Fiber optik, veri ağlarında yaygın olarak kullanılan ve içinden iletilecek verileri temsil eden ışığın gönderildiği çok ince bir saydam cam malzemedir.
Fiber Optik Kablo Nedir, Nerelerde Kullanılır?
Işığın sinyali Snell’in yasasının bir fonksiyonu olarak toplam yansıma sınırı açısının üzerinde bir yansıma açısı ile fiberin çekirdeği boyunca yayılır. Ayrıca, ışık kaynağı lazer veya led olabilir.
Fiberler telekomünikasyonda yaygın olarak kullanılmaktadır, çünkü radyo veya kablolu ağ yapılarına benzer hızlarla büyük miktarlarda verilerin uzun bir mesafeden gönderilmesine izin verirler.
Elektromanyetik parazitlere karşı bağışık olmadıkları için iletim ortamı ve gücü mükemmeldir. Diğer iletim ortamlarından yararlanmak için gerekli olan yerel ağlar için de kullanılırlar.
Tarihi
Fiber iletişimin geçmişi İngiltere’de bir test sistemi kurulduktan birkaç yıl sonra üretilmeye başlanmasına dayanır.
1959’da, optik üzerine odaklanan fizik çalışmalarının sonucunda, mesajların olağandışı hızlara ve uzak mesafelere iletilmesi için telekomünikasyona uygulanan lazer sinyali adı verilen yeni bir ışık kullanımı keşfedildi.
Bununla birlikte, lazer adı verilen kaynaktan kaynaklanan foton yağmurunun neden olduğu elektromanyetik dalgaları hareket ettirmek için uygun boru hatta ve kanallar olmaması nedeniyle çok sınırlıydı.
O zaman optik konusunda uzmanlaşmış bilim adamları, bugün fiber optic olarak bilinen bir boru veya kanalın üretimine yönlendirdiler.
Daha sonra, 1966’da iletişim için optik bir kılavuz kullanma önerisi ortaya çıktı.
Bir bilgi taşıyıcısı olarak ışığın bu şekilde kullanılması radyo dalgalarıyla aynı yapıda bir elektromanyetik dalgadır, tek fark dalgaların uzunluğunun metre veya santimetre yerine mikrometre mertebesinde olmasıdır.
Lightwave (ışıkdalgası) iletişimi kavramı uzun yıllardan beri bilinmektedir ancak teorik çalışmanın sonuçları 1970’lerin ortalarına kadar yayınlanmadı.
Bir şeffaf fibere bir ışık sinyalinin emdirilmesinin ve böylece elektronik olarak tel sinyalinin optik bir analoğunun sağlanmasının mümkün olduğunu gösterdi.
Fiberlerde bulunan optik fiberin ilerlemesi için çözülmesi gereken teknik problem, işlemi zorlaştıran liflerin ışığı emmesiydi.
Pratik iletişim için, optik fiber kilometrelerce ışık sinyalleri iletebilmelidir.
Sıradan camın birkaç metre ışık demeti olduğu için sıradan camdan çok daha fazla şeffaf olan yeni çok saf gözlükler geliştirilmiştir.
Bu gözlükler 1970’lerin başında üretilmeye başlandı ve bu yenilik fiber endüstrisine ivme kazandırdı.
Fiber kablolarda ışık kaynağı olarak lazerler veya ışık yayan diyotlar kullanılmıştır.
Her ikisi de, önemli araştırma ve geliştirme çalışmaları gerektiren fiberoptik sistem bileşenleri için daha da küçültüldü.
Lazerler, son derece dar bir yolda tutarlı ışık üretir. Diyotlar ise tutarsız ışık yayar.
Özellikleri
Fiber kablo, optik frekanslarda çalışan bir dielektrik dalga kılavuzudur ve her filaman, biraz kırılma indisine sahip benzer bir malzeme tabakası ile çevrelenmiş, yüksek kırılma indeksine sahip merkezi bir plastik veya cam çekirdekten oluşur.
Işık, daha düşük bir kırılma belirtisi ile sınırlanan bir yüzeye ulaştığında, büyük ölçüde yansıtılır, endekslerdeki fark büyüdükçe ve insidans açısı büyüdükçe, toplam iç yansıma oluşur.
