fbpx

มาทำความรู้จักกับสายสัญญาณกันเถอะ Part 2 (Fiber Optic)

มาทำความรู้จักกับสายสัญญาณกันเถอะ Part 2 (Fiber Optic)

Fiber Optic

Fiber Optic

สมัยก่อนสายสัญญาณที่ใช้กับระบบเครือข่ายมักจะมีปัญหาของสายที่มีตัวนำเป็นโลหะ โดยปัญหานั้นก็คือสัญญาณที่วิ่งอยู่ภายในสายอาจจะถูกรบกวนได้โดยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจากแหล่งต่างๆ ไม่ว่าจะเป็น เครื่องใช้ฟ้าต่างๆ ที่ผลิตสนามแม่เหล็ก หรือแม้กระทั่งกับปรากฎการณ์ธรรมชาติ ตัวอย่างเช่น ฝนตกแล้วอินเทอร์เน็ตหลุด ซึ่งปัญหานี้ส่งผลกระทบจำนวนมาก และสายสัญญาณที่มาแทนสายที่เป็นตัวนำโลหะ ก็คือ สาย Fiber Optic หรือ สายใยแก้วนำแสง

Fiber Optic เป็นสายนำสัญญาณข้อมูลชนิดหนึ่งที่สามารถเดินสายได้ไกลหลายกิโลเมตรและรองรับความเร็วสูง (Bandwidth สูง) โดยมีค่าสูญเสียของสัญญาณที่ต่ำมาก (ค่า loss) โครงสร้างมีขนาดเล็กและน้ำหนักเบา เมื่อเทียบกับสายนำสัญญาณแบบอื่นๆ ทำให้ในปัจจุบันสายไฟเบอร์ออปติก นั้นมีความนิยมอย่างมากในงานเดินระบบใหญ่ๆ หรืองานระบบที่ต้องการความเสถียรภาพสูง (การคำนวณค่า loss)

โครงสร้างพื้นฐานสาย Fiber Optic

  • Cable Jacket/Sheath: ส่วนที่อยู่ด้านนอกสุดทำหน้าที่ป้องกันส่วนต่างๆ ที่อยู่ภายในสายใยแก้วนำแสง
  • Strengthening Fibres: เส้นใยเสริมการป้องกัน
  • Coating/Buffer: เป็นชั้นที่อยู่รอบนอก ห่อหุ้ม ชั้น Cladding “Coating” เป็นส่วนประกอบหนึ่ง หรือ อาจจะมีหลายชั้นของโพลิเมอร์ ที่คอยปกป้องโครงสร้างซิลิกา ไม่ให้เกิดความเสียหายทางกายภาพหรือ จากสิ่งแวดล้อม
  • Cladding: เป็นส่วนที่ถัดจาก Core ทำหน้าที่เป็นตัวหักเหของแสง เปลือกหุ้ม
  • Core: เป็นส่วนที่อยู่ชั้นในสุดทำหน้าที่ให้แสงเดินทางผ่าน

Fiber Optic มีกี่ประเภท

มี 2 ประเภท คือ Single-Mode และ Multi-Mode
Single-Mode หมายความว่าสายแบบนี้จะอนุญาตให้แสงเดินทางเพียงแนวเดียว ดังนั้น Multi-Mode จึงหมายความว่าสายใยแก้วที่อนุญาตให้แสงเดินทางผ่านหลายแนว

ความยาวคลื่นและแหล่งกำเนิดแสง

เนื่องจากเส้นใย Multi-Mode มีขนาดใหญ่ แหล่งกำเนิดแสงเช่น LED (ไดโอดเปล่งแสง) และ VCSEL (เลเซอร์เปล่งแสงพื้นผิวโพรงในแนวตั้ง) ที่ทำงานที่ความยาวคลื่น 850 nm และ 1300 nm จึงถูกนำมาใช้ในสายMulti-Mode Fiber Optic ในขณะที่เส้นใย Single-Mode มักใช้เลเซอร์หรือเลเซอร์ไดโอดเพื่อผลิตแสงที่ส่องเข้าไปในสายเคเบิล และความยาวคลื่น Single-Mode Fiber Optic ที่ใช้กันทั่วไปคือ 1310 nm และ 1550 nm

