แสงเดินทางอย่างไร: การสะท้อน โหมด และช่องรับแสงเชิงตัวเลข

ใยแก้วนำแสงคือท่อนำคลื่น: แกนแก้วที่ถูกล้อมรอบด้วยเนื้อแก้วที่มีดัชนีหักเหต่ำกว่าเล็กน้อย ทำให้แสงที่กระทบขอบเขตด้วยมุมตื้นสะท้อนกลับแทนที่จะหลุดออกไป จากข้อเท็จจริงข้อเดียวนี้ นำไปสู่ความแตกต่างระหว่างใยแก้วนำแสงซิงเกิลโหมดและมัลติโหมด มุมรับแสงที่กำหนดว่าแสงจากแหล่งกำเนิดจะเข้าไปได้มากเท่าใด เหตุผลที่การโค้งงอแบบแคบทำให้แสงรั่วไหล และเกรด OM1–OM5 กับ OS2 ที่ดาต้าชีตอ้างถึง หน้านี้ครอบคลุมฟิสิกส์ดังกล่าวในระดับความลึกที่ใช้ในงานออกแบบลิงก์

โครงสร้างของใยแก้วนำแสง

ชั้น	เส้นผ่านศูนย์กลาง	วัสดุ	บทบาท
แกน	9 µm (ซิงเกิลโหมด), 50 หรือ 62.5 µm (มัลติโหมด)	ซิลิกาที่เจือด้วยเจอร์เมเนียม (ดัชนีสูงกว่า)	นำพาแสง
แคลดดิง	125 µm	ซิลิกาบริสุทธิ์หรือเจือฟลูออรีน (ดัชนีต่ำกว่า)	กักแสงไว้ด้วยการสะท้อนกลับหมดภายใน
การเคลือบ	250 µm (หรือ 200 µm)	อะคริเลต	ป้องกันทางกล; ใช้รหัสสีในสายเคเบิล
ชั้นบัฟเฟอร์ / ปลอกสาย	900 µm แบบหุ้มแนบชิด หรือแบบท่อหลวม	พลาสติก	เพื่อการจับต้อง; ไม่ใช่ส่วนหนึ่งของระบบออปติก

ผลต่างดัชนีหักเหระหว่างแกนกับแคลดดิงนั้นเล็กมาก — ประมาณ 0.3–0.5 % — แต่ก็เพียงพอ เพราะแสงเดินทางเกือบขนานกับแกนกลาง

การสะท้อนกลับหมดภายในและรูรับแสงเชิงตัวเลข

แสงที่เดินทางจากตัวกลางที่มีความหนาแน่นมากไปยังตัวกลางที่มีความหนาแน่นน้อยกว่าจะหักเหออกจากเส้นตั้งฉาก เมื่อเกิน มุมวิกฤต แสงจะสะท้อนกลับหมด ในใยแก้วนำแสง หมายความว่ารังสีแสงภายในกรวยรอบแกนกลางจะถูกกักไว้ ครึ่งมุมของกรวยนั้นในอากาศถูกกำหนดโดย รูรับแสงเชิงตัวเลข:

ใยแก้วนำแสง	NA	ครึ่งมุมรับแสง	ความหมาย
ซิงเกิลโหมด G.652	≈ 0.12–0.14	≈ 7–8°	มีเพียงลำแสงแคบที่เล็งได้แม่นยำเท่านั้นที่จะคัปเปิลเข้าไปได้ — แหล่งกำเนิดแบบเลเซอร์เท่านั้น
มัลติโหมด 50 µm (OM2–OM5)	0.20	≈ 11.5°	รับแสงได้กว้าง — VCSEL และ LED คัปเปิลเข้าได้ง่าย
มัลติโหมด 62.5 µm (OM1)	0.275	≈ 16°	กว้างที่สุด; รุ่นเก่า

NA ยิ่งสูง = คัปเปิลง่ายขึ้น แต่มีจำนวนโหมดมากขึ้นและดิสเพอร์ชันแบบโหมดมากขึ้น

โหมด

โหมดคือรูปแบบสนามที่เสถียรซึ่งสามารถเดินทางไปตามท่อนำคลื่นได้ จำนวนโหมดที่มีอยู่ขึ้นอยู่กับขนาดแกน ค่า NA และความยาวคลื่น (ค่า V):

ใยแก้วนำแสง	โหมดที่ 850 nm	โหมดที่ 1310 nm	ผลที่ตามมา
9 µm ซิงเกิลโหมด	— (จะเป็นแบบโหมดน้อย)	1	ไม่มีดิสเพอร์ชันแบบโหมด; ระยะส่งถูกกำหนดโดยการลดทอนและดิสเพอร์ชันแบบโครมาติก
50 µm มัลติโหมด	หลายร้อย	~100	ดิสเพอร์ชันแบบโหมดจำกัดผลคูณแบนด์วิดท์ × ระยะทาง (ดิสเพอร์ชันและแบนด์วิดท์)
62.5 µm มัลติโหมด	~1 000	—	ดิสเพอร์ชันแบบโหมดแย่ที่สุด

