Fiber Optik Kablo ve İletim Sistemleri

1. GİRİŞ

İçinde bulunduğumuz çağda pek çok yeni gelişme ve buluş gerçekleşmiştir. Bu çağın gelişimindeki en önemli etkenlerden biri, bilgi iletimindeki gelişme ve bilginin iletildiği ortamdır. Bakır kablodan fiber optik kabloya geçiş, daha çok bilginin, daha hızlı şekilde, daha uzağa iletilmesine olanak sağlamıştır. Bugün kullanılan cam fiber optik kablolar neredeyse sınırsız bant genişliği sunmakta ve diğer iletim ortamlarına göre pek çok avantaj sağlamaktadır.

Optik haberleşmenin tarihi sinyal lambalarının kullanıldığı yüzyıla kadar gider. Fiber optik, eski bir fikir olan ışıkla haberleşmenin hayata geçirilmesidir. 1790 yılında Claude Chappe, Paris – Lille arasında yaklaşık 15 dakikada mesaj ileten bir optik telgraf sistemi kurmuştu. Bu buluş Samuel Morse’un elektrikli mors’u bulması ile hemen güncelliğini yitirdi. 1880’de Alexander Graham Bell, kablo kullanmaksızın ışığın havada ses sinyalini ilettiğini gösterdi. Işık dalgası üzerindeki çalışmalar 1880’den 20. yüzyıla kadar devam etti. 1934’de AT&T’den Norman R. French bir Optik Telefon Sistemi için patent aldı. 1950’de O’Brian ve Kapany tarafından ilk kaplamalı fiber geliştirildi. 1960’da Teodore H. Maimans’ın ilk lazerin çalışması ile ilgili duyurusu pek çok ciddi çalışmanın başlamasını tetikledi. 1975’de yarı iletken lazerin ticari ürün olarak üretilmesinden kısa bir süre sonra, 1977’de “Bell Systems and General Telephone” şirketi tarafından prototip fiber optik sistem üzerinden telefon hizmeti sunulmaya başlandı. 1977 ve 1983 yıllarında sistem gelişmeye devam etti. 1986, fiber optik teknolojisinde bir dönüm noktası oldu. Kablo üretimindeki toleransların daralması, fusion splicing’deki iyileştirmeler ve yeni konnektör teknolojilerinin kullanıma alınması ile fiber optik şebekelerin güvenilirliği dramatik şekilde arttı. 1986 yılından beri de sistem performansı daha az kritik olmaya başladı ve veri yönetimi, şebekelerin bakımı ve bilgi iletim kapasitesi üzerinde çalışmalar yoğunlaştı. 1990’larda test cihazlarındaki küçülme ve otomasyon devam etti. Dalga boyu sayısı ve hızı artarken kanal aralığı azaldığı için bu tür sistemleri monitör etmek üzere yeni fiber optik test cihazları geliştirildi.

Bu yazıda fiber optik kablonun yapısı, fiber optik iletim sisteminin bileşenleri ve kısaca konnektör tipleri ile ilgili bilgi verilecektir. Fiber kabloların sonlandırılması, birbirine eklenmesi ve testleri ile ilgili konular bu yazının kapsamına alınmamıştır.

2. FİBER OPTİK NEDİR?

Fiber optik, cam ya da plastik fiber üzerinden ışık sinyali ile ses, veri ve görüntü ileten bir iletişim teknolojisidir. Optik fiber, çok saf camdan ya da plastikten yapılmış insan saçı kalınlığındaki liflerdir. Fiber optik iletim sistemlerinde hem analog hem de sayısal sinyal iletmek mümkündür.

3. FİBER OPTİK İLETİM SİSTEMLERİ

Bir fiber optik iletim sisteminin üç ana işlevi gerçekleştirir.

– Elektriksel bir sinyalin optik sinyale çevirmesi

– Optik sinyalin optik fiber üzerinden iletilmesi

– Optik sinyalin tekrar elektriksel sinyale çevirmesi

Bu işlevleri gerçekleştirmek üzere bir iletim sisteminde üç ana bileşen bulunmaktadır.

· Optik Verici

· Fiber Optik Kablo

· Optik Alıcı

Şekil 1’de basit olarak bir fiber optik iletim sistemi gösterilmiştir.

1. Optik Verici, analog ya da sayısal bir elektriksel sinyali optik sinyale çeviren ve optik sinyali bir optik fiberin içine gönderen elektro-optik bir cihazdır. Verici ; arayüz devresi, kaynak sürme devresi ve bir optik kaynaktan oluşur. Arayüz devresi, giriş sinyalini alır ve kaynak sürme devresi tarafından işlem görecek hale çevirir. Vericinin kaynak sürme devreleri akımı değiştirerek optik kaynağı modüle eder. Fiber optik vericilerde optik sinyal kaynağı olarak LED ya da lazer diyot kullanılır. Optik kaynak elektriksel enerjiyi (akımı) optik enerjiye (ışığa) çevirir.

