คำนำ

ปัจจุบันมีการนำสายไฟเบอร์ออพติกเส้นใยแก้วนำแสง เข้ามาใช้ในการส่งสัญญาณไฟฟ้าต่าง ๆ เช่น จากสถานีโทรทัศน์ โทรศัพท์ สัญญาณจากคอมพิวเตอร์ โดยที่สัญญาณไฟฟ้าเหล่านี้จะถูกเปลี่ยนให้เป็นสัญญาณแสง สัญญาณแสงดังกล่าวจะถูกส่งผ่านไฟเบอร์ออพติกเส้นใยแก้วนำแสง จากสถานีส่งไปถึงสถานีปลายทาง เมื่อถึงสถานีปลายทาง สัญญาณแสงจะถูกเปลี่ยนกลับมาให้เป็นสัญญาณไฟฟ้าตามเดิมเพื่อให้เข้าสู่เครื่องรับโทรศัพท์ และคอมพิวเตอร์

สำหรับชุดทดลองที่ทางสาขาฟิสิกส์ สสวท. จัดทำขึ้นมานี้เพื่อให้นักเรียนได้ทำการทดลองเกี่ยวกับการใช้งานบางประการของสายไฟเบอร์ออพติก(เส้นใยแก้วนำแสง) เพื่อให้เกิดความเข้าใจกระบวนการส่งสัญญาณด้วยสายไฟเบอร์ออพติก(เส้นใยแก้วนำแสง) และเข้าใจหลักการเบื้องต้นของการส่งแสงผ่านสายไฟเบอร์ออพติก(เส้นใยแก้วนำแสง) ว่าสามารถอธิบายได้ด้วยการสะท้อนกลับหมดของแสงในตัวกลาง และการดูดกลืนพลังงานแสง

หลักการของสายไฟเบอร์ออพติก

อธิบายโดยใช้หลักการของแสง (geomerrical optic) ได้ดังนี้

ให้จุดกำเนิดแสงอยู่ที่ S จะมีแสงออกจากจุด S นี้ไปยังจุดต่าง ๆ ของผิวแก้ว ดังรูป ที่จุด A แสงจะพุ่งออกจากแก้วไปยังอากาศโดยไม่มีการหักเห ที่จุด B จะมีการหักเหเล็กน้อย และมีบางส่วนสะท้อนกลับมาในแก้ว ที่จุด C จะมีการหักเหมากขึ้นเล็กน้อย และมีบางส่วนสะท้อนกลับมาในแก้ว ที่จุด D จะไม่มีการหักเห แสงจากจุด S ทั้งหมดจะสะท้อนกลับมาในแก้ว ณ. จุดนี้จะเรียกมุม

ว่า มุมวิกฤต (Critical angle) ทำให้เกิดปรากฏการณ์ การสะท้อนกลับหมด (Total reflection) หาค่ามุม

ได้จากสมการ

เส้นทางของแสงในสายไฟเบอร์ออพติก

เมื่อแสงผ่านเข้ามาในสายไฟเบอร์ออพติก(เส้นใยแก้วนำแสง)ที่ทำจากแก้ว จะเกิดการสะท้อนกลับหมดที่ผิวแก้ว (บริเวณที่เป็นรอยต่อของแก้วกับอากาศ) แสงที่สะท้อนนี้จะกลับเข้ามาในสายไฟเบอร์ออพติก(เส้นใยแก้วนำแสง) และเกิดการสะท้อนที่ผิวแก้วอีกด้านหนึ่ง การสะท้อนนี้จะเกิดภายในแก้ว โดยไม่มีการทะลุผ่านผิวแก้วออกไปยังอากาศ ทำให้สายไฟเบอร์ออพติก(เส้นใยแก้วนำแสง) สามารถนำแสงจากจุด A ไปยังจุด B ได้ โดยเส้นทางของ AB เป็นเส้นโค้ง จากสมบัติข้อนี้จึงได้มีการสร้างเครื่องมือตรวจดูอวัยวะภายในร่างกายมนุษย์โดยการนำแสงจากภายนอกผ่านสายไฟเบอร์ออพติก(เส้นใยแก้วนำแสง) ไปยังกระเพาะอาหาร และนำภาพกระเพาะอาหารกลับมายังภายนอกให้ผู้ทำการตรวจได้มองเห็น

