การประดิษฐ์ของใยแก้วนำแสงได้ผลักดันการปฏิวัติในด้านการสื่อสาร หากไม่มีใยแก้วนำแสงที่จะให้ช่องทางความเร็วสูงที่มีความจุสูงอินเทอร์เน็ตสามารถอยู่ในขั้นตอนทางทฤษฎีเท่านั้น หากศตวรรษที่ 20 เป็นยุคของไฟฟ้าดังนั้นศตวรรษที่ 21 ก็คือยุคของแสง แสงบรรลุการสื่อสารอย่างไร? มาเรียนรู้ความรู้พื้นฐานเกี่ยวกับการสื่อสารด้วยแสงพร้อมกับบรรณาธิการด้านล่าง
ส่วนที่ 1. ความรู้พื้นฐานเกี่ยวกับการแพร่กระจายแสง
ทำความเข้าใจกับคลื่นแสง
คลื่นแสงเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจริงและในพื้นที่ว่างความยาวคลื่นและความถี่ของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจะเป็นสัดส่วนผกผัน ผลิตภัณฑ์ของทั้งสองเท่ากับความเร็วของแสงนั่นคือ:
จัดเรียงความยาวคลื่นหรือความถี่ของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเพื่อสร้างสเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้า ตามความยาวคลื่นหรือความถี่ที่แตกต่างกันคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าสามารถแบ่งออกเป็นภูมิภาครังสีภูมิภาคอุลตร้าไวโอเลตพื้นที่แสงที่มองเห็นได้ภูมิภาคอินฟราเรดภูมิภาคไมโครเวฟภูมิภาคคลื่นวิทยุและพื้นที่คลื่นยาว วงดนตรีที่ใช้สำหรับการสื่อสารส่วนใหญ่เป็นภูมิภาคอินฟราเรดภูมิภาคไมโครเวฟและภูมิภาคคลื่นวิทยุ ภาพต่อไปนี้จะช่วยให้คุณเข้าใจการแบ่งวงดนตรีการสื่อสารและสื่อการแพร่กระจายที่เกี่ยวข้องในไม่กี่นาที
ตัวเอกของบทความนี้“ การสื่อสารไฟเบอร์ออปติก” ใช้คลื่นแสงในวงอินฟราเรด เมื่อพูดถึงจุดนี้ผู้คนอาจสงสัยว่าทำไมต้องอยู่ในวงอินฟราเรด? ปัญหานี้เกี่ยวข้องกับการสูญเสียการส่งแสงของวัสดุใยแก้วนำแสงคือแก้วซิลิกา ต่อไปเราจำเป็นต้องเข้าใจว่าเส้นใยออปติคัลส่งแสงอย่างไร
การหักเหการสะท้อนและการสะท้อนแสงทั้งหมด
เมื่อแสงถูกปล่อยออกมาจากสารหนึ่งไปยังอีกสารหนึ่งการหักเหและการสะท้อนเกิดขึ้นที่ส่วนต่อประสานระหว่างสารทั้งสองและมุมของการหักเหจะเพิ่มขึ้นตามมุมของแสงเหตุการณ์ ดังแสดงในรูป①→② เมื่อมุมเหตุการณ์ถึงหรือเกินมุมที่แน่นอนแสงหักเหก็จะหายไปและแสงเหตุการณ์ทั้งหมดจะสะท้อนกลับซึ่งเป็นภาพสะท้อนทั้งหมดของแสงดังแสดงใน②→③ในรูปต่อไปนี้
วัสดุที่แตกต่างกันมีดัชนีการหักเหที่แตกต่างกันดังนั้นความเร็วของการแพร่กระจายแสงจะแตกต่างกันไปในสื่อที่แตกต่างกัน ดัชนีการหักเหของแสงถูกแสดงโดย n, n = c/v โดยที่ c คือความเร็วในสูญญากาศและ V คือความเร็วในการแพร่กระจายในสื่อ สื่อที่มีดัชนีการหักเหของแสงที่สูงขึ้นเรียกว่าสื่อที่มีความหนาแน่นสูงในขณะที่สื่อที่มีดัชนีการหักเหของแสงต่ำกว่าเรียกว่าสื่อที่กระจัดกระจายแบบออพติคอล เงื่อนไขทั้งสองสำหรับการสะท้อนทั้งหมดที่จะเกิดขึ้นคือ:
