Fiber Optic คืออะไร สายไฟเบอร์ออฟติก, สายใยแก้วนําแสง มีประโยชน์อย่างไร

Fiber Optic หรือ สายใยแก้วนำแสง คือ สายนำสัญญาณข้อมูลประสิทธิภาพสูง ซึ่งทำจากใยแก้วหรือพลาสติกโปร่งแสงเส้นบางๆ ใช้เป็นตัวกลางในการรับส่งข้อมูล แทนที่สายชนิดเก่าที่ทำจากตัวนำชนิดทองแดงซึ่งมีราคาสูง

Fiber Optic คืออะไร?

Fiber Optic หรือ สายใยแก้วนำแสง คือ สายนำสัญญาณข้อมูลประสิทธิภาพสูง ซึ่งทำจากใยแก้วหรือพลาสติกโปร่งแสงเส้นบางๆ ใช้เป็นตัวกลางในการรับส่งข้อมูล แทนที่สายชนิดเก่าที่ทำจากตัวนำชนิดทองแดงซึ่งมีราคาสูง

หลักการทำงานคือแปลงสัญญาณไฟฟ้าให้เป็นสัญญาณแสง แล้วส่งผ่านสายเส้นใยแก้ว (Fiber Optic Cable) โดยอาศัยหลักการสะท้อนกลับหมดของแสง และเมื่อแสงเดินทางถึงอุปกรณ์รับสัญญาณปลายทาง จึงแปลงกลับมาเป็นสัญญาณไฟฟ้า

เส้นใยแก้วนำแสงเหล่านี้ มีขนาดประมาณเส้นผมของมนุษย์ มีน้ำหนักเบา ผลิตด้วยสารที่ไม่เป็นตัวนำไฟฟ้า เช่น แก้วหรือพลาสติก ออกแบบมาเพื่อส่งสัญญาณแสงในระยะทางไกลด้วยความเร็วสูง (เกือบเท่าความเร็วแสง) และมีอายุการใช้งานที่ยาวนาน

สายเคเบิลไฟเบอร์ออฟติกมีข้อดีเหนือสายเคเบิลทองแดงแบบดั้งเดิมอยู่หลายประการ เช่น Bandwidth ที่สูงกว่า, ส่งข้อมูลเร็วขึ้น, มีระยะการส่งข้อมูลที่ไกลขึ้น (สามารถเดินสายได้ระยะทางถึง 20 กิโลเมตร ซึ่งไกลกว่าสายแลนถึง 200 เท่า), มีความเสถียร, มีค่าสูญเสียของสัญญาณ (ค่า loss) ที่ต่ำมาก และเนื่องจากแสงเป็นตัวนำส่งข้อมูล จึงทำให้สัญญาณแม่เหล็กไฟฟ้าภายนอกไม่สามารถรบกวนความชัดเจนของข้อมูลได้

ส่วนประกอบของสายไฟเบอร์ออฟติก (Fiber Optic Cable)

โดยทั่วไป สายไฟเบอร์ออฟติก (Fiber Optic Cable) หรือเส้นใยแก้วนำแสง จะแบ่งชั้นของแก้วแยกออกเป็น 2 ส่วน คือ

1. แก้วแกนกลาง (Core) เป็นส่วนที่แสงเดินทางผ่าน มีหน้าที่ลำเลียงสัญญาณแสงเพื่อรับส่งข้อมูล
2. ส่วนห่อหุ้ม (Cladding) มีหน้าที่เป็นท่อนำแสง สร้างแนวทางการเคลื่อนที่ของแสงเพื่อให้แสงเดินทางเฉพาะภายในแกน และป้องกันไม่ให้แสงวิ่งออกจากแกนแม้สายจะโค้งงอตามจุดติดตั้ง

