หลักการสื่อสารด้วยใยแก้วนำแสง
เทคนิคการสื่อสารดิจิทัลที่กล่าวถึงจนถึงขณะนี้ได้นำไปสู่ความก้าวหน้าในการศึกษาการสื่อสารด้วยแสงและดาวเทียม ให้เราดูที่พวกเขา
ใยแก้วนำแสง
ใยแก้วนำแสงสามารถเข้าใจได้ว่าเป็นท่อนำคลื่นอิเล็กทริกซึ่งทำงานที่ความถี่แสง อุปกรณ์หรือท่อถ้างอหรือถ้ายุติเพื่อแผ่พลังงานเรียกว่ากwaveguideโดยทั่วไป ภาพต่อไปนี้แสดงสายเคเบิลใยแก้วนำแสงจำนวนมาก
พลังงานแม่เหล็กไฟฟ้าเดินทางผ่านในรูปของแสง การแพร่กระจายของแสงตามท่อนำคลื่นสามารถอธิบายได้ในรูปของชุดของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้านำทางที่เรียกว่าmodes ของท่อนำคลื่น
หลักการทำงาน
พารามิเตอร์ทางแสงพื้นฐานที่เราควรมีความคิดในขณะที่ศึกษาไฟเบอร์ออปติกคือ Refractive index. ตามคำจำกัดความ“ อัตราส่วนของความเร็วแสงในสุญญากาศต่อสิ่งนั้นในสสารคือดัชนีการหักเหของแสงnของวัสดุ” แสดงเป็น -
$$ n = \ frac {c} {v} $$
ที่ไหน
c= ความเร็วแสงในพื้นที่ว่าง = 3 × 10 8 ม. / วินาที
v = ความเร็วของแสงในวัสดุที่เป็นไฟฟ้าหรือไม่นำไฟฟ้า
โดยทั่วไปสำหรับแสงเดินทาง reflectionจะเกิดขึ้นเมื่อ n 2 <n 1 การโค้งงอของแสงที่อินเทอร์เฟซเป็นผลมาจากความแตกต่างของความเร็วแสงในวัสดุสองชนิดที่มีดัชนีหักเหต่างกัน ความสัมพันธ์ระหว่างมุมเหล่านี้ที่อินเทอร์เฟซสามารถเรียกได้ว่าเป็นSnell’s law. แสดงเป็น -
$$ n_1sin \ phi _1 = n_2sin \ phi _2 $$
ที่ไหน
$ \ phi _1 $ คือมุมตกกระทบ
$ \ phi _2 $ คือมุมหักเห
n 1และ n 2เป็นดัชนีหักเหของวัสดุสองชนิด
สำหรับวัสดุที่มีความหนาแน่นทางแสงถ้าการสะท้อนเกิดขึ้นภายในวัสดุเดียวกันปรากฏการณ์ดังกล่าวจะเรียกว่าเป็น internal reflection. มุมตกกระทบและมุมหักเหแสดงดังรูปต่อไปนี้
ถ้ามุมตกกระทบ $ \ phi _1 $ มากกว่ามากมุมหักเห $ \ phi _2 $ ที่จุดหนึ่งจะกลายเป็นΠ / 2 ไม่สามารถหักเหต่อไปได้นอกเหนือจากจุดนี้ ดังนั้นจุดดังกล่าวจึงเรียกว่าCritical angle $\phi _c$. เมื่อมุมตกกระทบ $ \ phi _1 $ มากกว่ามุมวิกฤตเงื่อนไขสำหรับtotal internal reflection พอใจ
รูปต่อไปนี้แสดงเงื่อนไขเหล่านี้อย่างชัดเจน
แสงหากผ่านเข้าไปในแก้วในสภาพเช่นนี้มันจะสะท้อนกลับเข้าไปในแก้วโดยสิ้นเชิงโดยไม่มีแสงเล็ดลอดออกมาจากพื้นผิวของแก้ว
ชิ้นส่วนของไฟเบอร์
ใยแก้วนำแสงที่ใช้กันมากที่สุดคือ single solid di-electric cylinder ของรัศมี aและดัชนีการหักเห n 1 . รูปต่อไปนี้อธิบายถึงชิ้นส่วนของใยแก้วนำแสง
กระบอกนี้เรียกว่า Coreของเส้นใย วัสดุไฟฟ้าแบบทึบล้อมรอบแกนซึ่งเรียกว่าCladding. Cladding มีดัชนีหักเห n 2ซึ่งน้อยกว่า n 1
การหุ้มช่วยใน -
- ลดการสูญเสียที่กระจัดกระจาย
- เพิ่มความแข็งแรงเชิงกลให้กับเส้นใย
- ปกป้องแกนกลางจากการดูดซับสิ่งปนเปื้อนบนพื้นผิวที่ไม่ต้องการ
ประเภทของเส้นใยแสง
ขึ้นอยู่กับองค์ประกอบวัสดุของแกนมีเส้นใยสองประเภทที่ใช้กันทั่วไป พวกเขาคือ -
