428

การทดลองท 28 การรบ - สงสญญาณของเสนใยน าแสงทความยาวคลน 1550 nm 28.1. วตถประสงคในการทดลอง 1. เพอความเขาใจในทฤษฎการท างานของเสนใยน าแสง (Optical fibers) 2. เพอความเขาใจในทฤษฎการท างานของวงจรสงสญญาณเสนใยน าแสง (Optical Fibers transmitter circuit) 3. เพ อ ศกษาการออกแบบและสร างตวส งสญ ญาณ เสน ใยน าแสง (Optical fibers transmitter) ทความยาวคลน 1550 nm 4. เพอศกษาการวดและปรบตวสงสญญาณเสนใยน าแสง ทความยาวคลน 1550 nm

28.2. หลกการและทฤษฎทเกยวของ แหลงก าเนดแสงทใชงานกบเสนใยน าแสงมความยาวคลนตงแต 0.8 ไมโครเมตร ถง 1.3

ไมโครเมตร และในระบบสอสารความยาวคลนของทเหมาะอยในชวง 1.3 ถง 1.6 ไมโครเมตร พบวา แสงทความยาวคลน 1.55 ไมโครเมตรทเปนยานใกลอนฟาเรดนนดทสด มการสญเสยในการสงผานสญญาณต า ในป ค.ศ.1988 สถาบนเทคโนโลยแมตซาชเซส (Massachusetts Institute of Technology) ไดพฒนาแสงทความยาวคลน 1.4 ไมโครเมตร แตมขอเสย คอ มการสญเสยมาก โดยในบทท 1 เปนการประยกตใชงานแสงทความยาวคลน 1310 nm สวนตอไปจะเปนกลาวถงการประยกตใชงานแสงทความยาวคลน 1550 nm เพออธบายถงรายละเอยดของแหลงก าเนดแสง (illuminators) โฟโตไดโอ (photodiodes) สมบตเสนใยน าแสง และระบบรบขอมลเสนใยน าแสงทความยาวคลน 1550 nm อนรวมถงวงจรประกอบตางๆ

แหลงก าเนดแสง (illuminators) โครงสรางระบบสงผานขอมลดวยเสนใยน าแสงดงแสดงดงรปท 1

รปท 1 โครงสรางระบบสงผานขอมลของเสนใยน าแสง

429

สญญาณจะถกแปลงเปนสญญาณแสง โดยมแหลงก าเนดสญญาณแสงทนยมใช 2 แบบ คอ ไดโอดเปลงแสงหรอแอลอด (light emitting diodes: LED) และเลเซอรไดโอด (laser diode: LD) 1. ไดโอดเปลงแสง (Light Emitting Diode: LED)

ไดโอดเปลงแสงไดถกพฒนาขนในหองปฏบตการในชวงทศวรรษท 1950 จนกระทงในป ค.ศ. 1968 HP ไดมการพฒนาและผลตขนในเชงพาณชย ซงมเพยงแคสแดงเทานน และเมอป ค.ศ. 1992 Nichia ไดพฒนาไดโอดเปลงแสง สน าเงนขน ในปจจบนไดโอดเปลงแสงมหลายสและมหลายความยาวคลน การสองแสงของไดโอดเปลงแสงเปนการแปลงสญญาณไฟฟาเปนแสง โดยเปนการไบแอสตรง (Forward bias) ใหรอยตอ PN ของสารกงตวน า ท าใหอเลกตรอนไดรบพลงงาน และเมออเลกตรอนไปรวมตวกบโฮล อเลกตรอนจะปลอยพลงงาน ท าใหเกดเปนแสงออกมา ดวยวสดทใชในการผลตไดโอดเปลงแสงทตางไป เปนผลใหระดบพลงงานทปลอยออกมาตางกน ท าใหแสงมความยาวคลนตางไป แสงทมนษยสามารถมองเหนไดอยในชวง 400-780 nm สวนทไมสามารถมองเหนไดเรยก “Invisible light” 2. เลเซอรแบบ Fabry Perot (Fabry Perot Laser)