โดยสายไฟเบอร์ออฟติกจะบรรจุอยู่ในท่อเคลือบ (Coating) ซึ่งเป็นพลาสติก ทำหน้าที่ป้องกันแรงกระแทก ปกป้องไม่ให้เกิดความเสียหาย รวมถึงป้องกันแสงจากภายนอก และทำให้เส้นใยแก้วยืดหยุ่น

สายออปติคเคเบิล 1 เส้น จะประกอบด้วยไปใยแก้วนำแสงตั้งแต่ 2 Core ขึ้นไป แต่ละเส้นจะเคลือบสีซิลิโคนที่แตกต่างกัน เพื่อบอกให้รู้ว่าเส้นไหนเป็นเส้นไหน ต้นทางปลายทางจะได้ต่อเป็นเส้นเดียวกันได้

โครงสร้างของเส้นใยแสงประกอบด้วยส่วนที่แสงเดินทางผ่านเรียกว่า CORE และส่วนที่หุ้ม CORE อยู่เรียกว่า CLAD ทั้ง CORE และ CLAD เป็น DIELECTRIC ใส 2 ชนิด (DIELECTRIC หมายถึงสารที่ไม่เป็นตัวนำไฟฟ้า เช่น แก้ว พลาสติก)

โดยการทำให้ค่าดัชนีการหักเหของ CLAD มีค่าน้อยกว่าค่าดัชนีการหักเหของ COER เล็กน้อยประมาณ 0.2 ~3% และอาศัยปรากฎการณ์สะท้อนกลับหมดของแสง สามารถทำให้แสงที่ป้อนเข้าไปใน CORE เดินทางไปได้นอกจากนั้นเนื่องกล่าวกันว่าเส้นใยแสงมีขนาดเล็กมากขนาดเท่าเส้นผมนั้นหมายถึง ขนาดของเส้นผ่าศูนย์กลางด้านนอกของ CLAD ซึ่งมีขนาดประมาณ 0.1 ม.ม.

ส่วน CORE ที่แสงเดินทางผ่าน นั้นมีขนาดเล็กลงไปอีกคือประมาณหลาย um ~ หลายสิบ um (1 um=10-3mm) ซึ่งมีค่าหลายเท่าของความยาวคลื่นของแสงที่ใช้งาน ค่าต่างๆ เหล่านี้เป็นค่าที่กำหนดขึ้นจากคุณสมบัติการส่งและคุณสมบัติทางเมคานิกส์ที่ต้องการ เส้นใยแสงนอกจากมีคุณสมบัติการส่งดีเยี่ยมแล้วยังมีลักษณะเด่นอย่างอื่นอีกเช่น ขนาดเล็กน้ำหนักเบาอีกด้วย

Optical Fiber ประกอบขึ้นมาจากวัสดุที่เป็น

1. แก้ว (Glass Optical Fiber)

2. พลาสติก (Plastic Optical Fiber)

3. พลาสติกผสมแก้ว (Plastic Clad Silica ,PCS)

ชนิดของสายไฟเบอร์ออฟติก (Type of Fiber Optic Cable)

ขนาดของ Core จะมีผลต่อการลำเลียงสัญญาณแสง ดังนั้นจึงสามารถแบ่งชนิดของสายเคเบิลไฟเบอร์ออฟติกได้เป็น 2 แบบ คือ

สายเคเบิลใยแก้วนำแสงแบบ Single-mode (SM)

สายเคเบิลใยแก้วนำแสงแบบ SM มีขนาด 9/125  (เส้นผ่านศูนย์กลางของ Core ขนาด 9 ไมครอน และเส้นผ่านศูนย์กลางของ Cladding ขนาด 125 ไมครอน)

เนื่องจากแกน Core มีขนาดเล็กมาก ทำให้ลำแสงเดินทางค่อนข้างเป็นเส้นตรงและเป็นระเบียบ เกิดการสูญเสียน้อย ส่งผลให้สามารถส่งข้อมูลจำนวนมากๆ ได้อย่างรวดเร็วและไปได้ไกลเป็นหลายสิบกิโลเมตร