Işık, pratik olarak merkezi boyunca ilerleyecek şekilde çok geniş açılarda duvarlara yansıtılarak ışık sinyalleri uzun mesafelerde kayıpsız olarak yönlendirilebilir.
Daha Güçlü Kapsama Alanı
Fiberin kaplayıcı malzemesi, geleneksel ürünlerden %25 daha fazla malzeme içerir.
Çift Kullanım Alanı
Suya ve ultraviyole emisyonlarına karşı direnç, dirençli kaplayıcı ve uzatılmış çevresel performansı, fiberin ömrü boyunca daha fazla güvenilirliğe katkıda bulunur.
Nemli Yerlerde Daha Fazla Koruma
Nemin fiber içine girmesi, fiberin etrafındaki çoklu koruma katmanları ile birleştirilerek ıslak yerlerde daha uzun kullanım ömrü ve güvenilirlik sağlar.
Yüksek Yoğunluklu Ambalaj
Mümkün olan en küçük çaptaki maksimum fiber sayısı ile, kablonun keskin virajlara ve dar alanlara bükülmesi daha hızlı ve daha kolaydır.
Çapı geleneksel kablolarınkinden daha az olan 72 fiber süper yoğun yapıya sahip bir kablo elde edilmiştir.
Bileşenleri
Core/Çekirdek
Çekirdek, silis, erimiş kuvars veya plastikten oluşur. Optik dalgalar bunun içinden geçer ve çok modlu tür için çap 50 veya 62,5 um ve tek modlu tür için 9 um kullanılır.
Optical Sheath/Optik Kılıf
Genel olarak çekirdekle aynı malzemelerden oluşur ancak çekirdekteki optik dalgaları sınırlayan katkı maddelerine sahiptir.
Koruyucu Kaplama
Koruyucu kaplama genellikle plastikten yapılır ve fiberin mekanik olarak korunmasını sağlar.
Türleri
Single-Mode Fiber/Tek Modlu Fiber
Tek modlu fiber, bilgi aktarımı için en büyük kapasiteyi sunan fiberdir. 100 GHz/km bir bant genişliğine sahiptir ve en yüksek akışlar bu tür ile elde edilir.
Fiberin eksenini takip eden bir yola sahip sinyalleri iletebilir, bu yüzden tekli mod adını almıştır.
Çekirdek çapını, ilettikleri optik sinyallerin dalga boyuyla aynı büyüklükte, yani yaklaşık 5 ila 8 mm arasında olan liflerdir.
Yüksek veri transferleri, tek modlu fiberlerin ana avantajıdır, fakat küçük boyutlarından dolayı hassas kullanım ve bağlantı zorluğu vardır.
Gradient Multimode Fiber/Gradyan Çok Modlu Fiber
Çok modlu fiberler 500 MHz/km’ye kadar giden bir veri bandına sahiptir. Çekirdek içindeki kırılma indisinin kabuğa taşındığında azalmasına dayanır.
Fiberler, çekirdeğinden farklı yayılma modları arasındaki dağılımın azaltılmasına izin verir.
Kademeli gradyan indeks boyutu 62.5/125 m olan çok modlu fiber normaldir, ancak kademeli indeks çok modlu 100/140 mm ve kademeli gradyan indeksi 50/125 mm olan çok modlu türleri bulunabilir.
Çok modlu kademeli indeks lifleri, 30 dB/km zayıflama ile camdan veya 100 dB/km zayıflama ile plastikten yapılır ve 40 MHz/km’ye kadar giden bir veri bandına sahiptir.
Bu fiberlerde çekirdeğin kırılma indisi, çevreleyen kabuğunkinden açıkça daha yüksek olan bir malzemeden yapılır.
Konnektör Tipleri
İster verici ister alıcı olsun, bu konnektör tipleri fiber hatları bağlamaktan sorumludur. Mevcut konektör tipleri çok çeşitlidir, fakat aralarından bazıları şunlardır:
FC Konnektör
FC konnektör, veri iletimi ve telekomünikasyonda kullanılır.
FDDI Konnektör
FDDI konnektör, fiber ağlar için kullanılır.
LC ve MT-Array Konnektör
LC ve MT-Array konnektörler, yüksek veri yoğunluklu iletimlerde kullanılır.
