โครงสร้างของใยแก้วนำแสง
หลักการเบื้องต้นและโครงสร้างพื้นฐานของระบบสื่อสารด้วยเส้นใยนำแสงประกอบด้วย ตัวแปลงสัญญาณไฟฟ้าเป็นสัญญาณแสง (E/O) ซึ่งทำหน้าที่เปลี่ยนสัญญาณข้อมูลทางไฟฟ้า ตัวอย่างเช่น สัญญาณเสียงมนุษย์ สัญญาณเสียงเพลง สัญญาณวิทยุ หรือสัญญาณภาพไปเป็นสัญญาณแสง เพื่อป้อนเข้าไปในเส้นใยนำแสงเพื่อส่งต่อไปยังปลายทาง และตัวแปลงสัญญาณแสงเป็นสัญญาณข้อมูลทางไฟฟ้า (O/E) จะทำหน้าที่เปลี่ยนสัญญาณแสงที่เดินทางออกมาจากเส้นใยนำแสงกลับมาเป็นสัญญาณข้อมูลทางไฟฟ้า เพื่อนำไปใช้งานต่อไป โดยโครงสร้างสำคัญของเส้นใยนำแสงมีอยู่สองส่วน คือ คอร์ (core)และแคลดดิ้ง (cladding) และแบ่งชนิดของเส้นใยนำแสงได้โดยพิจารณาจากโครงสร้างค่าดัชนีของตัวไฟเบอร์หรือเส้นใยนำแสงเองและโหมดการเดินทางของแสง เส้นใยนำแสงถูกนำมาประยุกต์ใช้งานในด้านต่างๆ ได้แก่ ด้านการแพทย์ ด้านเครื่องมือวัดและตัวตรวจวัด(sensor)และด้านเครือข่ายโทรคมนาคม
สายใยแก้วนำแสงจะประกอบด้วยใยแก้วที่ทำมาจากแก้วซึ่งมีความบริสุทธิ์สูงมาก เส้นใยแก้วนำแสงมีลักษณะเป็นเส้นยาวขนาดเล็ก มีขนาดประมาณเส้นผมของมนุษย์เรา เส้นใยแก้วนำแสงที่ดีต้องสามารถนำสัญญาณแสงจากจุดหนึ่งไปยังอีกจุดหนึ่งได้ โดยมีการสูญเสียของสัญญาณแสงน้อยมาก หรือบางทีก็ใช้พลาสติกอยู่ตรงกลางของสาย และใช้ใยแก้วอีกชนิดหนึ่งเป็น ตัวหุ้ม (cladding) และ หุ้มด้วยฉนวนในชั้นนอกสุด ซึ่งใยแก้วชั้นนอกจะทำหน้าที่เหมือนกระจกที่สะท้อนสัญญาณแสงให้สะท้อนไปมา ภายในใยแก้วที่เป็นแกนกลางจากจุดเริ่มต้นจนถึงจุดปลายทาง สายใยแก้วจะมีแบนด์วิธที่กว้างมาก ทำให้สามารถส่งข้อมูลปริมาณมากได้ด้วยความเร็วสูงความเร็วในการส่งข้อมูล 1 Gbps ระยะทางในการส่งข้อมูล 20-30 mile(1ไมล์=1.609344) หรือประมาณ 1.61 กิโลเมตร เส้นใยแก้วนำแสงรองรับความถี่สัญญาณได้หลายร้อยเมกะเฮิรตซ์ และยังใช้ได้กับความยาวถึง 2000 เมตร
ความสามารถในการรับส่งข้อมูลข่าวสาร
เส้น ใยแก้วนำแสงที่เป็นแท่งแก้วขนเหล็ก มีการโค้งงอได้ ขนาดเส้นผ่าศูนย์กลางที่ใช้กันมากคือ 62.5/125 ไมโครเมตร เส้นใยแก้วนำแสงขนาดนี้เป็นสายที่นำมาใช้ภายในอาคารทั่วไป เมื่อใช้กับคลื่นแสงความยาวคลื่น 850 นาโนเมตร จะส่งสัญญาณได้มากกว่า 160 เมกะเฮิรตซ์ ที่ความยาว 1 กิโลเมตร แล้วถ้าใช้ความยาวคลื่น 1300 นาโนเมตร จะส่งสัญญาณได้กว่า 500 นาโนเมตร ที่ความยาว 1 กิโลเมตร และถ้าลดความยาวเหลือ 100 เมตร จะใช้กับความถี่สัญญาณมากกว่า 1 กิกะเฮิรตซ์ ดังนั้นจึงดีกว่าสายยูทีพีแบบแคต 5 ที่ใช้กับสัญญาณได้ 100 เมกะเฮิรตซ์
ใน ปัจจุบันได้มีการพัฒนาเส้นใยแก้วนำแสง ที่ทำมาจากพลาสติกเพื่องานบางอย่างที่ไม่คำนึงถึงการสูญเสียสัญญาณมากนัก เช่น การสื่อสารในระยะทางสั้น ๆ ไม่กี่เมตร