สายไฟเบอร์ออฟติกแบบซิงเกิลโหมด (Single-Mode Fiber Optic: SMF) มีเส้นผ่านศูนย์กลางของเส้นใยแก้วนำแสง (Core) อยู่ที่ 8-10 μm และมีเส้นผ่าศูนย์กลางของเปลือกหุ้มอยู่ที่(Cladding) 125 μm สามารถส่งสัญญาณด้วยความเร็วสูงสุดอยู่ที่ 2500 Mbps ในระยะทางไม่เกิน 20 กิโลเมตร โดยการใช้งานจริงจะสามารถส่งข้อมูลได้ไกล 100 กิโลเมตร โดยความเร็วไม่ต่ำกว่า 1000 Mbps ซึ่งไม่ว่าจะเป็นความเร็วอินเทอร์เน็ต 10Mbps, 100Mbps หรือ 1000Mbps (1Gbps) หากใช้สายไฟเบอร์ออปติกชนิด Single-Mode จะสามารถส่งสัญญาณได้ไม่จำกัดและความเร็วไม่ลดลง

มีรูปแบบการแพร่กระจายของแสง ชนิด Step Index (Single-Mode) ส่วน Core และ Cladding มีดัชนีการหักเหที่ต่างกัน ไฟเบอร์ชนิด Single-Mode มีขนาดของ Core เล็กมาก ( 10 GHz·km) จึงไม่เกิดการกว้างขึ้นของพัลส์ (Pulse broadening) และไม่เกิด Transit Time Differences

ชนิดของสาย Single-Mode Fiber Optic มี 2 แบบ คือ OS1 และ OS2 ซึ่งทั้งสองแบบนี้จะมีความแตกต่างกันโดยเปรียบเทียบค่า Attenuation โดยอ้างอิงกับ มาตรฐาน ISO/IEC และมาตรฐาน EN

ประเภทสาย FIBER OPTICการลดทอนของสัญญาณสูงสุดในแต่ละความยาวคลื่น (dB/KM)
1310 nm1550 nm
OS1,OS2 (Indoor-Outdoor)0.50.5
OS1,OS2 (Inside Plant)1.01.0
OS1,OS2 (Outside Plant)0.50.5

OS1 และ OS2 เป็นสายSingle-Mode Fiber Optic ซึ่งใช้ความยาวคลื่น 1310 nm และ 1550 nm โดยมีการลดทอนสูงสุด 1 dB/km และ 0.5 dB/km

ความแตกต่างระหว่าง OS1 กับ OS2

เปรียบเทียบOS1OS2
มาตรฐานITU-T G.652A/B/C/DITU-T G.652C/G.657.A1 (part)
รูปแบบสายTight BufferLoose Tube
การใช้งานIndoorOutdoor
การลดทอนของสัญญาณ1.0dB/km0.5dB/km
ระยะทางสูงสุด10 km200 km
ราคาถูกแพง

การเลือกใช้ OS1 กับ OS2

หลังจากเปรียบเทียบสายไฟเบอร์ทั้งสองแล้ว สรุปได้ว่า OS2 เหมาะสมกว่าสำหรับการส่งผ่านทางไกลโดยให้ประสิทธิภาพที่ดีขึ้นโดยมีการสูญเสียน้อยลง ในความเป็นจริง OS1 เคยเป็นมาตรฐานเดียวสำหรับ Single-Mode Fiber Optic ที่มีความยาวสายสูงสุดสำหรับการเดินสายเคเบิลในวิทยาเขตประมาณ 10 Km ซึ่งไม่สามารถตอบสนองความต้องการที่เพิ่มขึ้นของผู้คนสำหรับความยาวสาย อีกต่อไป

สาย OS2 เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการเชื่อมต่ออีเทอร์เน็ต 1G/10G/40G/100G ตอบสนองความต้องการประสิทธิภาพสูงในระยะทางไกล 200 Km ด้วยเหตุนี้ ผู้ขายจำนวนมากขึ้นจึงมักจะนำเสนอโซลูชันด้วยสายเคเบิล OS2 SMF สำหรับแอปพลิเคชันเครือข่ายสมัยใหม่

สายไฟเบอร์ออฟติกแบบมัลติโหมด (Multi-Mode Fiber Optic: MMF) มีเส้นผ่านศูนย์กลางของเส้นใยแก้วนำแสง(Core) อยู่ที่ 62.5 μm หรือ 50 μm และมีเส้นผ่านศูนย์กลางของเปลือกหุ้มอยู่ที่(Cladding) 125 μm ด้วยขนาดใยแก้วนำแสงที่เล็กทำให้สามารถส่งสัญญาณได้ใกล้และมี Bandwidth ที่ต่ำกว่าสายไฟเบอร์ออปติกแบบ Single-Mode โดยมีความเร็วสูงสุดอยู่ที่ 100 Mbps ในระยะทางไม่เกิน 200 เมตร แต่สายไฟเบอร์ออปติก แบบ Multi-Mode นั้นจะผลิตง่ายกว่าสายไฟเบอร์ออปติก แบบ Single-Mode