SC ve SC-Duplex Konnektör
Veri iletimi için SC ve SC-Duplex konnektör kullanılır.
ST/BFOC Konnektör
ST veya BFOC bina ağlarında ve güvenlik sistemlerinde kullanılır.
Light Beam Emitters/Işık Sinyali Yayıcılar
Bu cihazlar, elektrik sinyalinin bir ışık sinyaline dönüştürülmesinden, veri iletimine izin veren ışık sinyalini yaymaktan sorumludur, bu yayıcılar Led’ler ve Lazer’ler olmak üzere ikiye ayrılır.
1. LED’ler
50 ila 100 mA akım kullanırlar, hızı yavaştır, sadece çok modlu fiberlerde kullanılabilir, ancak kullanımı kolaydır ve ekonomik olmasının yanı sıra ömrü çok uzundur.
2. Lazerler
Bu tip verici 5 ila 40 mA akım kullanır, çok hızlıdır ve tek modlu hem de çok modlu tiplerle kullanılabilir, ancak aksine kullanımı zordur, ömrü uzundur ancak daha azdır.
Electric Light Current Converters/Elektrik Işık Akım Dönüştürücüler
Bu tip cihaz optik ışık sinyallerini elektrik sinyallerine dönüştürür.
Arıza modülasyonlu ışıktan bir akım elde etmekle sınırlıdırlar ve bu akım alınan güçle ve dolayısıyla modülasyon sinyalinin dalga formu ile orantılıdır.
Rekombinasyonun ters fenomenine, yani fotonlardan elektron deliği çiftlerinin oluşturulmasına dayanır.
En basit dedektör tipi bir P-N yarı iletken bağlantısına karşılık gelir.
Bir fotodedektörün iletişim alanında kullanımı için yerine getirmesi için çok zayıf optik sinyalleri tespit etmek için ters akım çok küçük olmalı, hızlı yanıt ve cihazın kendisi tarafından üretilen gürültü seviyesi minimum olmalıdır.
PIN photodiode ve Avalanche photodiode olmak üzere iki tür dedektör tipi vardır.
1. PIN Photodiode
PIN photodiode, P-N bağlantı noktasından oluşur ve bu bağlantı noktasının arasına, dedektörün verimliliğini artıran yeni bir iç malzeme (I) bölgesi vardır.
Genellikle olası ışık seviyeleri ile kısa mesafeler arasında kolay ayrım yapılmasını sağlayan sistemlerde kullanılır.
2. Avalanche Photodiode
Avalanche photodiode ters yüksek bir voltaj uygulayarak, darbe iyonizasyonuna bağlı olarak akım kazancının dahili bir etkisini gösteren fotodiyotlardır.
Bu fotodiyotların görevi, başka bir elektronu çekebilmesi için bir atoma karşı yüksek hızda bir elektron fırlatmaktır.
Bu dedektörler silikon ve germanyum olmak üzere iki türdür.
1. Silikon
Düşük gürültü seviyesi ve %90’a varan performansa sahiptirler ve yüksek besleme gerilimi (200-300 V) gerektirirler.
2. Germanyum
1000 ile 1300 nm arasındaki dalga boylarında ve %70 performansla çalışmaya uygundur.
Nasıl Çalışır?
İletim sisteminde elektromanyetik dalgaların optik veya ışık enerjisine dönüştürülmesinden sorumlu bir verici vardır, bu yüzden bu sürecin aktif bileşeni olarak kabul edilir.
Işık sinyali küçük lifler tarafından iletildiğinde, devrenin üçüncü ucunda, görevi orijinal sinyale benzer şekilde ışık sinyalini elektromanyetik enerjiye dönüştürmek olan optik dedektör veya alıcı adı verilen üçüncü bir bileşen vardır.
Temel iletim sistemi bu giriş sinyali, amplifikatör, ışık kaynağı, optik düzeltici, hat, ek, optik düzeltici, alıcı, amplifikatör ve çıkış sinyali sırasından oluşur.
Özetle, bu iletişim sürecinin, optik fiberin, LED’ler ve lazer vericileri tarafından üretilen ışık sinyalini taşımak için bir araç olarak çalışır.
