Gönderen Konu: Fiber Optik  (Okunma sayısı 5754 defa)

Çevrimdışı Salim Tursucu

  • Genel Moderatör
  • Acemi Üye
  • *****
  • İleti: 67
    • Profili Görüntüle
Fiber Optik
« : 21 Mayıs 2007, 20:37:49 »
Elektronikte pek sık adı geçmeyen ancak iletişim teknolojisinde çok önemli bir yeri olan fiberoptik kablolardan bahsedeceğim. Fiber kablolar iletişim teknolojisi dışında, farklı çeşitleri tıpda damarların içinin ve organların görüntülenmesi gibi görüntüleme sistemlerinde de oldukça popüler olarak kullanılmaktadır. Işin matematiksel boyutuna fazla inmemeye çalışacağım. Zira işin bu yönü oldukça karmaşık Snell kanunlarından Maxwell denklemlerine kadar çok geniş bir konu. Ama bu konuda bilgi isteyen olursa gönderebilirim.

Işin biraz tarihine bakacak olursak bir çok işte parmağı olan Aleksander Graham Bell amca bu işe de 1880 yılında eğilmiş ve foto telefon denilen mantığı ışığı modüle ederek iletip sonra da demodülasyondan sonra tekrar elektriksel sinyale dönüştüren bir alet yapmış. Daha sonraları lambaların gelişimi ve 1960'da lazerin icadından sonra asıl problem baş göstermiş ki zaten bu problem fiberin doğuşuna neden olmuştur.

Problem: gönderilecek sinyali modüle etmek elektronik devreler ile kolay demodülasyon da kolay peki sinyalin kilometrelerce dağılmadan, zayıflamadan bir yapı içersinde gitmesi nasıl sağlanacak?

Fiber Optik Kablonun Avantajları

-geniş band aralığı
-düşük kayıp
-elektromagnetik bağışıklık
-güvenilirlik
-hafiflik
-küçük boyut
Yukarıdaki avantajlara baktığımızda avantajların çoğunun iletişime yönelik olduğunu görürüz bu avantajlar yüzünden fiber özellikle uzak mesafe iletişimi için vazgeçilmezdir.

Fiber Optik Kablonun Çalışması

Şimdi biraz fiberin nasıl işlediğinden bahsedelim. Fiberin çalışma prensibi temel optik kurallarına dayanır. Bir ışın demeti az yoğun bir ortamdan daha yoğun bir ortama geçerken geliş açısına bağlı olarak yansıması (buna ileride tam yansıma diyeceğiz) yada kırılarak ortam dışına çıkması (bu istenmeyen durumdur) mantığına dayanır.

Şimdi standart bir fiber kabloyu tanıyalım. Kablo 3 kısımdan oluşur.



INDIS: Bir ışık ışınının madde içersinde ilerlemesine gösterilen zorluk katsayısı

KIRILMA INDISI: Işığın boşluktaki hızının madde içerisindeki ışık hızına oranına kırılma indisi denir.

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).

KILIF: 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.


Bu kadar bahsettik birde fotoğrafını koyalım gerçi fotoğrafçılık konusunda pek yetenekli olmadığımı öğrendim ama idare edin. Resimde yeşil kaplamalı bir fiber var. Fiberin kendisinden çok gölgesi belli kendisi cam olduğu için parlıyor. Bu bir tek modlu (bu konuya gelicez) 10 mikrometreye 125 mikrometrelik fiber Türkiye'de kullanılan tip fiberdir. Genelde tek kaplama içinde iki kablo olur.



Fiberoptik kablo çeşitlerinden bazıları

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 gösterdiğim bölüm kritik açının oluşturduğu ve tamamen fiber kablonun parametrelerine göre değişebilen bir konidir. 3 boyutlu düşünürseniz daha kolay anlayabilirsiniz. Qc'yi göstermek için çizdiğim ışınlar gelebilecek en büyük ışın açısını gösterir. Bu açılardan küçük gelen her ışın demeti fibere girer. Formüldeki n1 nüve n2 kılıf indisleridir.

Fiberler sınıflandırılırken ilk önce 2'ye ayrılırlar kapasitesine göre ve yapısına göre.

Yapısına göre 3'e ayrılırlar:

1-CAM FIBERLER: Nüvesi ve kılıfı camdan imal edilir. Veri iletimi açısından en iyi performansı gösterir. Yapımında kullanılan cam ultra saf silikon dioksit veya kuartz kristalidir. Yukarıda bahsettiğim indisi ayarlamak için; imalat aşamasında indisi azaltmak için, flor veya bor, indisi artırmak için, germanyum veya fosfor ile katkılanır.

2-PLASTIK KAPLI SILISYUM FIBER: Cam nüveye plastik kılıfa sahiptirler. Fiyat olarak cam fiberlere göre daha ucuz ama performans açısından daha verimsizdir.

3-PLASTIK FIBERLER: En ucuz fiber tipidir. Nüvesi de kılıfı da plastiktir. Performansı en zayıf fiyatı en uygun fiberdir genelde kaplamaları yoktur. Kısa mesafe iletişimi için uygundur.


