K E Y

FİBER OPTİK

Işıkla Bilgi İletiminin Tarihçesi

Bilgi iletişiminin tarihi oldukça eskiye dayanır. İlk çağlar da insanlar ateş yakarak iletmek istedikleri bilgiyi bir tepeden bir başka tepeye aktardılar. Işık kullanılarak yapılan bu ilk haberleşmede insanoğlu belki de hala en gelişmiş ışık detektörünü yani gözü kullandı. Işık üreten kaynak olarak ateş kullanılıyor ve bu ışık insan gözünce algılanarak bilgi bir noktadan başka bir noktaya aktarılıyordu. Bu ilkel haberleşme tekniğinde en büyük zorluk, haberleşme uzaklıklarının çok sınırlı olması ve aktarılan bilginin büyüklüğünün az olmasıydı. Daha sonra gelişen iletişim teknolojileri, çeşitli ortamlardan yararlanarak bilginin iletilmesini sağladılar. Genelde kullanılan, elektrik sinyalinin iletken kablolar aracılığı ile bir noktadan diğerine aktarılmasına dayalı teknolojilerdi. Ancak son elli yıl içinde, ilkçağlarda kullanılan yönteme geri dönüldü ve iletişimde ışık tekrar kullanılmaya başlandı. Son yıllardaki iletişim teknolojilerindeki sıçramanın tabanında fiber optik teknolojilerindeki gelişmeler olduğunu söylemek doğru olur.

Işık Kuramının Tarihçesi

Fiber optiğin insanları neden bu kadar çok etkilediğini daha iyi anlamak için belki de önce ışık kuramının tarihçesine bakmak gerekir. Son 3000 yıl içinde ışık ile ilgili geliştirilen onlarca kuramdan önemli olan altısı şunlar:

1) Dokunma

2) Işıma

3) Parçacık

4) Dalga

5) Elektromanyetik

6) Kuantum

Bundan sonra gelen iki kuram Sir Isaac Newton’un parçacık ve Christian Huygens’in dalga kuramları. Bunlar, birbirlerine tam ters olan kuramlar. Newton’a göre ışık, parçacık olarak düz bir doğru üzerinde yol alır. Diğer bir deyişle, ışık bir parçacıklar sistemidir ve kaynağından her yöne düz doğrular boyunca yol alırlar. Newton’un fizik yasası parçacıkların cisimlerden yansımasını açıklayabiliyor.

Huygens’in dalga kuramıysa Newton’un kuramını kabul etmiyor. Ona göre, eğer ışık parçacıklardan oluşsaydı birbiriyle karşılaşan ışık demetleri kendilerini yok etmeliydi. Huygens, bunu açıklamak için karşılaşan iki su akıntısını örnek gösterdi. Gerçekten de ışık bu tür bir özellik göstermez ve ışık demetleri karşılaştıklarında, su örneğinde olduğu gibi bir olay ortaya çıkar. Huygens, ışığın bir dalga olduğunu öne sürdü. Ona göre ışık ve onunla ilgili olaylar tümüyle dalga kuramına oturtulmalıydı. Buna karşılık Newton da eğer ışık bir dalgaysa, hareketi boyunca rastladığı köşeleri de dönmesi gerektiğini ancak bunun olmadığını ileri sürerek dalga kuramını reddetti. Bu günün bilimiyse ışığın gerçekten köşeleri döndüğünü gösterebiliyor. Ancak dalga boyunun çok küçük olmasından dolayı bu olayın gözle görünmesi olası değil. Dalga kuramı, 1800’lü yıllarda kabul gördü. Parçacık kuramıysa 1800’lü yılların sonlarında tamamen terk edildi.