เลเซอรแบบ Fabry Perot เปนเลเซอรไดโอดทน ามาใชในระบบสอสารยคแรก ซงใหแสงทมความยาวคลนประมาณ 850-1310 nm มก าลงสง (ในระดบ mW) และความกวางสเปคตรมทแคบมาก ซงเหมาะกบการประยกตใชงานในการสอสารทมระยะทางไกล (ประมาณ 30 กโลเมตรขนไป) ขอแตกตางในเชงโครงสรางทส าคญระหวางเลเซอรไดโอดกบไดโอดเปลงแสง คอ เลเซอรไดโอดมสวน ของ Resonating housing ดงรปท 2 ซ งภายในมกระจก 2 ชนวางขนานกน อ เลกตรอนใน Resonating housing จะปลอยโฟตอน เนองจากการเปลยนระดบพลงงาน และเกดการสะทอนระหวางกระจก เพมความเขม จนสองสวางออกมาในทสด นอกจากนยงสามารถสรปขอแตกตางระหวางเลเซอรไดโอดกบไดโอดเปลงแสงไดดงตารางท 1

รปท 2 โครงสราง Resonating housing

430

ตารางท 1 เปรยบเทยบคณสมบตระหวางเลเซอรไดโอดกบไดโอดเปลงแสง สมบต ไดโอดเปลงแสง เลเซอรไดโอด

ก าลงสญญาณขาออก ต า สง ความเรว ชา เรว ความกวางสเปคตรม กวาง แคบ ความเขากนไดแบบเดยวกน ไมม ม การประยกตใชงาน งาย ยาก อายการใชงาน นาน นาน ราคา ต า สง

โฟโตไดโอด (Photodiode)

จากขอมลในรปท 3 (a) แสดงโครงสรางขาตวรบขอมลเสนใยน าแสง ทผลตโดย BAYCOM Opt-electronics เบอร TB1-S4-2205 และ TB1-S3-2205 ทมทงแหลงก าเนดแสงและโฟโตไดโอด แตท างานดวยการไบแอสแรงดนทตางกน คอ 3.3 V และ 5 V ตามล าดบ โดยเบอร TB1-S4-2205 จะใหแสงทมความยาวคลน 1550 nm และโฟโตไดโอดท างานในทความยาวคลน 1310 nm สวนเบอร TB1-S3-2205 จะใหแสงทมความยาวคลน 1310 nm และโฟโตไดโอดท างานในทความยาวคลน 1550 nm สวนขอมลในรปท 3 (b) อธบายถงหนาทของแตละขาของตวอปกรณ

รปท 3 โครงสรางขาและหนาทของตวอปกรณโฟโตไดโอด

431

ตวกลางในการสงสญญาณ/เสนใยน าแสง (Transmitting Media/Optical Fibers) ในป ค.ศ. 1966 ศาสตราจารย Charles K. Kao ไดท าการศกษาวจยวา ตวกลางทท าดวย ใยแกวน าแสงทมความบรสทธสงท าจากซลกา เพอการประยกตใชในการสอสารระยะไกล ทงนซลกาไดมาจากทรายซงเปนสงทมอยมาก จงท าใหการผลตเสนใยน าแสงมตนทนต าลง โครงสรางและชนดของเสนใยน าแสง โครงสรางพนฐานของเสนใยน าแสงมลกษณะดงรปท 4 ทแกนกลางท าจากแกว สวนรอบนอกหรอเปลอก (coating) ทท าหนาทปองกนและเพมความแขงแรงใหเสนใยแกว โดยทวไปมกท าจากอะครลกหรอซลโคน เสนผาศนยกลางของเสนใยชนในมขนาดประมาณ 50 ~ 100 µm เราเรยกวาคอร (Core) และเสนใยชนนอกจะมผาศนยกลางประมาณ 100 ~ 200 µm เราเรยกวาแคลดดง (Cladding) ซงคาดชนการหกเหของคอรจะมากกวาแคลดดงอยเลกนอย เพอใหเกดการสะทอนกลบหมดของแสงใหอยภายในคอร

