FİBER OPTİK TEKNİĞİ HAKKINDA BİLGİLER

Optik Ortamda İletim

Işık doğrusal ilerleyen ışınlardan oluşur. Işınlar, kırılma indisleri farklı bir ortamdan diğerine geçerken gelen ışının dikey eksende (normalle) yaptığı açıya bağlı olarak kırılma ve yansımaya uğrar. Işın az yoğun (düşük indisli) ortamdan çok yoğun ortama (yüksek indisli) geçerken normale yaklaşarak kırılır. Yüksek indisliden düşük indisliye geçerken normalden uzaklaşarak kırılır. Geliş açısı artıp, belirli bir değere ulaştığında ise ışın ne yansır ne de kırılır, ara yüzeyde kalır. Kritik açı olarak adlandırılan bu değerin üstünde gelen ışınlar ise tam yansıma yapar.

Fiber optik kabloların ışığı ileten kısmı, temel olarak core ve cladding olmak üzere iki kısımdan oluşur. Core ve cladding hammaddesi saydam eritilmiş (silica) camdır. Core fiberin merkezindedir ve ışığı ileten kısmıdır. Fiber core indisi onu örten cladding'in indisine göre daha büyük olduğundan ışınların fiber core içinde yol alışı aynı şekilde yukarıda bahsedilen yansıma ilkesine dayanır.

Işınlar sadece core ortamında iletilir. Çünkü core indis değeri cladding indis değerinden daha yüksektir. Işınlar tam yansımaya uğrayarak core içinde hapsolur. Ayrıca core ve cladding'i saran dışta coating dediğimiz saydam plastik bir tabaka vardır. Bazı ışınlar core içinde yansımayıp kayarak cladding'e kaçar. Coating'in indisi cladding'e göre büyük olduğundan, cladding'e kaçıp kontrolden çıkan ışınlar coating'de emilir. Ayrıca coating, core ve cladding'i mekaniksel etkilerden korur.

Numerical Aparture

Fiber, ışık kaynağından gelen bütün ışınları kabul etmez. Fiberin kabul edeceği ışın miktarı core çapına ve ışının geliş açısına bağlıdır. Fiber, core eksenine belli bir değerden (qmax) büyük açıyla gelen ışınları kabul etmez. Çünkü qmax açısının üstünde gelen ışınların a açısı (Şekil-5) kritik açının altında kalır ve kırımına uğrayarak claddinge geçer. Claddinge geçen ışın kaybolur. q açısının (ışığın core tabakasına girdiği açı) alabileceği maksimum sinüs değeri sık sık karşılaştığımız bir kavram olan  Numerical Aparture’dır (NA). Geometrik olarak formülüze edildiğinde görülecektir ki NA ne core çapına ne de saydam maddenin indis değerine bağlıdır. Sadece core ve claddingin indis farklılığına bağlıdır ve doğru orantılıdır. İndis farkı arttıkça NA büyüyeceğinden fiberin kabul ettiği ışın miktarı artar. Kısaca NA fiber damar içinde ilerleyebilecek ışınların ışık kaynağından en çok kaç derecelik açı ile geldiğini belirleyen bir değerdir.

Mod Nedir?

Tek bir ışının fiber içinde izlediği yola (path) mod denir. Fibere değişik açılarla giren ışınlar farklı açılarla yansıyarak gideceğinden farklı yollar izler. Diğer uca farklı sürelerde ulaşırlar. Örneğin core eksenine 0° açıyla gelen ışın, yansımaya uğramadan, asal eksene paralel, en kısa yolu katederek en kısa zamanda uca ulaşır. Bu moda ana mod (LP01) denir. Eksene açıyla gelen ışınlar ise core içinde yansıyarak gider. Katedilen yol ışının geliş açısı büyüdükçe yani a (yansıma) açısı küçüldükçe artar. Fibere farklı açılarda gelen ışınlar, diğer uca farklı zamanlarda ulaşır. Veri işaretleri (signals, pulses) bir grup ışın demeti ile bir uçtan diğerine iletilir. Modlar arası faz farkından (ayrı yollardan ilerleyen ışınların farklı zamanlarda diğer uca ulaşması) meydana gelen girişimle, işaretler zaman içinde genişler. Bu durum işaretin veri iletim hızını (bit rate); dolayısıyla bant genişliğini azaltır. İstenmeyen bu duruma modsal dağılım (modal dispersion) denir. Tanımından da anlaşılacağı üzere bu sadece multi mod (multi mode - çok modlu) fiberlerden oluşan bir durumdur.