การใช้งานสายไฟเบอร์ออพติก(เส้นใยแก้วนำแสง) จะมี 2 ลักษณะ คือ

1 นำภาพของวัตถุผ่านสายไฟเบอร์ออพติก(เส้นใยแก้วนำแสง) เช่น กล้องตรวจอวัยวะภายในของมนุษย์

2 นำสัญญาณแสงผ่านสายไฟเบอร์ออพติก(เส้นใยแก้วนำแสง)

สำหรับชุดทดลองนี้ จะศึกษาเฉพาะลักษณะบางประการของการส่งสัญญาณแสงผ่านสายไฟเบอร์ออพติก(เส้นใยแก้วนำแสง)

เมื่อจบการทดลองนี้แล้ว จะเข้าใจเรื่อง

1 Multiplex

2 การตอบสนองต่อแสงสี

3 การเปลี่ยนสัญญาณไฟฟ้าเป็นสัญญาณแสง

4 การเปลี่ยนสัญญาณแสงเป็นสัญญาณไฟฟ้า

5 การลดทอนของสัญญาณ

การเตรียมก่อนการทดลอง

1 ต่อแผ่นทดลองกับกระบะถ่านไฟฉาย 6 โวลต์ ต้องต่อให้ถูกขั้ว เมื่อต่อถูกต้องจะเห็นหลอดไฟของ Logic Probe สว่าง

2 ทดสอบการทำงาน โดยต่อสายไฟจาก Input ของชุดส่งสัญญาณ มาแตะที่ +6 โวลต์หลอด LED ของชุดส่งจะสว่างจ้า

เริ่มการทดลองเรื่อง Multiplex

Multiplex เป็นการส่งสัญญาณจากสถานีส่งหลายชุดไปยังสถานีรับหลายสถานี โดยใช้สายส่งเพียงชุดเดียว วิธีหนึ่งคือใช้สวิตช์ S และ S ที่ทำงานพร้อมกัน (synchronise) ทำให้สัญญาณไฟฟ้าจาก A ไปยัง P

B ไปยัง O

C ไปยัง R

D ไปยัง S

ถ้าความเร็วของการเลื่อนสวิตช์ S ₁ และ S ₂ มากพอ สัญญาณทั้ง 4 ชุดที่รับได้จะเกือบเหมือนสัญญาณต้นแบบ

Multiplex

ครั้งแรกให้ทดลองการส่งสัญญาณไฟฟ้าด้วยสายทองแดง โดยเริ่มต่อ input ของ multiplex กับแหล่งจ่ายไฟคงที่ 0 กับ 5 โวลต์ (Logic 0 และ 1) ดูผลที่เกิดขึ้นที่ output ของ demultiplex เมื่อใช้ clock ที่มีความถี่ต่ำจากนั้นจึงใช้ clock ที่มีความถี่สูงขึ้น

ต่อไปให้ทดลองเช่นเดียวกัน แต่เปลี่ยนมาใช้ สาย fiber optic แทนสายทองแดง โดยเริ่มต่อ input ของ multiplex กับ แหล่งจ่ายไฟฟ้าคงที่ 0 กับ 5 โวลต์ จากนั้นนำสัญญาณไฟฟ้า ไปเข้าวงจรแปลงสัญญาณไฟฟ้าเป็นสัญญาณแสง แล้วจึงใช้สาย fiber optic นำสัญญาณดังกล่าว ส่งไปที่ตัวรับสัญญาณแสง เมื่อรับสัญญาณแสงได้แล้ว นำ output ที่ได้ไปเข้าที่ input ของ demultiplex ดูผลที่เกิดขึ้นจากวงจร demultiplex เมื่อใช้ clock ที่มีความถี่ต่ำจากนั้นจึงใช้ clock ที่มีความถี่สูงขึ้น

เมื่อเข้าใจการส่งสัญญาณที่มีความต่างศักย์ไฟฟ้าคงที่ ต่อไปให้ทดลองส่งสัญญาณที่มีการเปลี่ยนแปลงความต่างศักย์ไฟฟ้า แบบ digital ซึ่งเป็นสัญญาณไฟฟ้าแบบ clock ทดลองทั้งการส่งด้วยสายทองแดง และสาย fiber optic

