แกนกลางของใยแก้วนำแสงคืออะไร? อธิบายเส้นทางแห่งแสงแล้ว

ที่ แกนกลางของ ใยแก้วนำแสง เป็นสื่อกลางทางกายภาพที่อยู่ตรงกลาง ซึ่งโดยทั่วไปจะเป็นเกลียวแก้วซิลิกาหรือพลาสติกบริสุทธิ์พิเศษ ซึ่งทำหน้าที่ส่งสัญญาณไฟตลอดความยาวของสายเคเบิล เป็นหัวใจสำคัญของไฟเบอร์ ซึ่งมากกว่า 99% ของพลังงานแสงนำทางถูกจำกัดและแพร่กระจายผ่านการสะท้อนภายในทั้งหมด หากไม่มีแกนหลัก อัตราข้อมูลอันน่าทึ่งของโทรคมนาคมสมัยใหม่ การสร้างภาพทางการแพทย์ และการตรวจจับทางอุตสาหกรรมคงเป็นไปไม่ได้

ทำความเข้าใจเกี่ยวกับไฟเบอร์คอร์: ความหมายและฟังก์ชัน

ที่ core is a cylindrical waveguide whose primary job is to transport modulated light from a transmitter to a receiver with minimal loss and distortion. In a standard glass optical fiber, the core is surrounded by a cladding layer that has a slightly lower refractive index. This precise index difference creates the optical boundary that traps photons inside the core, forcing them to travel along the fiber axis even when the cable bends.

ไฟเบอร์โหมดเดี่ยวทั่วไปที่ใช้ในโทรคมนาคมระยะไกลจะพาแสงอินฟราเรดที่ความยาวคลื่นประมาณ 1310 นาโนเมตรหรือ 1550 นาโนเมตร ที่ความยาวคลื่นเหล่านี้ การลดทอนอาจต่ำที่สุดได้ 0.20 เดซิเบล/กม ซึ่งหมายความว่าสัญญาณสามารถเดินทางได้ไกลกว่า 100 กม. ก่อนที่จะจำเป็นต้องสร้างใหม่ ความโปร่งใสดังกล่าวเกิดขึ้นได้จากการลดสิ่งเจือปน โดยเฉพาะน้ำและไอออนของโลหะภายในวัสดุแกนให้เหลือส่วนในพันล้านส่วน

ที่ Role of Refractive Index and Total Internal Reflection

แสงถูกจำกัดอยู่ในแกนกลางเนื่องจากมีปรากฏการณ์ที่เรียกว่า การสะท้อนภายในทั้งหมด (ทีไออาร์). เมื่อรังสีแสงเดินทางในแกนกลางกระทบกับขอบเขตการหุ้มแกนกลางในมุมที่มากกว่ามุมวิกฤต มันจะสะท้อนกลับเข้าไปในแกนกลางอย่างสมบูรณ์ แทนที่จะหลุดเข้าไปในการหุ้ม ซึ่งต้องใช้ดัชนีการหักเหของแสงของแกนกลาง n ₁ ให้มีขนาดใหญ่กว่าดัชนีการหุ้มอย่างเคร่งครัด n ₂ .

ที่ numerical aperture (NA) quantifies the light‑gathering ability of the fiber and is given by NA = √(n ₁ ² - น ₂ ²) โดยทั่วไปแล้วไฟเบอร์โหมดเดี่ยวจะแสดงค่า NA ของ 0.10 – 0.14 ในขณะที่มัลติโหมดไฟเบอร์ที่ออกแบบมาเพื่อการเชื่อมต่อที่ง่ายดายจะมี NA อยู่รอบๆ 0.20 – 0.29 . NA ที่ใหญ่กว่าจะรับแสงได้มากกว่า แต่ยังขยายการกระจายแบบโมดอลให้กว้างขึ้น ซึ่งจำกัดแบนด์วิดท์