ใยแก้วนำแสงซิงเกิลโหมดจะเป็นซิงเกิลโหมดจริงก็ต่อเมื่ออยู่ เหนือความยาวคลื่นตัดขาด เท่านั้น (≈ 1 260 nm สำหรับ G.652): ที่ 850 nm มันนำพาหลายโหมด จึงเป็นเหตุผลที่โมดูล SR ที่ 850 nm ใช้บนใยแก้วนำแสงซิงเกิลโหมดแล้วทำงานไม่ถูกต้อง และเหตุใด “ซิงเกิลโหมดที่ 1310/1550” จึงเป็นการจับคู่ที่ถูกต้อง (ความไม่ตรงกันทางกายภาพ)

ดัชนีขั้นบันไดและดัชนีไล่ระดับ

โพรไฟล์	รูปร่างดัชนี	ใช้ใน	ผล
ดัชนีขั้นบันได	ดัชนีแกนคงที่ เปลี่ยนแบบขั้นบันไดทันทีสู่แคลดดิง	ใยแก้วนำแสงซิงเกิลโหมด	ไม่มีผลกับกรณีมีเพียงหนึ่งโหมด
ดัชนีไล่ระดับ	แบบพาราโบลา: สูงสุดที่แกนกลาง ลดลงเมื่อเข้าใกล้แคลดดิง	มัลติโหมดโทรคมนาคมทั้งหมด (OM1–OM5)	รังสีแสงด้านนอกเดินทางไกลกว่าแต่เร็วกว่า (ดัชนีต่ำกว่า) ทำให้โหมดต่าง ๆ มาถึงเกือบพร้อมกัน — ดิสเพอร์ชันแบบโหมดลดลง 100 เท่า เทียบกับดัชนีขั้นบันได

คุณภาพของโพรไฟล์แบบไล่ระดับคือสิ่งที่แยก OM3 (2 000 MHz·km) ออกจาก OM4 (4 700 MHz·km): รูปทรงเรขาคณิตเหมือนกัน แต่เส้นโค้งดัชนีแม่นยำกว่า

เส้นผ่านศูนย์กลางสนามโหมดและการสูญเสียจากการคัปปลิง

ในใยแก้วนำแสงซิงเกิลโหมด แสงไม่ได้ถูกกักอยู่เฉพาะในแกนขนาด 9 µm เท่านั้น เส้นผ่านศูนย์กลางสนามโหมด (MFD) ของมันอยู่ที่ ≈ 9.2 µm ที่ 1310 nm และ ≈ 10.4 µm ที่ 1550 nm ใยแก้วนำแสงสองเส้นที่มี MFD ต่างกัน หรือการเยื้องศูนย์ในแนวขวางที่คอนเนกเตอร์ ทำให้แสงสูญเสียไป:

ความไม่ตรงกัน	การสูญเสีย
การเยื้องศูนย์ในแนวขวาง 1 µm (SMF)	≈ 0.2 dB
การเยื้องศูนย์ในแนวขวาง 2 µm	≈ 0.8 dB
MFD 9.2 เทียบกับ 10.4 µm (G.652 ไปยัง G.657.B หรือ DSF)	≈ 0.1–0.3 dB
แกน 50 µm เข้าสู่ 62.5 µm	≈ 0 dB (การสูญเสียเกิดในทิศทางตรงข้าม)
แกน 62.5 µm เข้าสู่ 50 µm	2–4 dB
SMF เข้าสู่ MMF	≈ 0 dB ที่จุดต่อ แต่กระตุ้นให้เกิดโหมด → สัญญาณรบกวนแบบโหมด
MMF เข้าสู่ SMF	> 10 dB

จึงเป็นที่มาของกฎ “ห้ามผสม 50 กับ 62.5” และ “ห้ามผสมซิงเกิลโหมดกับมัลติโหมด” (คอนเนกเตอร์และชนิดใยแก้วนำแสง)

การสูญเสียจากการโค้งงอ

ชนิดการโค้งงอ	สาเหตุ	ผล
การโค้งงอระดับมหภาค	รัศมีต่ำกว่า ~30 mm (SMF มาตรฐาน), สายรัดเคเบิลที่รัดแน่นเกินไป, ประตู	แสงหลุดออกจากแคลดดิง; การสูญเสียเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วตามความยาวคลื่น — ลิงก์ที่ปกติดีที่ 1310 nm อาจล้มเหลวที่ 1550 nm และการทดสอบที่ 1625 nm พบการโค้งงอที่ 1310 nm ตรวจไม่พบ
การโค้งงอระดับจุลภาค	การเบี่ยงเบนแนวแกนกลางระดับจุลภาคจากความเค้นของสายเคเบิล ความเย็น การถูกบีบอัด	การสูญเสียเพิ่มขึ้นทั่วทั้งแบนด์
ใยแก้วนำแสงไม่ไวต่อการโค้งงอ G.657.A1/A2/B3	โพรไฟล์ดัชนีแบบมีร่องช่วย	รัศมี 10–7.5–5 mm ที่ยอมรับได้; ใช้ภายในอาคาร ในสายต่อเข้าบ้าน FTTH และแผงความหนาแน่นสูง