Modsal dağılımı minimum seviyeye indirmek için multi mod fiber core dereceli indis (graded index) olarak (indis çeperlerden merkeze artacak şekilde) üretilir.

Böylelikle eksene paralel ve farklı açılarla yansıyarak ilerleyen ışınlar farklı ortalama hızlara sahip olur ve aralarındaki zaman farkı, dolayısıyla faz farkı ortadan kaldırılmış olur. Kısa mesafelerde (2000 mt’ye kadar) dereceli indis modsal dağılımı ihmal edilebilir seviyeye indirse de çok uzun mesafelerde modlar arası tekrar faz farkı oluşur. Modsal kaynaklı dağılıma kesin çözüm sadece ana modun (LP01) geçişine izin veren single mod (single mod - tek modlu) fiberdir. Single mod fiberde modsal dağılım olayına rastlanmaz. Fiber için mod sayısı, NA ve core çapı ile doğru orantılı, dalga boyu ile ters orantılıdır.

V = NA2pa/l  Mod sayısı = V/2

Mod sayısını azaltarak sadece LP01 in fiberden geçişini sağlamak için belli kriterler mevcuttur. Yukarıdakı mod sayısı formülünde, değerler mod sayısı 1 verecek şekilde single mod fiber oluşturulabilir. Mesela core çapı (2a) 9 mm olan fibere 1310 veya 1550 nm dalga boyu ışık kullanıldığında sadece LP01 - ana mod iletilebilir. Diğer ışınlar core tabakasına giremez, girenler ise kırılarak core veya cladding de kaybolur, iletilmez. SM (single mod) fiberlerde sinyal genişlemesi söz konusu olmadığı için çok yüksek bant genişliği elde edilir. Tek mod geçişi olduğundan single mod fiber core, basamak indisli (indis değeri core’nin her yerinde eşit) olarak üretilebilir. Basamak indisli fiber üretmek, dereceli indislerden daha kolaydır.

Kromatik Dağılım

Işık kaynakları ışığı bir tek dalga boyunda değil de dalga boyu değerleri (l), lD kadar değişebilen dalga grubu olarak yayar. Grubu oluşturan dalga tanecikleri de farklı sürelerde ilerleyeceğinden aradaki zaman farkından sinyal yine genişler. Dalga boyuna bağlı bu tip dağılıma kromatik dağılım (chromatic dispersion) olarak adlandırıyoruz. Bu tip dağılım 1200 - 1600 nm arasında sıfıra en yakındır. Multi mod kablolarda bu değer modsal dağılıma oranla çok daha düşük olduğu için göz önüne alınmaz.

Zayıflama (Attenuation)

Işık optik ortamda iletilirken gücü azalır ve sinyal zayıflar. Minimum seviyede olan bu kayıp, uzun mesafelerde tekrarlayıcısız veri iletiminin sağlanmasına olanak sağlamasının yanında optik transmisyon sistemlerinin inşaasında mutlaka göz önünde bulundurulması gereken önemli bir parametredir. Fiziksel bir takım etkiler; emilme (absorbtion), saçılma (scattering), makro eğilme (macrobending), ışığın enerji kaybederek zayıflamasına neden olur. Zayıflama ışığın dalgaboyu değerine de bağlıdır. Bu nedenle fiberdeki zayıflama değeri dalgaboyu spektrumu gözönüne alınarak ölçülmelidir. Su fiberin en büyük düşmanıdır. Kablonun su alması durumunda iletkenlerin elektrolizinden ortaya çıkan OH iyonlarının fiberin yapısına (SiO2) girmesi, yani fiberin OH yutması zayıflamaya ve fiberin ömrünün kısalmasına sebep olur. Fiberin nem yutması durumunda 1400 nm dalgaboyunda zayıflama maksimum seviyede olur.

