FİBER OPTİK HABERLEŞME. Giriş

Transkript

1 FİBER OPTİK HABERLEŞME Giriş Fiber Optik haberleşme sistemleride iletim içi metal iletkelere alteratif olarak geliştirilmiştir. Ses, veri ve görütü iletişimideki hızlı ve büyük değişim daha ekoomik, yüksek kalitede ve geiş kapasiteli sistemlere talebi arttırmıştır. Mikrodalga sistemleri ve uydu sistemleri arta talebe acak geçici bir rahatlama getirmektedir. Bilgi taşıyıcısı olarak ışığı kullaıldığı sistemler so zamalarda oldukça ilgi görmektedir. Işık çok yüksek frekaslı bir elektromayetik siyaldir. Işık dalgalarıı yeryüzü atmosferide iletmek zor ve verimsizdir. Dolayısıyla ışığı bir kayakta bir varış yerie iletmek amacıyla güdümlü cam ya da plastik malzemeli fiberler kullaılarak bu amaç gerçekleştirilebilir. Güdümlü bir fiber kablo ile bilgi taşıya iletişim sistemlerie fiber optik sistemler adı verilmektedir. Bir iletişim sistemii bilgi taşıma kapasitesi bu sistemi bat geişliğiyle doğru oratılıdır; bat geişliği e kadar fazla olursa sistemi bilgi taşıma kapasitesi de o kadar fazla olur. Karşılaştırma amacıyla bir sistemi bat geişliğii bu sistemi taşıyıcı frekasıı bir yüzdesi şeklide ifade etmek yaygı olarak kullaıla bir yötemdir. Öreği, 00 MHz de çalışa bir VHF radyo sistemii bat geişliği 0 MHz dir. (Yai taşıyıcı frekasıı %0 udur.) Bat geişliği taşıyıcı frekasıı %0 ua eşit 6 GHz de çalışa bir mikrodalga radyo sistemii bat geişliği 600 MHz olur. Dolayısıyla, taşıyıcı frekası e kadar yüksek olursa, o kadar fazla bat geişliği mümkü olur. Buu soucu olarak da, bilgi taşıma kapasitesi o kadar büyük olur. Fiber optik sistemlerde kullaıla ışık frekasları 0 4 Hz ile 0 5 Hz arasıdadır ( GHz ile GHz arası) GHz i %0 u GHz dir. Bugüü ya da yakı geleceği gereksiimlerii karşılamak içi GHz aşırı bir bat geişliğidir. Acak, bu sayı fiber optik sistemleri kapasitesii ortaya koymaktadır. Fiber optik kablou kullaılma alaları arasıda telefo haberleşmesi, LAN, MAN, WAN etwork ağları, tıp, edüstriyel uzakta kotrol, iteret, kablolu TV, uçak ve füze sistemleri, gizli haberleşme ve bilgisayarlar sayılabilir. Şekil. Frekas Spektrumu

2 Frekas tayfıı, ses altı frekaslarda kozmik ışılara uzadığı görülebilir. Fiber optik sistemlerde kullaıla frekaslar, yaklaşık 0 4 Hz ile 0 5 Hz aralığıda (Kızılaltıda Morötesie) uzaır. Bu frekas tayfı, isa gözüü gerçek duyarlığıı altıda bir frekasla üstüde bir frekas aralığıı kapsamasıa karşı, görüür ışık olarak adladırılır. Bir periyodik işareti aldığı yola dalga boyu deir. Birimi metredir. λ(m) = c f ( m / s) (/ s) Işık hızıı değeri m/s dir. (Boşlukta ve yaklaşık olarak havada) Optik spektrumda Fiber Optik haberleşme aralığı { m} dalga boyları arasıdadır. E fazla kullaıla Fiber Optik dalga boyu 300 m dir. Görüür ışık dalga boyu aralığı {400 m m} dalga boyları arasıdadır. Işık gibi ultra yüksek frekaslı elektromayetik dalgalarla ilgili hesaplamalar yapılırke, geelde frekasa dayalı birimler yerie dalga boyua dayalı birimler kullaılır. Işık frekaslarıı dalga boyları aşağıdaki şekilde gösterilmiştir. Dalga boyu içi yaygı olarak kullaıla iki birim vardır: aometre (m) ve agstrom (A ) Bir aometre 0-9 metredir; agstrom ise 0-0 metredir. Dolayısıyla, aometre 0 agstroma eşittir. Fiber Optiği Tarihi Şekil. Moröteside Kızılötesie rekler 880 yılıda, Alexader Graham Bell fotofo adıı verdiği bir aygıtla çeşitli deeyler yapmıştır. Fotofo, ses dalgalarıı bir ışık büzmesi üzeride ilete, ayalarda ve seleyumlu detektörlerde yapılmış bir aygıttı. Fotofo kullaışsızdı, güveilir değildi ve gerçek bir pratik uygulaması olmaya bir aygıttı. Aslıda, elektroik iletişim ortaya çıkmada

3 çok öce, görüe ışıkta yararlamak iletişim kurmaı öde gele yollarıda biriydi. Asırlar öce, kısa, basit mesajları aktarmak içi duma siyalleri ve ayalar kullaılmaktaydı. Bua karşı Bell i düzeeği, bilgi taşımak içi bir ışık huzmesi kullama yoludaki ilk girişimdi. Işık dalgalarıı yeryüzü atmosferide işe yarar bir mesafeye iletimi pratikte mümkü değildir, çükü su buharı, oksije ve havadaki küçük parçacıklar ultra yüksek ışık frekaslarıı soğurarak zayıflatırlar. Dolayısıyla, kullaışlı ola tek optik iletişim sistemi türü, fiber kılavuz kullaa bir sistemdir. 930 yılıda, İgiliz bilim adamı J..L. Baird ile Amerikalı bilim adamı C. W. Hasell, kaplamasız fiber kablolar aracılığıyla televizyo görütülerii tarayarak ve ileterek patet aldılar. Birkaç yıl sora Alma bilim adamı H. Lamm, tek bir cam fiberde görütüleri başarılı bir biçimde iletti. O zamalar, isaları çoğu fiber optiği daha çok bir oyucak ya da bir laboratuarı sıırları içide sergilee bir hüer gösterisi olarak değerlediriyordu, dolayısıyla fiber optik alaıda esaslı bir atılım acak 950i yılları ilk yarısıda gerçekleştirilebildi. 95 yılıda, Hollada da A. C. S. Va Heel ile İgiltere de H. H. Hopkis ve N. S. Kapay, fiber demetleri aracılığıyla ışık iletimi üzerie deeyler yaptılar. Bu bilim adamlarıı araştırmaları, tıp alaıda geiş bir kullaıma sahip ola esek fiberskopu geliştirilmesie olaak sağladı. 956 yılıda Kapay, "fiber optik" terimii üretti. 960 da lazer (uyarılmış yayılım emisyou ile ışık yükseltmesi) icat edildi. Nispete yüksek çıkış gücü, yüksek çalışma frekası ve aşırı geiş bat geişliğie sahip siyalleri taşıma yeteeği, lazeri yüksek kapasiteli iletişim sistemleri içi çok uygu kılmaktadır. Lazeri buluması, fiber optik iletişimle ilgili araştırma çabalarıı geiş ölçüde hızladırdı; buula birlikte fiber optik iletişimde ilk öemli aşama, acak 967 yılıda, İgiltere deki Stadart Telekomüikasyo Laboratuarı da K. C. Kao ile G. A. Bockham ı koruyucu zarflı fiber kabloları kullaıldığı yei bir iletişim ortamıı öermesiyle gerçekleşti. 960 ı yıllarda kullaıla fiber kablolar aşırı kayıplıydı (000 db/km de fazla); bu da optik iletimleri kısa mesafelerle sıırlıyordu. 970 yılıda, New York eyaletii Corig ketideki Corig Glass Works de Kapro, Keck ve Maurer, 0 db/km de daha az kaybı ola bir fiber optik geliştirdiler. Bu, kullaışlı fiber optik iletişim sistemleri oluşturmak içi gerekli ola büyük adımdı. 970 de bu yaa, fiber optik tekolojisi olağaüstü gelişmeler kaydetti. Yakılarda Bell Laboratuarları, yeide üreteç kullamaksızı milyar bps yi bir fiber kablo üzeride 0 kilometrelik mesafeye iletmeyi başardı. AT&T, Atlatik Okyausu u iki yakası arasıda iletişimi sağlaya ve 988 yılıda çalışır duruma geçe bir fiber kablo projesi oluşturmuştur. 970 leri so yılları ile 980leri ilk yıllarıda, daha iyi optik kabloları üretilmesi ve yüksek kaliteli, çok pahalı olmaya ışık kayaklarıı ve detektörlerii geliştirilmesi, yüksek kaliteli, yüksek kapasiteli ve verimli fiber optik iletişim sistemlerii geliştirilmesie imkâ sağlamıştır. Metalik Kablo İle Fiber Optik Kablou Karşılaştırılması Fiber optik iletim hattı aalog ya da sayısal elektriksel bilgi işareti ile modüle edilmiş ışık eerjisii taşımak içi bir dielektrik dalga yölediricisi olarak davraır. Cam ya da plastik fiber kablolar üzeride iletişim, çok daha küçük frekaslı EM 3

