Yrd.Doç.Dr. Cüneyt BAYILMIŞ Haberleşme Sistemleri II Arş.Gör. Ziya EKŞİ

Transkript

1 1

2 FİBEROPTİK NEDİR? Fiber optik, temel olarak bir sinyalin iletiminde elektrik yerine ışığın kullanıldığı bir araçtır. Fiberin çalışma prensibi temel optik kurallarına dayanır. Bir ışın demetinin az yoğun bir ortamdan daha yoğun bir ortama geçerken geliş açısına bağlı olarak yansıması (tam yansıma) ya da kırılarak ortam dışına çıkması mantığına dayanır. 2

3 FİBER OPTİĞİN TARİHÇESİ VE GELİŞİMİ 1880 de Alexander Graham Bell, ışık demeti üzerinden bir ses sinyalini ileten Photophone isimli aleti buldu. Aynı yıl, William Wheeler, içi kaplanmış ışık borusunu kullanarak ışığı yönlendiren olaylar deneyler yaptı yılında İngiliz bilim adamı J. L. Baird ile Amerikalı bilim adamı C. W. Hansell, kaplamasız fiber kablolar aracılığı ile televizyon görüntülerini tarayarak ve ileterek patent aldılar. Birkaç yıl sonra Alman bilim adamı H. Lamm, tek bir cam fiberden görüntüleri başarılı bir biçimde iletti yılında Hollanda dan A. C. S. VanHell ile İngiltere den g e H. H. Hopkins ve N. S. Kapany fiber demetleri aracılığı ile ışık iletimi üzerinde deneyler yaptılar. Bu bilim adamlarının araştırmaları tıpalanında geniş bir kullanıma sahip olan esnek fıberskop un geliştirilmesine ş olanak sağladı. ğ 1956 yılında Kapany optik fiber terimini üretti. 3

4 FİBER OPTİĞİN TARİHÇESİ VE GELİŞİMİ 1960 da lazer icat edildi. Lazerin bulunması fiber optik iletişimle ilgili araştırma çabalarını geniş ölçüde hızlandırdı. Bununla birlikte fiber optik iletişimde ş ilk önemli aşama ş ancak 1967 yılında İngiltere deki g standart telekomünikasyon laboratuarından K. C. Kao ile G. A. Bockham ın koruyucu zarflı fiber kabloların kullanıldığı yeni bir iletişim ortamını önermesi ile ortaya çıktı yılında New York eyaletinin Corning kentindeki Corning Glass Works dan Kapron Keck ve Maurer 20 db/km den daha az kaybı olan bir fiber optik geliştirdiler lerde ışık dalgaları ile haberleşme ortaya çıktı. ABD ve diğer sanayileşmiş i milletler fiber optik kullanmaya başladılar l ve o kadar çok kullandılar ki son on yıl camın on yılı olarak adlandırıldı. Koaksiyel veya başka türden binlerce mil uzunluğundaki bakır kablolar, uzun mesafe haberleşmelerinde modası geçmiş olarak kabul edildi. Günümüzde ise dünyada en çok tercih edilen sistem sistemlerdir. Son yıllarda Türkiye de de yaygınlaşmaktadır. fiberoptik 4

5 FİBEROPTİK KABLO YAPISI Optik fiberler saf camdan yapılan saç teli kalınlığında uzun ipliklerdir bu fiberler yansıtıcı bir kılıfın içine doldurulur, böylece ışık fiberlerin içine hapsedilir. Kablonun en dışı ise koruyucu bir kılıfla kaplanır. 1) Nüve (Beyaz) 2) Kılıf (Mavi) 3) Kaplama (Kırmızı) 5

6 TEMEL KAVRAMLAR Işık Dalgası: sinyaldir. çok yüksek frekanslı bir elektromanyetik Fiber Optik Teknolojisi (Işık frekansındaki elektromanyetik içerisinden bilgi taşır. Dalga dalgalar Sistemleri): fiberoptik ışık kablo Optik Spektrumda Fiberoptik İletişim Aralığı: ğ 1,6µm 0,6µm dalga boyları arasındadır. Çoğunlukla 1,3µm dalga boyu kullanılır. Görünür ışık dalga boyu aralığı ise nanometre dir dir. 6

7 TEMEL KAVRAMLAR Işığın Dalga Boyu ( ): Bir hertzlik işaretin aldığı yola dalga boyu denir. Birimi m dir. ışıkhızı c frekans f Örnek: Mor ışığın frekansı 7, Hz ise, dalga boyu nedir? ışıkhızı frekans c f ,5.10 m / s 14 Hz 0,4 m 7