ที่ precision of the index profile is engineered during fabrication. ดัชนีขั้นตอน โปรไฟล์ยังคงรักษาดัชนีแกนกลางให้สม่ำเสมอในขณะเดียวกัน ดัชนีแบบให้คะแนน โปรไฟล์จะค่อยๆลดดัชนีจากศูนย์กลางออกไปด้านนอก การออกแบบดัชนีแบบให้คะแนนเป็นมาตรฐานในไฟเบอร์มัลติโหมดแบนด์วิธสูง เนื่องจากจะลดการกระจายแบบโมดอลโดยการทำให้เส้นทางแสงที่แตกต่างกันมาถึงในเวลาเดียวกัน

วัสดุหลัก: แก้วซิลิกากับเส้นใยแก้วนำแสงพลาสติก

ที่ vast majority of communication‑grade fiber cores are made from ซิลิกาผสมสังเคราะห์ (SiO ₂ ) เจือด้วยเจอร์เมเนียมไดออกไซด์ (GeO ₂ ) หรือสารเพิ่มดัชนีอื่น ๆ การเติมเจอร์เมเนียมจะยกดัชนีการหักเหของแสงให้เพียงพอที่จะสร้างแกนกลาง ในขณะที่ส่วนหุ้มยังคงเป็นซิลิกาที่เจือด้วยฟลูออรีนบริสุทธิ์หรือมีฟลูออรีนเล็กน้อย ตามมาตรฐาน IEC 60793-2-50 เส้นใยโหมดเดี่ยวต้องลดการปนเปื้อนของไฮดรอกซิล (OH⁻) ไว้ด้านล่าง 0.8 ส่วนต่อพันล้าน เพื่อหลีกเลี่ยงการลดทอนระดับน้ำสูงสุดใกล้กับ 1383 นาโนเมตร

แกนใยแก้วนำแสงพลาสติก (POF) สร้างขึ้นจาก โพลี (เมทิลเมทาคริเลต) (PMMA) หรือโพลีเมอร์เพอร์ฟลูออริเนต เส้นผ่านศูนย์กลางแกนกลางมีขนาดใหญ่มากตามมาตรฐานแก้ว — บ่อยครั้ง 0.5 มม. ถึง 1 มม — ซึ่งช่วยลดความยุ่งยากในการเชื่อมต่อและทำให้ POF ทนทานต่อฝุ่นและการสั่นสะเทือน อย่างไรก็ตาม แกนที่ใช้ PMMA ได้รับผลกระทบจากการลดทอนลงอย่างมาก 150 เดซิเบล/กม. ที่ 650 นาโนเมตร โดยจำกัดการเข้าถึงไว้ประมาณ 100 เมตร Perfluorinated POF ช่วยลดการลดทอนลงเหลือประมาณ 10 เดซิเบล/กม แต่ก็ยังสูงกว่าซิลิกามาก

• ข้อดีของแกนซิลิกา: การสูญเสียต่ำเป็นพิเศษ (< 0.20 dB/km ที่ 1550 นาโนเมตร) ความเสถียรที่อุณหภูมิสูง ความเข้ากันได้กับมัลติเพล็กซ์ความยาวคลื่นหนาแน่น
• ข้อดีของแกนพลาสติก: แกนขนาดใหญ่เพื่อการจัดตำแหน่งที่ง่ายดาย ต้นทุนต่ำ ความยืดหยุ่น การทำงานของแสงที่มองเห็นได้สำหรับเครือข่ายเครื่องเสียงและรถยนต์สำหรับผู้บริโภค
• วัสดุพิเศษ: แก้วคาลโคจีนไนด์หรือแกนแซฟไฟร์ใช้สำหรับการส่งผ่านแสงอินฟราเรดระดับกลางและการส่งเลเซอร์กำลังสูง