Led ve lazer diyotlar, çıkışları sapma akımı ile hızlı bir şekilde kontrol edilebildiğinden, iletim için uygun kaynaklardır. Ayrıca, küçük boyutları, parlaklıkları, dalga boyları ve bunları işlemek için gereken düşük voltaj çekici özelliklerdir.
İç Bileşenleri
İletişim bağlantısının ana blokları verici, alıcı ve fiber kılavuzdur.
Verici bir analog veya dijital arabirim, bir voltaj-akım dönüştürücü, bir ışık kaynağı ve bir ışık kaynağından adaptöre sahiptir.
Kılavuz, ultra saf bir cam veya plastik kablodur.
Alıcı, bir fiber-ışık dedektörü konektör cihazı, bir fotodetektör, bir akım-voltaj dönüştürücü, bir voltaj amplifikatörü ve bir analog veya dijital arayüz içerir.
Bir vericide, ışık kaynağı bir analog sinyal veya dijital ile modüle edilebilir fakat empedansları birleştirmek ve sinyalin genliğini veya dijital darbelerde sınırlıdır.
Akım dönüştürücü voltajı, giriş devreleri ve ışık kaynağı arasında bir elektriksel arayüz görevi görür.
Işık kaynağı bir LED veya bir ILD lazer enjeksiyon diyodu olabilir, yayılan ışık miktarı uyarma akımı ile orantılıdır.
Bu nedenle akım konvertörüne giden voltaj, giriş sinyali voltajını ışık kaynağını yönlendirmek için kullanılan bir akıma dönüştürür.
Bağlantı soketi, işlevi ışık kaynağını kabloyla birleştirmek olan mekanik bir arabirimdir.
Bir fiberglas veya plastik çekirdek, bir ceket ve koruyucu bir tabakadan oluşur ve dedektörün birleştirme cihazı aynı zamanda mekanik bir birleştiricidir.
Işık detektörü genellikle bir PIN diyotu veya bir APD’dir.
Her ikisi de ışık enerjisini akıma dönüştürür. Sonuç olarak, dedektör akımındaki değişiklikleri çıkış sinyalindeki voltaj değişikliklerine dönüştüren bir akım-voltaj dönüştürücü gereklidir.
Avantajları
Çok yüksek veri transflerine izin veren çok geniş bir banda sahiptir.
Küçük boyutlu, bu nedenle az yer kaplar.
Büyük esneklik, eğrilik yarıçapı 1 cm’den az olabilir, bu da kurulumu büyük ölçüde kolaylaştırır.
Çok hafif, ağırlık kilometre başına birkaç gramdır, bu da geleneksel bir kablonunkinden yaklaşık dokuz kat daha azdır.
Çok iyi bir iletim kalitesi anlamına gelen elektromanyetik kaynaklı bozulmalara karşı tam güçlüdür.
Bir optik fibere giriş, resepsiyondaki ışık enerjisinin zayıflamasıyla kolayca tespit edilebilir, buna ek olarak, yüksek düzeyde gizlilik gerektiren uygulamalar için faydalıdır.
Ağırlıklı olarak rahatsız edici endüstriyel ortamlarda kullanılan bir özellik olan parazitlere duyarsızdır.
Metalik olmayan optik kabloların aynı kablolarının elektrik güç kablolarıyla bir arada bulunmasına izin verir.
Çok küçük zayıflama frekanstan bağımsızdır, bu da ara aktif elemanlar olmadan önemli mesafelerin köprülenmesini mümkün kılar.
Isıya, soğuğa ve korozyona karşı dirençlidir.
Telemetriye dayalı bir süreç sayesinde kesimlerin yerini tespit etmek kolaydır, bu da yeri hızlı bir şekilde tespit etmemizi ve daha sonra arızayı onarmamızı sağlayarak bakım işini basitleştirir.
Dezavantajları
Bu kablolar diğer iletim ortamlarına kıyasla bir dizi dezavantaj sunar, bunların en önemlileri şunlardır:
Lifler yüksek kırılganlığa sahiptir.
Daha pahalı vericiler ve alıcılar gerektirir.
Lifler arasındaki bağlantıların, özellikle sahada yapılması zordur ve kablo kopması durumunda onarımları zorlaştırır.
Ara tekrarlayıcılara güç iletemezsiniz.