On dokuzuncu yüzyılın sonlarında, James Clerk Maxwell, elektrik, manyetizma ve ışığı bir kuramda birleştirdi. Bu kurama elektromanyetik teori dendi. Maxwell’e göre ışık bir elektromanyetik dalgadır ve diğer elektromanyetik dalgaların özelliklerini gösterir. Maxwell, elektrik ve manyetik sabitlerden yararlanarak ışık hızını hesapladı. Gerçi bulduğu hız kabul edilebilir değer içinde; ancak Maxwell’in teorisi fotoelektrik etkisini açıklayamıyor.

1887 de Heinrich Hertz, metal üzerine gönderilen belli özellikteki ışığın, elektronları metal yüzeyinden kopardığını buldu. 1900’de Max Planck, ışık ile ilgili başka bir kuram geliştirdi. Buna göre ışık, içinde enerji olan küçük bir paket içinde iletilir ve madde tarafından emilir. Bu küçük pakete “quanta” adını verdi. Quanta içindeki enerji, ışığın frekansıyla doğru orantılı. Albert Einstein, Planck’ın kuramını tamamen kabul ederek ışığın quanta olarak iletilmesinin ve madde tarafından emilmesinin yanında, ışığın quanta olarak yol aldığını ileri sürdü. Einstein, quanta birimi olarak foton’u kabul etti.

1905’te Einstein kuantum kuramını kullanarak fotoelektrik olayını açıkladı. Kuantum kuramı, iki temel kuramın, parçacık ve dalga kuramlarının birleştirilmesiydi. Bu birleştirme zorunluydu; ışık bazen parçacık bazen de dalga özelliği gösterir. Işık, enerji nin bir biçimidir. Fotonlar, ancak bu fotonun hareket halinde olması durumunda var olurlar. Işığın boşluktaki hızı saniyede 3x10⁸ metredir.

Fiber optikle ışığın en yakın ilişkisi yansımadır. Newton yasaları ışığın nasıl yansıdığını açıklayabiliyorlar Newton kuramına göre, ışığın bir yüzeye gelme açısıyla yansıma açısı değişmez. Işığın çok önemli bir özelliğiyse kırılma. Kırılma, ışığın değişik ortamlarda yol almasında ortaya çıkıyor. Belli özellikteki bir ortamdan başka özellikteki ortama geçerken ışık kırılır. Işığın hızı, hareket ettiği orta ma bağlı olarak bazen artar bazen de azalır. Örneğin, ışık havada camdan daha hızlı gider. Bir ortamdan diğeri. ne geçerken ışık hızının değişmesi onun kırılmasına neden olur.

Fiber optik teknolojisi, son bir kaç yüzyıldır geliştirilen ışık kuramının bir sonucu. Gördük ki eski zamanda ateş sinyal aracı olarak kullanılmıştı. Bilim geliştikçe haberleşmede kullanılan sinyalleme şekil değiştirdi ve bu işlem çok daha karışık bir hale geldi. Işıkla ilgili bilim adamlarının çalışmaları çok eskiye dayanmakla birlikte, fiber teknolojilerindeki gelişme oldukça yeni.

Fiber Kablolarla İletişim

İletişimde kullanılan fiber kabloların temel üç bölümü vardır.İç kısımda fiberin damarı, daha sonra çeperi ve en dış bölümde ise kablonun kaplama bölümü bulunur (Şekil 3). Aşağıdaki şekil, tipik bir fiber kablonun ara kesitini gösteriyor. Damar, ışık sinyalinin yol aldığı, daha başka bir deyişle bilginin iletildiği bölüm. Telekomünikasyon endüstrisinde genel olarak 8.3 mikrometreden 62.5 mikrometreye kadar olan büyüklüklerde fiber kablolar kullanılıyor. Standart telekomünikasyon fiberinin damar çapı 8.3 mikrometre (tek mod ), 50 mikrometre (çoklu mod), 62.5 mikrometre (çoklu mod) civarında bulunuyor.

Damar bölgesini saran çeperin yarı çapı 125 mikrometre, fiber kablonun tamamının yarıçapıysa 250 mikrometre ile 900 mikrometre arasında değişir. Bu büyüklükleri insan saçının çapı olan 70 mikrometre ile karşılaştırabiliriz.

Işık, fiber optik kabloya girdikten sonra dengeli bir şekilde yol alır ve buna mod denir. Fiber kablonun tipine bağlı olarak yüzlerce çeşit mod oluşturulabilir. Her mod, giriş ışık sinyalinin bir bölümünü taşır. Daha genel bir deyişle fiber içindeki mod sayısı, fiber damarının çapına, ışığın dalga boyuna ve sayısal açıklık denilen büyüklüğe bağlıdır. Günümüzde kullanılan temel iki tip fiber optik kablo vardır: tek mod ve çoklu mod fiberler. Bunları dış görünümleriyle ayırmak olası değildir. Her iki tip de iletişim ortamı olarak kullanılmakta. Ancak değişik uygulamalarda değişik şekillerde kullanılırlar.

Tek Mod Fiberler: Işığın tek bir modda ya da tek bir yolda ilerlemesine olanak tanırlar (Şekil 4). Damar çapları 8.3 mikrometredir. Tek modlu fiberler, düşük sinyal kayıplarının olduğu ve yüksek veri iletişim hızının gerektirdiği durumlarda kullanılırlar.

Çoklu Mod Fiberler: Işığın birden fazla modunu ileten fiberlerdir. Tipik damar çapları 50 mikrometre ile 62.5 mikrometre arasında değişir. Çoklu mod fiberler, kısa mesafeli uygulamalarda kullanılırlar.

Fiber Optiğin Temel Prensipleri

Fiber kablonun çalışması, ışığın tam yansıma prensibine dayanıyor. Işık, fiber kablo içinde (damarında) çeperlerden yansıyarak ilerler. Tam yansımanın olabilmesi ışık demetinin fiber kabloya giriş açısına bağlıdır.

Kırılma indeksi, ışığın bulunduğu ortamdaki yayılım hızını gösteren bir kavram. Işık boşlukta saate 300 000 km’lik bir hızla ilerler. Kırılma indeksi, ışığın boşluktaki hızının herhangi bir ortamda hızına bölünmesinden elde edilir:

Kırılma İndeksi=(Işığın Boşluktaki Hızı)!(Işığın Ortamdaki Hızı)

Boşluktaki kırılma indeksi bu durumda 1 dir. Aşağıdaki tablo, bazı tipik ortamlar için kırılma indeksini gösteriyor.

Bir ortamda ilerleyen ışık, başka bir ortama girdiğinde herhangi bir kayıp olmadan geldiği ortama geri yansırsa buna tam yansıma denir.

Fiber kabloların çeperi (dış kaplama bölümü) ve damarı (iç bölümü) değişik malzemelerden yapıldığı için fiber içinde ilerleyen ışık, damar bölgesinden çepere çarptığında tam yansımaya uğrayarak damara geri döner. Tam yansımanın olabilmesi için çeperin kırılma indeksinin damarınkinden daha az olması gerekir.

Uygulama Prensipleri

Elektromanyetik spektrumda insan gözünün algılayabildiği bölgeye görünür bölge diyoruz. Görünür bölgede ışığın dalga boyu, ışık renkleriyle ifade edilebilir. Gökkuşağı renkleri kırmızı, turuncu, sarı, yeşil, mavi ve mor aşağıdaki şekilde gösterildiği gibi görünür bölgede bulunurlar. Fiber optik iletişiminde kullanılan elektromanyetik dalgaların dalga boyu görünür bölgenin üzerinde bulunur. Tipik optik iletişim dalga boyları, 850 nanometre (nm), 1310 nm, ve 1550 nm ’dir. Hem lazerler hem de LED ’ler fiber optik kablolar üzerinden ışık sinyali üretiminde kullanılabilir. Lazer kaynakları 1310 veya 1550 nanometre ve tek mod uygulamalarında uygundur. LED ’lerse 850 veya 1300 nanometre dalga boyundaki çoklu mod uygulamalarında kullanılır.

FREKANS

Fiberin en iyi çalıştığı bazı dalga boyu aralık pencereleri bulunuyor. Bunlara çalışma penceresi denebilir. Her pencere, tipik dalga boyunun etrafında oluşur (Şekil 7). Aşağıdaki tablo bu pencereleri veriyor

Bu pencerelerin seçilmesinin nedeni, fiber optiğin en iyi çalıştığı bölgeler olması, diğer bir deyişle eldeki ışık kaynağıyla iletişim özelliklerinin en iyi şekilde çakışması.

Sistemin frekansındansa şu anlaşılıyor: Sayısal veya analog sinyalin modülasyon frekansı veya diğer bir anlatımla ışık kaynağı tarafından bir saniyede gönderilen sinyal sayısı. Frekans, hertz birimi ile ölçülür. 1 hertz saniyede bir pulsa (atmaya) karşılık gelir. İletişimde kullanılan pratik birimse megahertz’dir (MHz) ve saniyede bir milyon atmaya karşılık gelir.

Fiber Optik Kablolarda Kayıplar

Fiber kablo içinde yol alan ışık sinyalinin enerjisi ve dolayısıyla şekli, değişik nedenlerle kayba uğrar (Şekil 8). Bu kayıp desibel cinsinden ölçülür (dB/km). Belli bir mesafede kullanılan fıberin düşük kayıplı olması gerekir. Dolayısıyla düşük kayıplı fiber optik sistemleri tercih edilir. Örneğin ilk çıkış gücünün %50’sinin kaybı, 3.0 dB’lik bir kayba karşılık gelir. Fiber kablolar birleştirildiğinde ya da sistem içine monte edildiğinde, bazı kayıplarla karşılaşılır (Şekil 9). Iki fiber kablo uç uca birleştirilirse, tipik kayıp 0.2 dB dir. Kayıp nedenleri pek çok olmakla birlikte iç ve dış kayıplar olarak iki sınıfa ayrılabilir.

Işık sinyali, fiber kablo içinde herhangi bir düzensiz bölgeye gelirse saçılıma uğrar ve saçılıma uğramış sinyal o bölge tarafından emilerek ilerlemesi engellenebilir. Rayleigh saçılımı, bilinen en önemli saçılım tipidir (genelin %96’sı). Fiber içindeki ışık, fiberi oluşturan cam atomları ile etkileşir. Işık dalgaları atomlarla esnek çarpışma yapar ve ışık dalgası saçılıma uğrar. Eğer ışık saçılımdan sonra tam kırılmayı sağlayan açıdan daha büyük bir açıyla çepere çarparsa, fiber kabloyu terk eder ve kaçar.

İkinci tip iç kayıp, ışık sinyalinin fiber tarafından emilmesidir. Bu tür kayıplar genel kayıpların %3-5’ini oluşturur. Işık sinyalinin fıber tarafından emilmesinin nedeni, fiberi oluşturan camın içinde bulunan kirliliklerdir. Bunlar titreşim veya başka çeşit enerji kayıplarına neden olurlar (Şekil 10).

Diğer kayıp tipiyse dış kayıplardır. Örneğin, eğer fiber optik kablo bükülürse bu bölgedeki gerilim artar ve gerilimin artması da kırılma indeksini değiştirir. Bu durumda ışık sinyalinin tam yansıması gerçekleşmeyerek damar bölgesinin terk edilmesine neden olur. Bu tür eğilmelere makro bükülüm adı verilir.

Bu bükülümler mikro düzeyde kablonun içinde olursa yine sinyal fiberin damar bölgesini terk ederek kayba neden olur

Işık atması, fiber kablo içinde yolculuğu sırasında yayılır. Bu durumda atma genişleyerek bir önceki veya bir sonraki atma ile çakışır; yani gönderilen ışık sinyali artık ayrılamaz hale gelir. Sonuç olarak iletilen bilginin karakteristik özelliği yitirilmiş olur. Diğer bir anlatımla bilgi kaybolur.

