Fiber Optik Kablo Nedir Yapısı

Fiber optik kablo nedir: Elektrik kablosuna benzer, cam ve plastikten yapılmıştır. Bu iki madde elektriği iletmez. Veriler elektrik sinyali yerine ışık olarak gönderilir. Bundan dolayı manyetik alanlardan, radyo dalgalarından, elektriksel alanlardan etkilenmez. Fiziksel olarak neme ve diğer etkenlere karşı dayanıklılığından dolayı binalar arası ve LAN’ lar arası kablolamada tercih edilir.

Fiber optik kablo veriyi bükümlü çift ve koaksiyel kablolardan çok daha uzağa ve çok daha hızlı biçimde taşıyabilir. Fiyat olarak diğer kablolardan daha pahalıdır ve kurulumu daha zordur. Fiber’ in en önemli özelliği elektromanyetik alanlardan hiç etkilenmemesidir. Bu optik kablolar verileri ışık olarak ileten yüksek teknoloji iletim ortamlarıdır.

Fiber Kablo Yapısı

• Işığı ileten kısmı çekirdek (core)
• Cam kılıf
• Çekirdeği koruyan kılıf (cladding)

olmak üzere iki kısımdan oluşur.

 

Çekirdek (Nüve)

Fiber optik kablo da çekirdek oldukça ince bir liften oluşur. Işığın iletim sağladığı ana parçadır. Silisyumdioksit adı verilen cam hammaddesinden oluşur. Cinsine göre, tek modlu yada çok modlu olur. Çekirdek kısım, multi mode kablolarda genel olarak 50-70 mikron arası değişiklik gösterebilir. Bu çap single mode kablolarda 9 mikrona düşer.

Cam Kılıf

Fiber optik kablo da kılıf 125 mikrometre çapında nüveyi saran ve fibere enjekte edilen ışının nüveden çıkmasını engelleyen bölümdür. Nüve gibi camdan yapılmıştır ancak indis farkı olarak yaklaşık %1 oranında daha azdır. İndis farkından dolayı ışık ışını nüveye enjekte edildikten sonra kılıfa geçemez (aşırı bir katlanma veya ezilme yoksa). Işın, kılıf nüve sınırından tekrar nüveye döner ve böyle yansımalar dizisi halinde nüve içerisinde ilerler. Ayrıca nüve ve kılıfı saran dışta kaplama (coating) denilen saydam bir tabaka daha mevcuttur.

Koruyucu Kılıf

Cam kılıf ile kaplı olan çekirdeğin dış etkilerden korunmasını sağlar. Yapısal olarak, optik frekanslar daha geniş bir bant olanağı elde edilmesini sağlar. Fiber sistemler daha büyük bir kapasiteye sahiptir. Metalik kablolarda, iletkenler arası kapasitans ve iletkenler boyunca indüktans oluşur. Bu özellikler metalik kabloların, bant genişliklerini sınırlar. Ayrıca alçak geçiren filtreler gibi hareket etmelerini sağlar.

Fiber, ışık kaynağından gelen ışınların hepsini kabul etmez. Edeceği ışın miktarı nüve çapına ve ışının geliş açısına bağlıdır. Fiber, nüve eksenine belli bir değerden (8 maxsimum) büyük açı ile gelen ışınları kabul etmez. Zira 8 max açısının üzerinde gelen ışınlar (a açısı) kritik açının altında kalır. Kırınıma uğrayarak kılıfa geçer ve ışın kaybolur.

8 açısının (ışığın nüve tabakasına girdiği açı) alabileceği maksimum sinüs değeri Numerical Aparture’dır (NA). Geometrik olarak formülüze edildiğinde görülecektir ki NA ne nüve çapına ne de saydam maddenin indis değerine bağlıdır. Yalnız nüve ve kılıfın indis farklılığına bağlıdır ve doğru orantılıdır.

İndis farkı büyüdükçe NA büyüyeceği için fiberin kabul ettiği ışın miktarı artar. NA fiber damar içinde ilerleyebilecek ışınların ışık kaynağından en çok kaç derecelik açı ile geldiğini belirleyen bir değerdir. Tek bir ışının fiber içinde izlediği yola (path) mod adı verilir.

Fibere değişik açılarla giren ışınlar farklı açılarla yansıyarak gideceği için farklı yollar izler. Diğer uca farklı sürelerde varırlar. Örnek olarak; nüve eksenine 0° açıyla gelen ışın, yansımaya uğramaz. Asal eksene paralel en kısa yolu kat ederek en kısa zamanda uca varır. Bu moda ana mod (LPOl) denir.

Eksene açıyla gelen ışınlar ise nüve içinde yansıyarak gider. Kat edilen yol ışının geliş açısı büyüdükçe yani a (yansıma) açısı küçüldükçe artar. Fibere farklı açılarda gelen ışınlar, diğer uca farklı zamanlarda varır. Veri işaretleri ( sinyaller, darbeler) bir grup ışın demeti ile bir uçtan diğerine iletilir.

Fiber Optik Kablo Çalışma Prensibi

Fiber kablonun çalışması ışığın tam yansıma prensibine dayanır. Işık fiber optik kablo içinde dengeli bir şekilde yansıyarak ilerler ve buna “mod” denir. Fiber içindeki mod sayısı fiber damarının çapına, ışığın dalga boyuna ve sayısal açıklık adındaki büyüklüğe bağlıdır.
Günümüzde kullanılan temel iki tip fiber optik kablo vardır: tek mod ve çoklu mod fiberler. Bunları dış görünümleriyle ayırmak mümkün değildir. Ancak her ikisi de iletişim ortamı olarak kullanılırlar.