Şimdi de fiber optik kabloların nüve tipine göre sınıflandırılmasından ve fiber karakteristiklerinden bahsedeceğim. Ama önce yapılacak sınıflandırma kırılma indis profiline göre yapılacağı için kırılma indis profiline değinmek istiyorum. Kırılma indis profili nüve kılıf indisleri arasındaki ilişkiyi tanımlar (indisin ışığın ilerlemesine gösterilen zorluk olduğunu hatırlayın. Fiber 1 yazısı). Iki tip kırılma indisi vardır. Kademeli indis ve dereceli indis. Bunu şöyle açıklayabiliriz; Bir kademeli indis fiberin uç kesitine baktığımızda düz bir kesit görürüz. Bunun yorumu fiber nüvesinin her noktasında aynı indis değerinin olduğudur. Yani enjekte edilen ışık nüvenin her yerinde aynı dirençle karşılaşır. Dolayısıyla bildiğimiz sıradan yansıma kurallarına göre nüve içerisinde yansıyarak ilerler.

Dereceli Indis Fiber

Aynı kesit dereceli indis fiberden alınacak olursa nüvenin dışa doğru tıpkı bir dış bükey mercek gibi yay çizdiği görülür. Bunun anlamı ise nüvenin çok sayıda farklı yoğunluklarda cam tabakadan oluştuğudur. Bu durumda ışık nüve içerisinde kabaca bir sinüs dalgası çizerek ilerler.


Kademeli Indis Fiber

Çok modlu kademeli indis fiber en basit fiber tiplerinden biridir 100 – 970µm arasında bir nüve çapına sahiptir. Nüve çapının daha fazla olması daha fazla mod taşınması açısından faydalıdır. Ancak modal yayılma en çok bu tip fiberde olur. Yayılma km başına 15-30 nano saniye olur. Rakam saniyenin milyarda 15- 30 u gibi görünebilir ama bütün kodlama sistemlerinde hataya sebep olacak düzeydedir. Kabul edilebilir yayılma miktarı km de 1 ns dir.


Işık nüve içinde dereceli indis fiber gibi sinüs dalgaları çizmek yerine tam yansıma kurallarına bağlı zig zaglar çizerek ilerler.



Işığın Dalga Boyları ve Spektral Genişlik

Bildiğiniz gibi 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 bize bir dezavantaj olarak geri döner(modal yayılma olarak).

Mod

Mod kabaca 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.



Modal Yayılma

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.



Malzeme Yayılması

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.

Zayıflama, Saçılma 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. Bunları inceleyecek olursak;

SAÇILMA: isminden de belli olduğu gibi saçılma gelen ışının yabancı bir maddeye çapmasıyla oluşan dağılma ve ışık kaybıdır. Her ne kadar birinci bölümde fiber camının çok saf olduğunu iddia ettiysek de dünyada saf madde olmadığı gibi saf camda yoktur. Zaten bu bahsettiğimiz olayda molekül düzeyinde olduğu için kısa mesafeler için atlanabilir bir ayrıntı sayılabilir. Işin biraz daha detayına inersek saçılma uzun dalga boyundaki ışınlarda çok daha küçük bir etkiye sahiptir. Matematiksel olarak saçılma dalga boyunun 4.kuvvetinin tersi ile orantılı olduğundan kısa dalga boyundan uzun dalga boylarına geçildikçe hızla azalır, ama asla sıfır olmaz.

SAÇILMA:
820nm de :2,5db
1300nm de :0,24db
1550nm de :0,012db gibi değerlerde seyreder.


ABSORBLAMA: bu olayda 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.

Mikrobent Kayıpları

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.


Devre hakkında anlaşılmaz bir şey olduğunu sanmıyorum. Devreyi yapmak isterseniz tek modlu bir fiber kablo kullanmalısınız. Ancak konnektor bulmakta ve montajda zorluk çekebilirsiniz devrenin ışık kaynağı led olduğunu hesaplarınıza katmalısınız bu özellikle bant genişliğini etkileyecektir

http://www.antrak.org.tr
« Son Düzenleme: 02 Aralık 2014, 16:44:22 Gönderen: admin »

Mühendis Forum

Fiber Optik
« : 21 Mayıs 2007, 20:37:49 »

huseyinkilic

  • Ziyaretçi
Ynt: Fiber Optik
« Yanıtla #1 : 18 Ağustos 2008, 15:56:42 »
saðolasýn

Mühendis Forum

Ynt: Fiber Optik
« Yanıtla #1 : 18 Ağustos 2008, 15:56:42 »

Çevrimdışı DRY

  • Yeni Üye
  • *
  • İleti: 4
    • Profili Görüntüle
Ynt: Fiber Optik
« Yanıtla #2 : 12 Aralık 2008, 01:09:02 »
verdiðin bilgi dolayýsýyla çok teþekkür ediyorum ama devre tam çýkmamýþ.rica etsem bana mail atar mýsýn veya tekrar forum'a versen

Çevrimdışı fethiacar

  • Yeni Üye
  • *
  • İleti: 1
    • Profili Görüntüle
Ynt: Fiber Optik
« Yanıtla #3 : 24 Şubat 2013, 03:09:06 »
verdiginiz bilgiler için tesekkurler.Bir konuda sorum olacaktý fiberkablodan cýkan  optik sinyali elektrik sinyaline nasýl donustururuz bu konu hakkýnda bilginiz varmýydý?