ขนาดคอร์และมาตรฐาน: โหมดเดี่ยวและมัลติโหมด

ประสิทธิภาพของไฟเบอร์จะขึ้นอยู่กับขนาดทางกายภาพของแกนเป็นอันดับแรก หน่วยงานมาตรฐานสากล (ITU-T, IEC, ISO/IEC) กำหนดช่องแคบสำหรับเส้นผ่านศูนย์กลางแกน ข้อผิดพลาดของศูนย์กลางร่วม และเส้นผ่านศูนย์กลางของโหมดฟิลด์ เพื่อรับประกันความสามารถในการทำงานร่วมกัน

ลักษณะแกนหลักโหมดเดี่ยว

ที่ single‑mode core is designed to support only the fundamental LP ₀₁ โหมดขจัดการกระจายตัวของกิริยาโดยสิ้นเชิง โดยทั่วไปจะมีเส้นผ่านศูนย์กลาง 8.2 – 9.5 ไมโครเมตร โดยมีเส้นผ่านศูนย์กลางของโหมดฟิลด์ประมาณ 9.2 µm ที่ 1310 นาโนเมตร (ITU-T G.652.D) ความยาวคลื่นที่ตัดออกซึ่งเป็นจุดด้านล่างซึ่งไฟเบอร์รองรับหลายโหมด จะถูกเก็บไว้ที่สูงกว่า 1260 นาโนเมตร เพื่อให้แน่ใจว่าการทำงานในโหมดเดียวที่แท้จริงในย่านความถี่ 1310 นาโนเมตร และ 1550 นาโนเมตร

ลักษณะมัลติโหมดคอร์

แกนมัลติโหมดที่ได้มาตรฐานภายใต้ ISO/IEC 11801 มีเส้นผ่านศูนย์กลางหลักสองขนาด: 50 µm (OM2, OM3, OM4, OM5) และ 62.5 µm (OM1) แกนที่ใหญ่กว่ารองรับโหมดเชิงพื้นที่หลายร้อยโหมด ซึ่งช่วยให้การเชื่อมต่อกับแหล่งกำเนิดแสงราคาถูก เช่น VCSEL ง่ายขึ้น แต่แนะนำการกระจายแบบโมดัล เพื่อบรรเทาปัญหานี้ ไฟเบอร์มัลติโหมดแบนด์วิดท์สูงสมัยใหม่ทั้งหมดใช้โปรไฟล์แกนดัชนีแบบให้คะแนน เพื่อให้ได้แบนด์วิดท์แบบโมดอลที่มีประสิทธิภาพที่ 4700 MHz·กม. ที่ 850 นาโนเมตร สำหรับ OM4 และสูงกว่าสำหรับ OM5 ในหน้าต่าง 953 นาโนเมตร

ตารางที่ 1: พารามิเตอร์หลักและการเปรียบเทียบประสิทธิภาพระหว่างไฟเบอร์ออปติกโหมดเดี่ยวและมัลติโหมด ข้อมูลมาจากมาตรฐาน ITU‑T G.652, G.651.1 และ ISO/IEC 11801

วิธีการผลิตแกนไฟเบอร์: พรีฟอร์มเพื่อวาด

ที่ core’s purity and precise index profile are born in a multi‑step vapor‑deposition process that builds a glass rod called a preform. The preform is then drawn into hair‑thin fiber while preserving its cross‑sectional geometry exactly.

มีการใช้เทคนิคการสะสมกระแสหลักสามวิธี: การสะสมไอสารเคมีดัดแปลง (MCVD) , การสะสมไอภายนอก (OVD) และ การสะสมไอตามแนวแกน (VAD) . ใน MCVD ก๊าซที่มีความบริสุทธิ์สูง (SiCl ₄ ,จีซีแอล ₄ ) ไหลภายในท่อซิลิกาที่กำลังหมุนในขณะที่หัวเผาแบบเคลื่อนที่ให้ความร้อนแก่โซนประมาณ 1600 °C ทำให้เกิดเขม่าสะสมทีละชั้น ความเข้มข้นของเจอร์เมเนียมของแกนจะแปรผันในแต่ละรอบเพื่อเขียนโปรไฟล์ดัชนีการหักเหของแสงลงในแก้วโดยตรง หลังจากการสะสม ท่อจะยุบตัวเป็นแท่งแข็งที่อุณหภูมิใกล้ 2000 °C