1. การส่งจากสื่อหนาแน่นแสงเป็นสื่อกลาง
2. มุมเหตุการณ์มากกว่าหรือเท่ากับมุมวิกฤตของการสะท้อนทั้งหมด
เพื่อหลีกเลี่ยงการรั่วไหลของสัญญาณแสงและลดการสูญเสียการส่งสัญญาณการส่งแสงในเส้นใยออพติคอลเกิดขึ้นภายใต้สภาวะการสะท้อนทั้งหมด
ส่วนที่ 2. บทนำสู่สื่อการแพร่กระจายแสง (ไฟเบอร์ออปติก)
ด้วยความรู้พื้นฐานเกี่ยวกับการแพร่กระจายแสงสะท้อนแสงทั้งหมดจึงเป็นเรื่องง่ายที่จะเข้าใจโครงสร้างการออกแบบของเส้นใยแสง เส้นใยเปลือยของใยแก้วนำแสงแบ่งออกเป็นสามชั้น: ชั้นแรกคือแกนกลางซึ่งตั้งอยู่ที่กึ่งกลางของเส้นใยและประกอบด้วยซิลิกอนไดออกไซด์ที่มีความบริสุทธิ์สูงหรือที่รู้จักกันในชื่อแก้ว เส้นผ่านศูนย์กลางแกนโดยทั่วไปคือ 9-10 ไมครอน (โหมดเดี่ยว), 50 หรือ 62.5 ไมครอน (หลายโหมด) แกนไฟเบอร์มีดัชนีการหักเหของแสงสูงและใช้ในการส่งแสง การหุ้มชั้นสอง: ตั้งอยู่รอบแกนไฟเบอร์ซึ่งประกอบด้วยแก้วซิลิกา (มีเส้นผ่านศูนย์กลางโดยทั่วไป 125 ไมครอน) ดัชนีการหักเหของการหุ้มอยู่ในระดับต่ำทำให้เกิดเงื่อนไขการสะท้อนทั้งหมดพร้อมกับแกนไฟเบอร์ ชั้นการเคลือบที่สาม: ชั้นนอกสุดคือการเคลือบเรซินเสริม วัสดุชั้นป้องกันมีความแข็งแรงสูงและสามารถทนต่อผลกระทบขนาดใหญ่ปกป้องเส้นใยแสงจากการกัดเซาะไอน้ำและการขัดถูเชิงกล
การสูญเสียการส่งผ่านไฟเบอร์ออปติกเป็นปัจจัยสำคัญมากที่มีผลต่อคุณภาพของการสื่อสารไฟเบอร์ออปติก ปัจจัยหลักที่ทำให้เกิดการลดทอนสัญญาณแสงรวมถึงการสูญเสียการดูดซึมของวัสดุการสูญเสียการกระเจิงระหว่างการส่งและการสูญเสียอื่น ๆ ที่เกิดจากปัจจัยต่าง ๆ เช่นการดัดเส้นใยการบีบอัดและการสูญเสียการเชื่อมต่อ
ความยาวคลื่นของแสงนั้นแตกต่างกันและการสูญเสียการส่งผ่านในเส้นใยแสงก็แตกต่างกันเช่นกัน เพื่อลดการสูญเสียและให้แน่ใจว่ามีผลต่อการส่งสัญญาณนักวิทยาศาสตร์ได้มุ่งมั่นที่จะค้นหาแสงที่เหมาะสมที่สุด แสงในช่วงความยาวคลื่น 1260nm ~ 1360nm มีการบิดเบือนสัญญาณที่เล็กที่สุดที่เกิดจากการกระจายตัวและการสูญเสียการดูดกลืนต่ำสุด ในวันแรก ๆ ช่วงความยาวคลื่นนี้ถูกนำมาใช้เป็นวงดนตรีการสื่อสารด้วยแสง ต่อมาหลังจากการสำรวจและฝึกฝนเป็นเวลานานผู้เชี่ยวชาญจะค่อยๆสรุปช่วงความยาวคลื่นการสูญเสียต่ำ (1260nm ~ 1625nm) ซึ่งเหมาะที่สุดสำหรับการส่งผ่านในเส้นใยแสง ดังนั้นคลื่นแสงที่ใช้ในการสื่อสารไฟเบอร์ออปติกมักจะอยู่ในแถบอินฟราเรด
Multimode Optical Fiber: ส่งสัญญาณหลายโหมด แต่การกระจายแบบอินเตอร์ขนาดใหญ่ จำกัด ความถี่ของการส่งสัญญาณดิจิตอลและข้อ จำกัด นี้รุนแรงขึ้นเมื่อเพิ่มระยะการส่งสัญญาณ ดังนั้นระยะทางของการส่งผ่านไฟเบอร์ออปติกมัลติโหมดค่อนข้างสั้นมักจะใช้เวลาเพียงไม่กี่กิโลเมตร