4 dalgaları taşıya klasik metalik ya da koaksiyel kablo üzeride iletişime orala so derece öemli avatajları suar. Bular; Şekil 3. Metalik Kablo Eşdeğer Devresi Yapıları gereği optik frekaslar daha geiş bat geişlikleri sağladıkları içi, fiber sistemler daha büyük bir kapasiteye sahiptir. Ses, veri ve görütü işaretleri yüksek kapasiteli sistemler tarafıda ayı ada iletilebilir. Metalik kablolarda, iletkeler arasıda kapasitas ve iletkeler boyuca idüktas meydaa gelir. Bu özellikler metalik kabloları, bat geişliklerii sıırlaya alçak geçire filtreler gibi hareket etmelerie ede olur. Fiber sistemler, mayetik idüksiyou ede olduğu kablolar arası karışmada etkilemezler. Cam ya da plastik fiberler elektriği iletmeye malzemelerdir; bu edele fiber optik kablolarda, akım akışıı meydaa getirdiği mayetik ala yoktur. Metalik kablolarda, karışmaı başlıca edei birbirie yakı yerleştirilmiş iletkeler arasıdaki mayetik idüksiyodur. Fiber kablolar, yıldırımı, elektrik motorlarıı, flüoresa ışığı ve diğer elektriksel gürültü kayaklarıı ede olduğu statik karışmada etkilemezler; buu bir edei de, fiber optikleri elektrik iletmeme özelliğidir. Ayrıca, fiber kablolar eerji yaymazlar; dolayısıyla, diğer iletişim sistemleriyle girişime yol açmaları mümkü değildir. Bu özellik, fiber sistemleri askeri uygulamalara çok uygu hale getirir; askeri uygulamalarda, ükleer silahları etkileri (EMP, elektromayetik darbe girişimi), klasik iletişim sistemleri üzeride çok kötü souçlar yaratır. Fiber kablolar, çevre koşullarıdaki büyük değişikliklere karşı daha direçlidir. Metalik kablolara orala daha geiş bir sıcaklık aralığıda, çalışabilirler. Ayı şekilde fiber kablolar, aşıdırıcı sıvılarda ve gazlarda daha az etkileirler. Fiber kabloları mote edilmesi ve bakımı daha kolay ve daha güvelidir. Cam ve plastik fiberler iletke olmadıkları içi, fiberler kullaıldığıda elektrik akımları ya da gerilimlerii yarattığı tehlikeler yoktur. Fiberler, hiçbir patlama ya da yagı tehlikesi oluşturmaksızı, uçucu sıvıları ya da gazları çevreside kullaılabilirler. Fiberler, metalik kablolarda daha küçük ve çok daha hafiftir. Dolayısıyla, fiber kablolarla çalışmak daha kolaydır. Ayrıca, fiber kablolar daha az saklama alaı gerektirir ve daha ucuza akledilebilirler. Bu yeri çok kısıtlı olduğu deizaltı, gemi ve uçaklarda avataj sağlar. Fiber kablolar bakır kablolara orala daha emiyetlidir. Kullaıcıı haberi olmaksızı fiber kablou içie kaçak veya gizli bir bağlatı yapmak imkâsızdır. Bu da fiberi, askeri uygulamalar açısıda cazip kıla bir başka iteliğidir. Fiber sistemleri metalik malzemede daha uzu ömürlü olduğu varsayılmaktadır. Bu varsayımı dayaak oktası, fiber kabloları çevre koşullarıdaki değişikliklere daha dayaıklı olmasıdır. 4

5 Tekrarlayıcılar ve tekrar üreticiler arasıda 0, db/km olabilecek kadar düşük kayıplı daha uzu bölümler buluur. Plastik fiberleri 00 db/km lere çıkabile kayıpları olmasıa karşı küçük mesafeli iletimlerde bu öelmiş değildir. Bu tür fiberler m dalga boylarıda harekete ve titreşime direçli fiberleri büyük ihtiyaç olduğu arabalarda, robotlarda ve diğer yüksek titreşimli çevrelerde yaygı olarak kullaılır. Temel ham maddesii kum ucuz ve kolay elde edilir. Devamlı gelişe tekoloji Fiber optik sistemi maliyetii sürekli olarak düşürmekte, daha verimli ve hızlı sistemler üretilmektedir. Fiber sistemleri bugü içi, öemseebilecek tek dezavatajı, fiber sistemi kurulmasıda başlagıç maliyetii daha yüksek olmasıdır. Acak fiber sistem kurma maliyetleri gelişe tekoloji ile birlikte her geçe gü düşmektedir Fiber Optik İletişim Sistemi Fiber optik bir iletişim hattıı basitleştirilmiş blok diyagramı Şekil 4 te verilmiştir. Hattı üç asal öğesi, verici, alıcı ve fiber kılavuzdur. Bulara ek olarak iletim hattıı uzuluğua bağlı olarak sayıları değişe tekrarlayıcılar buluabilir. Şekil 4. Fiber Optik İletişim Sistemi Verici şularda oluşur: Aalog ya da sayısal bir arabirim, bir gerilim-akım döüştürücüsü, bir ışık kayağı ve bir kayakta fibere ışık bağlayıcı. Fiber kılavuz, cam ya da plastik bir kablodur. Alıcı ise şuları içerir: Bir fiberde ışık dedektörüe bağlaşım aygıtı, bir foto dedektör, bir akım-gerilim döüştürücüsü, bir yükselteç ve aalog ya da sayısal bir arabirim. Fiber optik bir vericide, ışık kayağı sayısal ya da aalog bir siyal tarafıda modüle edilebilir. Aalog modülasyoda, giriş arabirimi empedasları eşler ve giriş siyal geliğii sıırlar. Sayısal modülasyoda, başlagıçtaki kayak zate sayısal biçimde olabilir; eğer kayak bilgi sayısal değil de aalog biçimde ise, sayısal darbe akışıa döüştürülmesi gerekir. Kayak bilgi aalog olduğuda, arabirimde ek olarak bir aalog/sayısal döüştürücü bulumalıdır. Gerilim-akım döüştürücüsü, giriş devreleri ile ışık kayağı arasıda elektriksel bir arabirim vazifesi görür. Işık kayağı, ya ışık yaya bir diyot (LED) ya da ejeksiyo lazer diyotudur(ild). Biricisi kademeli ideksli veya derece ideksli fiber optik kullaılarak kısa mesafeli hatlarda kullaılır. İkicisi ise tek modlu fiber kullaa uzu mesafeli hatlarda 5

6 kullaılır. Bir LED ya da bir ILD tarafıda yayıla ışık miktarı, sürme akımıı miktarıa eşittir. Gerilim-akım döüştürücüsü, bir giriş siyal gerilimii, ışık kayağıı sürmede kullaıla bir akıma döüştürür. Kayakta fibere bağlayıcı, mekaik bir arabirimdir. İşlevi, kayakta yayıla ışığı fiber optik kabloya bağlamaktır. Fiber optik, cam ya da plastik fiber çekirdekte, bir koruyucu zarfta ve bir koruyucu kılıfta oluşmaktadır. Fiberde ışık dedektörüe bağlaşım aygıtı da mekaik bir bağlayıcıdır. Bu aygıtı işlevi, fiber kabloda mümkü olduğuca çok ışığı ışık dedektörüe bağlamaktır. Işık algılayıcısı, alıa ışık siyalii, eşdeğer bir elektrik siyalie çevirmektedir. Sayısal modülasyo söz kousu ise elektrik siyali daha sora darbe üretecie uygulaır: darbe üreteci alıa ikili (biary) seriyi taır ve faydalı bir sayısal çıkışı sağlamak içi ai bir darbe serisi üretir. Sayısal darbeler, fiber optik içeriside geçerke zayıflar ve darbe dalga şekli, zamaı belli bir aıda alıcıı, biary i mi yoksa 0 ı mı alıyor olduğua karar verememe durumua idirgeebilir. Bu meydaa geldiği zama, darbeler kablo boyuca bir veya daha fazla oktada yeide üretilmelidir. Bu da tekrarlayıcılar sayeside sağlaır. Uzu mesafeli bir fiber optik sistemi 0-6 da daha iyi, küçük bir toplam hata oraıyla kablo boyuca arka arkaya bağlamış birçok tekrarlayıcıyla birlikte çalışabilir. Işık dedektörü çoğulukla ya bir PIN (pozitif-saf-egatif) diyot ya da bir APD dir (çığ fotodiyodu). Gerek APD gerekse PIN diyot, ışık eerjisii akıma döüştürür. Dolayısıyla, bir akım-gerilim döüştürücüsü gereklidir. Akım-gerilim döüştürücüsü, dedektör akımıdaki değişiklikleri çıkış siyal gerilimideki değişikliklere döüştürür. Alıcı çıkışıdaki aalog ya da sayısal arabirim de elektriksel bir arabirimdir. Eğer aalog modülasyo kullaılıyorsa, arabirim empedasları ve siyal düzeylerii çıkış devreleriyle eşler. Eğer sayısal modülasyo kullaılıyorsa, arabirimde bir de sayısal-aalog döüştürücü bulumalıdır. Fiber Optik Kablo Yapısı Şekil 5 te de görüleceği üzere kablo 3 kısımda oluşur: Şekil 5. Fiber Optik Kablo Yapısı Çekirdek (Core) : Işığı içeriside ilerlediği ve kablou merkezideki kısımdır. Çok 6