ที่ OVD and VAD methods build the preform from the outside, enabling larger preforms and higher productivity. A porous soot boule is formed and later sintered into clear glass. The core‑cladding structure is defined by the radial composition of the deposited soot. The final preform — now a solid cylinder about 1 meter long and several centimeters thick — is loaded into a drawing tower. It is heated in a graphite furnace to around 2000 °C and drawn into fiber at speeds of 1200 – 1800 ม./นาที . เคลือบอะคริเลตเคลือบด้วย UV สองชั้นทันทีเพื่อปกป้องพื้นผิวกระจกที่บริสุทธิ์

กลไกการลดทอนและการสูญเสียภายในแกนกลาง

การสูญเสียในแกนกลางเกิดจากการดูดซับ การกระเจิง และการดัดงอ ขีดจำกัดล่างพื้นฐานคือ การกระเจิงของเรย์ลีห์ เกิดจากความผันผวนของความหนาแน่นระดับจุลภาคที่แข็งตัวลงในแก้วระหว่างการทำความเย็น การสูญเสียของ Rayleigh จะปรับขนาดเป็น γ⁻⁴ ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมระบบโหมดเดี่ยวจึงย้ายจาก 1310 nm เป็น 1550 nm: ที่ 1550 nm ส่วนสนับสนุนของ Rayleigh นั้นเกี่ยวกับ 0.12 – 0.15 เดซิเบล/กม ประมาณครึ่งหนึ่งของค่าที่ 1310 นาโนเมตร

ขอบการดูดกลืนแสงอินฟราเรดจากการสั่นของพันธะ Si-O จะสังเกตเห็นได้ชัดเจนเกิน 1600 นาโนเมตร ในขณะที่ส่วนท้ายของการดูดกลืนแสงอัลตราไวโอเลตนั้นแทบไม่สำคัญเลยในอินฟราเรด การดูดซับสิ่งเจือปนซึ่งเป็นที่รู้จักมากที่สุดจากไอออน OH⁻ ทำให้เกิดระดับน้ำสูงสุดใกล้กับ 1383 นาโนเมตร ในเส้นใยแบบเดิมจุดสูงสุดนี้อาจเกินได้ 3 เดซิเบล/กม แต่เส้นใย "จุดสูงสุดของน้ำต่ำ" สมัยใหม่ (ITU‑T G.652.D) จะระงับให้ต่ำกว่าระดับ 0.35 dB/km ทำให้สามารถใช้ E‑band (1360‑1460 nm) สำหรับ WDM แบบหยาบได้

การสูญเสียการโค้งงอแบบมหภาคเกิดขึ้นเมื่อเส้นใยขดแน่นเกินไป การกักขังของแกนกลางจะอ่อนลงและแสงจะส่องเข้าสู่การหุ้ม สำหรับไฟเบอร์ที่ไม่ไวต่อการโค้งงอ G.657 รัศมีการโค้งงอที่อนุญาตอาจมีค่าน้อยที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ 5 มม โดยมีการสูญเสียเพิ่มเติมเล็กน้อยที่ 1550 นาโนเมตร ด้วยการออกแบบดัชนีการหุ้มแบบช่วยร่องลึกหรือแบบกดทับรอบๆ แกน