Rayligh Saçılması

Kullandığımız fiberler ideal homejen yapıda değildir. Kullanılan fiberde mikro düzeyinde yoğunluğu farklı bölgeler vardır. Bu bölgelerde ışık küçük bir miktar saçılır. Işığın dalgaboyunda daha küçük boyutlardaki engellerden saçılması durumuna Rayligh saçılması (scattering) denir. Bu saçılma bağlı olarak fiberde her dalgaboyunda zayıflama meydana gelir. Dalgaboyu arttıkça Rayligh saçılmasından kaynaklı kayıp azalır.

Multi mod kablolar kısa mesafelerde ve LAN uygulamalarında, Single mod kablolar ise uzun mesafelerde ve WAN uygulamalarda tercih edilir.

SM kablolar daha yüksek band genişliğine sahip ve daha kolay üretiliyor olduğu halde kısa mesafelerde MM kablolar daha çok tercih edilir. SM fiber core çapı 9 mm iken MM (Multi Mod) fiber core çapı 50 mm veya 62,5 mm'dir. Core çapının daha büyük olması nedeniyle MM fiberin montaj ve tesisi SM fiber göre daha kolay ve ucuzdur. Tekrarlayıcı (repeater) kullanmadan 2km’ye kadar sorunsuzca kullanılabilen MM kablolar, LAN uygulamalarında tercih edilir.

Band genişliği, telekomünikasyon sistemlerinde bilgi taşıma kapasitesinin bir parametresi. 850/1300 nm’de Multi mod sistemlerde 400 MHz, Single mod sistemlerde ise neredeyse sınırsızdır. Band genişliği modlar arası zaman farkı ile ters orantılıdır. SM fiberlerde modlar arası zaman farkı ile ters orantılıdır. SM fiberlerde modlar arası zaman farkı söz konusu olmadığından işaret genişlemesine uğramaz.

Optik iletim sistemlerinde özel dalga boyları kullanılır.

Yukarıda da anlatıldığı gibi fiber için mod sayısı NA ve core çapı ile doğru orantılı, l ile ters orantılıdır. Fiber core çapı montaj ve tesis zorluğundan minimum 9 mm olacak şekilde üretilebilir. Core ve cladding arasındaki indis farkı da minimum düzeydedir. (1.48 - 1.46) Bu değerlere göre kullanılması gereken dalgaboyu 1150 nm ve 1875 nm arası olarak hesaplanmıştır.

Optik işaretler varış noktasına zayıflamadan dolayı, gücü azalmış olarak ulaşır. Zayıflama üretim hataları, ek kayıpları gibi dış etkenlerin yanında dalgaboyuna bağlı Rayling dağılmasına da bağlıdır. Optik zayıflama, kullanılan ışığın dalgaboyu büyüdükçe azalır. Ayrıca fiber nem yutma durumunda zayıflamayı en çok 1350 - 1450 nm arasında gösterir. Çeşitli deney ve ölçümlerden sonra zayıflama değerinin 850 nm 1300 nm ve 1550 nm’lerde en düşük olduğu ortaya çıkmıştır. SM fiber için kullanılan dalgaboyu yukarıda bahsedildiği gibi 1150 nm ve 1875 nm arasında olması gerektiğinden 1300 nm ve 1550 nm kullanılır. Multi mode fiberlerde böyle bir sınırlama olmadığından 850 nm'de kullanılabilir. Bu duruma bağlı olarak transceiver, receiver gibi cihazlar bu dalgaboyu değerlerine göre yapılandırılmıştır. Yıllardır bu değerleri kullanmak alışkanlık haline gelmişse de, daha avantajlı, kullanımı kolay, değişik dalgaboylarında faaliyet gösterebilen fiber üretim çalışmaları sürmektedir.

Aynı fiber hem Multi Mod hem de Single Mod olarak davranabilir.

Dalgaboyuna bağlı olarak optik ortamda tek mod ya da çok mod iletilebilir. Dalgaboyu büyülterek optik ortamda iletilen mod sayısı azaltılır. Dalgaboyu belli bir değere ulaştığında fiber sadece ana modu iletir. Bu değere kesme dalgaboyu (cut off wavelength) denir.

Fiber, kesme dalgaboyunun üzerinde single mod altında ise multi mod iletir.