7 saf camda yapılmıştır ve esektir. Yai belirli sıırlar dâhilide eğilebilir cisie göre çapı tek modlu veya çok modlu oluşua göre 8 µm ile 00 µm arasıda değişir (Not: İsa saçı 00 µm civarıdadır). Koruyucu Zarf (Claddig) : Tipik olarak 5 µm çapıda, çekirdeği sara ve fibere ejekte edile ışıı çekirdekte çıkmasıı egelleye kısımdır. Ayı çekirdek gibi camda yapılmıştır acak idis farkı olarak yaklaşık % oraıda daha azdır. Bu idis farkıda dolayı ışık ışıı çekirdeğe ejekte edildikte sora aşırı bir katlama ya da ezilme yoksa koruyucu zarfa geçemez. Işı kılıf çekirdek/koruyucu zarf sıırıda tekrar çekirdeğe döer ve böyle yasımalar dizisi halide çekirdek içeriside ilerler. Kılıf (Buffer Coatig) : Optik bir özelliği olmaya kılıf polimer veya plastik olabilir bir veya birde fazla katmaı olabilir. Optik bir özelliği yoktur sadece fiberi darbe ve şoklara karşı mukavemet özelliği kazadırır. Fiber Türleri Şekil 6. Fiber Optik Kablo Çeşitleride Bazıları Temel olarak, güümüzde malzeme yapısı açısıda mevcut üç fiber optik çeşidi vardır. Bu üç fiber optik çeşidi de camda, plastikte ya da cam ile plastiği bileşimide yapılır. Üç fiber optik çeşidi şulardır: o Plastik çekirdekli, plastik koruyucu zarflı o Cam çekirdekli, plastik koruyucu zarflı (çoğulukla PCS fiber deir: plastik koruyucu zarflı silika.) o Cam çekirdekli, cam koruyucu zarflı (çoğulukla SCS dei silika koruyucu zarflı silika) 7

8 Şekil 7. Fiber Yapımı Hale Bell Laboratuvarları, silikat olmaya bir maddei, çiko kloriti kullaıldığı dördücü bir çeşidi kullaılıp kullaılamayacağıı araştırmaktadır. Yapıla ilk deeyler bu maddede yapılmış fiberleri, cam (silika bazlı) bezerleride 000 kat daha verimli olacağıı göstermiştir. Plastik fiberleri cam fiberlere orala çeşitli avatajlarıı yaı sıra dezavatajları da vardır. Biricisi avatajı plastik fiberler daha esektir ve bu edele camda daha dayaıklıdır. Mote edilmeleri kolaydır, basıca daha dayaıklı ve daha ucuzdurlar; üstelik cama orala yaklaşık % 60 daha hafiftirler. Plastik fiberleri dezavatajı, yüksek zayıflama özellikleridir; ışığı cam kadar verimli yayamazlar. Dolayısıyla, plastik fiberleri kullaımı ispete kısa mesafelerle (öreği, tek bir bia ya da bir bia kompleksi dâhili) sıırlıdır. Cam çekirdekli fiberler düşük zayıflama özellikleri sergilerler. Acak, PCS fiberler SCS fiberlerde biraz daha iyidir. Ayrıca, PCS fiberler yayılımda daha az etkileirler; dolayısıyla, askeri uygulamalar açısıda daha caziptirler. SCS fiberler e iyi yayılım özelliklerie sahiptir ve soladırılmaları PCS fiberlere orala daha kolaydır. Ne yazık ki, SCS kablolar e dayaıksız kablolardır ve yayılıma maruz kaldıklarıda e fazla zayıflama bu kablolarda meydaa gelir. Fiber Yapısı Güümüzde mevcut birçok farklı kablo tasarımları mevcuttur. Düzelemeye bağlı olarak, kablo şuları içerebilir: Bir çekirdek, bir koruyucu zarf, bir koruyucu tüp, tampolar, mukavemet öğeleri ve bir ya da daha fazla koruyucu kılıf. Gevşek tüp yapımıda her fiber, koruyucu bir tüpte muhafaza edilir. Koruyucu tüpü içeriside poliüreta bir bileşik fiberi çevresii sarar ve su üfuzuu öler. Sıırlamış fiber bir kablou çevreside, biricil tampo ile ikicil tampo buluur. Tampo kılıflar, fiberi kırılmasıa ya da aşırı optik zayıflamaya ede olabilecek harici 8

9 mekaik etkilere karşı fiberi korur. Kelvar, kablou gerilmeye ola mukavemetii artıra eğirirmiş iplik türü bir malzemedir. Harici koruyucu bir tüp, poliüretala doldurulmuştur; bu da emi fiber çekirdeğe temas etmesii egeller. Çok kollu fiber optik düzelemeside gerilmeye karşı ola mukavemeti artırmak içi, merkezi çelik bir öğe ile bir mylar bat dolamalı tabaka pakete dâhil edilmiştir. Şekil 8. Fiber Optik Kablo Düzelemeleri (a. Gevşek tüp yapımı b. Sıırlamış fiber c. Çok kollu d. Telefo kablosu e. Plastik koruyucu zarflı silika kablo) Şerit kablo düzelemesi fiber optik kullaa telefo sistemleride sıkça görülür. Kullaılacak kablo düzelemesi türü, sistemi performas gereklilikleriyle ekoomik ve çevresel şartlara bağlıdır. Işık Yayıımı Işığı Fiziksel Özellikleri Fiber optikleri performası, Maxwell deklemlerii uygulamak suretiyle tamamıyla aaliz edilebilirse de, bu oldukça karmaşık bir yötemdir. Çoğu pratik uygulamada, Maxwell deklemleri yerie geometrik ışı izleme yötemi kullaılabilir; geometrik ışı izleme de yeterice ayrıtılı bir aalizi sağlamaktadır. Yayıım Hızı Elektromayetik eerji (öreği ışık), boş alada yaklaşık m/s (saiyede 9

10 mil) hızla ilerler. Ayrıca, yayıım hızı boş alada bütü ışık frekasları içi ayıdır. Acak, boş alada daha yoğu ortamlarda, bu hızı azaldığı kaıtlamıştır. Elektromayetik bir dalgaı hızı, bir ortamda daha yoğu başka bir ortama geçerke azaldığıda, ışık ışıı ormale doğru kırılır (bükülür). Ayrıca, boş alada daha yoğu ortamlarda, bütü ışık frekasları ayı hızda yayıım yapmazlar. Kırılma Şekil 9. Işığı Kırılması: Işık Kırılması - Prizmatik Kırılma Şekil 9 da bir ışık ışııı, belli yoğuluktaki bir ortamda daha yoğu bir ortama geçerke asıl kırıldığıı göstermektedir. (Gerçekte, ışık ışıı bükülmez; ışı, farklı yoğuluklardaki ortamları sıırıda yö değiştirir.) Diğer şekilde bütü ışık frekaslarıı içere güeş ışığıı, boş alada daha yoğu bir ortamda ilerlerke asıl etkilediğii göstermektedir. Hem havada cama, hem de camda havaya geçişlerdeki sıırlarda kırılma meydaa gelir. E çok kırıla dalga boyları mor dalga boyları; e az kırıla dalga boyları ise kırmızı dalga boylarıdır. Beyaz ışığı tayfıı bu şekilde ayrılmasıa prizmatik kırılma demektedir. Gökkuşaklarıa ede ola olgu budur; atmosferdeki su damlacıkları, beyaz güeş ışığıı çeşitli dalga boylarıa ayırarak, gözle görülür bir rek tayfı yarata küçük prizmalar gibi hareket ederler. Kırılma idisi Farklı yoğuluklardaki iki ortamı sıırıda meydaa gele bükülme ya da kırılma miktarı, öcede tahmi edilebilir ve iki ortamı kırılma idisie bağlıdır. Kırılma idisi, bir ışık ışııı boş aladaki yayıım hızıı, belli bir ortamdaki yayıım hızıa oraıdır. Kırılma idisi, matematiksel olarak şöyle ifade edilir: c = v Burada c boş aladaki ışık hızı, v ise belli bir ortamdaki ışık hızıdır. Kırılma idisi frekası da bir foksiyou olmakla birlikte, çoğu uygulamadaki değişim öemsizdir ve bu edele burada ele alımamıştır. Yaygı olarak kullaıla çeşitli malzemeleri kırılma idisleri Tablo de gösterilmiştir. 0

