|
Prof. Dr. Sinsi
|
Fiber Optik Kablo Nedir? Fiber Optik Kablo Hakkında Bilgi Fiber Optik Kablo Çeşitleri
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)
Kılıf:
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
21 Işın Demetinin Fibere Enjekte Edilmesi
Gönderilecek ışın yada sinyal fiberin nüvesine enjekte edilir Ancak fiber içerisinde kılıfa geçmemesi için belirli bir açı dahilinde nüveye girmeli ki nüve kılıf sınırından tam yansıma yapabilsin bu açıya kritik açı denir Hesaplanması aşağıdaki gibidir
Şekildeki kabul konisi olarak görülen bölüm kritik açının oluşturduğu ve tamamen fiber kablonun parametrelerine göre değişebilen bir konidir Bu açılardan küçük gelen her ışın demeti fibere girer Formüldeki n1 nüve n2 kılıf indisleridir
22IŞIĞIN DALGA BOYLARI VE SPEKTRAL GENİŞLİK
Her ışının 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 sınırın altındadır
Bir ışın demetinin nüve içerisinde ilerleme hızı dalga boyuna bağlıdır Örneğin 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 Kırmızı ışın aralarındaki dalga boyu farkı kadar daha hızlı ilerler (her saykılda) Işığın bu özelliği fiber optik iletimde bir dezavantaj olarak geri döner(modal yayılma olarak)
23 MOD
Mod genel olarak 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
24 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 bütün ışınlar dalga boyu ne olursa olsun nüvenin yapısından dolayı aynı yolu izleyeceklerdir Bu en etkili yöntemdir Bant genişliği açısından da kısıtlama getirmez
• Tek modlu fiber kullanmak bu tip fiberde yalnız tek mod bulunduğundan bir gecikme söz konusu olmaz
25 MALZEME YAYILMASI
Farklı dalga boyları (renkler) fiber nüvesi içerisinde farklı hızlarda hareket eder Ancak farklı ortamlarda da ortama göre de farklı hızlarda hareket eder Işık 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 kaynağımızın 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
26 ZAYIFLAMA, SAÇILMA VE ABSORBLAMA
Zayıflama ışık fiber içerisinde yol alırken meydana gelen güç kaybıdır dB/km olarak ölçülür 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
Zayıflamanın 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
261 Saçılma
Gelen ışının yabancı bir maddeye çapmasıyla oluşan dağılma ve ışık kaybıdır Saçılma uzun dalga boyundaki ışınlarda çok daha küçük bir etkiye sahiptir Matematiksel olarak saçılma dalga boyunun 4kuvvetinin tersi ile orantılı olduğundan kısa dalga boyundan uzun dalga boylarına geçildikçe hızla azalır, ama asla sıfır olmaz
Saçılma;
820nm de :2,5db
1300nm de :0,24db
1550nm de :0,012db gibi değerlerde seyreder
262 Absorblama
Saçılmayla aynı nedenden oluşur Temel farklılık saçılma, ışığın dağılması şeklinde 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
27 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
3 FİBER OPTİK İLETİŞİM SİSTEMİ
Şekil 12’de optik bir iletişim hattının basitleştirilmiş blok diyagramı gösterilmektedir Hattın üç asal öğesi, verici,alıcı ve kılavuzdur
Verici şunlardan oluşur: analog ya da sayısal bir arabirim, bir gerilim- akım dönüştürücüsü, bir ışık kaynağı ve bir kaynaktan- fibere ışık bağlayıcı