มีรูปแบบการแพร่กระจายของแสง 2 แบบคือ

  • Step Index Fiber Optic (Multi-Mode) ขนาดที่ใช้งานกันจะเป็น 9/125 µm fibers ที่ความยาวคลื่น 1300 nm สำหรับ long distance
  • Graded Index Fiber Optic (Multi-Mode) ไฟเบอร์แบบ Graded Index Fiber ดัชนีการหักเหจะเปลี่ยนแปลงแบบค่อย ๆ เป็นจาก Core ไปยัง Cladding ไฟเบอร์ชนิดนี้จึงมี Transit Time Differences น้อย และการกว้างขึ้นของพัลส์ (Pulse Broadening) น้อย ทำให้มีค่าลดทอนต่ำ แบนด์วิดธ์ < 1 GHz·km ขนาดที่ใช้กันก็เป็น 50/125 µm หรือ 62.5/125 µm ใช้สำหรับระยะทางสั้น ๆ (< 500 m)

ความแตกต่างของ Step Index (Multi-Mode) กับ Graded Index (Multi-Mode)

คุณสมบัติStep IndexGraded Index
การหักเหของแสงดัชนีการหักเหของแสงของแกนจะสม่ำเสมอตลอดและผ่านการเปลี่ยนแปลงอย่างกะทันหันที่ขอบหุ้มแกนดัชนีการหักเหของแสงของแกนกลางจะค่อยๆ แปรผันไปจนสูงสุดที่ศูนย์กลางของแกนกลาง
Bandwidthต่ำสูง
เส้นผ่านศูนย์กลางแกน50-200 µmประมาณ 50 µm
การใช้งานระยะใกล้ ความเร็วต่ำ
(8Mb/s หรือน้อยกว่า)
ระยะกลาง(10-20 Km)
ความเร็วสูง
(34-140 Mb/s)
รูปแบบการส่งสัญญาณแสงเดินทางในรูปแบบซิกแซกไปตามแกนใยแก้วนำแสงแสงเดินทางภายในแกนในรูปของคลื่น Sinusoidal
การกระจายตัวแบบโมดอลสูงสุดต่ำสุด
ประสิทธิภาพค่อนข้างแย่ค่อนข้างดี
ราคาถูกแพง
Mode Dispersion หรือ Modal Dispersion จะเกิดขึ้นเนื่องจากคุณลักษณะของแสงกล่าวคือความเร็วในการเดินทางของแสงแต่ละโหมดจะแตกต่างกัน ดังนั้นแสงจะเดินทางมาถึงปลายทางไม่พร้อมกัน ส่งผลให้เกิดการซ้อนทับกันของข้อมูล โดยเราสามารถแก้ไขได้โดยไม่ส่งพัลซ์ของข้อมูลที่ทีความแคบมากเกินไป ก็คือ การจำกัดความเร็วในการส่งนั้นเอง

ชนิดของสาย Multi-Mode Fiber Optic ปัจจุบันมีอยู่ 2 ขนาด และ 5 ประเภท โดยเปรียบเทียบค่าการลดทอนของสัญญาณโดยอ้างอิงกับมาตรฐาน ISO/IEC และมาตรฐาน EN

ประเภทสายไฟเบอร์ออปติกTIA Fiber
Standard
Bandwidth (MHz/KM)การลดทอนของสัญญาณสูงสุดในแต่ละความยาวคลื่น (dB/KM)
850 nm1300 nm
Core
Diameter
(micron)
Overfilled
Launch (OFL)
at 850 nm
Overfilled
Launch (OFL)
at 1300 nm
OM1492-AAAA62.52005003.51.5
OM2492-AAAB505005003.51.5
OM3492-AAAC5015005003.51.5
OM4492-AAAD5035005002.50.8
OM5492AAAE5035005002.40.6
หมายเหตุ: รายการนี้รวบรวมจากหลายแหล่งที่มีวันที่ต่างกัน หากสงสัยว่ามีการเปลี่ยนแปลง แคตตาล็อกเต็มรูปแบบของข้อกำหนด TIA อยู่ที่ TIA Telecommunication Industry Association

ความแตกต่างระหว่าง Single-Mode กับ Multi-Mode

เปรียบเทียบSingle-Mode fibermulti-Mode fiber
ราคาราคาไม่แพงแพง
อุปกรณ์ส่งมีราคาแพง (Laser Diode)ราคาไม่แพง (LED)
การลดทอนของสัญญาณต่ำสูง
ความยาวคลื่นส่ง1310 nm ถึง 1550 nm850 nm ถึง 1300 nm
รูปแบบการแพร่กระจ่ายของแสงStep IndexStep Index และ Graded Index
การใช้งานการเชื่อมต่อมีความซับซ้อนมากขึ้นแกนที่ใหญ่ขึ้น ง่ายต่อการจัดการ
ระยะทางเครือข่ายการเข้าถึงระยะกลาง/ระยะไกล (> 200 Km)เครือข่ายเข้าถึง/ระยะใกล้ (< 2 Km)
Bandwidthเกือบไม่สิ้นสุด (> 1 Tb/s สำหรับ DWDM)จำกัด (10 Gb/s ในระยะทางสั้น ๆ)
ข้อดี/ข้อเสียให้ประสิทธิภาพที่สูง แต่การสร้างเครือข่ายนั้นมีราคาแพงไฟเบอร์มีราคาแพงกว่า แต่การปรับใช้เครือข่ายมีราคาไม่แพงนัก

การใช้งาน Indoor /Outdoor

เราจำแนกความแตกต่างของเส้นใยแก้วนำแสงออกเป็น 3 ประเภท ดังนี้

  • สายเคเบิลบัฟเฟอร์แบบแน่น (Tight Buffer) เป็นสายไฟเบอร์แบบเดินภายในอาคาร (Indoor) โดยมีการหุ้มฉนวนอีกชั้นหนึ่งให้มี ความหนา 900 µm เพื่อสะดวกในการใช้งานและป้องกันสายไฟเบอร์ในการติดตั้ง ปริมาณของ เส้นใยแก้วบรรจุอยู่ไม่มากนัก เช่น 4,6,8 Core ส่วนสายที่ใช้เชื่อมต่อระหว่างอุปกรณ์จะมีขนาด 1 Core ซึ่งเรียกว่า Simplex ขนาด 2 Core เรียกว่า Zip Core
  • สายเคเบิลแบบหลวม (Loose Tube) เป็นสายไฟเบอร์ที่ออกแบบมาใช้เดินภายนอกอาคาร (Outdoor) โดยการนำสายไฟ เบอร์มาไว้ในแท่งพลาสติก และใส่เยลกันน้ำเข้าไป เพื่อป้องกันไม่ให้สัมผัสกับแรงต่างๆ อีกทั้งยังกันน้ำซึมเข้าภายในสาย ความหนา 250 µm สายแบบ Outdoor ยังแบ่งตามลักษณะการใช้งานได้อีกดังนี้
    • Duct Cable เป็นสาย Fiber Optic แบบร้อยท่อ โครงสร้างของสายไม่มีส่วนใดเป็นตัวนำ ไฟฟ้า ซึ่งจะไม่มีปัญหาเรื่องฟ้าผ่า แต่จะมีความแข้งแรงทนทานน้อย ในการติดตั้งจึงควร ร้อยไปในท่อ Conduit หรือ HDPE (High-Density-Polyethylene)
    • Direct Burial เป็นสายไฟเบอร์ออปติกที่ออกแบบมาให้สามารถใช้ฝังดินได้โดยไม่ต้องร้อยท่อ โดยโครงสร้างของสายจะมีส่วนของ Steel Armored เกราะ ช่วยป้องกัน และเพิ่ม ความแข็งแรงให้สาย
    • Figure – 8 เป็นสายไฟเบอร์ที่ใช้แขวนโยงระหว่างเสา โดยมีส่วนที่เป็นลวดสลิงทำหน้าที่รับ แรงดึงและประคองสาย จึงทำให้สายมีรูปร่างหน้าตัดแบบเลข 8 จึงเรียกว่า Figure – 8
    • ADSS (All Dielectric Self Support) เป็นสายไฟเบอร์ ที่สามารถโยงระหว่างเสาได้ โดยไม่ต้องมีลวดสลิงเพื่อประคองสาย เนื่องจากโครงสร้างของสายประเภทนี้ ได้ถูกออกแบบให้ เป็น Double Jacket จึงทำให้มีความแข็งแรงสูง
  • สายแบบ Indoor/Outdoor เป็นสายเคเบิลใยแก้วที่สามารถเดินได้ทั้งภายนอกและภายในอาคาร เป็นสายที่มีคุณสมบัติพิเศษที่เรียกว่า Low Smoke Zero Halogen (LSZH) ซึ่งเมื่อเกิดอัคคีภัย จะเกิดควันน้อยและควันไม่เป็นพิษ เมื่อเทียบกับ Jacket ของสายชนิดอื่น ที่จะลามไฟง่ายและเกิดควันพิษ เนื่องจากการเดินสายในประเทศไทย ส่วนใหญ่จะเดินภายนอกอาคาร ด้วยสาย Outdoor แล้วเข้า อาคาร ซึ่งผิดมาตรฐานสากล ดังนั้นจึงควรใช้สายประเภทนี้เมื่อมีการเดินจากภายนอกเข้าสู่ภายใน

รหัสสี Jacket ของเส้นใยแก้วนำแสง

อาจใช้เสื้อนอกหรือพิมพ์สีกับสายไฟเบอร์ภายนอกโรงงานและในอาคาร เช่น สายเคเบิลจำหน่ายไฟเบอร์ สายแพทช์ไฟเบอร์ออปติก ฯลฯ ใน EIA/TIA-598 รหัสสีของไฟเบอร์จะกำหนดรหัสสีของแจ็คเก็ตสำหรับไฟเบอร์ประเภทต่างๆ ดังนั้นสำหรับสายไฟเบอร์ออปติกที่มีไฟเบอร์เพียงชนิดเดียว เราสามารถระบุได้อย่างง่ายดายด้วยสีเสื้อ เว้นแต่จะระบุไว้เป็นอย่างอื่น เสื้อนอกของสายเคเบิลในสถานที่ที่มีไฟเบอร์มากกว่าหนึ่งชนิด ต้องใช้คำอธิบายที่พิมพ์เพื่อระบุปริมาณและประเภทของเส้นใยภายในสายเคเบิล ตัวอย่างเช่น “12 ไฟเบอร์ 8 x 50/125, 4 x 62.5/125 ” รหัสสีแจ็คเก็ตสำหรับไฟเบอร์ประเภทต่างๆตามคำจำกัดความ มาตรฐาน TIA-598C มีดังนี้

ประเภทเส้นใยแก้วนำแสงรหัสสี
สำหรับใช้งานทั่วไปสำหรับหน่วยงานทหารขนาดเปลือกนอก
OM1 62.5/125µm Multi-Modeสีส้มสีเทาเข้ม62.5/125
OM2 50/125µm Multi-Modeสีส้มสีส้ม50/125
OM3 50/125 µm (850 nm Laser-Optimized) Multi-Modeสีฟ้าแกมเขียวUndefined850 LO 50/125
OM4 50/125µm (850 nm Laser-Optimized) Multi-Modeสีฟ้าแกมเขียว / สีม่วงUndefined850 LO 50/125
100/140µm Multi-Modeสีส้มสีเขียว100/140
OS1/OS2 Single ModeYellowYellowSM/NZDS (Non-zero dispersion-shifted) , SM
Polarization Maintaining Single-Modeน้ำเงินN/AN/A

การเรียงสี Fiber Optic

ข้อดีและข้อเสียของสาย Fiber Optic

ข้อดี

  • มีการลดทอนสัญญาณต่ำ (Low Attenuation)
  • สามารถบรรจุข้อมูลได้จำนวนมาก (High Bandwidth)
  • โครงสร้างของสายมีขนานเล็ก และน้ำหนักเบา
  • มีคุณสมบัติเป็นฉนวน ไม่นำไฟฟ้า
  • ปราศจากการรบกวนทางไฟฟ้า
  • มีความปลอดภัยสูง
  • เส้นใยแก้วนำเสียงมีอายุการใช้งานที่นาน

ข้อเสีย

  • เส้นใยแก้วนำแสงเปราะบาง และแตกหักง่าย
  • ไม่สามารถโค้งงอได้เหมือนสายทองแดง
  • ในการติดตั้งสายไฟเบอร์ออปติก ต้องใช้เครื่องมือพิเศษซึ่งราคาแพง (ในส่วนของราคาปัจจุบันสามารถจับต้องได้แต่ต้องเลือกให้เหมาะสมกับงานของคุณ)