11 TİPİK KIRILMA İNDİSLERİ. Ortam Kırılma idisi * Vakum.0 Hava.0003 (.0) Su.33 Etil alkol.36 Eritilmiş.46 Cam fiber.5-.9 Elmas.0-,4 Silisyum 3.4 Galyum 3.6 * Kırılma idisleri, bir sodyum kıvılcımıda yayıla ışığı dalga boyu temel alıarak hesaplamıştır. (5890A ) Tablo. Tipik Kırılma İdisleri Bir ışık ışııı, farklı kırılma idislerie sahip iki geçirge ortamı sıırıa geldiğide asıl hareket ettiği Sell yasası ile açıklaabilir. Sell yasası şöyle ifade edilir: Si θ = Siθ Burada l. ortamı kırılma idisi,. ortamı kırılma idisi, θ geliş açısı, θ ise kırılma açısıdır. Şekil 0. Sell Yasası İçi Kırılma Modeli Sell yasası içi bir kırılma idisi modeli Şekil 0 da gösterilmiştir. İki ortamı sıırıda, gele ışı, i de daha küçük ya da daha büyük olmasıa bağlı olarak, ormale doğru ya da ormalde uzağa kırılabilir. Daha yoğu (daha yüksek kırılma idisie sahip) bir ortamda daha az yoğu (daha düşük kırılma idisie sahip) bir ortama geçerke bir ışık ışııı asıl kırıldığıı göstermektedir. Işık ışııı iki ortamı sıırıda yö değiştirdiği ve kırılma açısıı geliş açısıda daha büyük olduğu görülmektedir. Dolayısıyla, bir ışık ışıı daha az yoğu bir ortama girdiğide, ışı ormalde uzağa bükülür. Normal, gele ışıı iki ortamı sıırıa çarptığı oktada bu sııra dik olarak çizile bir doğrudur. Bezeri şekilde, bir ışık ışıı daha yoğu bir ortama girdiğide, ışı ormale doğru bükülür.

12 Örek: Işığı geldiği. ortamı cam,. ortamı ise etil alkol olduğuu varsayalım. 30 lik bir geliş açısı içi, kırılma açısıı bulu. (cam) =,5 (etil alkol) =,36 Sell yasasıa ait deklemi düzeleyip ve, ve θ i değerlerii yerie koyarsak şu soucu elde ederiz:,5 Si30 = Siθ,36 0,554 = Siθ Siθ = Siϑ θ = Si 0,554 = o 33,47 Souç, ışık ışııı iki ortamı sıırıda 33,47 kırıldığıı (büküldüğüü) ya da yö değiştirdiğii göstermektedir. Işık daha yoğu bir ortamda daha az yoğu bir ortama geçtiği içi, ışı ormalde uzağa bükülmüştür. Kritik Açı > ve kırılma açısı 90 olması durumuda kırıla ışı iki ortamı sıırıa paralel bir şekilde ilerlemesie yol aça geliş açısı özel açıdır. Işık ışııı daha yüksek kırılma idisie sahip bir ortamda daha düşük kırılma idisie sahip bir ortama geçtiğie dikkat ediiz. Sell yasasıı kullaırsak, Si ϑ = Si θ θ = 90 olduğua göre, Siϑ = ϑ = ϑ = Si c Burada θ c kritik açıdır. Siϑ c = Kritik açı, bir ışık ışııı iki ortamı sıırıa çarptığı ve 90 o lik ya da daha büyük bir kırılmaya uğradığı miimum geliş açısı olarak taımlaır. (Bu taım, yalızca ışık ışıı daha yoğu bir ortamda daha az yoğu bir ortama geçtiğide geçerli olur.) Kırılma açısı 90 ya da

13 90 o de daha fazla ise, ışık ışııı daha az yoğu ortama girmesi olaaksız olur. Dolayısıyla, iki ortamı sıırıda tam yasıma gerçekleşir ve yasıma açısı geliş açısıa eşit olur. Işığı Fiber Optikte Yayıımı Işık, fiber optik bir kabloda ya yasıma ya da kırılma yoluyla yayıım yapabilir. Işığı asıl yayıım yaptığı, yayıım modua ve fiberi ideks profilie bağlıdır. Yayıım Modu Fiber optik termiolojiside, mod sözcüğü yol alamıa gelir. Eğer ışığı kabloda alacağı tek bir yol varsa, bua tek modlu yayıım deir. Eğer birde çok yol varsa, bua çok modlu yayıım deir. İdeks Profili Bir fiber optiği ideks profili, çekirdeği kırılma idisii grafiksel bir temsilidir. Kırılma idisi yatay ekse üzerie; çekirdek ekseide radyal uzaklık ise düşey ekse üzerie çizilir. Üç tür fiber optik kablou çekirdek ideks profilleri Şekil de gösterilmektedir. İki temel ideks profili türü vardır: Kademe ve dereceli Kademe ideksli bir fiber, sabit kırılma idisli merkezi bir çekirdeğe sahiptir. Çekirdeği çevresi, sabit ve merkezi çekirdeği kırılma idiside daha düşük bir kırılma idisie sahip, harici bir koruyucu zarfla sarılmıştır. Şekilde, çekirdek/koruyucu zarf sıırıda, kademe ideksli bir fiberi kırılma idiside ai bir değişiklik olduğu görülebilir. Dereceli ideksli fiberde koruyucu zarf yoktur ve çekirdeği kırılma idisi sabit değildir. Kırılma idisi, merkezde e yüksek değerdedir ve dış keara doğru yavaşça azalır. Şekil. Çekirdek İdeks Profilleri (a. Tek Modlu Kademe İdeksli b. Çok Modlu Kademe İdeksli c. Çok Modlu Derece İdeksli) 3

