กล้องวงจรปิดกับ สายใยแก้วนำแสง (Fiber Optic)

การออกแบบงานกล้องวงจรปิด สำหรับการเดินสายสัญญาณไกลๆ สิ่งที่ผู้ออกแบบจะนำมาใช้งานนอกจากระบบไร้สายแล้ว นั้นก็คือระบบเดินสายด้วยสายสัญญาณชนิด ใยแก้วนำแสงนั้นเอง

Fiber Optic ได้รับความนิยมเป็นอย่างสูง ให้มาตรฐานสัญญาณภาพที่ดี และเชื่อถือได้ แต่การออกแบบต้องใช้ผู้ชำนาญ และต้องใช้อุปกรณ์ในการเข้าหัวที่ยุ่งยาก หลายขั้นตอนพอสมควร

กล้องวงจรปิดกับ สายใยแก้วนำแสง

 

ชนิดของเส้นใยนำแสง

 
รูปที่ 1 แสดงตัวอย่างสายของเส้นใยนำแสง

ชนิดของเส้นใยนำแสงแบ่งตามความสามารถในการนำแสง (Propagation Mode) ได้เป็น 2 ชนิด คือ

 

เส้นใยนาแสงชนิดโหมดเดี่ยว(SingleMode Optical Fibers, SM)

 
รูปที่ 2 แสดงเส้นใยนำแสงชนิดโหมดเดี่ยว

เป็นการใช้ตัวนำแสงที่บีบ ลำแสงให้พุ่งตรงไปตามท่อแก้ว โดยมีการกระจายแสงออกทางด้านข้างน้อยที่สุดเหมาะสำหรับในการใช้ กับระยะทางไกลๆ การเดินสายใยแก้วนาแสงกับระยะทางที่ไกลมาก เช่น เดินทางระหว่างประเทศระหว่างเมืองมักใช้แบบ Single Mode

 

เส้นใยนาแสงชนิดหลายโหมด (Multimode Optical Fibers, MM)

ลักษณะเส้นใยนำแสงชนิดหลายโหมด มี 2 แบบได้แก่ Step Index และ Grade Index

 
รูปที่ 3 แสดงตัวอย่างการทำงานภายในของ Multimode Fiber แบบ Step Index

 
รูปที่ 4 แสดงตัวอย่างการทำงานภายในของ Grade Index Multimode

 

เส้นใยนำแสงชนิดหลายโหมดมีลักษณะการกระจายแสงออกด้านข้างได้ ดังนั้นจึงต้องสร้างให้มี ดัชนีหักเหของแสงกับอุปกรณ์ฉาบผิวที่สัมผัสกับ Cladding ให้สะท้อนกลับหมดหากการให้ดัชนีหักเหของ

แสงมีลักษณะทำให้แสงเลี้ยวเบนทีละน้อยเราเรียกว่าแบบเกรดอินเด็กซ์ หากให้แสงสะท้อนโดยไม่ปรับ คุณสมบัติของแท่งแก้วให้แสงค่อยเลี้ยวเบนก็เรียกว่าแบบสเต็ปอินเดกซ์

เส้นใยแก้วนำแสงที่ใช้ในเครือข่าย แลนส่วนใหญ่ใช้แบบมัลติโหมด โดยเป็นขนาด 62.5/125 ไมโครเมตร หมายถึง เส้นผ่าศูนย์กลางของ ท่อแก้ว 62.5 ไมโครเมตร และของเคลดดิงรวมท่อแก้ว 125 ไมโครเมตร

คุณสมบัติของเส้นใยแก้ว นำแสงแบบ Step Index มีการสูญเสียสูงกว่าแบบ Grad Index

 

 รูปที่ 5 แสดงคุณสมบัติของเส้นใยแก้วนาแสงแบบ Step Index, Grad Index, Single mode

 

ชนิดเส้นใยนำแสงตามดัชนีการหักเหแสงแบ่งเป็น 3 ชนิด โดยให้ชื่อของเส้นใยนำแสงตาม คุณสมบัติของดัชนีการหักเหมีโครงสร้าง ดังนี้

 

ซิงเกิลโหมดแบบสเตปอินเดกซ์ (Single-mode step-index fiber)หรือชนิด ซิงเกิล-โหมด (Single-Mode Fiber)

 
รูปที่ 6 ซิงเกิลโหมดแบบสเตปอินเดกซ์

เส้นใยแสงชนิดโมดเดียวนี้สามารถที่จะสร้างให้มี Index Profile ได้ทั้งแบบ step index และ Graded Index แต่เนื่องจากการสร้างเส้นใยแสงแบบโมดเดียวที่มี IndexProfile แบบ Graded Index มีราคาแพงและ

คุณสมบัติที่ได้จากการมี Index Profile แบบ Graded Index ก็ไม่มีประโยชน์ต่อระบบการสื่อสารด้วยเส้นใย แสง ดังนั้นในปัจจุบันเส้นใยแสงแบบโมดเดียวที่สร้างขึ้นในเชิงพาณิชย์