Daha önce anlatıldığı gibi yayılma, ışık sinyalinin dağılmasına neden olur. Bu dağılma, ışık atmalarının birbirleriyle birleşmelerine neden olur. Belli bir mesafede ve belli bir frekansta gönderilen atma, alıcı tarafından oku-namaz hale gelir.

Bunun dışında, genellikle çoklu mod fiberlerde görünen sinyallerin üs tüste gelip karışması da bilginin kaybına neden olur. Sistemlerin bant aralığı bir kilometrede megahertz (MHz) ile ölçülür. Örneğin eğer bir sistemin bant aralığı 200 MHz-km ise, bir saniyede 200 milyon atma (puls) bir kilometrelik fiber içinde birbirlerine karışmadan algılayıcıya ulaşır.

Sonuç ve Eğilimler

Endüstrinin gelişimine bakıldığında, bilgi çağının 1985’te başladığını ve 1995 yılından itibaren hızının yavaşladığını söylemek yanlış olmaz. Artık yeni bir çağa, iletişim çağına hızla ilerliyoruz. Bu çağın en önemli karakteri, bilgiye ulaşmanın ve bilginin dağıtımının yeni iletişim araçlarıyla yapılması. İnsanların İnternet’i kullanmaya başlaması ve bu konudaki talebin çok hızlı artması, ulusal iletişim altyapısının tekrar gözden geçirilmesine ve yenilenmesine neden olmuş bulunuyor.

Kromatik dağılım, ışık kaynağında kullanılan dalga boyu aralığına bağlıdır. Lazer veya LED’ler tarafından üretilen ışığın dalga boyu belli bir aralıkta olur. Fiber içinde yol alan değişik dalga boyundaki dalgalar, değişik hızlara sahiptir. Dolayısıyla eşit mesafeleri farklı sürelerde alırlar; bu da sinyalin yayılmasına neden olur. Sinyalin gereğinden fazla yayılması onun karakterini bozar ve bilginin kaybolmasına neden olur. Bu tür kayıplar, tek mod fiber optik uygulamalarında oldukça önemlidir.

Bant Aralığı: Bant aralığını, ışık sinyali gönderildikten sonra diğer uçta bulunan detektörün ayırabileceği özellikleri taşıyan bilgi miktarı olarak tanımlayabiliriz.

Bu çağa ulusal bazda ayak uydurmanın en önemli kriteriyse, ülkedeki iletişim trafiğinin büyüklüğü. İletişimi arttırmanın ve çağa ayak uydurmanın yoluysa doğal olarak alt yapının yeterince iyi olmasına bağlıdır. Dolayısıyla fiber teknolojilerinin ülkemizde yoğun olarak kullanılması yaşamsal öneme sahip bir gereklilik.

Bilgi çağında insanlar daha çok tek yönlü, etkileşimsiz olarak bilgiye ulaşmanın yolunu arıyorlardı. Yeni durumda, yani iletişim çağında koşullar hızla değişiyor. Yeni durumda insanlar bilgiye ulaşmada ve diğerleri ile iletişimde çift yönlü ve etkileşimli araçlar kullanıyorlar.

Fiber optik kablolar artık tüm ülkelerde hızla bakır kabloların ve diğer iletişim araçlarının yerini alıyor. Fiber optik kabloların diğer iletişim ortamlarından en önemli farkı, ses, veri ve görüntü iletişimindeki yüksek hız. Fiber kablo uçları yakında oturma odamıza kadar uzanacak. Diğer uçtaysa, milyonlarca bilgi kaynağının ve etkileşimli iletişim sağlayabildiğimiz kişilerin olduğunu düşünürsek globalleşmenin ne olduğunu ve önemini anlamak şüphesiz daha kolay olacak.