14 Fiber Optik Düzelemeleri Temel olarak, üç tür fiber optik düzelemesi vardır: tek modlu kademe ideksli, çok modlu kademe ideksli ve çok modlu dereceli ideksli. Tek Modlu Kademe İdeksli Fiber Tek modlu kademe ideksli fiber, yeterice küçük bir merkezi çekirdeğe sahiptir; öyle ki, temel olarak ışığı kabloda yayıım yaparke izleyebileceği tek bir yol vardır. E basit tek modlu kademe ideksli fiber biçimide, dıştaki koruyucu zarf havadır. Cam çekirdeği kırılma idisi ( ) yaklaşık,5 tir, hava ola koruyucu zarfıı kırılma idisi ( o ) ise l dir. Kırılma idislerideki büyük fark, cam/hava sıırıda küçük bir kritik açı (yaklaşık 4 ) oluşturur. Dolayısıyla fiber, geiş bir açıklıkta gele ışığı kabul eder. Bu da, ışığı kayakta kabloya bağlamayı ispete kolay hale getirir. Acak bu tür fiber, tipik olarak çok zayıftır ve pratikte bu fiberi kullaımı sıırlıdır. Tek modlu kademe ideksli fiberi daha kullaışlı bir türü, koruyucu zarf olarak hava yerie başka bir malzemei kullaıldığı türdür. Koruyucu zarfı kırılma idisi ( ) merkezi çekirdeği kırılma idiside ( ) biraz daha azdır ve koruyucu zarf boyuca sabittir. Bu tür kablo, fiziksel olarak hava koruyucu zarflı kabloda daha güçlüdür, acak kritik açısı da çok daha yüksektir. (yaklaşık 77 ) Kritik açıı bu kadar yüksek olması, kabul açısıı küçük, kayak-fiber açıklığıı ise dar olmasıa yol açarak ışığı ışık kayağıda fibere bağlamayı güçleştirir. Her iki tür tek modlu kademe ideksli fiberde de, ışık fiberde yasıma yoluyla yayıım yapar. Fibere gire ışık ışıları, çekirdekte doğruda yayıım yaparlar ya da belki bir kez yasırlar. Dolayısıyla bütü ışık ısıları kabloda yaklaşık ayı yolu izler ve kablou bir ucuda diğer ucua ola mesafeyi yaklaşık ayı sürede kat ederler. Bu, tek modlu kademe ideksli fiberleri çok öemli avatajlarıda biridir. Çok Modlu Kademe İdeksli Fiber Çok. modlu kademe ideksli düzeleme, tek modlu düzelemeye bezer; aradaki fark, merkezi çekirdeği çok daha geiş olmasıdır. Bu fiber türü, daha geiş bir ışık-fiber açıklığıa sahiptir. Dolayısıyla kabloya daha çok ışık girmesie imkâ verir. Çekirdek/ koruyucu zarf arasıdaki sııra kritik açıda daha büyük bir açıyla çarpa ışık ışıları, çekirdekte zikzak şeklide yayıım yapar ve sürekli olarak sıırda yasırlar. Çekirdek/koruyucu zarf sıırıa kritik açıda daha küçük bir açıyla çarpa ışık ışıları, koruyucu zarfa girer ve yok olurlar. Fiberde yayıım yaparke, bir ışık ışııı izleyebileceği çok sayıda yol olduğu görülebilir. Buu soucu olarak, bütü ışık ışıları ayı yolu izlemez, dolayısıyla fiberi bir ucuda diğer ucua ola mesafeyi ayı zama süresi içide kat etmezler. Çok Modlu Dereceli İdeksli Fiber Çok modlu dereceli ideksli fiberi belirleyici özelliği, sabit olmaya kırılma idisli merkezi çekirdeğidir. Kırılma idisi, merkezde maksimumdur ve dış keara doğru tedrici olarak azalır. Işık bu tür fiberde kırılma aracılığıyla yayılır. Bir ışık ışıı, çekirdek boyuca diyagoal olarak yayıım yaparke, sürekli olarak daha az yoğuda daha yoğu ortama geçer. Dolayısıyla, ışık ışıları devamlı kırılırlar ve sürekli olarak bükülürler. Işık fibere çok farklı açılarda girer. Işık ışıları fiberde yayıım yaparke, fiberi dış bölgeside ilerleye 4

15 ışık ışıları, merkeze yakı ilerleye ışılarda daha fazla mesafe kat ederler. Kırılma idisi merkezde uzaklaştıkça azaldığı ve ışığı hızı kırılma idisiyle ters oratılı olduğu içi, merkezde uzakta ilerleye ışık ışıları, daha yüksek bir hızda yayıım yapar. Dolayısıyla ışılar, fiberi bir ucuda bir ucua ola mesafeyi yaklaşık ayı sürede kat eder. Şekil. Çok Modlu Derece İdeksli Fiber Tek modlu fiberler yaklaşık 9 mikro çapıda olup,300-,550 m lik dalga boylarıa sahip lazer ışık kayakları ile kullaılırlar. Çok modlu fiberler 6,5 mikro çapıda olup 850,300 m lik LED ler ile kullaılırlar. Plastik fiberler ise mm çaplı olup 650 m lik görüür kırmızı ışık LED ler ile kullaırlar. Üç Tür Fiber Optiği Karşılaştırılması Tek Modlu Kademe İdeksli Fiber Avatajları Miimum ayırma söz kousudur. Fiberde yayıım yapa bütü ışılar yaklaşık ayı yolu izledikleri içi, kabloyu yaklaşık ayı sürede kat ederler. Dolayısıyla kabloya gire bir ışık darbesi, alma ucuda başlagıçtakie çok yakı bir biçimde tekrar oluşturulabilir. Göderile darbeler alma ucuda yüksek bir doğrulukla tekrar oluşturulabildiği içi, öteki tür fiberlere orala tek modlu kademe ideksli fiberlerde daha geiş bat geişlikleri ve daha yüksek bilgi iletim hızları mümküdür. Dezavatajları Merkezi çekirdek çok küçük olduğu içi, ışığı kayakta bu tür fibere ve fiberde ışık dedektörüe bağlamak güçtür. Kayak fiber açıklığı e küçük ola fiber türü budur. Yie küçük merkezi çekirdeği edeiyle, ışığı tek modlu kademe ideksli fibere bağlamak içi lazer gibi oldukça yölü bir ışık kayağı gerekmektedir. Tek modlu kademe ideksli fiberler pahalıdır ve imal edilmeleri zordur. Çok Modlu Kademe İdeksli Fiber 5

16 Avatajları Çok modlu kademe ideksli fiberler ucuzdur ve imal edilmeleri kolaydır. Işığı çok modlu kademe ideksli fiberlere ve bu fiberlerde ışık dedektörüe bağlamak kolaydır; bu fiberleri ispete geiş kayak fiber açıklıkları vardır. Dezavatajları Işık ışıları fiberde çok farklı yollar izler; bu da yayıım süreleri arasıda büyük farklılıklara ede olur. Bu edele, bu tür fiberlerde ilerleye ışılar dağılarak yayılma eğilimi gösterirler. Dolayısıyla, çok modlu kademe ideksli bir fiberde yayıım yapa bir ışık darbesi, öteki tür fiberlerde olduğuda daha fazla bozulmaya uğrar. azdır. Bu tür kabloda bat geişliği ile bilgi aktarım hızı, öteki tür fiberlere orala daha Çok Modlu Dereceli İdeksli Fiber Temel olarak, bu tür fiberi çok öemli avatajları ya da dezavatajları yoktur. Çok modlu dereceli ideksli fiberlerde ışığı kayakta fibere ve fiberde varış yerie bağlamak, tek modlu kademe ideksli fiberlerde daha kolay, acak çok modlu kademe ideksli fiberlerde daha zordur. Çok sayıda yayıım yolu bulumasıı ede olduğu bozulma, tek modlu kademe ideksli fiberlerde daha fazla, acak çok modlu kademe ideksli fiberlerde daha azdır. Dereceli ideksli fiberleri imalatı, tek modlu kademe ideksli fiberlerde daha kolay, acak çok modlu kademe ideksli fiberlerde daha zordur. Çok modlu dereceli ideksli fiberler, öteki fiber türlerie kıyasla bir ara fiber türü olarak değerledirilir. Kabul Açısı Ve Kabul Koisi Şekil 3. Işığı Fiber Optikte Dâhili Yasıması Daha öceki açıklamalarda, kayak-fiber açıklığıda birçok kez söz edilmiş ve bir ışık ışııı çekirdek/koruyucu zarf sıırıa çarptığı oktadaki kritik açı ile kabul açısı izah edilmişti. Aşağıdaki açıklamalarda fiberi ışığı kayakta fiber kabloya bağlama yetisi ele alıacaktır. 6

17 Şekil 4. Işık Işııı Fiber Optik Kabloya Girişi Ve Kabloda İlerleyişi Şekil 4 bir fiber kablou kayak ucuu göstermektedir. Işık ışıları fibere girdiğide, hava/cam sıırıa A ormalii sıırı kestiği oktada çarparlar. Havaı kırılma idisi ; cam çekirdeği kırılma idisi ise,5 tir. Dolayısıyla, hava/cam sıırıda gire ışık, daha az yoğu bir ortamda daha yoğu bir ortama ilerlemektedir. Bu koşullar altıda ve Sell yasasıa göre, ışık ışıları ormale doğru kırılacaktır. Kırılma, ışık ışılarıı yö değiştirmesie ve çekirdekte diyagoal olarak, hava/cam sıırıdaki harici geliş, açısıda (θ giriş ) farklı bir açıyla (θ c ) yayıım yapmasıa ede olur. Bir ışık ışııı kabloda yayıım yapabilmesi içi, bu ışıı dâhili çekirdek/koruyucu zarf sıırıa kritik açıda (θ c ) daha büyük bir açıyla çarpması gerekir. Sell yasasıı harici geliş açısıa uygulamak, aşağıdaki ifadeyi verir: Si giriş = Si 0 θ θ ve θ = 90 θ c Siθ = Si(90 θ ) = Cosθ c c Böylece aşağıdaki ifade elde edilir: 0 Siθ giriş = Cosθ c Deklemi yeide düzeleyip, Siθ giriş i bulmak üzere çözdüğümüzde, şu soucu elde ederiz: Siϑ giriş = 0 Cosθ c Aşağıdaki geometrik bağıtıyı vere Şekil 5 ve Pisagor teoremii kullaarak, şu soucu elde ederiz: 7