การตอบสนองต่อแสงสี

เนื่องจากสายไฟเบอร์ออพติก(เส้นใยแก้วนำแสง) สร้างจากแก้วหรือวัสดุใสชนิดอื่น ดังนั้นการตอบสนองต่อแสงสีที่มีความยาวคลื่นต่างกัน จึงไม่เท่ากัน ขึ้นอยู่กับผู้สร้างสายไฟเบอร์ออพติก(เส้นใยแก้วนำแสง) นั้น ๆ ว่าต้องการให้สายไฟเบอร์ออพติก(เส้นใยแก้วนำแสง)ทำงานที่แสงสีความยาวคลื่นเท่าไร

การทดลอง

เลือกส่งสัญญาณด้วยแสงสีส้ม (ความยาวคลื่นประมาณ 620 นาโนเมตร) และด้วยแสงสีเขียว(ความยาวคลื่นประมาณ 550 นาโนเมตร) เปรียบเทียบผลที่ได้รับ

light frequency response (Red, Green)

สายไฟเบอร์ออพติก(เส้นใยแก้วนำแสง) ที่ใช้ในการทดลองนี้ทำงานได้ดีที่ความถี่ประมาณ 680 นาโนเมตร ดังนั้นในการทดลองที่ใช้ LED ที่ให้แสงความถี่ประมาณ 620 และ 550 นาโนเมตร จึงมีผลต่อการรับสัญญาณดังนั้นผลการทดลองจึงออกมาว่าการส่งสัญญาณแสงด้วยความถี่ที่ใกล้กับ 680 นาโนเมตรจะให้ผลดีกว่า ซึ่งจุดนี้ก็เป็นจุดสำคัญของการส่งสัญญาณด้วยไฟเบอร์ออพติก(เส้นใยแก้วนำแสง) ต้องเลือกความถี่ของ carrier signal ให้เหมาะกับไฟเบอร์ออพติก(เส้นใยแก้วนำแสง)นั้น เพื่อให้การส่งสัญญาณเป็นไปอย่างสมบูรณ์ที่สุด

ส่วนสายไฟเบอร์ออพติก(เส้นใยแก้วนำแสง) ที่ออกแบบให้ใช้งานส่งสัญญาณจริง (Commercial) เป็นสายที่ออกแบบให้ทำงานที่แสง infrared และการตอบสนองต่อความถี่ของสัญญาณนั้นมีค่าสูงมาก จุดนี้เป็นจุดสำคัญที่ครูและนักเรียนควรเข้าใจ

การเปลี่ยนสัญญาณไฟฟ้าเป็นสัญญาณแสง

เพื่อให้การเปลี่ยนสัญญาณไฟฟ้าเป็นสัญญาณแสงเป็นไปอย่างมีประสิทธิภาพ จึงใช้ทรานซิสเตอร์มาประกอบในวงจร ดังรูป

สัญญาณไฟฟ้าที่เข้ามาทาง INPUT จะทำให้ Transistor นำกระแสไฟฟ้าได้แตกต่างกันตามศักย์ไฟฟ้าของสัญญาณที่เข้ามา เป็นผลให้ LED หรืออาจจะเป็น LASER Diode ส่งแสงที่มีความเข้มที่ไม่คงที่ออกมา

การทดลอง

ต่อสายไฟจาก +6V 0 V clock2 เข้ากับ INPUT ของชุดส่งสัญญาณแสง สังเกตดูความสว่างของหลอด LED

การเปลี่ยนสัญญาณแสงเป็นสัญญาณไฟฟ้า

เพื่อให้การเปลี่ยนสัญญาณไฟฟ้าเป็นสัญญาณแสงเป็นไปอย่างมีประสิทธิภาพ จึงใช้ Photodiode มาเป็นตัวรับแสง ดังรูป

แสงที่ตกกระทบลงบนตัว Photodiode จะทำให้ศักย์ไฟฟ้าที่คร่อมตัว Photodiode เปลี่ยนแปลง แต่การเปลี่ยนแปลงนี้มีค่าน้อยมาก ระดับมิลลิโวลต์ จึงต้องใช้ Opamp เข้ามาทำหน้าที่ขยายสัญญาณให้มีค่ามากขึ้น แล้วส่งออกมาที่ OUTPUT