8 IŞIK KANUNLARI 1.Yansıma Kanunu Yansıtıcı parlak bir yüzeyde ışığın gelme açısı, yansıma açısına eşittir. 8

9 2.Kırılma Kanunu Işıkk çok yoğun ğ (kırılma indisi i daha büyükük olan) bir ortamdan az yoğun ğ (kırılma indisi daha küçük olan) bir ortama geçerken, normal çizgisi denilen düzleme dik çizgiden uzaklaşarak yoluna devam eder. Ortamın kırılma indisi (n) ışığın ortamdaki hızı ile ters orantılıdır. 9

10 3. Kritik Açı Çok yoğun ğ ortamdan az yoğun ğ ortama giden ışığın ğ kırıldıktan kt sonraki yansıma açısının 90 derece olduğu gelme açısına kritik açı denir. 10

11 4.Tam Yansıma Kritik açıdan daha büyük bir gelme açısı ile çok yoğun ortamdan az yoğun ortama giden ışık ikinci ortama geçemez.bu durumda gelme açısı yansıma açısına eşit olur ve tam yansıma gerçekleşir. ş 11

12 FİBEROPTİK SİSTEMLERİN SINIFLANMASI 1. Jenerasyon Fiberoptik Sistemler: 0,86 µm dalga boyunda 45 Mbit/sn hızlarına ulaşabilen ş sistemler 2. Jenerasyon Fiberoptik Sistemler: 1,3 µm dalga boyunda 1,7 Gbit/sn hızlarına ulaşabilen sistemler 3. Jenerasyon Fiberoptik Sistemler: 1,55 µm dalga boyunda 2,5 Gbit/sn hızlarına ulaşabilen sistemler 4. Jenerasyon Fiberoptik Sistemler: 1,65 µm dalga boyunda 14 Tbit/sn hızlarına ulaşabilen sistemler 12

13 MALZEMESİNE GÖRE FİBERLER Cam Fiberler Nüvesi ve kılıfı camdan imal edilir. Veri iletimi açısından en iyi performansı gösterir. 13

14 Plastik Kaplı Silisyum Fiber Cam nüveye plastik kılıfa sahiptirler. Fiyat olarak cam fiberlere göre daha ucuz ama performans açısından daha verimsizdir. 14

15 Plastik Fiberler En ucuz fiber tipidir. Nüvesi de kılıfı da plastiktir. Performansı en zayıf fiyatı en uygun fiberdir genelde kaplamaları yoktur. 15

16 YAPISINA GÖRE FİBERLER 1. Çok Modlu Basamak İndisli Fiberler Bu tip ışık kılavuzları kabloya daha çok ışın girmesine imkan verir. Ancak giren ışınların çok fazla izleyebilecekleri yol olduğundan fiberin bir ucundan diğer ucuna olan mesafeyi aynı zamanda kat etmezler; az mesafe kat eden daha kısa zamanda, çok mesafe kat eden daha uzun zamanda fiberden çıkacaklarından bu tip fiberlerde sinyalin bozulması daha fazla olacaktır. 16

17 2.Çok Modlu Derece İndisli Fiberler Nüvedeki kırılma indisi merkezden kılıfa doğru genellikle parabolik olarak azalır. Derece indisli fiberlerin üstünlüğü mod dağılım etkilerinin basamak indisli tipten oldukça az olmasıdır. 17

18 3. Tek Modlu Fiberler Fiberlerde disporsiyonu (ışığın bozulmasını) azaltmak için tek modlu fiberler imal edilmiştir. Bu tip fiberlerde nüve çapı çok küçük olduğundan bütün ışınlar aynı yolu izlerler ve kabloyu aynı zamanda terk ederler. Dolayısıyla y kabloya giren ışın darbesi ile çıkan ışın darbesinin bant genişliği aynı kalır ve darbenin şekli değişmez. Daha yüksek bilgi aktarım hızına sahiptirler, fakat imalatları pahalı ve zordur. Aynı zamanda ışık kaynaklarına ve diğer fiberlere bağlantılarını yapmak çok masraflıdır ve emek ister. 18

19 Gelen ışık a. Çok modlu basamak indisli fiber Giden ışık Gelen ışık b. Çok modlu derece indisli fiber Giden ışık Gelen ışık c. Tek modlu fiber Giden ışık 19