มีความเร็วในการส่งสัญญาณสูงสุดอยู่ที่ 2,500 ล้านบิทต่อวินาที ในระยะทางไม่เกิน 20 กิโลเมตร โดยการใช้งานจริงจะสามารถส่งข้อมูลได้ไกล 100 กิโลเมตร โดยความเร็วที่ได้นั้นจะไม่ต่ำกว่า 1,000 ล้านบิทต่อวินาที ความยาวคลื่นแสงที่ใช้ในการส่งข้อมูลจะส่งในช่วง 1300 นาโนเมตร (nm) หรือ 1500 นาโนเมตร (nm)

ด้วยข้อดีดังกล่าว จึงนิยมนำมาใช้เป็นโครงข่ายสัญญาณในการสื่อสารทางไกล เพื่อเชื่อมต่อระหว่างสถานีหลักของระบบสื่อสารระหว่างจังหวัดหรือระหว่างภาค

มาตรฐานการเดินสายสากล ISO / IEC 11801 สำหรับสายเคเบิลใยแก้วนำแสงแบบ Single-mode จะออกเป็น 2 มาตรฐาน คือ OS1 และ OS2

สายเคเบิลใยแก้วนำแสงแบบ Multi-mode (MM)

สำหรับสายเคเบิลใยแก้วนำแสงแบบ MM จะมีเส้นผ่านศูนย์กลางของ Core ขนาด 62.5 ไมครอนสำหรับมาตรฐาน OM1 และ 50 ไมครอนสำหรับมาตรฐาน OM2, OM3 และ OM4

ส่วนเส้นผ่านศูนย์กลางของ Cladding จะมีขนาด 125 ไมครอนเท่ากับแบบ SM

ความยาวคลื่นที่ใช้ส่งข้อมูลอยู่ที่ 850 นาโนเมตร หรือ 1300 นาโนเมตร

โดยสายเคเบิลใยแก้วนำแสงแบบ MM 1 เส้น จะมีเส้นใยแก้วขดรวมกันในท่อหลายเส้น เพื่อป้องกันการทับซ้อนของ Bandwidth

เนื่องจากแกน Core ที่มีขนาดใหญ่กว่า ทำให้แสงที่เดินทางผ่านตัวกลางมีการกระจัดกระจายมากกว่า เกิดการหักล้างกัน และมีการสูญเสียของแสง จึงส่งข้อมูลได้ไกลไม่เกิน 200 เมตร ความเร็วสูงสุด 100 ล้านบิทต่อวินาที ที่ความยาวคลื่น 850 นาโนเมตร ทำให้เหมาะสำหรับใช้ภายในอาคาร หรือระยะทางสั้นๆ เช่น เครือข่าย LAN เป็นต้น

อย่างไรก็ตาม สายเคเบิลใยแก้วนำแสงแบบ MM มีราคาที่ถูกกว่า (เนื่องจากแกน Core ขนาดใหญ่สามารถผลิตได้ง่ายกว่า) นอกจากนั้นยังสามารถรองรับโหมดแสงได้หลายโหมดอีกด้วย

นอกจากนี้ยังสามารถแบ่งตามลักษณะของการใช้งาน เป็นแบบ Indoor สำหรับใช้งานภายในอาคาร, แบบ Outdoor สำหรับใช้งานภายนอกอาคาร และแบบ Indoor/Outdoor (สำหรับกรณีที่จำเป็นต้องมีการเดินสายผ่านทั้งภายในและภายนอกอาคาร) โดยแต่ละชนิดจะมีท่อเคลือบ (Coating) ทำด้วยวัสดุที่แตกต่างกัน เพื่อให้เหมาะสมสำหรับการใช้งานในแต่ละประเภท