การทดลอง

ต่อสายไฟจาก +6 V 0 V clock2 เข้ากับ INPUT ของชุดส่งสัญญาณแสง สังเกตดูความสว่างของหลอด LED จากนั้นใช้สายไฟเบอร์ออพติก(เส้นใยแก้วนำแสง) นำสัญญาณแสงไปที่ Photodiode ของชุดรับสัญญาณ ต่อสายไฟจาก OUTPUT ของชุดรับสัญญาณ ไปที่ INPUT ของ Logic Probe สังเกตความสว่างของหลอด LED

การลดทอนของสัญญาณ attenuation (Long, Short)

การทดลองเกี่ยวกับความยาวของสายนั้นเป็นส่วนสำคัญของการส่งสัญญาณด้วยสายไฟเบอร์ออพติก(เส้นใยแก้วนำแสง) ที่ดีจะมีการดูดกลืนดังกล่าวน้อยมาก โดยทั่วไปสายที่ยาว 10 กิโลเมตรจะลด (attenuation) สัญญาณแสงลงครึ่งหนึ่ง แต่สาย fiber optic ที่ใช้ในการทดลองนี้ไม่ได้มีคุณภาพดีถึงเพียงนั้น

การทดลอง

ใช้สายไฟเบอร์ออพติก(เส้นใยแก้วนำแสง) ที่มีความยาว 25 เซนติเมตร และ 5 เมตร ทำการทดลองส่งและรับสัญญาณแสง สังเกตผลที่เกิดขึ้น

ส่วนเสริมที่จะทำต่อไปคือ การส่งสัญญาณเสียงด้วยแสง แทนที่จะเป็นการส่งสัญญาณ digital ด้วยสาย fiber optic ก็จะกลายเป็นการส่งสัญญาณเสียง (คำพูด เสียงร้องเพลง) ทางสาย fiber optic เมื่อตัวรับสัญญาณทำงานจะส่งสัญญาณนี้ไปแปลงกลับมาเป็นเสียงเช่นเดิม นิยมเรียกการส่งในลักษณะนี้ว่า การส่งแบบ analog

Infrared Transmission

สาย fiber optic ที่ซื้อมาจากร้าน RS นั้น สามารถส่งสัญญาณแสงในช่วงของ Infrared ได้ น่าจะทำการทดลองเพิ่ม ทั้งการส่งและการรับในช่วงนี้

maximum of multiplex frequency

ในการทดลองนี้ สำหรับสายทองแดงนั้น ไม่ปัญหาเรื่องความถี่สูงสุดของการส่งสัญญาณไฟฟ้าแบบ multiplex ส่วนการส่งสัญญาณด้วยแสงทาง fiber optic นั้นมีข้อจำกัด เพราะเมื่อความถี่สูงมาก ๆ ปริมาณแสงที่เป็นสัญญาณ high จะมีช่วงสั้นมาก photodiode และ วงจรเปรียบเทียบไม่อาจทำงานได้ถูกต้องนัก (การแก้ไขสามารถตั้ง Theshold ใหม่) นอกจากนี้ยังขึ้นอยู่กับการออกแบบสาย fiber optic ด้วย เพราะว่าสาย fiber optic ที่ใช้ในการทดลองนั้น เป็นสายที่ถูกออกแบบมาให้ทำงานกับแสงที่มีความถี่ประมาณ 680 นาโนเมตร และเป็นการใช้งานที่ความถี่ปานกลางเท่านั้น

ส่วนสาย fiber optic ที่ออกแบบให้ใช้งานส่งสัญญาณจริง (Commercial utilization) เป็นสายที่ออกแบบให้ทำงานที่แสง infrared และการตอบสนองต่อความถี่ของสัญญาณนั้นมีค่าสูงมาก จุดนี้เป็นจุดสำคัญที่ครูและนักเรียนควรเข้าใจ

ที่มา : ไชยยันต์ ศิริโชติ
สาขาวิชาฟิสิกส์
สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี