ATABB

Oğuzboyu

FİBER OPTİK KABLOLAR




Fiber kablolar iletişim teknolojisi dışında farkı çeşitleri tıp da damarların içinin ve organların görüntülenmesi gibi görüntüleme sistemlerinde de oldukça popüler olarak kullanılmakta. Her zamanki gibi yine işin matematiksel boyutuna fazla inmemeye çalışacağım zira isin bu yönü oldukça karmaşık Snell kanunlarından Maxwell denklemlerine kadar çok geniş bir konu.
İşin biraz tarihine bakacak olursak bir çok iste parmağı olan Aleksander Graham Bell amca bu işe de 1880 yılında eğilmiş ve foto telefon denilen mantığı ışığın modüle edilerek iletimi sonra da demodülasyondan sonra tekrar elektriksel sinyale dönüştüren bir alet yapmış. Daha sonraları lambaların gelişimi ve 1960'da lazerin icadından sonra asıl problem başgöstermiş ki zaten bu problem fiberin doğuşuna neden olmuştur
Problem: gönderilecek sinyali modüle etmek elektronik devreler ile kolay demodülasyon da kolay peki sinyalin kilometrelerce dağılmadan, zayıflamadan bir yapı içersinde gitmesi nasıl sağlanacak?
FİBER OPTİK KABLONUN AVANTAJLARI

• geniş band aralığı
• düşük kayıp
• elektromagnetik bağışıklık
• güvenilirlik
• hafiflik
• küçük boyut Yandaki avantajlara baktığımızda avantajların çoğunun iletişime yönelik olduğunu görürüz bu avantajlar yüzünden fiber özellikle uzak mesafe iletişimi için vazgeçilmezdir.


Fiber en çok telefon iletişimine kullanıldığına göre bir karşılaştırma tablosuna bakarsanız ne demek istediğimi daha iyi anlayacaksınız.


ORTAM BİT ORANI(Mbps) SES KANALI TEKRARLAYICI BOŞLUGU (km)
KOAKSİYEL 1,5
3,1
6,3
45
90 24
48
96
672
1344 1 - 2
FİBEROPTİK 45
90
180
405 – 435
565
1700 672
1344
2688
6048
8064
24192 6-15 COK MODLU
30 –40 TEK MODLU

FİBEROPTİK KABLONUN ÇALIŞMASI
Şimdi biraz fiberin nasıl işlediğinden bahsedelim fiberin çalışma prensibi temel optik kurallarına dayanır. Bir ışın demeti az yoğun bir ortamdan daha yoğun bir ortama geçerken geliş açısına bağlı olarak yansıması (buna ileride tam yansıma diyecegiz) yada kırılarak ortam dışına çıkması (bu istenmeyen durumdur) mantığına dayanır.
Şimdi standart bir fiber kabloyu tanıyalım. Kablo3 kısımdan oluşur.


İNDİS: Bir ışık ışınının madde içersinde ilerlemesine gösterilen zorluk katsayısı
KIRILMA İNDİSİ: Işığın boşluktaki hızının madde içerisindeki ışık hızına oranına kırılma indisi denir
NÜVE: Işığın içerisinde ilerlediği ve kablonun merkezindeki kısımdır çok saf camdan yapılmıştır ve esnektir. Yani belirli sınırlar dahilinde eğilebilir cinsine göre çapı tek modlu veya çok modlu oluşuna göre 8 mikrometre ile 100 mikrometre arasında değişir (not insan saçı 100 mikro metre civarındadır.).
KILIF: Tipik olarak 125 mikrometre çapında nüveyi saran ve fibere enjekte edilen ışının nüveden çıkmasını engelleyen kısımdır aynı nüve gibi camdan yapılmıştır ancak indis farkı olarak yaklaşık %1 oranında daha azdır bu indis farkından dolayı ışık ışını nüveye enjekte edildikten sonra kılıfa geçmez (aşırı bir katlanma ya da ezilme yoksa) ışın kılıf nüve sınırından tekrar nüveye döner ve böyle yansımalar dizisi halinde nüve içerisinde ilerler.
KAPLAMA: Optik bir özelliği olmayan kaplama polimer veya plastik olabilir








bir veya birden fazla katmanı olabilir. Optik bir özelliği yoktur sadece fiberi darbe ve şoklardan korur.
Bu kadar bahsettik birde fotoğrafını koyalım gerçi fotoğrafçılık konusunda pek yetenekli olmadığımı öğrendim ama idare edin. resimde yeşil kaplamalı bir fiber var fiberin kendisinden çok gölgesi belli kendisi cam olduğu için parlıyor bu bir tek modlu (bu konuya gelicez) 10 mikrometreye 125 mikrometrelik fiber Türkiye'de kullanılan tip fiberdir genelde tek kaplama içinde iki kablo olur.







Fiberoptik kablo çeşitlerinden bazıları.






FİBEROPTİK KABLO ÇEŞİTLERİ
Fiber optik kablolarla normal kabloları kıyasladığımızda işin teknik yönü ve sağladığı avantajlar dışında maliyet açısından fiberlerin çok daha pahalı olduğunu görürüz ancak kısa mesafeler için (1-5 km) ya da bilgi taşıma kapasitesi bakımından fiberlerde kullanılan malzemeyle oynamak suretiyle hem fiyat uygunluğu hem de ihtiyaca cevap vermek mümkün olmuştur.
Fiberleri sınıflandırılırken ilk önce 2'ye ayrılırlar kapasitesine göre ve yapısına göre.
Kapasite kısmına önümüzdeki ay değineceğim .
Yapısına göre 3'e ayrılırlar
1-CAM FİBERLER: Nüvesi ve kılıfı camdan imal edilir veri iletimi acısından en iyi performansı gösterir yapımında kullanılan cam ultra saf silikon dioksit veya kuartz kristalidir yukarıda bahsettiğim indisi ayarlamak için imalat aşamasında indisi azaltmak için flor veya bor indisi artırmak için germanyum veya fosfor ile katkılanır
2-PLASTİK KAPLI SİLİSYUM FİBER: Cam nüveye plastik kılıfa sahiptirler fiyat olarak cam fiberlere göre daha ucuz ama performans açısından daha verimsizdir.
3-PLASTİK FİBERLER: En ucuz fiber tipidir nüvesi de kılıfı da plastiktir performansı en zayıf fiyatı en uygun fiberdir genelde kaplamaları yoktur kısa mesafe iletişimi için uygundur.



Fiber optik kabloların nüve tipine göre sınıflandırılmasından ve fiber karakteristikleri. Ama önce yapılacak sınıflandırma kırılma indis profiline göre yapılacağı için kırılma indis profiline değinmek istiyorum. Kırılma indis profili nüve kılıf indisleri arasındaki ilişkiyi tanımlar (indisin ışığın ilerlemesine gösterilen zorluk olduğunu hatırlayın fiber 1 yazısı gecen ay) iki tip kırılma indisi vardır kademeli indis ve dereceli indis bunu şöyle açıklayabiliriz bir kademeli indis fiberin uç kesitine baktığımızda düz bir kesit görürüz bunun yorumu fiber nüvesinin her noktasında aynı indis değerinin olduğudur yani enjekte edilen ışık nüvenin her yerinde aynı dirençle karşılaşır dolayısıyla bildiğimiz sıradan yansıma kurallarına göre nüve içerisinde yansıyarak ilerler gelelim dereceli indis fibere.

DERECELİ İNDİS FİBER

aynı kesit dereceli indis fiberden alınacak olursa nüvenin dışa doğru tıpkı bir dış bükey mercek gibi yay çizdiği görülür bunun anlamı ise nüvenin çok sayıda farklı yoğunluklarda cam tabakadan oluştuğudur
bu durumda ışık nüve içerisinde kabaca bir sinüs dalgası çizerek ilerler






KADEMELİ İNDİS FİBER

Çok modlu kademeli indis fiber en basit fiber tiplerinden biridir 100 – 970um arasında bir nüve çapına sahiptir nüve çapının daha fazla olması daha fazla mod taşınması açısından faydalıdır ancak modal yayılma en çok bu tip fiberde olur yayılma km başına 15-30 nano saniye olur rakam saniyenin milyarda 15- 30 u gibi görünebilir ama butun kodlama sistemlerinde hataya sebep olacak düzeydedir kabul edilebilir yayılma miktarı km de 1 ns dir

Işık nüve içinde dereceli indis fiber gibi sinüs dalgaları çizmek yerine tam yansıma kurallarına bağlı zig zaglar çizerek ilerler

simdi biraz ışık hakkında konusalım;
IŞIĞIN DALGA BOYLARI VE SPEKTRAL GENİŞLİK
bildiğiniz gibi her isinin bir dalga boyu vardır bu dalga boyu ışığın görünür- görünmez yada elektromagnetik spektrumda nerede ve ne özellikte olduğunu belirler örneğin infrared (kızıl ötesi) ışınlar insan gözünün algılayabileceği sinirin altındadır

Bir ışın demetinin nüve içerisinde ilerleme hızı dalga boyuna bağlıdır örneğin dalga boyu mor olan yani mor renkli ışığın dalga boyu 455 nm kırmızı ışığın dalga boyu 620 nm bunun anlamı bu iki ışın fiber içinde aynı hızla ilerlemez kımızı ışın aralarındaki dalga boyu farkı kadar daha hızlı ilerler (her saykılda)ışığın bu özelliği bize bir dezavantaj olarak geri döner.(modal yayılma olarak)
MOD
Mod kabaca bir fibere enjekte edilen her ışın şeklinde tanımlanabilir ve kısmen fiberin bilgi taşıma kapasitesini ifade eder her fiberin taşıyabileceği mod sayısı nüvenin çapına ve yapısına bağlıdır. Fiberin iletebileceği mod sayısı için ilk önce normalize olmuş nümerik açıklık frekansı (V) bulunur
Daha sonra iletilebilecek mod sayısı (N) bulunur.