18 Şekil 5. Siϑ giriş = 0 Cosθ c deklemii geometrik ilişkisi Cosθ = Siϑ Siϑ ϑ giriş c giriş giriş = Si 0 = = 0 0 = ArcSi 0 Işık ışıları geellikle fibere hava ortamıda girdiği içi, 0 e eşittir. Bu deklemi şu şekilde basitleşmesii sağlar: ϑ giriş(max) = Si Siθ giriş e kabul açısı ya da kabul koisi yarım açısı deir. θ giriş, harici ışık ışılarıı hava/fiber sıırıa çarpıp, tepe değerii 0 db azıda daha düşük olmaya bir yaıtla fiberde yayıım yapabileceği maksimum açıyı göstermektedir. Kabul açısıı fiber ekseii çevreside dödürmek, fiberi kabul koisii betimler. Bu, aşağıdaki Şekil 6 da gösterilmiştir. Şekil 6. Fiber Kablou Kabul Koisi 8

19 Bir Fiber Optiği Parametreleri Bir fiber optiği temel parametreleri aşağıdaki gibidir. Özel kırılma idisleri farkı, Nümerik Açıklık, NA Normalleştirilmiş frekas, ν Özel kırılma idisleri farkı çekirdeği ve koruyucu zarfı kırılma idisleri arasıdaki farkı verir, yai = ( ) Bir fiber optiği ümerik açıklığı, fiberi ışık güç kabulüü belirleye sayıdır. NA, maksimum kabul açısıı siüsüe eşittir, yai; NA = Siθ giriş Bir led, çıkış ışığıı çoğuu ispete büyük bir kabul bölgesii üzerie yayar ve böylece eerjii sadece küçük bir parçası çekirdeğe girer. Led, bu yüzde sadece büyük ümerik açıklıklı fiber optiklerle kullaılmalıdır. Tipik olarak 0,0 civarıdadır, burada ümerik açıklık aşağı yukarı aşağıdaki dekleme eşit olacaktır. NA EM ala teoriside ormalleştirilmiş frekas adı verile bir parametre taımlamıştır. Bir fiber optiği ormalleştirilmiş frekası, iletile farklı modları sayısıı bir gösterimidir ve aşağıdaki gibi elde edilir. πd ν = NA λ Burada d çekirdeği çapıdır. Araştırmalar ν<,405 olduğu zama sadece bir mod akledilebildiğii,,405<ν<3,8 olduğuda 3 mod ve 3,8<ν<4, olduğu zama ise 6 mod akledilebildiğii göstermiştir. ν i diğer değerleri içi mod sayısı N yaklaşık şöyle ifade edilebilir: ν N = Kademe idisli fiber içi ν N = Derece idisli fiber içi 4 Çok sayıda modu ayrılmaya ve buu soucuda da bat geişliğide bir azalmaya 9

20 yol açtığı görülmektedir. Mod sayısıı azaltmaı arzu edilir bir şey olduğu ortadadır. Mod sayısıda bir azalmaı üç şekilde gerçekleştirilebileceği görülür: o Çekirdeği çapıı azaltmak, o Dalga boyuu arttırmak o Çekirdek idisi ile koruyucu zarf idisi arasıdaki farkı azaltmak Dalgaboyudaki bir artış camda daha fazla soğurmaya ve böylece siyal zayıflamasıa yol açmaktadır. ν<,405 olduğu tek moda izi vere çapa sahip bir fiber, olası e büyük bat geişliğii gerçekleştirmektedir. Acak bu kadar küçük bir çekirdeğe ışık gödermede, kayak-fiber bağlatı ve parçalarıda, fiber-fiber ekleride ayar soruları mevcuttur. Bu edele so çözüm tam dâhili yasıma içi /> olması gerektiğii uutmada / oraıı mümkü olduğu kadar küçük yapmaktır. Örek: Bir fiber optik,5 lik bir çekirdek ve,5 lik koruyucu zarf kırılma idisi değerlerie sahiptir. Eğer çekirdek çapı 5 µm ise yayılabile modları sayısıı ve tek modlu yayılım içi maksimum çekirdek çapıı hesaplayıız. Dalga uzuluğu λ=0,8 µm dir Çözüm: NA = =,5,5 πd π 5 ν = NA = 0,74 = 3,33 λ 0,8 N= 3 ν λ,4 0,8 d = = = 3,6µ m NA π 0,74π = 0,74 Örek: Ekse doğrultusuda olmaya bir ışık ışıı, bir fibere tam dâhili yasıma içi miimum açıyla girmektedir. a. Miimum (kritik) açı b. Işıı yol uzuluğuu c. Ekse doğrultusuda olmaya bu ışıı, fiberde ekse doğrultusuda yayıım yapa bir ışıa orala zamasal gecikmesii hesaplayıız. Çözüm: 0

21 (a) Miimum açı şöyle elde edilir: Siϑ c =,46 =,48 = 80,6 o (b) Toplam yol uzuluğu, h uzaklığıı bulmak ve sora h yi fiberdeki l uzaklıklarıı sayısı ile çarpmak suretiyle elde edilebilir. l taθ mi = l = d taθ mi d 6 l = 50 0 ta 80,6 = 6, l 000m = 000m 6, =, m 6 d 50 0 Cosθ = h = = 6,753 0 o h Cos80,6 Yoluzuluğu = h = 03,63m 04m 0 (c) Zamasal gecikme kırılma idisi deklemi kullaılarak hesaplaır: c = ν = ν c m t yasiya = = 4995,0736s 8,03 0 m / s 000m tekse = = 496,084 s 8,03 0 m / s T = t = 69s m m / s = =,03 0, m / s Demek ki, yasıya ışı fiberi ucua, ekse doğrultusuda ilerleye ışıda 69 s sora ulaşır. Örek soruda ele alıa iki ışı yolu arasıda birçok ara yol vardır. Işıları varış sürelerideki zamasal gecikme (ayrılma) bit sıvaşmasıa; dolayısıyla, semboller arası girişime ede olur. Modal yayılmayla sıırlaa bat geişliğii bir büyüklük basamaklı tahmii değeri, çoğu zamasal gecikmei tersi alıarak elde edilir. Örek sorudaki fiber içi, bat geişliğii tahmii değeri şudur: B = 4, 5MHz 9 T 69 0 = Örek: Bir öceki örek sorudaki fiberi yayıım modlarıı sayısıı hesaplayıız. Tek bir mod olması içi (ν=) çekirdek çapıı e olması gerektiğii buluuz. Kırmızı ışık (λ=600 m) kullaıldığıı varsayı. Çözüm: m

22 6 πd π 50 0 ν = NA =,48,46 = 63,45 7 λ 6 0 V 63,45 N= = = 0,95mod 7 ν λ 6 0 d = = = 7,88µ m NA π π,48,46 Nümerik Açıklık Nümerik açıklık (NA), bir fiber optiği ışık toplama yetisii ölçmede kullaıla bir itelik sayısıdır. NA ı büyüklüğü e kadar fazla olursa, fiberi harici ışık kayağıda kabul ettiği ışık miktarı da o kadar fazla olur. Kademe ideksli bir fiberde, ümerik açıklık matematiksel olarak kabul yarım açısıı siüsü olarak taımlaır. Yai, NA = Si NA = θ NA = Siθ giriş giriş Dereceli idekte NA kritik açıı siüsüdür. NA = Siθ c Örek: Cam çekirdekli ( =,5) ve eritilmiş kuvars koruyucu zarflı ( =,46) çok modlu kademe ideksli bir fiberi kritik açısıı (θ c ), kabul açısıı (θ giriş ) ve ümerik açıklığıı bulu. Kayakta fibere ortam havadır. Çözüm: ϑ = Si θ c gitiş = Si NA = Siθ giriş = Si,46 = 76,7,5 = Si,5 = Si0, = 0,344 o,46 = 0, o Fiber Optik Kablolarda Kayıplar Zayıflama ışık fiber içeriside yol alırke meydaa gele güç kaybıdır, db/km olarak ölçülür. Plastik fiberler içi 300dB/km tek modlu cam fiberler içi 0,dB/km civarıdadır. Zayıflamaı e fazla olduğu bölgeler m ve m bölgeleridir. Bu bölgelerde çalışmamak daha avatajlı olur Fiber optik kablolarda iletim kayıpları, fiberi e öemli özellikleride biridir. Fiberdeki kayıplar, ışık gücüde bir azalmaya ede olur ve böylece sistem bat geişliğii, bilgi iletim hızıı, verimliliği ve sistemi geel kapasitesii azaltır. Başlıca fiber kayıpları şulardır:

23 Soğurma kayıpları Malzeme ya da Rayleigh saçıım kayıpları Rek ya da dalga boyu ayrılması Yayılım kayıpları Modal yayılma Bağlaşım kayıpları Soğurma Kayıpları Fiber optiklerdeki soğurma (yutma) kaybı, bakır kablolardaki güç kaybıa bezer fiberi saf olmaması edeiyle fiberde bulua maddeler, ışığı soğurur ve ısıya döüştürür. Fiber optikleri imal etmede kullaıla aşırı saf cam, yaklaşık % saftır. Gee de, db/km ile 000 db/km arasıdaki soğurma kayıpları tipik değerlerdir. Temel olarak, fiber optiklerdeki soğurma kayıplarıa yol aça üç faktör vardır: morötesi soğurma, kızılaltı soğurma ve iyo rezoas soğurması. Morötesi soğurma: Morötesi soğurmaya, fiberleri imal edildiği silika malzemesideki valas elektroları ede olur. Işık, valas elektrolarıı iyoize ederek iletkelik yaratır. İyoizasyo, toplam ışık alaıdaki bir kayba eşdeğerdir ve bu edele fiberi iletim kayıplarıda birii oluşturur. Kızılaltı soğurma: Kızılaltı soğurmaya, cam çekirdek moleküllerii atomları tarafıda soğurula ışık fotoları ede olur. Soğurula fotolar, ısımaya özgü rastgele mekaik titreşimlere döüştürülür. İyo rezoas soğurması: İyo rezoas soğurmasıa, malzemedeki OH - iyoları ede olur. OH - iyolarıı kayağı, imalat sürecide camı içide sıkışıp kala su molekülleridir. İyo soğurmasıa demir, bakır ve krom molekülleri de ede olabilir. Şekil 7. Fiber Optikte Yutma Kayıpları 3

24 Şekil 7 fiber optik kablolarda morötesi soğurmaya, kızılaltı soğurmaya ve iyo rezoas soğurmasıa bağlı tipik kayıpları göstermektedir. Malzeme ya da Rayleigh Saçıım Kayıpları Şekil 8. Dalgaboyuu Bir Foksiyou Olarak Rayleigh Saçıım Kaybı İmalat sürecide, cam çekilerek çok küçük çaplı uzu fiberler halie getirilir. Bu süreç esasıda, cam plastik haldedir (sıvı ya da katı halde değildir). Bu süreç esasıda cama uygulaa germe kuvveti, soğuya camda mikroskopla görülemeyecek kadar küçük düzesizlikleri oluşmasıa ede olur; bu düzesizlikler fiberde kalıç olarak oluşurlar. Işık ışıları, fiberde yayıım yaparke bu düzesizliklerde biri çarparsa kırıım meydaa gelir. Kırıım, ışığı birçok yöde dağılmasıa ya da saçılmasıa yol açar. Kırıım yapa ışığı bir kısmı fiberde yolua devam eder, bir kısmı da koruyucu zarf üzeride dışarı kaçar. Kaça ışık ışıları, ışık gücüde bir kayba karşılık gelirler. Bua Rayleigh saçıım kaybı deir. Şekil 8 dalga boyu ile Rayleigh saçıım kaybı arasıdaki bağıtıyı göstermektedir. Rek ya da Dalga Boyu Ayrılması Daha öce de belirtildiği gibi, bir ortamı kırılma idisi dalga boyua bağlıdır. Işık yaya diyotlar (LED ler), çeşitli dalga boylarıı içere ışık yayarlar. Bileşik ışık siyalideki her dalga boyu farklı bir hızda ilerler. Dolayısıyla, bir LED de ayı zamada yayıla ve fiber optikte yayıım yapa ışık ışıları, fiberi e uç oktasıa ayı ada ulaşmazlar. Buu soucu olarak, alma siyalide bozulma meydaa gelir; bua kromatik bozulma deir. Kromatik bozulma, ejeksiyo lazerli diyot (ILD) gibi mookrom (tek dalga boyuda ışık yaya) bir kayak kullamak suretiyle bertaraf edilebilir. Bir kayak ormalde tek bir dalga boyuda ışık yaymaz. Birçok dalga boyuda ışık yayabilir. Bu dalga boyları aralığı spektral geişlik olarak taımlaabilir. Spektral geişlik ledler içi 35 m lazer içi 3 m dir. Örekte de alaşılacağı gibi kullaıla kayak lazer ise malzeme yayılması çok daha az olur. Öreği lazer kayağımızı 850 m de çalışmasıı istiyoruz. Kayak 848 m ile 85 m arasıda bir spektral çerçevede çalışır. 848 m deki siyaller (kırmızımsı) 85 m deki siyallerde daha hızlı hareket edecektir. Acak lede göre çok daha az bir yayılma ortaya çıkar. 4

25 Yayılım Kayıpları Yayılım kayıplarıa, fiberdeki küçük bükümler ve burulmalar ede olur. Temel olarak, iki tür büküm vardır: mikro büküm ve sabit yarıçaplı büküm. Mikro büküm, çekirdek malzemesi ile koruyucu zarf malzemesii ısıl büzülme orala arasıdaki farkta kayaklaır. Mikro büküm, fiberde Rayleigh saçıımıı meydaa gelebileceği bir süreksizlik oluşturur. Sabit yarıçaplı hükümler, fiberleri yapımı ya da mote edilmesi sırasıdaki bükülmeler soucu meydaa gelir. Modal Yayılma Modal yayılmaı ya da darbe yayılmasıı edei, bir fiberde farklı yollar izleye ışık ışılarıı yayıım sürelerideki farktır. Modal yayılmaı yalızca çok modlu fiberlerde meydaa gelebileceği açıktır. Dereceli ideksli fiberler kullaılmak, suretiyle modal yayılma öemli ölçüde azaltılabilir; tek modlu kademe ideksli fiberler kullaıldığıda ise heme heme bütüüyle bertaraf edilebilir. Modal yayılma, bir fiberde yayıım yapmakta ola bir ışık eerjisi darbesii yayılarak dağılmasıa ede olabilir. Eğer darbe yayılması yeterice ciddiyse, bir darbe bir soraki darbei tepesie düşebilir (bu, semboller arası girişime bir örek oluşturmaktadır). Çok modlu kademe ideksli bir fiberde, doğruda fiber eksei üzeride yayıım yapa bir ısılı ışıı, fiberi bir ucuda diğer ucua e kısa sürede kat eder. Kritik açıyla çekirdek/ koruyucu zarf sıırıa çarpa bir ışık ışıı, e çok sayıda dâhili yasımaya maraz kalacak, dolayısıyla fiberi bir ucuda diğer ucua e uzu sürede katedecektir. Şekil 9 çok modlu kademe ideksli bir fiberde yayıım yapa üç ışık ışııı göstermektedir. E alt sıralı mod (. ışı), fiberi ekseie paralel bir yolda ilerler. Orta sıralı mod (. ışı), fiberi bir ucuda diğerie kat ederke sıırda birkaç kere sıçrar. E üst sıralı mod (3. ışı), fiberi bir ucuda ötekie yayıım yaparke, fiber boyuca birçok kez yukarı aşağı gelip gider. Fiberde yayıım yaparke, 3. ışıı. ışıda çok daha uzu bir mesafe kat ettiği görülebilir. Şekil 9. Çok Modlu Kademe İdeksli Fiberde Işık Yayıımı Dolayısıyla, bu üç ışık ışııı emisyouu fibere ayı zamada yapılması ve üçüü de bir ışık eerji darbesii temsil etmesi durumuda, üç ışı fiberi soua farklı zamalarda ulaşarak ışık eerjisii zamaa göre dağılmasıa yol açarlar. Bua modal yayılma deir; modal yayılma, fiberi çıkışıda uzamış ve geliği azalmış bir darbe oluşturur; Üç ışık ışıı 5