รปท 4 โครงสรางพนฐานของเสนใยน าแสง

เสนใยน าแสง อาจแบงตามชนดของวสดทใชในการสราง ไดแก เสนใยควอตซ (Quartz fiber) เสนใยมลตอลเมนตกลาส (multi-element glass fiber) หรอเสนใยพลาสตก (plastic fiber) ซงแกนกลางของเสนใยควอตซท าจากแกวควอตซ (SiO2) สวนของเสนใยมลตอลเมนตกลาสท าจากแกวหลายชนด เชน SiO2, B2O3, Na2O, TI2O เปนตน และแกนกลางของเสนใยพลาสตกนน ท าจาก โพลเมทล เมตอะครเลต (Polymethyl Methacrylate: PMMA) หรอโพลสไตรน (Polystyrene: PS) สวนเปลอกหมนนท าจากโพลเมอร ฟลโออไรด หรอ PMMA เนองจากจดหลอมเหลวทต าของเสนใยแบบมลตกลาสและแบบพลาสตกทสามารถหลอมไดในเตาแบบแพลตตนมหรอแบบควอตซ ท าใหเกดการปนเปอนของประจโลหะ เชน เหลก ทองแดง นกเกล ซงสงผลใหเกดการสญเสยและแบนดวธในการสงไมดเมอเทยบกบเสนใยควอตซ จงท าใหเสนใยควอตซเปนทนยมใช นอกจากนยงสามารถแบงชนดของเสนใยน าแสงตามลกษณะการใชงาน เชน ใชภายในหรอ ภายนอกอาคาร ใชใตน า เปนตน

432

ชองทางขอมล

ชองทางขอมลหรอชองสญญาณเปนเสนทางเชอมระหวางตวสงและตวรบสญญาณ ในระบบสอสารดวยเสนใยน าแสงนน เสนใยน าแสงอาจจะท ามาจากแกวหรอพลาสตก ซงคณสมบตของชองสญญาณทดคอ มการลดทอนก าลงทต า มคามมทยอมรบไดสง เนองจากชองสญญาณทยาวจะสงผลตอประสทธภาพในการรบแสงทภาครบ ดงนนในระบบสอสารทางแสงระหวางทางของชองสญญาณจงจ าเปนจะตองมตวการขยายสญญาณเพอเพมก าลงสญญาณทตวรบ

รปท 5 ลกษณะแสงทสงเขาเสนใยน าแสง การรบ - สงสญญาณของเสนใยน าแสง ทความยาวคลน 1550 nm โครงสรางระบบรบ-สงสญญาณของเสนใยน าแสงทความยาวคลน 1550 nm องคประกอบตางๆ มสมบตของเปนดงน ตวสงสญญาณ

โครงสรางวงจรสงสญญาณเสนใยน าแสงทความยาวคลน 1550 nm แสดงดงรปท 6 ประกอบดวย ไอซขยายขนาดสญญาณ (amplifier magnitude) ทผลตโดยบรษทโมโตโรลา เบอร MC10116 มาประยกตใชงาน ในการขยายขนาดสญญาณ ทรานซสเตอร Q1 และ Q2 ทท าหนาทขยายขนาดสญญาณ และเพมปรมาณกระแสทไหลผานไดโอดเปลงแสง D1 และ D2 ทท าหนาทสรางสญญาณแสงเขาสเสนใยน าแสง

433

รปท 6 วงจรตวสงสญญาณเสนใยน าแสง ทความยาวคลน 1550 nm

ตวรบสญญาณ โครงสรางวงจรรบและประมวลผลสญญาณเสนใยน าแสงทความยาวคลน 1550 nm แสดงดง

รปท 7 เมอเปรยบเทยบกบวงจรในรปท 4 ในบททผานมา วงจรในรปท 7 จะใชโครงสรางการรบสญญาณในแบบผลตาง ซงมประสทธภาพทดกวา จากวงจรรปท 7 ประกอบดวย ไอซขยายขนาดสญญาณ (amplifier magnitude) เบอร MC10116 ทหนาท าหนาทในการขยายสญญาณทไดรบ สงไปยงทรานซสเตอร Q1 และ Q2 ซงเปนวงจรขยายขนาดสญญาณ ท าใหไดสญญาณทถกตอง