MODAL YAYILMA
Aynı anda fibere enjekte edilen ışınlar fiber sonuna farklı zamanlarda ulaşırlar buna modal yayılma denir ve sadece çok modlu fiberlerde meydana gelir modal yayılmayı azaltmanın 3 yolu vardır.

*kullanılacak fiberi daha az moda izin verecek şekilde seçmek dolayısıyla daha dar bant genişliğine katlanmak
*dereceli indis fiber kullanmak: dereceli indis fiber kullanıldığında butun ışınlar dalga boyu ne olursa olsun nüvenin yapısından dolayı aynı yolu izleyeceklerdir bu en etkili yöntemdir bant genişliği acısından da kısıtlama getirmez.
*tek modlu fiber kullanmak bu tip fiberde yalnız tek mod bulunduğundan bir gecikme söz konusu olmaz.


fiber optik konusunun son bölümününe değineceğiz kısaca malzeme yayılması, dalga kılavuzu yayılması, zayıflama, saçılma ve absorblama, mikrobent kayıpları ve son olarak örnek basit bir devre vereceğim devre görünüşte basit ama fiber kablo ve konnektörler pahalı olduğu için biraz daha düşünmelisiniz zira elinizde kalan malzemeleri başka bir devrede kullanma sansınız yok. Devre semasını uzun zaman önce internetten buldum ama tam yerini hatırlayamadığım için kaynak olarak gösteremiyorum.
Malzeme yayılması.

Farklı dalga boyları (renkler) fiber nüvesi içerisinde farklı hızlarda hareket eder ancak farklı ortamlarda da ortama göre de farklı hızlarda hareket eder ışık hızının malzeme(nüve)içerisindeki hızı hem nüve malzemesine hem de ışığın dalga boyuna bağlıdır malzeme özelliğinden kaynaklanan yayılmaya bu nedenle malzeme yayılması denir bir kaynak normalde tek bir dalga boyunda ışık yaymaz bir çok dalga boyundan ışık yayabilir bu dalga boyları aralığı spektral genişlik olarak tanımlanabilir spektral genişlik ledler için 35nm lazer için 2-3 nm dir örnekten de anlaşılacağı gibi kullanılan kaynak lazer ise malzeme yayılması çok daha az olur örneğin lazer kaynağımız 850nm de çalışmasını istiyoruz kaynak 848 nm ile 851 nm arasında bir spektral çerçevede çalısır 848nm deki sinyaller (kırmızımsı) 851 nm deki sinyallerden daha hızlı hareket edecektir ancak lede göre çok daha az bir yayılma ortaya çıkar.

ZAYIFLAMA SAÇILMA ve ABSORBLAMA
Zayıflama ışık fiber içerisinde yol alırken meydana gelen güç kaybıdır dB/km olarak olcülür plastik fiberler için 300dB/km tek modlu cam fiberler için 0,21dB/km civarındadır ancak ışının dalga boyu ile de ilgilidir aşağıdaki grafik bu durumu gösterir



Zayıflama en fazla olduğu bölgeler 730-950 nm ve 1250-1380nm bölgeleridir bu bölgelerde çalışmamak daha avantajlı olur zayıflama iki sebepten dolayı olur saçılma ve absorblama bunları inceleyecek olursak;
SAÇILMA: isminden de belli olduğu gibi saçılma gelen ışının yabancı bir maddeye çapmasıyla oluşan dağılma ve ışık kaybıdır her ne kadar birinci bölümde fiber camının çok saf olduğunu iddia ettiysek de dünyada saf madde olmadığı gibi saf camda yoktur zaten bu bahsettiğimiz olayda molekül düzeyinde olduğu için kısa mesafeler için atlanabilir bir ayrıntı sayılabilir işin biraz daha detayına inersek saçılma uzun dalga boyundaki ışınlarda çok daha küçük bir etkiye sahiptir matematiksel olarak saçılma dalga boyunun 4.kuvvetinin tersi ile orantılı olduğundan kısa dalga boyundan uzun dalga boylarına geçildikçe hızla azalır ama asla sıfır olmaz.
SAÇILMA:
820nm de :2,5db
1300nm de :0,24db
1550nm de :0,012db gibi değerlerde seyreder
ABSORBLAMA: bu olayda saçılmayla aynı nedenden oluşur temel farklılık saçılmada ışığın dağılması seklinde bir bozuklukken bu olayda ışığın sönümlenmesi söz konusudur fiber içindeki yabancı maddeler (örn: kobalt,bakır krom) absorblamaya neden olur kayıpların düşük olması için bu maddelerin fiberde milyarda bir düzeyinde olmalıdır.
MİKROBENT KAYIPLARI

Mikrobent kayıpları kablonun çeşitli sebeplerden bükülmesinden dolayı oluşur eğer ciddi boyutlarda bir bükülme varsa ışının tamamen yok olması söz konusu olabilir bu nedenle fiber kablolar genelde çok katmanlı korumalı imal edilir










Ali Murat BASOCAK