Fiber kılavuz, ya aşırı saf cam ya da plastik bir kablodur
Alıcı ise şunları içerir: bir fiberden ışık dedektörüne bağlaşım aygıtı, bir fotodedektör, bir akım- gerilim dönüştürücüsü, bir yükselteç ve analog ya da sayısal bir arabirim
Fiber optik bir vericide, ışık kaynağı sayısal ya da analog bir sinyal tarafından modüle edilebilir Analog modülasyonda, giriş arabirimi empedansları eşler ve giriş sinyal genliğini sınırlar Sayısal modülasyonda, başlangıçtaki kaynak zaten sayısal biçimde olabilir; eğer kaynak bilgi sayısal değil de analog biçimde ise, sayısal darbe akışına dönüştürülmesi gerekir Kaynak bilgi analog olduğunda, arabirimde ek olarak bir analog/sayısal dönüştürücü bulunmalıdır
Gerilim- akım dönüştürücüsü, giriş devreleriyle ışık kaynağı arasında elektriksel bir arabirim vazifesi görür Işık kaynağı, ya ışık yayan bir diyod (LED) ya da enjeksiyon lazer diyodudur (ILD) Bir LED ya da bir ILD tarafından yayılan ışık miktarı, sürme akımının miktarına eşittir Gerilim- akım dönüştürücüsü, bir giriş sinyal gerilimini, ışık kaynağını sürmede kullanılan bir akıma dönüştürür
Kaynaktan fibere bağlayıcı, mekanik bir arabirimdir İşlevi, kaynaktan yayılan ışığı fiber optik kabloya bağlamaktır
Fiber optik, cam ya da plastik fiber çekirdekten, bir koruyucu zarftan ve bir koruyucu kılıftan oluşmaktadır Fiberden ışık dedektörüne bağlaşım aygıtı da mekanik bir bağlayıcıdır Bu aygıtın işlevi, fiber kablodan mümkün olduğunca çok ışığı ışık dedektörüne bağlamaktır
Işık dedektörü çoğunlukla ya bir PIN (pozitif - saf - negatif ) diyod ya da bir APD'dir (çığ fotodiyodu) Gerek APD gerekse PIN diyod, ışık enerjisini akıma dönüştürür Dolayısıyla, bir akım- gerilim dönüştürücüsü gereklidir
Akım-gerilim dönüştürücüsü, dedektör akımındaki değişiklikleri çıkış sinyal gerilimindeki değişikliklere dönüştürür
Alıcı çıkışındaki analog ya da sayısal arabirim de elektriksel bir arabirimdir Eğer analog modülasyon kullanılıyorsa, arabirim empedansları ve sinyal düzeylerini çıkış devreleriyle eşler Eğer sayısal modülasyon kullanılıyorsa, arabirimde bir de sayısal- analog dönüştürücü bulunmalıdır
31 IŞIK KAYNAKLARI
Temel olarak, fiber optik iletişim sistemlerinde ışık üretmede yaygın olarak kullanılan iki aygıt vardır : ışık yayan diyodlar (LED'ler) ve enjeksiyon lazerli diyodlar (ILD'ler) Her iki aygıtın da avantajları ve dezavantajları vardır ve birine oranla öteki aygıtın seçilmesi, sistem gerekliliklerini bağlı olarak yapılır
311 Işık Yayan Diyodlar
Temel olarak, ışık yayan diyod (LED) yalnızca bir P-N eklem diyodudur Çoğunlukla, alüminyum galyum arsenit (AlGaAs) veya galyum arsenit fosfit (GaAsP) gibi yarı iletken bir malzemeden yapılır Ledler ışığın doğal emisyonla yayarlar; ışık, elektronlar ile deliklerin yeniden birleşiminin bir sonucu olarak yayılır Diyod ileri ön gerilimli olduğunda, P-N eklemi üzerinde azınlık taşıyıcıları meydana gelir Azınlık taşıyıcıları eklemde, çoğunluk taşıyıcıları ile yeniden birleşip, enerjiyi ışık şeklinde verirler Bu süreç, temel olarak klasik bir diyottaki süreç ile aynıdır; aradaki fark şudur: LED'lerde belli yarı iletken malzemeler ve katkılama maddeleri, süreç ışıma yapacak (foton üretecek) şekilde seçilir Foton, elektromanyetik dalga enerjisinin bir nicesidir Fotonlar ışık hızında ilerleyen parçalardır, ancak durağan halde iken kütleleri yoktur Klasik yarı iletken diyotlarda (sözgelimi, germanyum ve silisyum), süreç temel olarak ışıma yapmaz ve foton üretimi olmaz Bir LED imal etmek için kullanılan malzemenin enerji aralığı, LED'den yayılan ışığın görünür ışık olup olmadığını ve ışığın rengini belirler
