ 2 อย่างที่เป็นตัวเปลี่ยนยุคของการสื่อสารมาเป็นการสื่อสารเส้นใยแสง

* โครงสร้างของเส้นใยแสง

                   ประกอบด้วยส่วนประกอบที่สำคัญ 2 ส่วนคือส่วนที่แสงเดินทางผ่านเรียกว่าคอร์ (Core) เป็นส่วนที่อยู่ตอนกลางของเส้นใยแสงในรูปทรงกระบอก และส่วนที่หุ้มคอร์โดยรอบเรียกว่าแคลดดิ่ง (Cladding) ทั้งคอร์และเคลดดิ่งเป็นฉนวนชนิดโปร่งใส นำมาประกอบเป็นเส้นใยแสง โดยส่วนของคอร์มีดัชนีการหักเหมาก และส่วนของเคลดดิ่งมีดัชนีการหักเหแสงน้อยกว่าประมาณ 0.2% ถึง 3% ลักษณะโครงสร้างของเส้นใยแก้วนำแสงแสดงดังรูปที่ 10.4

ไฟล์:87fe8.jpg

โครงสร้างของเส้นใย

*ส่วนประกอบของระบบการสื่อสารด้วยเส้นใยแสง

ไฟล์:B1122.jpg

ส่วนประกอบพื้นฐานของระบบการสื่อสารด้วยเส้นใยแสง

                   จากรูป 10-5 โดยทั่วไปแล้วสัญญาณไฟฟ้าที่ส่งจากปลาย (TERMINAL EQUIPMENT) ต่างๆ เช่น โทรศัพท์ เครื่องป้อนข้อมูล (Data Terminal), โทรสาร (Facsimile) เป็นต้น จะถูกอุปกรณ์เปลี่ยนไฟฟ้าเป็นแสง (E/O CONVERTOR) เปลี่ยนให้เป็นแสง (นั่นคือความแรงของสัญญาณไฟฟ้าจะเปลี่ยนเป็นความเข้มของแสงหรือ "1" "0" ของสัญญาณไฟฟ้า เปลี่ยนเป็นแสงสว่างหรือมืด) และส่งเข้าไปในเส้นใยแสง สัญญาณที่เดินทางเส้นใยแสงนั้นกำลังจะอ่อนลง เมื่อเดินทางในระยะทางที่เพิ่มขึ้นพร้อมทั้งรูปคลื่นก็ขยายกว้างออกไปด้วย จึงต้องมีการขยายสัญญาณโดยสถานีทวนสัญญาณ (REPEATER) เพื่อให้มีกำลังแรงขึ้น แต่เนื่องจากเราไม่สามารถที่จะขยายแสงที่ส่งมาได้โดยตรงเราจึงต้องมีการแปลงสัญญาณแสงที่ส่งมาเป็นสัญญาณไฟฟ้า (O/E) เสียก่อนแล้วจึงนำสัญญาณไฟฟ้านั้นมาทำการขยายและแปลงกลับเป็นสัญญาณแสง (E/O) อีกครั้ง แล้วจึงส่งเข้าไปยังเส้นใยแสง เมื่อไปถึงอุปกรณ์เปลี่ยนแสงเป็นไฟฟ้า (O/E CONVERTOR) ของทางด้านรับสัญญาณ แสงที่ส่งมาจะถูกเปลี่ยนเป็นพลังงานไฟฟ้าและส่งไปยังอุปกรณ์ปลายทางเพื่อทำการเปลี่ยนกลับคืนให้เป็นสัญญาณของ โทรศัพท์,เครื่องป้อนข้อมูล,โทรภาพและอื่นๆ 

อนึ่ง อุปกรณ์เปลี่ยนไฟฟ้าเป็น แสงนั้นทำได้ โดยใช้อุปกรณ์กำเนิดแสงได้แก่ LED, SEMICONDUCTOR LASER, ส่วนอุปกรณ์เปลี่ยนแสงเป็นไฟฟ้านั้นทำได้โดยใช้ไดโอดแสง (PHOTO DIODE), ทรานซิสเตอร์แสง (PHOTO TRANSISTOR) เป็นต้น ซึ่งจะได้กล่าวในรายละเอียดต่อไป
*• คุณสมบัติ ของการสื่อสารด้วยเส้นใยแสง

                    ระบบการสื่อสารด้วยเส้นใยแสง เมื่อเปรียบเทียบกับระบบการสื่อสารที่ใช้สายเคเบิ้ล ทำด้วยโลหะ (MATALIC CABLE) แล้วมีข้อดีต่างๆ ที่เกิดจากคุณสมบัติพิเศษของเส้นใยแสง อุปกรณ์กำเนิดแสงและอุปกรณ์รับแสงดังนี้

1. 1. การสูญเสียของแสงต่ำ เส้นใยแสงเมื่อนำไปเปรียบเทียบเคเบิ้ลโลหะที่ทำด้วยทองแดง เคเบิ้ลแกนร่วม (Coaxial Cable) อย่างใดอย่างหนึ่งแล้วปรากฏว่ามีการสูญเสีย (LOSS) ต่ำกว่า
   
2. 2. Band Width กว้าง เส้นใยแสงมี Band Width กว้างซึ่งทั้งนี้ขึ้นอยู่กับชนิดของเส้นใยแสงด้วย แต่จากรูป 1-7 จะเห็นได้ว่าเมื่อเปรียบเทียบกับ เคเบิ้ลแกนร่วมแล้วสามารถส่งสัญญาณที่มีความถี่สูงมากกว่า
   