อุปกรณ์ส่งและรับแสงของสายใยแก้วนำแสง

ดังที่ได้กล่าวแล้วว่า หลักการทำงานของใยแก้วนำแสง คือการแปลงสัญญาณไฟฟ้าให้เป็นสัญญาณแสง จากนั้นแปลงกลับมาเป็นสัญญาณไฟฟ้าเมื่อแสงเดินทางถึงปลายทาง ดังนั้นสายเคเบิลไฟเบอร์ออฟติกจึงต้องทำงานร่วมกับอุปกรณ์อีกสองชนิด คือ

อุปกรณ์ Optical Transmitter

ทำหน้าที่เป็นแหล่งกำเนิดแสง (Light Source) โดยเปลี่ยนสัญญาณไฟฟ้าให้เป็นสัญญาณแสงที่ต้นทาง โดยรูปแบบของแหล่งกำเนิดแสงที่ใช้ จะมี 3 แบบด้วยกัน

• แหล่งกำเนิดแสงแบบเลเซอร์ (LASER) ใช้กับสายประเภท Single-mode สามารถรองรับ Bandwidth ได้มากที่สุด
• แบบไดโอดเปล่งแสง (LED) ใช้กับสายประเภท Multi-mode รองรับ Bandwidth ได้น้อยที่สุด
• แหล่งกำเนิดแสงแบบเลเซอร์ชนิดปล่อยพื้นผิวในแนวตั้ง (VCSEL) ใช้กับสายประเภท Multi-mode สามารถรองรับ Bandwidth ได้มากกว่าLED

อุปกรณ์ Optical Receiver

ทำหน้าที่เป็นตัวแยกสัญญาณแสง (Light Detector) ที่ปลายทาง โดยมีส่วนประกอบเป็น PIN-Photodiode เพื่อแยกสัญญาณหรือถอดรหัสสัญญาณแสงกลับมาเป็นสัญญาณไฟฟ้า

ไฟเบอร์ออฟติก (Fiber Optic) สามารถนำไปใช้อะไรได้บ้าง

ปัจจุบันมีการใช้งานไฟเบอร์ออฟติก (Fiber Optic) หรือใยแก้วนำแสง ทั้งในทางการแพทย์, ธุรกิจ, อุตสาหกรรม, ระบบสื่อสารโทรคมนาคม และในครัวเรือน กันอย่างแพร่หลาย เช่น การรับส่งข้อมูลในโครงข่ายคอมพิวเตอร์ (Network), ระบบ LAN, ระบบ Ethernet, การเชื่อมต่ออินเทอร์เน็ต, ช่วยเพิ่มคุณภาพการ Streaming สัญญาณภาพหรือวีดีโอ รวมถึงช่วยให้การรับส่งสัญญาณภาพจากกล้องวงจรปิดมีความชัดเจนและรวดเร็วยิ่งขึ้น

ทั้งยังช่วยให้ผู้ใช้งานมีความปลอดภัยและความเป็นส่วนตัวสูง เพราะมีการใช้แสงเป็นตัวนำข้อมูล ทำให้ยากในการโจรกรรมข้อมูลหรือดักฟัง เพราะหากจะขโมยข้อมูลจำเป็นต้องมีความชำนาญขั้นสูงและอุปกรณ์พิเศษเฉพาะซึ่งมีราคาสูงมาก

และเนื่องจากสายไฟเบอร์ออฟติกทำมาจากวัสดุที่เป็นฉนวนไฟฟ้า ทำให้ไม่นำกระแสไฟฟ้า ไม่เกิดการลัดวงจร และไม่มีการลามของไฟเมื่อเกิดเหตุอัคคีภัย จึงมีความปลอดภัยเป็นอย่างมากในด้านชีวิตและทรัพย์สิน