การสร้างเส้นใยแสงจากแท่งแก้วพรีฟอร์ม
การสร้างเส้นใยแสงจากแท่งแก้วพรีฟอร์ม มีขั้นตอนในการสร้างเริ่มต้นด้วยการนำสารที่จะใช้ในการสร้างเส้นใยแสงมาผ่านกระบวนการสร้างแท่งแก้วที่มีความโปร่งใสและความบริสุทธิ์สูง (Vapor phase depostion) จากนั้นจึงนำแท่งแก้วที่ได้มาให้ความร้อนเพื่อทำให้บริเวณปลายของแท่งแก้ว เกิดการยุบตัวกลายเป็นแท่งแก้วพรีฟอร์ม และนำแท่งแก้วพรีฟอร์มที่ได้มาทำการดึงเป็นเส้นใยแสงต่อไป โดยแท่ง แก้ว
พรีฟอร์มที่สร้างได้นั้นจะมีความยาวประมาณ 60 ถึง 120 เซนติเมตร และมีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 10 ถึง 25 มิลลิเมตร
สำหรับวิธีการดึงแท่งแก้วพรีฟอร์มเพื่อทำให้เป็นเส้นใยแสง โดยปลายด้านที่ยุบตัวของแท่งแก้ว
พรีฟอร์มจะอยู่ภายในเตาหลอม (Drawing furnace) และถูกดึงเป็นเส้นใยแสง ซึ่งการทำงานต่าง ๆ จะควบคุมอัตโนมัติ ไม่ว่าจะเป็นความเร็วในการดึงหรือขนาดของเส้นใยแสง จากนั้นเส้นใยแสงจะถูกหุ้มด้วยวัสดุที่มีความยืดหยุ่นเพื่อป้องกันการปนเปื้อนจากฝุ่นและไอน้ำก่อนที่จะทำการม้วนเก็บ สำหรับวิธีการสร้างแท่งแก้วพรีฟอร์มมีอยู่ด้วยกัน 4 วิธี ได้แก่
- Outside Vapor Phase Oxidation (OVPO)
- Vapor phase Axial Deposition (VAD)
- Modified Chemical Vapor Deposition (MCVD)
- Plasma - activated Chemical Vapor Deposition Process (PCVD)
รูปที่ 2.1 แผนผังการสร้างเส้นใยแก้วนำแสงจากแท่งแก้วพรีฟอร์ม
วิธีการ Outside Vapor Phase Oxidation (OVPO)
การสร้างแท่งแก้วพรีฟอร์มด้วยวิธีการ OVPO เป็นวิธีแรกที่ใช้สร้างเส้นใยแสงที่มีการสูญเสียต่ำกว่า 20 dBkm โดยขั้นตอนในการสร้างชั้นของแก้ว (SiO )บนแท่งกราไฟต์ หรือเซรามิคซึงหมุนรอบตัวเองอนุภาคของแก้วจะถูกปล่อยออกมาจากเตาให้ความร้อนซึ่งมีการเคลื่อนที่ไปมาเหนือแท่งกราไฟล์ ทำให้เกิดการตกผลึก (Deposition) โดยจะสร้างชั้นของแก้วประมาณ 200 ชั้น และต้องมีการควบคุมค่าดัชนีการหักเหของ core และ clad ของแท่งแก้วให้เหมาะสมเมื่อสร้างชั้นแก้วเสร็จเรียบร้อยแล้ว แท่งกราไฟล์จะถูกดึงออกไป แล้วนำแท่งแก้วดังกล่าวไปทำให้มีความบริสุทธิ์และใสขึ้น ด้วยการให้ความร้อนที่สูงกว่า 1400 องศาเซลเซียส ในห้องที่มีบรรยากาศแห้ง จากนั้นจะนำแท่งแก้วพรีฟอร์มที่บริสุทธิ์ ไปทำการดึงเป็นเส้นใยแสงตามวิธีการ ซึ่งในขั้นตอนนี้เราจะควบคุมค่าดัชนีการหักเหของเส้นใยแสงได้ด้วย การควบคุมความร้อนของแก๊สที่ให้แก่แท่งแก้วพรีฟอร์มความบริสุทธิ์ของเส้นใยแสงที่สร้างด้วยวิธี OVPO นี้ จะขึ้นอยู่กับความบริสุทธิ์ของสารที่ป้อนเข้ามาและปริมาณการเจือปนของไอน้ำ ซึ่งเกิดขึ้นในขั้นตอนการสร้างชั้นแก้วเนื่องจากเป็นระบบเปิด