Birçok durumda elektrik-optik dönüştürme işlemlerini gerçekleştirme ihtiyacı gerektirir.
Bu kablo yüksek güç iletemez.
Bu kabloların maliyeti sadece büyük bant genişliği kapasitesi ve düşük zayıflama gerektiğinde yüksek olabilir. Düşük bant genişliği için, bakır iletkenden çok daha pahalı bir çözüm olabilir.
Optik fiber kablo elektrik enerjisi iletmez, bu da alıcı terminale bir elektrik hattından güç verilmesini gerektirir ve güç ayrı iletkenler tarafından sağlanmalıdır.
Hidrojen molekülleri silikon liflerine nüfuz edebilir ve zayıflamada değişikliklere neden olabilir. Su cam yüzeyini aşındırdığı için kabloların kullanım ömrü azalabilir.
İletim kalitesi ve testlerle ilgili bazı yönlere ilişkin uluslararası düzenlemeler mevcuttur.
Nerelerde Kullanılır?
Bu kabloların kullanım alanları dijital iletişimden, sensörlerden ve Noel ağaçları, gece ışıkları ve diğer benzer elemanlar gibi dekoratif tasarımlar için kullanılabilir.
Özellikle tekli fiber uygulamaları, denizaltı ve şehirlerarası ağ bağlantısında kullanılır.
İnternet Alanı
İnternet bağlantı hizmetlerinde yüksek veri transferi ve güvenilirlik sağlayan en büyük unsurdur.
Küresel ağ ağında gezinmek için, İnternet, sadece bir bilgisayara, modeme ve bazı programlara değil, aynı zamanda büyük bir yapıya ihtiyacınız vardır.
Kullanıcı bir sayfanın yüklenmesini beklemek için birkaç dakika veya İnternet’ten bilgisayarlarına bir program indirmeye çalışmak için birkaç saat harcayabilir.
Bunun nedeni, milyonlarca kullanıcının İnternet’e bağlanmak için kullandığı çeşitli araçlardır.
Kullanıcıların çoğunluğunun 28.000 veya 33.600 bps’de bağlandığı geleneksel sisteme göre iki milyon bps hızında İnternet’te sörf yapmayı mümkün kılar.
Bilgisayar Ağları Alanı
Bilgisayar ağlarında optik kablo giderek daha fazla kullanılmaktadır, çünkü ışık sinyalleri yüksek bir frekansa sahiptir ve bir sinyalin bilgi taşıma kabiliyeti frekansla artar. Ayrıca, lazer sistemleri iletişim ağlarında kullanılır.
Uzun mesafeli iletişim için birçok optik kablolar bilgisayar ağlarında bugün faaliyet göstermektedir, kıtalararası ve transokeanik bağlantılar sunmaktadır.
Bu sistemlerin bir avantajı, bir sinyalin yoğunluğunu geri kazanmak için bir tekrarlayıcıya ihtiyaç duymadan önce gidebileceği büyük mesafedir.
Optik kablo tekrarlayıcılar, elektrik sistemlerinde yaklaşık 1.5 km ile karşılaştırıldığında birbirinden yaklaşık 100 km mesafelere sahiptirler.
Amplifikatörler bu mesafeyi daha da artırabilir ve yaygınlaşan bir başka uygulaması, yerel alan ağlarıdır.
Uzun mesafeli iletişimden farklı olarak, bu sistemler bir dizi bilgisayar veya yazıcı gibi merkezi ekipmana bağlar.
Bu sistem ekipman performansını artırır ve yeni kullanıcıların ağa kolayca katılmasını sağlar.
Yeni elektro-optik ve entegre optik bileşenlerin geliştirilmesi, bu sistemlerin kapasitesini daha da artıracaktır.
Yerel ağdaki bilgisayarlar birkaç kilometreye kadar mesafelerle ayrılır ve genellikle ofislerde veya üniversite kampüslerinde kullanılır.
LAN, bir kullanıcı grubu içinde hızlı ve verimli bilgi aktarımı sağlar ve işletme maliyetlerini azaltır. Bağlı olan diğer bilgi işlem kaynakları Geniş Alan Ağları (WAN) veya Özel PBX’lerdir.
WAN’lar LAN’lara benzer, ancak bir ülkenin farklı bölgelerinde veya farklı ülkelerde bulunan daha büyük mesafelerle ayrılmış bilgisayarları bağlar.