การกระจายตัวและผลกระทบต่อการออกแบบหลัก

การกระจายตัวของสีและการกระจายแบบโมดอลเกิดขึ้นจากการที่รูปทรงแกนกลางและวัสดุมีปฏิกิริยากับแสง ในแกนโหมดเดี่ยว การกระจายตัวของสีคือผลรวมของการกระจายตัวของวัสดุและการกระจายตัวของท่อนำคลื่น ด้วยการปรับเส้นผ่านศูนย์กลางแกนกลางและเดลต้าดัชนี ผู้ออกแบบสามารถเปลี่ยนความยาวคลื่นการกระจายเป็นศูนย์ได้ เส้นใยมาตรฐาน G.652 วางศูนย์ไว้ที่ ประมาณ 1310 นาโนเมตร ในขณะที่เส้นใยที่มีการกระจายตัว (G.653) จะเคลื่อนไปที่ 1,550 นาโนเมตรโดยการลดพื้นที่ที่มีประสิทธิภาพของแกนและปรับโปรไฟล์ดัชนี ข้อดีข้อเสียนี้สามารถเพิ่มเอฟเฟกต์แบบไม่เชิงเส้นได้ ดังนั้นไฟเบอร์ที่มีการเปลี่ยนการกระจายที่ไม่เป็นศูนย์ (G.655) จึงคงการกระจายที่เล็กน้อยแต่ไม่เป็นศูนย์ทั่วทั้งแถบ C เพื่อลดการผสมคลื่นสี่คลื่น

ในมัลติคอร์คอร์ การกระจายแบบโมดอลเป็นตัวทำลายแบนด์วิธที่โดดเด่น แกนสเต็ปอินเด็กซ์ 50 µm แสดงแบนด์วิธแบบโมดอลเท่านั้น 20 – 50 MHz·กม . การใช้โปรไฟล์ดัชนีเกรดพาราโบลาที่ปรับให้เหมาะสม แบนด์วิดท์จะกระโดดไป หลายพัน MHz·กม ช่วยให้สามารถรับส่งข้อมูล 100 Gbps ได้ไกลกว่า 100 เมตรด้วยไฟเบอร์ OM4 มัลติโหมดไฟเบอร์แต่ละรุ่นจะกระชับเกณฑ์ความคลาดเคลื่อนของโปรไฟล์ดัชนีเพื่อให้ความเร็วของกลุ่มเท่ากันในทุกกลุ่มโหมด

เทคโนโลยีหลักที่เกิดขึ้นใหม่: เส้นใยแบบฮอลโลว์คอร์และมัลติคอร์

ที่ next revolution in core design departs from solid glass altogether. เส้นใยโฟโตนิกแบนด์แกปแบบฮอลโลว์คอร์ แสงนำทางในพื้นที่ภาคกลางที่เต็มไปด้วยอากาศ ล้อมรอบด้วยโครงสร้างจุลภาคที่สร้างแถบความถี่โฟโตนิก เนื่องจากแสงเดินทางในอากาศเป็นส่วนใหญ่ เวลาแฝงจึงลดลง 1.5 µs/กม — ลดลง 31% เมื่อเทียบกับไฟเบอร์มาตรฐาน — และความไม่เชิงเส้นลดลง การวิจัยล่าสุดรายงานการลดทอนของ 0.174 เดซิเบล/กม ในเส้นใยแบบแกนกลวงที่ 1550 นาโนเมตร ช่วยลดช่องว่างด้วยแผ่นเสียงแบบโซลิดคอร์ เส้นใยดังกล่าวกำลังถูกทดลองใช้สำหรับเครือข่ายการซื้อขายทางการเงินที่มีความหน่วงต่ำเป็นพิเศษ และการส่งเลเซอร์พลังงานสูง

เส้นใยมัลติคอร์ ฝังคอร์อิสระหลายคอร์ไว้ภายในการหุ้มเดียว โดยทั่วไปจะเป็น 4, 7 หรือ 19 คอร์ในอาเรย์หกเหลี่ยม แต่ละคอร์สามารถส่งกระแสข้อมูลที่แยกจากกัน โดยเพิ่มความจุของไฟเบอร์ด้วยจำนวนคอร์ ในขณะที่ยังคงรักษาเส้นผ่านศูนย์กลางการหุ้มไว้ที่มาตรฐาน 125 µm หรือใหญ่กว่าเล็กน้อย การทดลองส่งเกิน 1 เพตะบิต/วินาที มีการสาธิตบนไฟเบอร์มัลติคอร์เดี่ยว โดยแต่ละคอร์รองรับการทำงานโหมดเดี่ยวทั่วไป ความท้าทายยังคงอยู่ในอุปกรณ์กระจายออกและการจัดการครอสทอล์คระหว่างคอร์ แต่หน่วยงานมาตรฐานได้กำหนดวิธีการกำหนดคุณลักษณะสำหรับไฟเบอร์มัลติคอร์แล้ว