ก็จะมีแต่เส้นใยแสงโมดเดียวแบบ Step Index เท่านั้น ซึ่งเหมาะสมสำหรับงานที่ต้องการแบนด์วิธกว้างและระยะทางไกล (Long- Haul) โดยทั่วไปจะสร้างจากแก้วซิลิก้า

เพื่อให้มีการลดทอนสัญญาณต่ำ ถึงแม้ว่าเส้นใยแสงแบบโมดเดียวจะมีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของ Core เล็ก เพื่อให้มีโมดที่เดินทาง เพียงโมดเดียว แต่ขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของ Clad

ก็จะต้องมีขนาดใหญ่กว่าขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง ของ Core อย่างน้อย 10 เท่า เพื่อหลีกเลี่ยงการสูญเสียจากการเลือนหายของสนามไฟฟ้าอย่างรวดเร็ว ดังนั้น เมื่อรวมขนาดของ Buffer Coating

ด้วยแล้วขนาดโดยรวมของเส้นแบบโมดเดียวก็จะใกล้เคียงกับเส้นใยแสง ชนิดอื่นโครงสร้างโดยทั่วไปของเส้นใยแสงชนิดโมดเดียวแสดงให้ดูในรูปที่ 6

 

โครงสร้าง
เส้นผ่านศูนย์กลางของ core		5 ถึง 10 µm โดยปกติอยู่ที่ประมาณ 8.5 µm
เส้นผ่านศูนย์กลางของ clad :		โดยทั่วไปมีขนาด 125  µm
เส้นผ่านศูนย์กลางของเปลือกหุ้ม		250 ถึง 1000 µm
Numerical Aperture		0.08  ถึง 0.15 โดยทั่วไปมีค่าประมาณ  0.1
คุณลักษณะทางประสิทธิภาพ
การลดทอนสัญญาณ	2 ถึง 5 dBkm-1 โดยที่ความยาวคลื่น 850 nm จะมีการลดทอนประมาณ 1dBkm-1 และมีการลดทอนโดยเฉลี่ย 0.35 และ 0.215 dBkm-1 ที่ความยาวคลื่น 1300 nm และ 1550 nm ตามลำดับ
แบนด์วิธ	มากกว่า 500 MHz km ในทางทฤษฎีแบนด์วิธจะถูกจำกัดโดยความยาวคลื่นและ material dispersion โดยมีค่าประมาณ 40 GHz ที่ความยาวคลื่น 850 nm ในทางปฎิบัติแล้วแบนด์วิธที่มากกว่า 10 GHz จะต้องใช้ความยาวคลื่น 1300nm
การใช้งาน	เหมาะกับระบบที่ต้องการแบนด์วิธสูงและระยะทางไกลมาก โดยจะใช้ LD เป็นอุปกรณ์กำเนิดสัญญาณแสง

ตารางที่ 1 แสดงคุณลักษณะของเส้นใยแสงชนิด Single Mode

 

มัลติโหมดแบบสเตปอินเดกซ์ ( Multimode Step-Index Fiber ) หรือชนิด สเตปอิน-เดกซ์ (Step-Index Fiber)

รูปที่ 7 โครงสร้างโดยทั่วไปของเส้นใยแสงชนิด Multi Mode Step Index

 

เส้นใยแสงชนิดนี้อาจจะสร้างจากแก้วหลายๆชนิดปนกันหรือแก้วซิลิก้าก็ได้ โดยจะมีเส้นผ่าน ศูนย์กลาง และ NA ขนาดใหญ่เพื่อประสิทธิภาพในการคัปปลิงสัญญาณกับแหล่งกาเนิดแสง

แบบ Incoherentเช่นLED คุณลักษณะทางประสทิธิภาพของเส้นใยแสงชนิดนี้จะมีค่าเปลี่ยนแปลงโดยขึ้นอยู่กับสารที่ใช้สร้างและกระบวนการในการเตรียมสาร ซึ่งโครงสร้างโดยทั่วไปของเส้นใยแสงชนิดนี้แสดงให้ดู ดังรูปที่ 7

 

โครงสร้าง
เส้นผ่านศูนย์กลางของ core		50 ถึง 400 µm
เส้นผ่านศูนย์กลางของ clad :		125 ถึง 500 µm
เส้นผ่านศูนย์กลางของเปลือกหุ้ม		250 ถึง 1000 µm
Numerical Aperture		0.16  ถึง 0. 5
คุณลักษณะทางประสิทธิภาพ
การลดทอนสัญญาณ	2.6 ถึง 50 dBkm-1  ที่ความยาวคลื่น 850 nm ถูกจำกัดโดยการดูดกลืนและการกระจาย ส่วนการลดทอนที่ความยาวคลื่นอื่นแสดงให้ดูดังรูปที่ 2.26
แบนด์วิธ	6 ถึง  50 MHz km
การใช้งาน	เหมาะที่สุดสำหรับใช้ในโครงข่ายแบบ short-haul ที่มีแบนด์วิธจำกัด และใช้กับงานที่ราคาไม่สูง