มัลติโหมดทนต่อการโค้งงอได้ดีกว่า แต่จะสูญเสียโหมดอันดับสูงก่อน ซึ่งเปลี่ยนแปลงแบนด์วิดท์ของมัน

เกรดใยแก้วนำแสงในตารางเดียว

เกรด	แกน	ความยาวคลื่น	แบนด์วิดท์ (EMB ที่ 850 nm)	การลดทอน	มาตรฐาน
OM1	62.5 µm	850 / 1300	200 MHz·km	3.5 / 1.5 dB/km	ISO 11801, TIA-492AAAA
OM2	50 µm	850 / 1300	500	3.5 / 1.5	TIA-492AAAB
OM3	50 µm	850 (ปรับให้เหมาะกับเลเซอร์)	2 000	3.0 / 1.5	TIA-492AAAC
OM4	50 µm	850	4 700	3.0 / 1.5	TIA-492AAAD
OM5	50 µm	850–953 (แบนด์กว้าง)	4 700 ที่ 850 nm, 2 470 ที่ 953 nm	3.0 / 1.5	TIA-492AAAE
OS1 / OS1a	9 µm	1310 / 1550	—	1.0 / 1.0 (ภายในอาคาร แบบหุ้มแนบชิด)	ISO 11801
OS2	9 µm	1310 / 1383 / 1550	—	0.4 / 0.4 / 0.4 (ท่อหลวม, จุดพีกน้ำต่ำ)	ISO 11801; ITU-T G.652.D
G.657.A/B	9 µm	เหมือน OS2	—	เหมือน OS2	ไม่ไวต่อการโค้งงอ
G.655 / G.654	9 µm	1550	—	0.2 / 0.17	NZ-DSF สำหรับ DWDM; สูญเสียต่ำพิเศษสำหรับระยะไกล

ระยะส่งตาม PMD และเกรด: ตารางระยะส่ง

ความหมายในระดับทรานซีฟเวอร์

ชนิดคอนเนกเตอร์และชนิดใยแก้วนำแสงของโมดูลต้องตรงกับโครงข่ายสาย: SR/SR4 บน OM3/OM4 ส่วนที่เหลือทั้งหมดบน OS2
เงื่อนไขการป้อนแสงของเลเซอร์ (ฟลักซ์ล้อมรอบสำหรับ VCSEL) ถูกกำหนดไว้โดยมาตรฐาน เพื่อให้ตัวเลขแบนด์วิดท์มัลติโหมดเป็นจริงตามนั้น — โมดูลที่ไม่เป็นไปตามสเปกจะให้ระยะส่งสั้นกว่าที่ตารางระบุไว้
โมดูลซิงเกิลโหมดบนใยแก้วนำแสงมัลติโหมด (ด้วยสายแพตช์คอร์ดปรับสภาพโหมด) เคยเป็นกลเม็ดสำหรับ 1G (1000BASE-LX บน OM1) แต่ใช้ไม่ได้กับ 10G ขึ้นไป

ใน CodingBox

โมดูลบอกโฮสต์ว่ามันเหมาะกับใยแก้วนำแสงชนิดใด: รหัสคอนเนกเตอร์ ความยาวคลื่น และฟิลด์ระยะสำหรับ SMF, OM1, OM2, OM3 และ OM4 — เกรดเดียวกับที่กล่าวมาข้างต้น CodingBox แสดงข้อมูลเหล่านี้ เพื่อให้คำถามเรื่องใยแก้วนำแสงได้รับคำตอบก่อนที่โมดูลจะออกจากโต๊ะทดสอบ (Check transceiver, แผนผังหน่วยความจำ)

ใยแก้วนำแสงที่ถูกกำหนดเป็นมาตรฐานซึ่งหลักการเหล่านี้ก่อให้เกิดขึ้น — ITU-T G.652 ถึง G.657 เกรดมัลติโหมด OM1–OM5 ใยแก้วนำแสงชนิดพิเศษ การสูญเสียที่จุดต่อระหว่างใยแก้วนำแสงต่างชนิด และวิธีระบุว่าติดตั้งอะไรอยู่: ชนิดใยแก้วนำแสง

หากพบข้อมูลที่ไม่ถูกต้องหรือข้อผิดพลาดในบทความนี้ ให้เลือกข้อความส่วนนั้นแล้วกด Ctrl+Enter เพื่อ