Fiber optik vericiler sayısal ve analog olmak üzere 2 sınıftır.

Fiber optik haberleşme sistemlerinde temel olarak aşağıda verilen LED tipleri kullanılmaktadır.

SLED (Surface-Emitting LED),

ELED (Edge-Emitting LED),

SLD (Superluminescent Diode)

Düşük hızdaki (0 – 20 Mbps) fiber optik sistemlerde 850nm veya 1300nm’de çalışan LED’ler; orta hızdaki (50 – 200 Mbps) fiber optik sistemlerde 1300nm’de çalışan LED’ler; yüksek hızdaki fiber optik sistemlerde ise lazer diyotlar optik kaynak olarak kullanılmaktadır.

2. Fiber Optik Kablo ile ilgili bilgiler Bölüm 5’de verilmektedir.

3. Optik Alıcı, optik fiberden gelen optik sinyali tekrar orijinal elektriksel sinyale dönüştürür. Tipik bir fiber optik alıcı, optik bir dedektörden, düşük gürültülü bir yükselteçten ve elektriksel sinyali üreten devre elemanlarından oluşur. Optik dedektör tarafından alınan optik sinyal, yükselteç tarafından yükseltilir ve diğer devreler aracılığı ile vericiden gönderilen orijinal elektriksel sinyale çevrilir. Alıcılar optik sinyali gürültü ve sinyal bozulması olmadan yükseltmek ve işlemek zorundadır. Optik sinyal dedektörü olarak PIN tipi diyotlar ya da avalanch tipi fotodiyotlar kullanılmaktadır.

Fiber optik alıcılar sayısal ve analog olmak üzere 2 sınıftır. Kullanılan optik dedektörün tipine göre alıcıların performansı değişmektedir.

4. OPTİK FİBER

4.1. OPTİK FİBER’İN YAPISI

Optik fiber, çok saf camdan ya da plastikten yapılmış insan saçı kalınlığındaki liflerdir. Bu liflerin demet olarak bir araya gelmesiyle optik kablolar oluşur.

Bir optik fiber 3 parçadan oluşur.

Çekirdek (Core) : Işığın içinde ilerlediği saf camdan yapılmış liflerdir. 8-100 mikron çapındadır. İnsan saçı 100 mikron civarındadır.

Kaplama (Cladding): Çekirdeğin çevresini saran ve ışığı geri camın içine yansıtan camdan ya da plastikten yapılmış kaplamadır. 125 mikron çapındadır. Kaplama, çekirdeğin içinde ilerleyen ışığın saçılmasını engeller, çekirdeği kirlenmeye karşı korur ve mekanik dayanıklılık sağlar.

Koruyucu Kılıf (Coating, Buffer): Optik fiberi nemden ve fiziksel hasarlardan koruyan sert plastik kılıftır. Koruyucu kılıf, optik fiberi mikro kıvrılmaların neden olduğu saçılma kayıplarından da korur.

Işığın fiber içinde ilerlemesi Şekil-3’de gösterilmiştir. Çekirdek’e verilen ışık, çekirdek ve kaplamanın farklı kırılma indisleri nedeni ile kaplamaya çarpıp çekirdeğe geri dönmekte ve böylece ilerlemektedir. Kaplamanın kırılma indisi çekirdekten daha küçüktür.

Optik fiber boyutları genellikle önce çekirdek sonra kaplama boyutunun belirtilmesiyle ifade edilir. Birim olarak mikron ( metrenin bir milyonda biri) kullanılır. Örneğin 50/125; çekirdek çapı 50 mikron, kaplama çapı 125 mikron olan bir optik fiberi tanımlar. Şekil 4’de yaygın olarak kullanılan 4 tip optik fiberin çekirdek ve kaplama boyutla
rı gösterilmiştir.

4.2. OPTİK FİBER TİPLERİ

Optik fiberler yapıları ve iletme özellikleri açısından 2 sınıfa ayrılırlar.

1. Single-Mode Fiber

2. Multi-Mode Step Index Fiber

3. Multi-Mode Graded Index Fiber

Camdan üretilen Single-mode fiberlerin çekirdek çapı 5-10 mikron ve kaplama çapı 125 mikrondur. Çekirdek çapının çok küçük olması nedeni ile ışık tek bir eksende ilerler. Işık tek bir eksende ilerlediğinden band genişliği neredeyse sonsuz olacak şekilde artar. Ancak pratikteki limit yaklaşık 100.000 Gigahertz’dir. Band genişliği fazla olduğundan WAN (Wide Area Network) uygulamalarında, 100 km’ye varan linklerde, deniz altı kablolarında single mode fiberler kullanılmaktadır.