En basit LED yapıları, sade eklemli, epitaksiyel olarak büyütülmüş veya tek dağılmış aygıtlardır Epitaksiyel olarak büyütülmüş LED'ler, genellikle silisyum katkılı galyum arsenitle yapılırlar Bu tür LED'den yayılan tipik bir dalga boyu 940 nm'dir; 100 mA'lik ileri yönde akımda tipik çıkış gücü ise 3 mW'tır Düzlemsel dağılmış (sade eklemli) LED'ler 900 nm'lik bir dalga boyunda yaklaşık 500 mW çıkış yaparlar Sade eklemli LED'lerin önde gelen dezavantajı, ışık emisyonlarının yönlü olmayışıdır; bu da bu tür diyotları fiber optik sistemler açısından kötü bir seçenek haline getirir
Düzlemsel karışık eklemli LED, epitaksiyel olarak büyütülmüş LED'e oldukça benzer; aradaki fark, düzlemsel karışık eklemli LED'de geometrik tasarımın, ileri yönde akımı aktif katmanın çok küçük bir alanına yoğunlaştıracak şekilde yapılmış olmasıdır Bu yüzden, düzlemsel karışık eklemli LED'lere oranla çeşitli avantajları vardır
Bu avantajlar şunlardır:
• Akım yoğunluğundaki artış, daha parlak bir ışık spotu oluşturur
• Emisyon yapan alanın daha küçük, yayılan ışığı bir fibere bağlamayı kolaylaştırır
• Etkili küçük alanın kapasitansı daha düşüktür; bu da düzlemsel karışık eklemli LED'lerin daha yüksek hızlarda kullanılmasını sağlar
4 FİBER OPTİK KABLOLARDA KAYIPLAR
Fiber optik kablolarda iletim kayıpları, fiberin en önemli özelliklerinden biridir Fiberdeki kayıplar, ışık gücünde bir azalmaya neden olur ve böylece sistem bant genişliğini, bilgi iletim hızını, verimliliği ve sistemin genel kapasitesini azaltır Başlıca fiber kayıpları şunlardır:
• Soğurma kayıpları
• Malzeme ya da Rayleigh saçınım kayıpları
• Renk ya da dalga boyu ayrılması
• Yayılım kayıpları
• Modal yayılma
• Bağlaşım kayıpları
41 SOĞURMA KAYIPLARI
Fiber optikteki soğurma (yutma) kaybı, bakır kablolardaki güç kaybına benzer; fiberin saf olmaması nedeniyle fiberde bulunan maddeler, ışığı soğurur ve ısıya dönüştürür Fiber optikleri imal etmede kullanılan aşırı saf cam, yaklaşık %999999 saftır Gene de, 1 dB/km arasındaki soğurma kayıpları tipik değerlerdir
Fiber optikteki soğurma kayıplarına yol açan üç faktör vardır: morötesi soğurma, kızılaltı soğurma ve iyon rezonans soğurması
411 Morötesi soğurma
Morötesi soğurmaya, fiberin imal edildiği silika malzemesindeki valans elektronları neden olur Işık, valans elektronlarını iyonize ederek iletkenlik yaratır İyonizasyon, toplam ışık alanındaki bir kayba eşdeğerdir ve bu nedenle fiberin iletim kayıplarından birini oluşturur
412 Kızılaltı soğurma
Kızılaltı soğurmaya, cam çekirdek moleküllerinin atomları tarafından soğurulan ışık fotonları neden olur Soğurulan fotonlar, ısınmaya özgü rastgele mekanik titreşimlere dönüştürülür
413 İyon rezonans soğurması
İyon rezonans soğurmasına, malzemedeki OH-iyonları neden olur OH-iyonlarının kaynağı, imalat sürecinde camın içinde sıkışıp kalan su molekülleridir İyon soğurmasına demir, bakır ve krom molekülleride neden olabilir
42MALZEME YA DA RAYLEIGH SAÇINIM KAYIPLARI
İmalat sürecinde, cam çekilerek çok küçük çaplı uzun fiberler haline getirilir Bu süreç esnasında, cam plastik haldedir(sıvı ya da katı halde değil) Bu süreç esnasında cama uygulanan germe kuvveti, soğuyan camda mikroskopla görülmeyecek kadar küçük düzensizliklerin oluşmasına neden olur;bu düzensizlikler fiberde kalıcı olarak oluşur Işık ışınları, fiberde yayınım yaparken bu düzensizliklerden birine çarparsa kırınım meydana gelir Kırınım,ışığın birçok yönde dağılmasına ya da saçılmasına yol açar Kırınım yapan ışığın bir kısmı fiberde yoluna devam eder, bir kısmı da koruyucu zarf üzerinden dışarı kaçar Kaçan ışık ışınları, ışık gücünde bir kayba karşılık gelirler Buna Rayleigh saçınım kaybı denir
43 RENK YA DA DALGA BOYU AYRILMASI
Daha önce de belirtildiği gibi, bir ortamın kırılma indisi dalga boyuna bağlıdır Işık yayan diyodlar(LED'ler) çeşitli dalga boylarını içeren ışık yayarlar Bileşik ışık sinyalindeki her dalga boyu farklı bir hızda ilerler Dolayısıyla, bir LED'den aynı zamanda yayılan ve fiber optikte yayınım yapan ışık ışınları, fiberin en uç noktasına aynı anda ulaşmazlar Bunun sonucu olarak, alma sinyalinde bozulma meydana gelir; buna kromatik bozulma denir
44 YAYILIM KAYIPLARI
Yayınım kayıplarına, fiberdeki küçük bükümler ve burulmalar neden olur Temel olarak, iki tür büküm vardır:mikro büküm ve sabit yarıçaplı büküm Mikro büküm, çekirdek malzemesi ile koruyucu zarf malzemesinin ısıl büzülme oranları arasındaki farktan kaynaklanır Mikro büküm, fiberde Rayleigh saçınımının meydana gelebileceği bir süreksizlik oluşturur Sabit yarı çaplı bükümler, fiberin yapımı ya da monte edilmesi sırasındaki bükülmeler sonucu meydana gelir
45 MODAL YAYILMA
Modal yayılmanın ya da darbe yayılmasının nedeni, bir fiberde farklı yollar izleyen ışık ışınlarının yayınım sürelerindeki farktır Modal yayılmanın yalnızca çok modlu fiberlerde meydana gelebileceği açıktır Dereceli indeksli fiberler kullanılmak suretiyle modal yayılma önemli ölçüde azaltılabilir; tek modlu kademe indeksli fiberler kullanıldığında ise hemen hemen bütünüyle bertaraf edilebilir
Modal yayılma, bir fiberde yayınım yapmakta olan bir ışık enerjisi darbesinin yayılarak dağılmasına neden olabilir Eğer darbe yayılması yeterince ciddiyse, bir darbe bir sonraki darbenin tepesine düşebilir(bu, semboller arası girişime bir örnek oluşturmaktadır) Çok modlu kademe indeksli bir fiberede, doğrudan fiber ekseni üzerinden yayınım yapan bir ışık ışını,fiberi bir ucundan diğer ucuna en kısa sürede kat eder Kritik açıyla çekirdek/koruyucu zarf sınırına çarpan bir ışık ışını, en çok sayıda dahili yansımaya maruz kalacak Dolayısıyla fiberi bir ucundan diğer ucuna en uzun sürede kat edecektir
46 BAĞLAŞIM KAYIPLARI
Fiber kablolarda, şu üç optik eklem türünden herhangi birinde bağlaşım kayıpları meydana gelebilir:ışık kaynağı-fiber bağlantıları, fiber-fiber bağlantıları ve fiber fotodedektör bağlantıları Eklem kayıplarına çoğunlukla şu ayar sorunlarından biri neden olur:yanal ayarsızlık, açısal ayarsızlık, aralık ayarsızlık ve kusursuz olmayan yüzey
461 Yanal Ayarsızlık
Yanal ayarsızlık, bitişik iki fiber kablo arasındaki yanal kayma ya da eksen kaymasıdır Kayıp miktarı, bir desibelin beş ila onda biri ile birkaç desibel arası olabilir Eğer fiber eksenleri, küçük fiberin çapının yüzde beşi dahilinde ayarlanmışsa, bu kayıp ihmal edilebilir
462 Açısal Ayarsızlık
Açısal ayarsızlığa bazen açısal yer değiştirmede denir Açısal ayarsızlık ikiden az ise, kayıp 05 desibelden az olur
463 Aralık Ayarsızlığı
Aralık ayarsızlığına bazen uç ayrılması da denmektedir Fiber optiklerde ekler yapıldığında, fiberlerin birbiri ile temas etmesi gerekir Fiberler birbirinden ne kadar ayrı olursa, ışık kaybı o kadar fazla olur İki fiber birbirine bağlantı parçasıyla birleştirilmişse, uçlar temas etmemelidir Bunun nedeni, iki ucun bağlantı parçasında birbiri ile sürtünmesinin fiberlerden birine ya da her ikisine birden hasara yol açabilecek olmasıdır
464 Kusursuz Olmayan Yüzey
İki bitişik kablonun uçlarının bütün pürüzleri giderilmeli ve iki uç birbirine tam olarak uymalıdır Fiber uçların dikey çizgiden açıklıkları 3'den az ise, kayıpların 05 desibelden az olur
5 FİBER OPTİK DÜZENLEMELERİ
51 ÇOK MODLU KADEME İNDEKSLİ FİBER
Çok modlu kademe indeksli düzenleme, tek modlu düzenlemeye benzer; aradaki fark, merkezi çekirdeğin çok daha geniş olmasıdır Bu fiber türü, daha geniş bir ışık-fiber açıklığına sahiptir, dolayısıyla kabloya daha çok ışık girmesine imkan verir Çekirdek / koruyucu zarf arasındaki sınıra kritik açıdan daha büyük bir açıyla çarpan ışık ışınları , çekirdekteki zikzak şeklinde yayınım yapar ve sürekli olarak sınırdan yansırlar Çekirdek / koruyucu zarf sınırına kritik açıdan daha küçük bir açıyla çarpan ışık ışınları, koruyucu zarfa girer ve yok olurlar Fiberde yayınım yaparken, bir ışık ışınının izleyebileceği çok sayıda yol olduğu görülebilir Bunun sonucu olarak, bütün ışık ışınları aynı yolu izlemez, dolayısıyla fiberin bir ucundan diğer ucuna olan mesafeyi aynı zaman süresi süresi içinde kat etmezler
52 ÇOK MODLU DERECELİ İNDEKSLİ FİBER
Dereceli indisli çok modlu fiberin yapısındaki çekirdeğin indisi yarı çapa bağlı olarak değişir Yani dışarıdan bakıldığında (çok hassas ve güçlü mikroskoplarla) içten dışa doğru eşmerkezli halkalar halindedir Bu halkaların her birinin kırılma indeksi farklıdır ve içten dışa doğru gidildikçe kırılma indisi düşer Yani tam merkezde en büyük indeks, en dışta ise en küçük indeks bulunur Bu katmanların sayısı imalatçı firmaya göre değişir Genellikle bu katmanların sayısı 50-400 arasındadır Merkezde direkt olarak giden ışık az yol alır ancak burada indeks büyüktür Daha dış katmanlarda giden ışıkların aldıkları yol daha fazladır ancak bu katmanlarda indeks küçük olduğundan ışığın hızı indeks profili ile ters orantılı olarak değişir Dolayısıyla tüm ışıklar belli düğüm noktalarında birleşirler ancak alıcı uçta darbeler arasında bir gecikme olur Buna rağmen gecikme basamak indeksli ve çok modlu fiberlerinkine göre daha azdır
|