26 da ayı malzemede ayı hızda yayıım yapar, acak 3. ışıı daha uzu bir mesafe kat etmesi gerekmektedir, bu edele fiberdeki yayıım süresi daha uzudur. Şekil 0. Tek Modlu Kademe İdeksli Fiberde Işık Yayıımı Şekil 0 tek modlu kademe ideksli bir fiberde yayıım yapa ışık ışılarıı göstermektedir. Fiberi radyal boyutu yeterice küçük olduğu içi, fiberde yayıım yaparke ışıları izleyeceği yalızca tek bir yol vardır. Dolayısıyla, her ışık ışıı belli bir zama süresi içide ayı mesafeyi kat eder; fiber kablou souda, ışık ışıları arasıdaki zama ilişkisi, ışıları kabloya girdikleri ada aralarıda mevcut ola zama ilişkisiyle tam olarak ayıdır. Souçta, modal yayılma ya da darbe yayılması meydaa gelmemiştir. Şekil. Çok Modlu Derece İdeksli Fiberde Işık Yayıımı Şekil çok modlu dereceli ideksli bir fiberde yayıım yapa ışığı göstermektedir. Şekil, ayrı modlarda ilerleye üç ışıı göstermektedir. Her ışı farklı bir yol izler, acak üç ışı da fiberi boyuu yaklaşık ayı sürede kat eder. Buu edei, fiberi kırılma idisii merkezde uzaklaştıkça azalması ve bir ışıı ilerleme hızıı, kırılma idisiyle ters oratılı olmasıdır. Dolayısıyla. ışı ve 3. ışı, fiberi merkezide e kadar uzakta ilerlerse, o kadar hızlı yayıım yapar. Şekil. Fiber Optik Kabloda Darbe Geişliği Yayılması 6

27 Bir fiber bir kabloda ilerleye bir ışık darbesii ispi zama/eerji ilişkisi Şekil de gösterilmektedir. Darbe fiberde ilerledikçe, darbeyi oluştura ışık ışılarıı zamada yayıldıkları görülmektedir; bu yayılma, darbe geliğide bir azalmaya ve darbe geişliğide de bir uzamaya ede olur. Şekilde, zama açısıda geri kala bir darbei ışık eerjisii, bir soraki darbeyle girişim yaptığı görülmektedir. Bua, darbe yayılması ya da darbe geişliği yayılması demektedir; darbe yayılması sayısal iletimde hatalara yol açar. Şekil 3a, tek kutuplu sıfıra döüşlü (UPRZ) bir sayısal iletimi göstermektedir. UPRZ iletimde (çok dar bir darbe varsaydığımızda), A darbesii ışık eerjisi bir bit süresi (t b ) geri kalırsa (yayılırsa), B darbesi ile girişim yapar ve 0 matık düzeyi matık düzeyie döüşür. Şekil 3b, her darbei bit süresie eşit olduğu, tek kutuplu sıfıra döüşsüz (UPNRZ) sayısal iletimi göstermektedir. UPNRZ iletimde, A darbesii eerjisi bir bit süresii yası oraıda geri kalırsa, B darbesi ile girişim yapar. Dolayısıyla, UPNRZ iletimlere orala UPRZ iletimlerde iki kat daha fazla gecikme ya da yayılma olmasıa müsaade edilebilir. Şekil 3. Sayısal İletimleri Darbe Yayılması a. UPRZ b. UPNRZ Bir fiberde yayıım yapa ışığı e hızlı ve e yavaş ışılarıı mutlak gecikme süreleri arasıdaki farka, darbe yayılma sabiti ( t) deir; darbe yayılma sabiti, geellikle kilometre başıa aosaiye (s/km) ciside ifade edilir. O halde toplam darbe yayılması ( T), darbe yayılma sabiti ( t) ile toplam fiber uzuluğuu (L) çarpımıa eşittir. T, matematiksel olarak şöyle ifade edilir: s T ( s) = t( ) L( km) km UPRZ iletimlerde, bit bolü saiye (bps) olarak maksimum veri iletim hızı şöyle ifade edilir: F ( bps) = b t L 7

28 UPNRZ iletimde ise, maksimum iletim hızı şudur: Örek: F ( bps) = b t L Darbe yayılma sabiti 5 s/km ola 0 km uzuluğuda bir fiber optiği; (a) Tek kutuplu sıfıra döüşlü ve (b) Tek kutuplu sıfıra döüşsüz iletimler içi maksimum sayısal iletim hızlarıı bulu. (a) UPRZ F = = Mbps b 5s / km 0km 0 (b) UPNRZ F = = Mbps b ( 5s / km) 0km 0 Souçlar, bu fiber optik içi mümkü ola sayısal iletim hızıı, UPRZ iletimde (0 Mbps) UPNRZ iletime (0 Mbps) orala iki katı daha fazla olduğuu göstermektedir. Bağlaşım Kayıpları Fiber kablolarda, şu üç optik eklem türüde herhagi biride bağlaşım kayıpları meydaa gelebilir: Işık kayağı-fiber bağlatıları Fiber-fiber bağlatıları Fiber-fotodedektör bağlatıları Eklem kayıplarıa çoğulukla şu ayar sorularıda biri ede olur: Yaal ayarsızlık, aralık ayarsızlığı, açısal ayarsızlık ve kusursuz olmaya yüzey Yaal ayarsızlık: Yaal ayarsızlık, bitişik iki fiber kablo parçası arasıdaki yaal kayma ya da ekse kaymasıdır. Kayıp miktarı, bir desibeli beş ila oda biriyle birkaç desibel arası olabilir. Eğer fiber ekseleri, küçük fiberi çapıı % 5'i dâhilide ayarlamışsa, bu kayıp ihmal edilebilir. Aralık ayarsızlığı: Aralık ayarsızlığıa baze uç ayrılması da demektedir. Fiber optiklerde ekler yapıldığıda, fiberleri birbiriyle temas etmesi gerekir. Fiberler birbiride e kadar ayrı olursa, ışık kaybı o kadar fazla olur. İki fiber birbirie bir bağlatı parçasıyla birleştirilmişse, uçlar temas etmemelidir. Buu edei, iki ucu bağlatı parçasıda birbiriyle sürtümesii fiberlerde biride ya da her ikiside birde hasara yol açabilecek olmasıdır. Açısal ayarsızlık: Açısal ayarsızlığa baze açısal yer değiştirme de deir. Açısal 8

29 ayarsızlık de az ise, kayıp 0,5 db de az olur. Kusursuz olmaya yüzey: Kusursuz olmaya yüzey, Şekil 4d de gösterilmiştir. İki bitişik kablou uçlarıı bütü pürüzleri giderilmeli ve iki uç birbirie tam olarak uymalıdır. Fiber uçları dikey çizgide açıklıkları 3 te az ise, kayıplar 0,5 db de az olur. Işık Kayakları Şekil 4. Fiber Optik Bağlaşım Kayıpları Temel olarak, fiber optik iletişim sistemleride ışık üretmede yaygı olarak kullaıla iki aygıt vardır: ışık yaya diyotlar (LED ler) ve ejeksiyo lazerli diyotlar (ILD ler). Her iki aygıtı da avatajları ve dezavatajları vardır ve birie orala öteki aygıtı seçilmesi, sistem gerekliliklerie bağlı olarak yapılır. Işık Yaya Diyotlar(LED) Temel olarak, ışık yaya diyot (LED) yalızca bir P-N eklem diyodudur. Çoğulukla, alümiyum galyum arseit (AlGaAs) veya galyum arseit fosfit (GaAsP) gibi yarıiletke bir malzemede yapılır. LED ler ışığı doğal emisyola yayarlar; ışık, elektrolar ile delikleri yeide birleşimii bir soucu olarak yayılır. Diyot ileri ögerilimli olduğuda, p- eklemi üzeride azılık taşıyıcıları meydaa gelir. Azılık taşıyıcıları eklemde, çoğuluk taşıyıcıları ile yeide birleşip, eerjiyi ışık şeklide verirler. Bu süreç, temel olarak klasik bir diyottaki süreç ile ayıdır; aradaki fark şudur: LED lerde belli yarıiletke malzemeler ve katkılama maddeleri, süreç ışıma yapacak (foto üretecek) şekilde seçilir. Foto, elektromayetik dalga eerjisii bir icemidir. Fotolar ışık hızıda ilerleye parçalardır, acak durağa halde ike kütleleri yoktur. Klasik yarıiletke diyotlarda (sözgelimi, germayum ve silisyum), süreç temel olarak ışıma yapmaz ve foto üretimi olmaz. Bir LED imal etmek içi kullaıla malzemei eerji aralığı, LED de yayıla ışığı görüür ışık olup olmadığıı ve ışığı regii belirler. E basit LED yapıları, sade eklemli, epitaksiyel olarak büyütülmüş veya tek dağılmış aygıtlardır; bu yapılar Şekil 5 de gösterilmiştir. Epitaksiyel olarak büyütülmüş LED ler, geellikle silisyum katkılı galyum arseitle yapılırlar (Şekil a). Bu tür LED de yayıla tipik bir dalga boyu 940 m dir; 00 ma lik ileri yöde akımda tipik çıkış gücü ise 3 mw tir. Düzlemsel dağılmış (sade eklemli) LED ler (Şekil b), 900 m lik bir dalga boyuda yaklaşık 500 µw çıkış yaparlar. 9