20 FİBEROPTİK BAĞLANTILARI VE EK KAYIPLARI Fiberlerde zayıflama oranına etki eden çeşitli nedenler vardır. Bunlar lifin yapıldığı zamın kompozisyonuna, imalat yöntemlerine, lifin yapısına, liflerin birbirileriyle bağlantılarına, liflerin ışık kaynağı ve dedektörle kuplajına, lifin bükülüp bükülmediğine bağlıdır. Bu kayıplar şu şekilde sıralanabilir: 1. Soğurma Kayıpları 2. Saçılma Kayıpları(Rayleigh Saçılması) 3. Bükülme Kayıpları 4. Bağlantı Kayıpları 20

21 1. Soğurma Kayıpları Soğurma kayıpları ışığın ısıya dönüşmesinden kaynaklanmaktadır. Lif malzemesinin içinde bulunan moleküller ve imalat sırasında life giren istenmeyen maddeler ışıkla etkileşerek ışığın gücünün azalmasına sebebiyet verir. 2. Saçılma Kayıpları İmalat sürecinde cam çekilerek çok küçük çaplı uzun fiberler haline getirilir.bu işlem esnasında cama uygulanan germe kuvveti, soğuyan camda mikroskopla görülemeyecek kadar küçük düzensizlikler oluşmasına neden olur. Fiberde ilerleyen ışık bu düzensizliklerden birine çarparsa kırınım meydana gelir ve ışığınsaçılmasına yol açar. 21

22 3. Bükülme Kayıpları Fiberoptik kablolar döşenirken belli bir yarıçapın altında bir dönme yapılmaz. Bükülme noktalarında kritik açı değişeceğinden d ışınlarınl büyük ük bir kısmı kılıfa girip ii kaybolacaktır. 4. Bağlantı Kayıpları Fiberlerin birbirlerine, lazer diyotlara ve fotodedektörlere bağlanması sonucu ortaya çıkan kayıplardır. Yanal kayıklık, kl k çap farklılığı, l ğ nüve düzgünsüzlüğü vs. Bazı kaynaklarda bağlantı kayıplarından farklı olarak kuplaj kayıplarından da söz edilmektedir. 22

23 FİBER OPTİK'İN KULLANIM ALANLARI LAN & WAN uygulamaları İnternet CATV (Ortak anten sistemi. Ortak bir santral yardımı ile birden fazla di daireye TV sinyallerini i id dağıtan ğ sistem) it CCTV (Kapalı Devre Televizyon Sistemi Güvenlik) SCADA Sistemleri i (Supervisory Control and Data Acquisition) Dijital TV Videophone Video konferans Multimedia uygulamaları 23

24 24

25 Fiberoptik Kablonun Geleneksel (Bakır) Kablolara Üstünlükleri Yüksek bant genişliği kapasitesi, Daha az sinyal zayıflaması, Daha hafif, Çapı daha küçüktür, Daha h güvenlidir, Gürültüden ve elektromanyetik dalgalardan etkilenmez, Elektrik akımı taşımadığı için çarpılma tehlikesi yoktur. 25

26 FİBEROPTİK SENSÖRLER Fiziksel büyüklüklerin çok hassas olarak ölçülmesinde ölçüm yapılacak büyüklüklerin tehlikeli ortamlarda (radyasyon,yüksek sıcaklık, yüksek gerilim vs.) veya ulaşılamayan yerlerde yapılmak istenmesi durumunda fiberoptik sensörlerden yararlanılabilir. Sıvı seviyesi, Akış hızı, Konum, Sıcaklık ve Basınç gibi parametrelerin hassas ölçümüne gerek vardır ve bu işlem fiber optik sistemlerle kolaylaştırılabilir. 26

27 Fiberoptik sensörler aktif ve pasif olmak üzere iki gruba ayrılırlar Pasif Sensörler Bu tip sensörlerde optik fiberler sadece kaynaktan algılama bölgesine ve algılama bölgesinden dedektöre ışığı taşımakta kullanılır. Algılama fiberin dışındaki bir bölgede algılanacak büyüklüğün ışık üzerinde yapacağı değişikliğin ölçülmesiyle yapılabilir. Aktif Sensörler Bu tip sensörler öl ölçülecek büyüklüğünüklüğü fiberin i fiziksel ik ve optik özelliklerinin etkisinin fiberden geçen ışığı modüle etmesi prensibine göre çalışan sensörlerdir. 27

28 Fiberoptik Sensörlerin Avantajları Optik fiber hareketli parça veya elektrik devresi içermez ve bu nedenle bütün elektriksel parazitlerden bağımsızdır. Kıvılcım saçma olasılığı yoktur ve bu da sensörün yağ rafinerilerinde,madencilikte,eczacılıkta ve kimyasal işlemlerde güvenle kullanılmasını sağlar. Ayrıca kırılmış fiberi onaran kişi için de elektriksel şok tehlikesi yoktur 28