รปท 7 วงจรตวรบสญญาณเสนใยน าแสง ทความยาวคลน 1550 nm

434

28.3. ขนตอนการทดลอง การทดลองท 1 วงจรการสงสญญาณของเสนใยกวน าแสง ทความยาวคลน 1550 nm 1. จากวงจรสงสญญาณเสนใยน าแสงทความยาวคลน 1550 nm แสดงในรปท 6 หรอ OFS2-2 ในโมดล ETEK OFS-9500-02 2. ปอนสญญาณ TTL ดวยแอมปลจด 5 โวลต Duty cycle 50% และความถ 10 kHz ทชองสญญาณดจทลขาเขา (Data I/P) ของ OFS2-2 3. ใชออสซลโลสโคป สงเกตอนพตของไบอสขวสญญาณไฟฟา (TP3) บน OFS2-2และบนทกผลลงในตารางท 1 4. ใช CH1 และ CH2 ของออสซลโลสโคปวดสญญาณทจด TP1 และ TP2 และบนทกผลลงในตารางท 1 5. ใช CH1 และ CH2 ของออสซลโลสโคปวดสญญาณทจด TP4 และ TP5 และบนทกผลลงในตารางท 1 6. ใช CH1 และ CH2 ของออสซลโลสโคปวดสญญาณทจด TP6 และ TP8 และบนทกผลลงในตารางท 1 7. ใช CH1 และ CH2 ของออสซลโลสโคปวดสญญาณของทรานซสเตอร Q1 (TP7) และทรานซสเตอร Q2 (Data O/P) และบนทกผลลงในตารางท 1 8. ปรบอนพตตามตารางท 2 และท าการทดลองซ าตามขนตอนท 3-7 โดยสงเกตและบนทกผลทไดในตารางท 2 การทดลองท 2 วงจรการรบสญญาณของเสนใยกวน าแสง ทความยาวคลน 1550 nm 1. จากวงจรรบสญญาณของเสนใยน าแสงทความยาวคลน 1550 nm แสดงในรปท 7 หรอ OFS1-2 ในโมดล ETEK OFS-9500-01 และวงจรสงสญญาณของเสนใยน าแสงทความยาวคลน 1550 nm แสดงในรป 6 หรอ OFS2-2 ในโมดล ETEK OFS-9500-02 2. ปอนสญญาณ TTL ดวยแอมปลจด 5 โวลต Duty cycle 50% และความถ 10 kHz ทชองสญญาณดจทล ขาเขา (Data I/P) ของ OFS-01 และ OFS2-2 3. ใชออสซลโลสโคปวดอนพตของไบอสขวสญญาณไฟฟา (TP3) บน OFS2-1 และบนทกผลลงในตารางท 3 4. ใช CH1 และ CH2 ของออสซลโลสโคปวดสญญาณทจด TP1 และ TP2 และบนทกผลลงในตารางท 3 5. ใช CH1 และ CH2 ของออสซลโลสโคปวดสญญาณทจด TP4 และ TP5 และบนทกผลลงในตารางท 3

435

6. ใช CH1 และ CH2 ของออสซลโลสโคปวดสญญาณทจด TP6 และ TP8 และบนทกผลลงในตารางท 3 7. ใช CH1 และ CH2 ของออสซลโลสโคปวดสญญาณของทรานซสเตอร Q1 (TP7) และทรานซสเตอร Q2 (Data O/P) และบนทกผลลงในตารางท 3 8. ปรบอนพตตามตารางท 4 และท าการทดลองซ าตามขนตอนท 3-7 โดยสงเกตและ บนทกผลทไดในตารางท 4

บนทกผลการทดลองท 1 ตารางท 1 ผลการวดวงจรภาคสงสญญาณของเสนใยน าแสงทความยาวคลน 1550 nm

Input Signal Frequencies and

Amplitudes Output Signal Waveforms

TTL (50%) 10 kHz

TP1, TP2 TP3

TP4, TP5 TP6, TP9

TP7, TP8

436

ตารางท 1 (ตอ) ผลการวดวงจรภาคสงสญญาณของเสนใยน าแสงทความยาวคลน 1550 nm Input Signal

Frequencies and Amplitudes

Output Signal Waveforms

TTL (50%) 100 kHz

TP1, TP2 TP3

TP4, TP5 TP6, TP9

TP7, TP8

437

บนทกผลการทดลองท 1 ตารางท 2 ผลการวดวงจรภาคสงสญญาณของเสนใยน าแสงทความยาวคลน 1550 nm

Input Signal Frequencies and

Amplitudes Output Signal Waveforms

TTL (33%) 10 kHz

TP1, TP2 TP3

TP4, TP5 TP6, TP9

TP7, TP8

438

ตารางท 2 (ตอ) ผลการวดวงจรภาคสงสญญาณของเสนใยน าแสงทความยาวคลน 1550 nm Input Signal