เส้นใยโหมดเดี่ยว: ด้วยเส้นผ่านศูนย์กลางเส้นใยขนาดเล็กมากในทางทฤษฎีสามารถส่งผ่านโหมดเดียวได้ทำให้เหมาะสำหรับการสื่อสารระยะไกล
| รายการเปรียบเทียบ | เส้นใยมัลติโหมด | เส้นใยโหมดเดี่ยว |
| ค่าใช้จ่ายไฟเบอร์ออปติก | ราคาสูง | ต้นทุนต่ำ |
| ข้อกำหนดของอุปกรณ์ส่งสัญญาณ | ความต้องการอุปกรณ์ต่ำต้นทุนอุปกรณ์ต่ำ | ข้อกำหนดของอุปกรณ์สูงข้อกำหนดของแหล่งกำเนิดแสงสูง |
| การลดทอน | สูง | ต่ำ |
| ความยาวคลื่นการส่ง: 850nm-1300nm | 1260nm-1640nm | |
| ใช้งานสะดวก | เส้นผ่านศูนย์กลางแกนขนาดใหญ่ขึ้นง่ายต่อการจัดการ | การเชื่อมต่อที่ซับซ้อนมากขึ้นสำหรับการใช้งาน |
| ระยะการส่งผ่าน | เครือข่ายท้องถิ่น | |
| (น้อยกว่า 2 กม.) | เครือข่ายเข้าถึง | เครือข่ายระยะกลางถึงยาว |
| (มากกว่า 200km) | ||
| แบนด์วิดธ์ | แบนด์วิดท์ จำกัด | แบนด์วิดธ์เกือบไม่ จำกัด |
| บทสรุป | ไฟเบอร์ออปติกมีราคาแพงกว่า แต่ค่าใช้จ่ายสัมพัทธ์ของการเปิดใช้งานเครือข่ายต่ำกว่า | ประสิทธิภาพที่สูงขึ้น แต่ค่าใช้จ่ายที่สูงขึ้นในการสร้างเครือข่าย |
ส่วนที่ 3. หลักการทำงานของระบบการสื่อสารใยแก้วนำแสง
ผลิตภัณฑ์การสื่อสารที่ใช้กันทั่วไปเช่นโทรศัพท์มือถือและคอมพิวเตอร์ส่งข้อมูลในรูปแบบของสัญญาณไฟฟ้า เมื่อทำการสื่อสารด้วยแสงขั้นตอนแรกคือการแปลงสัญญาณไฟฟ้าเป็นสัญญาณออปติคัลส่งผ่านสายไฟเบอร์ออปติกจากนั้นแปลงสัญญาณแสงเป็นสัญญาณไฟฟ้าเพื่อให้บรรลุวัตถุประสงค์ของการส่งข้อมูล ระบบการสื่อสารทางแสงพื้นฐานประกอบด้วยเครื่องส่งสัญญาณออพติคอลตัวรับแสงและวงจรไฟเบอร์ออปติกสำหรับการส่งแสง เพื่อให้แน่ใจว่าคุณภาพของการส่งสัญญาณทางไกลและปรับปรุงแบนด์วิดท์การส่งสัญญาณจะใช้ซ้ำแบบออปติคัลและมัลติเพล็กเซอร์
ด้านล่างเป็นการแนะนำสั้น ๆ เกี่ยวกับหลักการทำงานของแต่ละองค์ประกอบในระบบการสื่อสารไฟเบอร์ออปติก
เครื่องส่งสัญญาณแสง:แปลงสัญญาณไฟฟ้าเป็นสัญญาณแสงส่วนใหญ่ประกอบด้วยตัวปรับสัญญาณและแหล่งกำเนิดแสง
สัญญาณมัลติเพล็กเซอร์:คู่สัญญาณพาหะแบบออพติคอลหลายตัวของความยาวคลื่นที่แตกต่างกันในเส้นใยออพติคอลเดียวกันสำหรับการส่งผ่านเพื่อให้ได้ผลของความสามารถในการส่งสัญญาณเพิ่มเป็นสองเท่า
Optical Repeater:ในระหว่างการส่งสัญญาณคลื่นและความเข้มของสัญญาณจะลดลงดังนั้นจึงจำเป็นต้องคืนค่ารูปคลื่นให้เป็นรูปคลื่นที่เรียบร้อยของสัญญาณดั้งเดิมและเพิ่มความเข้มแสง
สัญญาณ demultiplexer:สลายสัญญาณมัลติเพล็กซ์เป็นสัญญาณแต่ละตัว
ตัวรับแสง:แปลงสัญญาณแสงที่ได้รับเป็นสัญญาณไฟฟ้าส่วนใหญ่ประกอบด้วยเครื่องตรวจจับแสงและ demodulator
ตอนที่ 4 ข้อได้เปรียบและแอปพลิเคชันของการสื่อสารด้วยแสง
1. ระยะทางถ่ายทอดยาวประหยัดและประหยัดพลังงาน