3. 3. ขนาดเล็กและนำหนักเบา เส้นใยแสงเมื่อเปรียบเทียบกับตัวกลางที่ใช้ส่งอย่างอื่นแล้วมีขนาดเล็ก และน้ำหนักเบา เช่น เคเบิ้ลเส้นใยแสงขนาด 18 เส้น เมื่อนำไปเปรียบเทียบกับ Coaxial Cable ขนาด 18 เส้นเหมือนกันแล้วปรากฏว่ามีพื้นที่หน้าตัดน้อยกว่าและน้ำหนักเบากว่า ดังนั้นถ้าหากเส้นใยแสงมีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางด้านนอกเท่ากันกับ METALIC CABLE แล้ว นอกจากจะสามารถบรรจุเส้นใยแสงได้จำนวนมากกว่าแล้ว ยังให้ความสะดวกในการวางสายเคเบิ้ลด้วยเพราะมีน้ำหนักเบา
   
4. 4. ไม่มีการเหนี่ยวนำทางแม่เหล็กไฟฟ้า (NON INDUCTION) เนื่องจากเส้นใยแสงทำจากแก้ว SILICA และอื่นๆ จึงไม่ยอมให้กระแสไฟฟ้าผ่าน ดังนั้นจึงไม่มีการเหนี่ยวนำทางแม่เหล็กไฟฟ้าจากภายนอก (เช่น สายไฟแรงสูง, คลื่นของโทรทัศน์, คลื่นของวิทยุ เป็นต้น) จึงมีข้อดีในการนำไปใช้งานในด้านต่างๆ ที่ต้องการความปลอดภัยจากการเหนี่ยวนำทางแม่เหล็กไฟฟ้า
   
5. 5. คุณสมบัติของอุปกรณ์กำเนิดแสงและอุปกรณ์รับแสง
   

      − 5.1 เนื่องจากสามารถทำการผสมคลื่นด้วยความเร็วสูงจึงสามารถส่งสัญญาณที่มีความเร็วสูง และ แบนด์วิดธ์กว้าง

      − 5.2 มีขนาดเล็ก นอกจากนั้นยังมีประสิทธิภาพการเปลี่ยนไฟฟ้าเป็นแสงได้ดี

      − 5.3 มีกำลังเอาท์พุทมาก(output power) นอกจากนั้นเนื่องจากสามารถรักษาคุณสมบัติการส่งที่ต้องการได้ แม้กำลังที่รับได้มีค่าน้อยก็ตาม จึงทำให้การสูญเสียที่ยอมให้มีได้ระหว่างอุปกรณ์กำเนิดแสงกับอุปกรณ์รับแสงมากขึ้น 

                  ในระบบการสื่อสารด้วยเส้นใยแสงนั้น โดยการผสมของเส้นใยแสงที่มีการสูญเสียต่ำ, bandwidth กว้าง อุปกรณ์กำเนิดแสงและอุปกรณ์รับแสงที่มี เอาท์พุทสูงและความไวสูง ทำให้สามารถเพิ่มระยะทางของตัวทวนสัญญาณได้มากขึ้นจากหลายกิโลเมตรเป็นหลายสิบกิโลเมตร ด้วยเหตุนี้ เมื่อเปรียบเทียบกับระบบการสื่อสารที่ใช้สายเคเบิ้ลโลหะแล้วจะสามารถลดจำนวนของตัวทวนสัญญาณ นอกจากจะทำให้เกิดความประหยัดในระบบการสื่อสารและมีความเชื่อถือได้ (RELIABILITY) สูงแล้ว ยังทำการก่อสร้างและบำรุงรักษาได้ง่ายด้วยยิ่งกว่านั้นสำหรับ IMAGE SERVICE ต่างๆ ที่มีความต้องการเพิ่มมากขึ้นในอนาคตก็สามารถส่งสัญญาณจำนวนหลายๆ ช่องสัญญาณไปบนตัวกลางหรือสายส่งเส้นเดียวกันที่เรียกว่าการมัลติเพล็กซ์ ทำให้สามารถให้บริการที่มีราคาค่าบริการถูกลงได้

                   นอกจากเส้นใยแสงที่มีช่องของการส่งกว้างแล้ว ในการสื่อสารด้วยเส้นใยแสงยังสามารถทำการส่งแบบมัลติเพล็กซ์ ซึ่งทำการส่งแสงที่มีความยาวคลื่นต่างกันจำนวนมากในเวลาเดียวกัน โดยใช้เส้นใยแสงเส้นเดียวได้ (WAVE LENGTH MULTIPLEX) ทำให้สามารถใช้เป็นสายส่งที่มีความจุ (CAPACITY) ของสัญญาณจำนวนมากได้

                   อนึ่งการที่เส้นใยแสงมีขนาดเล็ก น้ำหนักเบา ทำให้สามารถเพิ่มค่า SPACE FACTOR ของระยะห่างในการวางสายเคเบิ้ลให้สูงขึ้นได้ นอกจากวางสายและบำรุงรักษาได้ง่ายแล้วยังช่วยทำให้เกิดความประหยัดในข่ายสายการสื่อสารอีกด้วย นอกจากนี้จากคุณสมบัติ NON INDUCTION การไม่เหนี่ยวนำของเส้นใยแสง ทำให้ไม่ต้องแยก เส้นใยแสงออกห่างจากอุปกรณ์ที่ทำให้เกิดการเหนี่ยวนำทางแม่เหล็กไฟฟ้าเป็นระยะทางมากๆ ยิ่งกว่านั้นยังให้ความปลอดภัยแก่ผู้ปฏิบัติงาน และมีเสถียรภาพ (STABILITY)