PBX’ler, telefon iletimleri gibi özel veri aktarımı için sürekli bilgisayar bağlantıları sağlar, ancak çoğu bilgisayar uygulaması tarafından kullanılan kısa ömürlü veri artışlarını yaymak ve almak için uygun değildir.
Telefon Ağları Alanı
Mevcut arayüzlerin standardizasyonu nedeniyle, kamusal telekomünikasyon şebekesi seviyeleri için iletim sistemleri geniş uygulamada mevcuttur, fakat abone şebekesi sistemlerinden farklıdır.
Bir telefon bağlantısı için mevcut bakır iletkenlerle tamamen yeterlidir.
Video konferans, videotelefon gibi geniş bant hizmetlerinin sunulmasıyla fiber kullanımı gerekli hale gelecektir.
BIGFON (Integrated Urban Fiber-Optic Broadband Telecommunications Network/Entegre Kentsel Fiber-Optik Geniş Bant Telekomünikasyon Ağı) ile bu konuda kapsamlı deneyimler toplanmıştır.
Geliştirilen stratejiye göre, geniş bant hizmetleri daha sonra entegre bir geniş bant telekomünikasyon ağında (IBFN) radyo ve televizyon dağıtım hizmetleri ile genişletilecektir.
Sensör Alanı
Optik lifler gerginlik, sıcaklık, basınç ve diğer parametreleri ölçmek için sensör olarak kullanılabilir.
Küçük boyut ve içinden elektrik akımı geçmemesi, elektrik sensörüne göre bazı avantajlar sağlar.
Deprem veya sonar uygulamaları için hidrofon olarak kullanılır. Optik kablolar kullanılarak 100’den fazla sensöre sahip hidrofonik sistemler geliştirilmiştir.
Hidrofonlar, petrol endüstrisi ve bazı ülkelerin donanmaları tarafından kullanılmaktadır.
Bu sensörler, yarı iletken sensörlerden daha yüksek sıcaklıklarda çalışabilir.
Bir sensör olarak bir başka kullanımı, Boeing 767 tarafından kullanılan optik jiroskop ve hidrojen mikro-sensörlerinde kullanımdır.
Aydınlatma Alanı
Bir başka kullanım alanı da herhangi bir alanı aydınlatmaktır. Bu tür aydınlatmanın son yıllarda temsil ettiği avantajlar nedeniyle, yaygın olarak kullanılmaya başlanmıştır.
Elektrik ve ısı yokluğunun olmaması sebebiyle, fiberin yalnızca ışık sinyallerini iletme yeteneğine sahip olması ve fiberi aydınlatan lambanın onunla doğrudan temas etmemesidir.
Lambayı değiştirmek zorunda kalmadan aydınlatmanın rengini değiştirebilirsiniz. Bunun nedeni, fiberin renginden bağımsız olarak herhangi bir rengin ışık demetini taşıyabilmesidir.
Bir lamba ile fiber aracılığıyla daha geniş bir aydınlatma yapabilirsiniz. Bunun nedeni, bir lamba ile birkaç fiberi aydınlatabileceğiniz ve farklı yerlere yerleştirebileceğinizdir.
Bir ışık huzmesinin görüş alanında olmayan bir hedefe yönlendirilmesi gereken tıbbi veya endüstriyel uygulamalarda dalga kılavuzu olarak kullanılabilir.
Bu kablolar stres, sıcaklık, basınç ve diğer parametreleri ölçmek için bir sensör olarak kullanılabilir.
Patch kordonlar, endoskop adı verilen uzun ve ince görüntüleme cihazları yapmak için lenslerle birlikte kullanılabilir.
Endoskoplar tıpta nesneleri küçük bir delikten görselleştirmek için kullanılır.
Endüstriyel endoskoplar, türbinlerin iç kısımlarını denetlemek gibi benzer amaçlar için kullanılır.
Optik fiberler ayrıca aydınlatma, Noel ağaçları da dahil olmak üzere dekoratif kullanımlar için kullanılmıştır.
Taksimetrenin seyahatin gerçek maliyetini işaretlememesine neden olan duyusal taksi sistemini kandırmak için de kullanılır.