ด้านการแพทย์

ด้วยคุณสมบัติการนำภาพของเทคโนโลยีใยแก้วนำแสง จึงมีการนำมาใช้อย่างหลากหลายในเครื่องมือแพทย์และเครื่องมือทดสอบ อาทิ กล้องเอ็นโดสโคป (Endoscope) ซึ่งสามารถใช้ตรวจวินิจฉัยอวัยวะภายใน รวมถึงสามารถส่งแสงเลเซอร์พลังงานสูงเข้าไปตัดหรือทำลายเนื้องอกได้ ด้วยคุณสมบัติของเส้นใยแก้วนำแสงที่มีขนาดเล็กมาก จึงสามารถสอดเข้าไปในร่างกายของคนไข้ได้โดยไม่กระทบต่อเนื้อเยื่อหรืออวัยวะภายในอื่นๆ

นอกจากนี้ยังมีการประยุกต์ใช้เพื่อการรักษาโรคที่เกี่ยวข้องกับหัวใจที่มีปัญหาในการฟอกเลือด, การวิเคราะห์เนื้อเยื่อสมอง, การพิมพ์หินรังสีอัลตราไวโอเลต, การตรวจจับสเปกตรัมเพื่อการวินิจฉัยทางการแพทย์ อีกด้วย

ด้านอุตสาหกรรม

มีการประยุกต์ใช้ใยแก้วนำแสงมาใช้งานในเครื่องมือวัดและตัวตรวจวัดจับ โดยเฉพาะในโรงงานอุตสาหกรรม เช่น ในการตรวจนับชิ้นงานบนสายการผลิต, การคัดแยกผลิตภัณฑ์ภายในโรงงาน

และด้วยคุณสมบัติของสาย Fiber Optic ที่มีประสิทธิภาพในการรองรับและส่งต่อข้อมูลในระยะไกล ต้นทุนต่ำกว่าสายสัญญาณที่ทำจากตัวนำชนิดทองแดง จึงมีความเหมาะสมกับพื้นที่กว้างอย่างโรงงาน

ด้านเครือข่ายโทรคมนาคม

สายไฟเบอร์ออฟติกถือว่ามีส่วนช่วยพัฒนาระบบสื่อสารบนโลกเราเป็นอย่างมาก ไม่ว่าจะเป็นในด้านความเร็ว และความแม่นยำในการส่งข้อมูล นอกจากนี้ บนตึกสูงๆ สายไฟเบอร์ออฟติกยังถูกนำมาใช้เป็นสายรับส่งสัญญาณข้อมูลหลักของระบบเครือข่ายอีกด้วย

ปัจจุบันมีการนำเส้นใยแก้วนำแสงเข้าไปแทนที่สายนำสัญญาณประเภทโลหะ เพื่อเชื่อมโยงระหว่างชุมสายใหญ่กับชุมสายย่อย หรือระหว่างชุมสายย่อยด้วยกัน รวมไปถึงการกระจายสายสัญญาณจากชุมสายย่อยหรือตู้สาขาเข้าสู่ห้างร้านอาคารบ้านเรือน

ส่งผลให้ผู้ใช้งาน ทั้งที่เป็นภาคครัวเรือนและองค์กรธุรกิจ มีความสะดวกรวดเร็วในการใช้งานอินเตอร์เน็ต, การรับชมเคเบิลทีวี, การติดต่อสื่อสาร รวมถึงการดำเนินงานทางธุรกิจ เป็นการยกระดับคุณภาพชีวิตและเพิ่มศักยภาพทางการพาณิชย์ให้ดียิ่งขึ้น

นอกจากนี้ ยังมีการนำไฟเบอร์ออฟติกไปใช้ตรวจหาวัตถุใต้มหาสมุทร รวมถึงมีการประยุกต์ใช้งานอีกอันหนึ่งที่มีความน่าสนใจมาก ได้แก่ การทำผิวหนังอัจฉริยะ (Smart Skin) สำหรับใช้ในยานอวกาศหรือในเครื่องบินรบ โดยการนำเอาเส้นใยแก้วนำแสงไปติดตั้งรอบยานบิน เพื่อใช้ในการตรวจวัดอุณหภูมิและความดัน ซึ่งในอนาคตงานวิจัยผิวหนังอัจฉริยะนี้ อาจถูกนำมาใช้กับหุ่นยนต์เพื่อทำให้มีความรู้สึกสัมผัสคล้ายกับมนุษย์ก็เป็นได้