ŞEKİL-5 Single Mode Optik Fiber

1. Multimode step index fiberler camdan, plastikten ya da silikadan üretilebilirler. Çekirdek çapları 100-970 mikron arasındadır. İlk tasarlanan fiberdir. Zayıflama ve zaman gecikmesi diğer fiberlere göre daha fazla olup pek çok uygulama için çok yavaş kalmaktadır. Ancak fiyatı daha düşüktür ve 5 km’ye varan linkler için çok uygundur.

ŞEKİL- 6 Multimode Step Index Optik Fiber

1. Genellikle camdan üretilen Multimode graded index fiberlerde zayıflama ve zaman gecikmesi diğer 2 fiberin arasındadır. Çekirdek çapları 50, 62.5 ve 85 mikron, kaplama çapları 125 mikrondur. Band genişliği yaklaşık 2 Gigahertz’dir. Bu tip fiberler data haberleşmesinde çok yaygın olarak kullanılmaktadır. Özellikle 62.5/125 fiberler
   1980’lerde endüstri standardı haline gelmiştir.

ŞEKİL- 7 Multimode Graded Index Optik Fiber

TABLO -1 Fiber Tipleri ve Tipik Özellikleri

Fiber optikte kullanılan temel dalga boyları 850, 1300, 1310, 1500, 1550, 1800nm’dir. Multimode fiberlerde 850 ve 1300nm, singlemode fiberlerde 1310, 1550nm dalga boyunda ışık kullanılmaktadır.

Optik Fiberler üretildikleri malzemeler açısından üçe ayrılır.

1. Cam

2. Plastik

3. Plastik Kaplamalı Silika

1. Cam fiber optik kablolarda hem çekirdek hem de kaplama camdır. Bu cam çok saf, çok şeffaf silikon dioksit ya da fused kuartzdır. Camın saflık derecesi örneklenirse, deniz suyu bu tip bir fiber kadar temiz olsaydı Pasifik Okyanusunun dibindeki çukurlar görülebilirdi.

Cam fiber optik kablolar diğer optik kablolara göre en düşük zayıflamaya (attenuation) sahiptir ve fiyatları da diğerlerine göre yüksektir.

2. Plastik fiber optik kabloların çekirdeği de kaplaması da plastiktir. Oldukça kalın olan bu kabloların tipik boyutları 580/500, 735/750, 980/1000 mikron’dur. Zayıflaması en yüksek ve fiyatı en düşük olan fiber tipidir.

Plastik fiberler Japonlar tarafından otomotiv endüstrisinde kullanılmak üzere geliştirilmiştir. Ancak fiyatının düşük olması nedeni ile kısa mesafeli uygulamalarda kullanımı yaygınlaşmaktadır. Alev alma problemi nedeniyle kullanım ortamına dikkat edilmelidir.

3. Plastik Kaplamalı Silika kablolarda; çekirdek cam benzeri silika, kaplama ise plastiktir. Bu kablolar 200 mikron çekirdek, 380 mikron kaplama, 600 mikron koruyucu kılıf olarak standardize edilmiştir.

Bu kablolar gerek zayıflama özelliği, gerek fiyat olarak diğer iki kablonun arasında yer alır. Ancak bu kabloların 3 sorunu bulunmaktadır.

– Konnektörleme işlemi zordur.

– Yapıştırıcı uygulaması imkansızdır.

– Esnekliği azdır.

5. FİBER OPTİK KABLONUN AVANTAJLARI

· Hem koaksiyel hem de bakır kablolara göre daha fazla bilgiyi daha uzağa iletir.

· Çevredeki diğer sinyallerden ya da elektromanyetik alanlardan etkilenmez.

· Fiberin özü cam olduğundan korozyona uğramaz ve pek çok kimyasaldan etkilenmez.

· Fiberden yalnızca ışık taşındığından kablo kırıldığında gerek çevre için gerek onarım personeli için tehlike yaratmaz.

· Bakır ve koaksiyel kablolara göre çok daha ince ve hafiftir. Taşınması ve kurulumu kolaydır.

· Işık sinyali iletildiği için bozulma ve gürültü yoktur.

· Güç gereksinimi düşüktür.

· Hem analog hem sayısal sinyaller iletilir.

· Güvenlik gerektiren iletişim sistemleri için idealdir. Sisteme girmek çok zor, monitör etmek çok kolaydır.

· Daha ucuzdur.

· Daha esnektir.

· Elektrik taşımadığı için alev almaz.

Kezban Yılmazbilek
Elektronik Mühendisi
ASELSAN A.Ş.