ตารางที่ 2 แสดงคุณลักษณะของเส้นใยแสงชนิด Mulit mode step index

 

(a) เส้นใยแสงที่สร้างจากแก้วหลายชนิด (b) เส้นใยแสงที่สร้างจากแก้วซิลิก้า รูปที่ 11 สเปคตรัมการลดทอนสัญญาณของเส้นใยแสงชนิด Multi mode step index

มัลติโหมดแบบเกรดอินเดกซ์ (Multimode Graded-Index Fiber )หรือชนิด เกรดอินเดกซ์ (Graded-Index Fiber)

รูปที่ 8 โครงสร้างโดยทั่วไปของเส้นใยแสงชนิด Multi mode Graded Index

เส้นใยแสงชนิดนี้สร้างจากแก้วหลายชนิดปนกันหรือแก้วซิลิก้าก็ได้เช่น เดียวกับเส้นใยแสงชนิด Multi mode step index แต่จะแตกต่างกันตรงที่สารที่นำมาใช้ จะต้องมีความบริสุทธิ์มากกว่า

เพื่อลดการ สูญเสียที่จะเกิดขึ้น ดังนั้นจึงทำให้เส้นใยแสงชนิดนี้มีประสิทธิภาพดีกว่าเส้นใยแสงชนิด Multi mode step index โครงสร้างโดยทั่วไปของเส้นใยแสงชนิดนี้แสดงให้ดูดังรูปที่ 8

 

โครงสร้าง
เส้นผ่านศูนย์กลางของ core		30 ถึง100 µm
เส้นผ่านศูนย์กลางของ clad :		100 ถึง 150 µm
เส้นผ่านศูนย์กลางของเปลือกหุ้ม		250 ถึง 1000 µm
Numerical Aperture		0.2  ถึง 0. 3
คุณลักษณะทางประสิทธิภาพ
การลดทอนสัญญาณ	2 ถึง 10 dBkm-1  ที่ความยาวคลื่น 850 nm ถูกจำกัดโดยการดูดกลืนและการกระจาย ส่วนการลดทอนสัญญาณโดยเฉลี่ยที่ความยาวคลื่น 1300 nm มีค่าเท่ากับ 0.4 และ 0.25 dBkm-1  ตามลำดับ
แบนด์วิธ	300 MHz km ถึง  3 MHz km
การใช้งาน	เหมาะที่สุดสำหรับใช้ในโครงข่ายแบบ medium – haul ที่มีแบนด์วิธปานกลางถึงสูง ซึ่งใช้ LED หรือ LD เป็นอุปกรณ์กำเนิดสัญญาณแสง

ตารางที่ 3 แสดงคุณลักษณะของเส้นใยแสงชนิด Multi Mode Graded Index

 

เส้นใยแสงชนิดนี้สามารถที่จะจัดเป็นกลุ่มหลักๆได้ตามขนาดของเส้นผ่านศูนย์กลางของ Core-Clad ดังนี้

1. เส้นใยแสงที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางของ core-clad เท่ากับ 50 μm /125 μm ซึ่งมีค่า NA โดยปกติ ระหว่าง0.20และ0.24เส้นใยแสงชนิดนี้พัฒนาและกำหนดเป็นมาตรฐาน
   
   โดยCCITT (Recommendation G.651) ใช้สำหรับงานด้านโทรคมนาคมที่ความยาวคลื่น 850 nm และ 1300 nm แต่ในปัจจุบันนิยมนำไปใช้ ในงานด้านการสื่อสารข้อมูลและระบบ LAN
   
   
2. เส้นใยแสงที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางของ core – clad เท่ากับ 62.5 μm /125 μm ซึ่งมีค่า NA โดยปกติระหว่าง 0.26 และ 0.29 ถึงแม้ว่าเส้นใยแสงชนิดนี้จะพัฒนามา
   
   เพื่อการใช้งานใน subscriberloop ที่มี ระยะทางไกลที่ความยาวคลื่น 850 nm แต่ในปัจจุบันการใช้งานส่วนใหญ่จะนาใช้กับระบบ LAN
   
   
3. เส้นใยแสงที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางของ core-clad เท่ากับ 85 μm ซึ่งมีค่า NA โดยปกติระหว่าง 0.26 และ 0.30 เส้นใยแสงชนิดนี้พัฒนามาเพื่อการใช้งานที่ความยาวคลื่น 850 nm 130 nm ในระบบ Short- Haul และ LAN
   
   
4. เส้นใยแสงที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางของ core-clad เท่ากับ100μm/125μm ซึ่งมีค่า NAโดยปกติ ระหว่าง 0.29 เส้นใยแสงชนิดนี้พัฒนาให้มีประสิทธิภาพในการคัปปลิงสัญญาณกับ LED
   
   ที่ความยาวคลื่น 850 nm เพื่อการใช้งานในระบบที่มีราคาถูกและระยะทางสั้น
   
   
   

 

Related link :Fujiko CCTV คลินิกทันตกรรมเดนทัลดีไลท์