นอกจากนี้การใช้แท่งกราไฟล์เป็นแกนกลางในการสร้างแท่งแก้วจะทำให้เกิดความยุ่งยากในการสร้างแท่งแก้วพรีฟอร์ม เนื่องจากในการดึงแท่งกราไฟล์ออกอาจทำให้เกิดรอยแตกขึ้นที่ผิวภายในของแท่งแก้วได้ และการมีรูตรงกลางของแท่งแก้วก็จะทำให้การควบคุมลักษณะการเปลี่ยนแปลงของดัชนีการหักเห (Refractive index profile) ทำได้ยากด้วย ส่วนปริมาณการผลิตที่ได้จากวิธี OVPO นี้ก็มีจำนวนจำกัดทำให้ปัจจุบันวิธี OVPO ไม่เป็นที่นิยม
รูปที่ 2.2 วิธี Vapor phase Axial Deposition (VAD)
วิธี Vapor phase Axial Deposition (VAD)
จะเป็นวิธีที่คล้ายกับ OVPO ต่างกันตรงที่การสร้างแท่งแก้วพรีฟอร์ม จะทำในแนวตั้ง และเป็นระบบที่มีความต่อเนื่องกล่าวคือ สามารถที่จะสร้างเส้นใยแสงได้เลยหลังจากที่สร้างแท่ง แก้วพรีฟอร์มโดยการดึงจากด้านบนของระบบส่วนการสร้างแท่งแก้วแบบพรีฟอร์มจะทำได้โดยการปล่อยอนุภาคของแก้วออกมาที่ด้านล่าง โดยมีการหมุนแท่งแก้วรอบตัวเองเพื่อให้เกิดความสมมาตรของรูปทรงกระบอก ส่วนที่ด้านบนของระบบจะมีอุปกรณ์ให้ความร้อน (Ring heater) ซึ่งให้ความร้อนประมาณ 1500 องศาเซลเซียล เพื่อทำให้แก้วมีความใสขึ้นก่อนที่จะทำการดึงเป็นเส้นใยแสงวิธี VAD นี้สามารถที่จะสร้างเส้นใยแสงซึ่งมีความยาวประมาณ 100 กิโลเมตร โดยเมื่อเปรียบเทียบกับวิธี OVPO แล้ววิธี VAD จะใช้ต้นทุนในการผลิตที่ถูกกว่าและแท่งแก้วพรีฟอร์มที่ได้ก็มีความบริสุทธิ์มากกว่า เนื่องจากเป็นระบบที่ปิดทำให้สามารถควบคุมสภาพแวดล้อมได้ดีกว่า แต่ระบบดังกล่าวนี้ก็ยังคงมีปัญหาเรื่องไอน้ำอยู่ โดยเส้นใยแสงที่สร้างจากวิธี VAD นี้จะมีค่าลดทอนสัญญาณแสงต่ำสุดอยู่ในช่วง 0.7 ถึง 2 dBkm-1 ที่มีความยาวคลื่น 1181 nm
รูปที่ 2.3 วิธี Modified Chemical Vapor Deposition (MCVD)
วิธี Modified Chemical Vapor Deposition (MCVD)
การสร้างเส้นใยแสงวิธีนี้ประยุกต์มาจากวิธีการ CVD ซึ่งในการสร้างแผนฟิล์ม SIO บนแผ่นซิลิกอนในการผลิตอุปกรณ์สาร กึ่งตัวนำและวงจรรวม โดยความร่วมมือกันพัฒนาระหว่างห้องทดลองของบริษัท Bell Telephone กับมหาวิทยาลัยเซาต์แทมตัน ประเทศอังกฤษ วิธี MCVD เป็นระบบปิดชนิดเดียวกับวิธี VAD โดยแท่งแก้วพรีฟอร์มจะถูกสร้างขึ้นภายในหลอดแก้วซิลิก้า ซึ่งวิธีการนี้อาจเรียกอีกอย่างหนึ่งว่า "Inside Vapor Phase Oxidation (IVPO)" เพราะเป็นวิธีการสร้างแบบ Vapor Phase Oxidation ซึ่งแท่งแก้วถูกสร้างขึ้นภายในหลอดแก้ว ส่วนของหลอดแก้วซิลิก้านั้นอาจนำมาเป็นส่วนประกอบของ clad ก็ได้ แต่โดยทั่วไปแล้วจะมีไว้เพื่อความแข็งแรงทางโครงสร้างของแท่งแก้วพรีฟอร์มสำหรับความร้อนที่ใช้ในขั้นตอนการสร้างแท่งแก้วจะเกิดจากเปลวไฟของออกซิเจนและไฮโดรเจนซึ่งมีค่าประมาณ 1400 C ถึง 1600 C โดยอุปกรณ์ให้ความร้อนจะเคลื่อนที่ไปตามแนวยาของหลอดแก้วทำให้เกิดปฏิกริยาออกซิเดชั่น ขึ้นภายใน ทำให้อนุภาคของแก้วตกลงบนผนังของหลอดแก้วและเกิดเป็นแผ่นฟิล์มขึ้น ซึ่งแก้วส่วนนี้ก็จะเป็นส่วนของ clad ในการสร้างเส้นใยแสง และยังช่วยลดการแพร่กระจายของน้ำจากหลอดแก้วด้วย โดยแผ่นฟิล์มที่สร้างขึ้นนี้จะมีความหนาประมาณ 10 mm และมีการรักษารูปทรงและความสม่ำเสมอของแท่งแก้วโดยการหมุนหลอดแก้ว เมื่อได้ความหนาตามต้องการแล้วก็จะเติมสารที่ใช้สำหรับสร้าง core ซึ่งได้แก่ ไอคลอไรด์ของเยอรมันเนียม ( Vaporized chlorides of germanium : GeCl 4 ) หรือของฟอสฟอรัส ( POCl 3 )เมื่อได้ความหนาของ core ตามต้องการแล้วก็จะเพิ่มความร้อนที่ให้เป็น 1700 C ถึง 1900 C เพื่อให้เกิดการยุบตัวบริเวณปลายแท่งแก้ว ทำให้ได้แท่งแก้วพรีฟอร์ม จากนั้นจึงนำแท่งแก้วดังกล่าวมาดึงเป็นเส้นใยแสงที่อุณหภูมิประมาณ 2000 องศาเซลเซียส ถึง 2200 องศาเซลเซียส
วิธีการนี้เป็นที่นิยมใช้อย่างกว้างขวางในปัจจุบันเนื่องจากเป็นวิธีที่สามารถสร้างเส้นใยแสงที่มีการสูญเสียต่ำที่สุด เพราะสามารถลดการสูญเสียที่เกิดจากไอน้ำและเป็นระบบปิดที่ทำให้สามารถควบคุมสภาวะแวดล้อมในการสร้างได้ และถึงแม้ว่าวิธี MCVD นี้จะไม่ใช่ระบบที่ต่อเนื่องเหมือนวิธี VAD แต่เนื่องจากเป็นวิธีที่เหมาะสมในการผลิตเส้นใยแสงได้ยาวถึง 200 กิโลเมตร โดยสามารถสร้างเส้นใยแสงโมดเดียวที่โด๊ปด้วย GeO2 ซึ่งมีการสูญเสียที่ต่ำสุดที่ 0.2 dBkm -1 ที่มีความยาวคลื่น 1.55 และยังสามารถสร้างเส้นใยแสงแบบ Multimode graded index ซึ่งใช้สารเยอรมันเนียมหรือฟอสฟอรัสที่มีค่าการสูญเสียใกล้กับค่าการสูญเสียทางทฤษฎีของสารดังกล่าว คือ 2.8 dBkm -1, 0.45 dBkm-1 และ0.35 dBkm -1ที่มีความยาวคลื่น 820 nm , 1300 nm และ 1500 nm ตามลำดับ
รูปที่ 2.4 วิธี Plasma - activated Chemical Vapor Deposition Process (PCVD)
วิธี Plasma - activated Chemical Vapor Deposition Process (PCVD)
วิธีการนี้จะคล้ายกับวิธี MCVD ต่างกันตรงขั้นตอนในการสร้างชั้นแก้วซึ่งวิธี PCVD จะใช้คลื่นไมโครเวฟความถี่ 2.45 GHz ทำให้เกิดพลาสมาไปกระตุ้นปฏิกริยาเคมีภายในหลอดแก้ว โดยใช้อุณหภูมิประมาณ 1000 องศาเซลเซียส ภายใต้ความดันต่ำ วิธีการสร้างแท่งแก้วพรีฟอร์มด้วยวิธี PCVD ซึ่งตัวกำเนิดความถี่ไมโครเวฟจะเคลื่อนที่ไปมาตามแนว นอนของหลอดแก้ว โดยไม่ต้องมีการหมุนของหลอดแก้วเหมือนวิธี MCVD วิธีการนี้จะทำให้ได้ฟิล์มของแก้วที่มีความบางมากและสามารถสร้างได้ถึง 2000 ชั้น จึงเหมาะกับการสร้างเส้นใยแสงที่มีดัชนีการหักเหแบบ graded index ที่ต้องการ ให้มีการสูญเสียสัญญาณจากการขยายกว้างออกและการลดทอนต่ำ