Frequencies and Amplitudes

Output Signal Waveforms

TTL (33%) 100 kHz

TP1, TP2 TP3

TP4, TP5 TP6, TP9

TP7, TP8

439

บนทกผลการทดลองท 2 ตารางท 3 ผลการวดวงจรภาคสงสญญาณของเสนใยน าแสงทความยาวคลน 1550 nm

Input Signal Frequencies and

Amplitudes Output Signal Waveforms

TTL (50%) 10 kHz

TP1, TP2 TP3

TP4, TP5 TP6, TP9

TP7, Data O/P

440

ตารางท 3 (ตอ) ผลการวดวงจรภาคสงสญญาณของเสนใยน าแสงทความยาวคลน 1550 nm Input Signal

Frequencies and Amplitudes

Output Signal Waveforms

TTL (50%) 50 kHz

TP1, TP2 TP3

TP4, TP5 TP6, TP9

TP7, Data O/P

441

บนทกผลการทดลองท 2 ตารางท 4 ผลการวดวงจรภาคสงสญญาณของเสนใยน าแสงทความยาวคลน 1550 nm

Input Signal Frequencies and

Amplitudes Output Signal Waveforms

TTL (33%) 20 kHz

TP1, TP2 TP3

TP4, TP5 TP6, TP9

TP7, Data O/P

442

ตารางท 4 (ตอ) ผลการวดวงจรภาคสงสญญาณของเสนใยน าแสงทความยาวคลน 1550 nm Input Signal

Frequencies and Amplitudes

Output Signal Waveforms

TTL (33%) 100 kHz

TP1, TP2 TP3

TP4, TP5 TP6, TP9

TP7, Data O/P

443

28.5. สรปผลการทดลอง .................................................................................. ........................................................................................................................................................................................................... .................................................................................................................................................................................. ................................................................................................................................... .............................................. 28.6. ค าถามทายการทดลอง 1. จงอธบายหลกการท างานของเลเซอรแบบ Fabry Perot และไดโอดเปลงแสง ...................................................................................................................... ....................................................................................................................................................................... ................................................................................................................................................................................................... 2. จงเปรยบเทยบความแตกตาง ขอด และขอดอย ระหวางเลเซอรแบบเฟอรบและไดโอดเปลงแสง ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… 3. จงอธบายโครงสรางของเสนใยน าแสงและหลกการสงขอมลทระยะทาง 10 กโลเมตร ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… 4. เมอพจารณาตามคณสมบตในการสงผานสญญาณเสนใยน าแสง แบงไดเปนกประเภท อะไรบาง และแตละประเภทมสมบตอยางไร ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… 5. เมอพจารณาตามวสดของเสนใยน าแสง แบงไดเปนกประเภท อะไรบางและแตละประเภทมคณสมบตอยางไร ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

444

6. จงวาดรปแสดงโครงสรางเสนใยน าแสง พรอมอธบายถงวสดทใชในการสราง ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… 7. จากรปท 6 Q1 และ Q2 ท าหนาทอะไรในวงจร ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

28.7. เอกสารอางอง

1. คมอทดลอง Optical Fibers Communication Applications and Measurements, Etek Technology Co, LTD.

2. ปณยวย จามจรกล, ระบบการสอสารผานเสนใยแกว, ส านกพมพแหงจฬาลงกรณมหาวทยาลย, 2550.

3. รศ.ดร.ปรชา ยพาพน, เครอขายใยแกวน าแสง, สมาคมสงเสรมเทคโนโลย (ไทย-ญปน)

4. ผศ.อภนนท มณยานนท, ทฤษฎการสอสารเสนใยแสง, ต าราชดวศวกรรมศาสตร,

สถาบนเทคโนโลยพระจอมเกลาเจาคณทหารลาดกระบง, 2534.

5. พนธศกด ศรทรพย, การสอสารดวยไฟเบอรออพตค, บรษทอเลคทรอนกสเวลส, 2526.

6. Robert J. Hoss, Fiber Optic Communications Design Handbook, Prentice – Hall International Inc., 1990.

7. Keigo Lizuka, Elements of Photonics for Fiber and Integrated Optics, Volume II, A John Wiley & Son Inc., 2002.

8. Gerd Keiser, Optical Fiber Communications, Second Edition, McGraw-Hill, Inc, 1991.

9. Harold B. Killen, Fiber Optic Communications, Prentice Hall, 1991.

10. Stephen B. Alexander, Optical Communication Receiver Design, Institute of Electrical Engineering, London UK, 1997.