สมมติว่าการส่งสัญญาณ 10 Gbps (10 พันล้าน 0 หรือ 1 สัญญาณต่อวินาที) ของข้อมูลหากใช้การสื่อสารทางไฟฟ้าสัญญาณจะต้องถูกส่งและปรับทุกสองสามร้อยเมตร เมื่อเทียบกับสิ่งนี้การใช้การสื่อสารด้วยแสงสามารถบรรลุระยะทางรีเลย์ได้มากกว่า 100 กิโลเมตร ยิ่งมีการปรับสัญญาณน้อยลงเท่าใดค่าใช้จ่ายก็จะลดลง ในทางกลับกันวัสดุของใยแก้วนำแสงคือซิลิคอนไดออกไซด์ซึ่งมีปริมาณสำรองที่อุดมสมบูรณ์และราคาต่ำกว่าลวดทองแดง ดังนั้นการสื่อสารด้วยแสงจึงมีผลทางเศรษฐกิจและการประหยัดพลังงาน
2. การส่งข้อมูลที่รวดเร็วและคุณภาพการสื่อสารที่สูง
ตัวอย่างเช่นตอนนี้เมื่อพูดคุยกับเพื่อน ๆ ในต่างประเทศหรือคุยกันออนไลน์เสียงจะไม่ล้าหลังเหมือนเมื่อก่อน ในยุคของการสื่อสารโทรคมนาคมการสื่อสารระหว่างประเทศส่วนใหญ่อาศัยดาวเทียมเทียมเป็นรีเลย์สำหรับการส่งส่งผลให้เส้นทางการส่งสัญญาณยาวนานขึ้นและการมาถึงของสัญญาณที่ช้าลง และการสื่อสารด้วยแสงด้วยความช่วยเหลือของสายเคเบิลใต้น้ำทำให้ระยะการส่งข้อมูลสั้นลงทำให้การส่งข้อมูลเร็วขึ้น ดังนั้นการใช้การสื่อสารด้วยแสงสามารถบรรลุการสื่อสารที่ราบรื่นขึ้นกับต่างประเทศ
3. ความสามารถในการต่อต้านการแทรกแซงที่แข็งแกร่งและการรักษาความลับที่ดี
การสื่อสารทางไฟฟ้าอาจประสบกับข้อผิดพลาดเนื่องจากการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้าซึ่งนำไปสู่การลดลงของคุณภาพการสื่อสาร อย่างไรก็ตามการสื่อสารด้วยแสงไม่ได้รับผลกระทบจากเสียงไฟฟ้าทำให้ปลอดภัยและเชื่อถือได้มากขึ้น และเนื่องจากหลักการของการไตร่ตรองทั้งหมดสัญญาณจึงถูก จำกัด อย่างสมบูรณ์กับใยแก้วนำแสงสำหรับการส่งดังนั้นการรักษาความลับจึงดี
4. ความสามารถในการส่งขนาดใหญ่
โดยทั่วไปการสื่อสารทางไฟฟ้าสามารถส่งสัญญาณ 10Gbps (10 พันล้านสัญญาณ 0 หรือ 1 ต่อวินาที) ของข้อมูลในขณะที่การสื่อสารด้วยแสงสามารถส่งข้อมูล 1Tbps (1 ล้านล้านสัญญาณ 1 หรือ 1 สัญญาณ) ของข้อมูล
มีข้อดีมากมายในการสื่อสารด้วยแสงและได้รับการบูรณาการเข้ากับทุกมุมของชีวิตของเราตั้งแต่การพัฒนา อุปกรณ์เช่นโทรศัพท์มือถือคอมพิวเตอร์และโทรศัพท์ IP ที่ใช้อินเทอร์เน็ตเชื่อมต่อทุกคนเข้ากับภูมิภาคของพวกเขาทั้งประเทศและแม้แต่เครือข่ายการสื่อสารทั่วโลก ตัวอย่างเช่นสัญญาณที่ปล่อยออกมาจากคอมพิวเตอร์และโทรศัพท์มือถือจะรวมตัวกันที่สถานีฐานผู้ให้บริการการสื่อสารในท้องถิ่นและอุปกรณ์ผู้ให้บริการเครือข่ายจากนั้นจะถูกส่งไปยังส่วนต่าง ๆ ของโลกผ่านสายเคเบิลใยแก้วนำแสงในสายเคเบิลใต้น้ำ
การตระหนักถึงกิจกรรมประจำวันเช่นการโทรทางวิดีโอการช็อปปิ้งออนไลน์วิดีโอเกมและการดื่มสุราทั้งหมดขึ้นอยู่กับการสนับสนุนและความช่วยเหลือเบื้องหลัง การเกิดขึ้นของเครือข่ายออพติคอลทำให้ชีวิตของเราสะดวกสบายและสะดวกสบายยิ่งขึ้น
เวลาโพสต์: มี.ค. 31-2025