ด้วยความต้องการในการรับส่งข้อมูลในปริมาณมากและต้องการความเร็วสูงในยุค IoT (Internet of Things) ไฟเบอร์ออฟติกจึงเป็นตัวช่วยที่ดี มีประสิทธิภาพการนำส่งสัญญาณสูง มีความทนทานอายุการใช้งานยาวนาน หากไม่มีแรงมากระทำก็ไม่จำเป็นต้องบำรุงรักษาบ่อย ทำให้ต้นทุนการซ่อมบำรุงรักษาต่ำ และถึงแม้จะพิจารณารวมค่าติดตั้งอุปกรณ์ต่างๆ ก็ยังถือว่ามีราคาไม่สูง อีกทั้งราคาค่าอุปกรณ์และค่าบริการติดตั้งในปัจจุบันก็มีราคาที่ถูกลงมาก ถือได้ว่า Fiber Optic เป็นเทคโนโลยีที่คุ้มค่ากับการลงทุนใช้งานในระยะยาว

วิธีการทำสอบสายไฟเบอร์

เมื่อติดตั้งสายไฟเบอร์เสร็จเรียบร้อยแล้ว จำเป็นต้องทำการทดสอบสายก่อน เพื่อให้แน่ใจว่าสายเบอร์นั้นได้รับส่งข้อมูลได้ตามต้องการ ซึ่งการทดสอบด้านต่างๆ มีดังนี้

• การทดสอบด้านเมคานิก (Mechanical Tests)
• การทดสอบด้านกายภาพ (Geometrical Tests )
• การทดสอบเกี่ยวกับคุณสมบัติของสาย (Optical Tests)
• การทดสอบเกี่ยวกับการรับส่งสัญญาณ (Transmission Tests)

การสูญเสียของสัญญาณแสงในสาย Fiber Optic (LOSS)

การใช้งานสาย Fiber Optic ถึงแม้จะมีความปลอดภัยสูง แต่ก็ต้องมีการทดสอบหลังการติดตั้ง เพื่อตรวจสอบการสูญเสียค่าต่างๆ ด้วย เพื่อให้การใช้งานได้อย่างมีประสิทธิภาพสูงสุด

• ความสูญเสียพลังงาน (Power) ของ Fiber Optic ขึ้นอยู่กับ ความยาวคลื่นที่ใช้ ความยาวคลื่นยิ่งมากเท่าใด อัตราการสูญเสียของแสง จะน้อยลง
• สำหรับ Silica Glass นั้น ความยาวคลื่นสั้นที่สุด จะมีอัตราการสูญเสียมากที่สุด
• อัตราการสูญเสีย Power ที่น้อยที่สุด ได้แก่ ความยาวคลื่น 1550 nm
• หน่วยวัดที่แสดงการสูญเสียของ Power ได้แก่ Decibel (dB) โดยมีหน่วยคิดเป็น dB ต่อกิโลเมตร (dB/km)
• ค่านี้ ถูกนำมาคำนวณ โดยเอาความยาวทั้งหมดของสาย Fiber Optic คิดเป็น Km

สำหรับบริษัท/โรงงาน/องค์กรธุรกิจ/หรือครัวเรือน ที่กำลังพิจารณาจะนำเทคโนโลยี Fiber Optic มาใช้งาน สามารถติดต่อขอรายละเอียดเพิ่มเติมได้ที่ บริษัท โฟคอมม์ (ประเทศไทย) จำกัด

โทร : 02-973-1966

Admin : 063-239-3569

Email : info@focomm-cabling.com