การแสดงภาพแกนไฟเบอร์

ที่ illustration below shows a simplified cross‑section of a standard single‑mode fiber. The core occupies the very center, followed by the cladding and the protective buffer coating.

คำถามที่พบบ่อยเกี่ยวกับไฟเบอร์คอร์

เหตุใดแกนกลางจึงต้องมีดัชนีการหักเหของแสงสูงกว่าส่วนหุ้ม

การสะท้อนภายในทั้งหมดสามารถเกิดขึ้นได้ก็ต่อเมื่อแสงเดินทางจากตัวกลางที่มีดัชนีสูงกว่าไปยังดัชนีดัชนีต่ำกว่าตัวใดตัวหนึ่งเท่านั้น หากดัชนีแกนกลางเท่ากับหรือต่ำกว่าการหุ้ม แสงจะหักเหออกและเส้นใยจะหยุดนำทาง ความแตกต่างของดัชนีจะสร้างสิ่งกีดขวางทางแสงที่เปลี่ยนแกนกลางให้เป็นกระจกทรงกระบอก

เหตุใดคอร์โหมดเดี่ยวจึงเล็กมาก

ที่ core diameter must be close to the wavelength of light to cut off all higher‑order modes. For operation at 1550 nm, a core diameter around 8–9 µm yields a normalized frequency V < 2.405, guaranteeing single‑mode propagation. A larger core would support multiple modes and introduce modal dispersion, severely limiting bandwidth‑distance product.

ใยแก้วนำแสงสามารถมีมากกว่าหนึ่งคอร์ได้หรือไม่?

ใช่. มีการใช้เส้นใยมัลติคอร์สำหรับมัลติเพล็กซ์แบบแบ่งพื้นที่ โดยผสานแกนอิสระสูงสุด 19 แกนในเส้นผ่านศูนย์กลางหุ้มมาตรฐาน แต่ละคอร์ทำงานเป็นช่องสัญญาณโหมดเดี่ยวที่แยกจากกัน โดยเพิ่มความจุข้อมูลของไฟเบอร์สแตรนด์เส้นเดียวเป็นทวีคูณ เทคโนโลยีนี้เป็นปัจจัยสำคัญสำหรับสายเคเบิลใต้น้ำระดับ petabit ในอนาคต

แกนกลางจะถูกรักษาให้บริสุทธิ์ในระหว่างการผลิตอย่างไร?

กระบวนการสะสมไอทั้งหมดใช้ก๊าซสารตั้งต้นเกรดเซมิคอนดักเตอร์ที่ถูกกรองจนถึงระดับต่ำกว่าไมครอน การผลิตผลิตภัณฑ์ที่ขึ้นรูปขั้นต้นทั้งหมดเกิดขึ้นในสภาพแวดล้อมที่ปิดสนิทและปราศจากอนุภาค และแก้วถูกสังเคราะห์โดยตรงจากไอแทนที่จะละลายจากวัตถุดิบ วิธีการนี้จำกัดการปนเปื้อนของโลหะทรานซิชันให้เหลืออยู่ด้านล่าง 1 ส่วนต่อพันล้าน ซึ่งจำเป็นต่อการไปถึงค่าพื้นสูญเสีย 0.2 dB/กม.

ที่ core of an optical fiber may be small — sometimes invisible to the naked eye — but its material, geometry, and index profile decide everything about how fast, how far, and how cleanly light can deliver information. As hollow‑core and multicore designs mature, the fundamental definition of what a core can be is expanding, promising networks that are faster, lower‑latency, and more energy‑efficient than ever before.