Step-index fiber - ดัชนีหักเหของแกนกลางมีความสม่ำเสมอและมีการเปลี่ยนแปลงอย่างกะทันหัน (หรือขั้นตอน) ที่ขอบเขตหุ้ม
Graded-index fiber - ดัชนีการหักเหของแกนกลางถูกสร้างขึ้นให้แตกต่างกันไปตามฟังก์ชันของระยะรัศมีจากศูนย์กลางของเส้นใย
ทั้งสองอย่างนี้แบ่งออกเป็น -
Single-mode fiber - เหล่านี้ตื่นเต้นกับเลเซอร์
Multi-mode fiber - ตื่นเต้นกับ LED
การสื่อสารด้วยใยแก้วนำแสง
ระบบการสื่อสารของไฟเบอร์ออปติกนั้นเข้าใจได้ดีโดยการศึกษาชิ้นส่วนและส่วนต่างๆของมัน องค์ประกอบหลักของระบบสื่อสารใยแก้วนำแสงแสดงดังรูปต่อไปนี้
ส่วนประกอบพื้นฐาน ได้แก่ เครื่องส่งสัญญาณแสงใยแก้วนำแสงและตัวรับสัญญาณตรวจจับภาพถ่าย องค์ประกอบเพิ่มเติมเช่นตัวต่อไฟเบอร์และสายเคเบิลและคอนเนคเตอร์รีเจนเนอเรเตอร์ตัวแยกลำแสงและแอมพลิฟายเออร์ออปติคอลถูกนำมาใช้เพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพของระบบการสื่อสาร
ข้อดีของการทำงาน
ข้อดีของเส้นใยแก้วนำแสงคือ -
แบนด์วิดท์การส่งของสายไฟเบอร์ออปติกสูงกว่าสายโลหะ
ปริมาณการรับส่งข้อมูลสูงกว่าในสายไฟเบอร์ออปติก
การสูญเสียพลังงานต่ำมากและเป็นประโยชน์ในการส่งสัญญาณทางไกล
สายไฟเบอร์ออปติกให้ความปลอดภัยสูงและไม่สามารถเคาะได้
สายไฟเบอร์ออปติกเป็นวิธีที่ปลอดภัยที่สุดสำหรับการรับส่งข้อมูล
สายไฟเบอร์ออปติกมีภูมิคุ้มกันต่อการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า
สิ่งเหล่านี้ไม่ได้รับผลกระทบจากเสียงไฟฟ้า
ข้อดีทางกายภาพ
ข้อดีทางกายภาพของสายไฟเบอร์ออปติกคือ -
ความจุของสายเคเบิลเหล่านี้สูงกว่าสายลวดทองแดงมาก
แม้ว่าความจุจะสูงขึ้น แต่ขนาดของสายก็ไม่ได้เพิ่มขึ้นเหมือนในระบบสายทองแดง
พื้นที่ว่างที่ใช้โดยสายเคเบิลเหล่านี้น้อยกว่ามาก
น้ำหนักของสาย FOC เหล่านี้เบากว่าสายทองแดงมาก
เนื่องจากสายเคเบิลเหล่านี้เป็นแบบไฟฟ้าจึงไม่มีอันตรายจากประกายไฟ
สายเหล่านี้ทนต่อการกัดกร่อนได้ดีกว่าสายทองแดงเนื่องจากงอได้ง่ายและมีความยืดหยุ่น
วัตถุดิบในการผลิตสายไฟเบอร์ออปติกคือแก้วซึ่งมีราคาถูกกว่าทองแดง
สายไฟเบอร์ออปติกมีอายุการใช้งานยาวนานกว่าสายทองแดง
ข้อเสีย
แม้ว่าไฟเบอร์ออปติกจะมีข้อดีหลายประการ แต่ก็มีข้อเสียดังต่อไปนี้ -
แม้ว่าสายไฟเบอร์ออปติกจะมีอายุการใช้งานนานกว่า แต่ค่าใช้จ่ายในการติดตั้งก็สูง
จำนวนขาประจำจะต้องเพิ่มขึ้นตามระยะทาง
พวกมันเปราะบางหากไม่ได้อยู่ในปลอกพลาสติก ดังนั้นจึงจำเป็นต้องมีการป้องกันมากกว่าทองแดง
การใช้งานไฟเบอร์ออปติก
เส้นใยนำแสงมีการใช้งานมากมาย บางส่วนมีดังนี้ -
ใช้ในระบบโทรศัพท์
ใช้ในเครือข่ายเคเบิลใต้ทะเล
ใช้ในดาต้าลิงค์สำหรับเครือข่ายคอมพิวเตอร์ CATV Systems
ใช้ในกล้องวงจรปิด CCTV
ใช้สำหรับเชื่อมต่อดับเพลิงตำรวจและบริการฉุกเฉินอื่น ๆ
ใช้ในโรงพยาบาลโรงเรียนและระบบการจัดการจราจร
มีการใช้งานในอุตสาหกรรมมากมายและยังใช้ในงานก่อสร้างที่มีน้ำหนักมาก