Şekilde görüldüğü gibi bir bilgi, ses, veri veya görüntü ilk olarak elektriksel işaretlere dönüştürülür. Işık kaynağında bu elektriksel işaretler ışığa çevrilir. Fiberler hem sayısal hem de analog işaretleri taşıyabilirler. İşaret bir kere ışığa dönüştürüldükten sonra fiber içinde dedektöre gelinceye kadar yol alır. Dedektörde ışık yeniden elektriksel işarete dönüştürülür. Son olarak elektriksel işaretin şifresi çözülerek bilgiye (ses, veri veya görüntü) dönüştürülür.
Bilginin iletiminde fiber optik kabloların, bakır tel ve diğer iletkenlere oranla sağladığı avantajlar daha fazladır.

Fiber Optik Kabloların Karakteristiği

İletim hızı (kullanılan mode sayısı) ve fiberin iletim kayıpları gibi etkenlere bağlıdır.

Kademeli indis ve dereceli indis olmak üzere iki çeşit kırılma indisi vardır. Bir kademeli indis fiberin uç kesitine baktığımız zaman düz bir kesit görülür. Bunun anlamı da fiber nüvesinin her noktasında aynı indis değerinin olduğudur. Yani enjekte edilen ışık nüvenin her yerinde aynı dirençle karşılaşır.

Yansıma kurallarına göre nüve içerisinde yansıyarak ilerler. Aynı kesit dereceli indis fiberden alınırsa nüvenin dışa doğru tıpkı bir dış bükey mercek gibi yay çizdiği görülür. Bu demek ki nüvenin çok sayıda farklı yoğunluklarda cam tabakadan meydana geldiğidir.

Bu halde ışık nüve içerisinde kabaca bir sinüs dalgası çizerek ilerler.

Çok modlu kademeli indis fiber en basit fiber tiplerinden birisidir. Nüve çapı100- 970 Jlm arasındadır. Bu çap ne kadar fazla olursa, daha fazla mod taşınır. Modal yayılma en çok bu tip fiberde olur. Fiberler, ışının izlediği yola (mod) göre de tanımlanır. Multimod fiberlerde ışık, kaynak ile fiberin uzak ucu arasında birçok yolda ilerleyebilir. Bazı yollar diğerlerinden daha uzundur. Bundan dolayı kaynaktan gelen orijinal sinyalin şekli alıcıya gelene kadar genişleme gösterir buna yayılma adı verilir.

Bu genişleme ulaşılabilecek olan veri hızını ve bant genişliğini sınırlar. Daha ilerideki durumda ise sinyaller birbirinin üzerine binmeye başlar. Düşük veri hızlarında yayılma çok fazla önemli değildir. Çünkü düşük veri hızıyla sinyallerin daha geniş yer kaplamalarına izin verilirken üst üste binmeler gerçekleşmez.

Fiber Optik Kablo Çeşitleri

Single mod ve multi mod olmak üzere iki farklı özellikte imal edilir.

Single Mode (tek)

Fiber kablolar da uzun mesafelerde de single mod kablo kullanılmalıdır. Bilinen en yüksek kapasiteli veri transfer elemanlarından biridir. Transferi gerçekleşen ışının tümü tek bir hat üzerinden taşınır. Bu kablolar, dünyada her yıl döşenen fiber kablolar arasında en çok tercih edilen ürünlerdir.

Single mod fiber; tek bir ışının öz tabakaya geçişine izin verir. Bu da yayılma ve üst üste binme olaylarını önlemek için yeterlidir. Single mod (single mode) fiberin öz tabakasının çapı son derece küçüktür (5 Ilm civarında).

Multi Mode (çoklu)

Fiber kablolar da multi mod kablolar kısa mesafeli veri transferi için kullanılır. İnternet uygulamaları için bant genişliğinden yararlanma imkanı sunar. Lokal uygulamalarda farklı standartlar ile kullanılabilir.

Multi mode fiber kablolar;

Token Ring, Fast Ethernet, FDDI, Ethernet ve ATM gibi. Endüstriyel anlamda fiber optik ağ protokolleri ile uyumludur. Bu optik kablolar; MTRJ, LC, FC, ST ve SC gibi birçok farklı konektör kullanılarak sonlandırılır. Özel bir yapıştırıcı uygulaması ile termal olarak konnektörle ilişkilendirilir. Bu işlem kısa bir zamanda gerçekleşir ve kurulumu hemen tamamlanabilmektedir.

Multi mod fiber iki çeşittir: Step indeks ve dereceli (graded) indeks.

Step İndeks

Bu indeks fiberde kılıfın içine doğru kırılma oluşmaması için öz tabakada keskin yansımalar gerçekleştirir. Step indeks fiber düşük hızlar ve kısa mesafeler için oldukça kullanışlıdır. Ayrıca fiyatı da ucuzdur.

Dereceli İndeks

Dereceli indeks, multimod fiberin daha kompleks bir yapısı vardır. Step indeks fiberden farklı olarak, bir kademeli indeks nüve birçok ince tabakayı kapsar. Her tabakada ayrı bir kırılma-yansıma oluşur. Kırılmaların azalması ışığın hızının artışına neden olur.

Dereceleme sonucu nüve kenarlarından giden ışınlar merkezden giden ışınlara oranla daha fazla yol alır. Fakat daha uzun rotasına karşın aynı zamanda varırlar. Dereceli indeks fiber mümkün olan tüm yollar için ışınların yol alma sürelerini eşitler. Bu da uzun yollardan geçen ışının daha hızlı olması ile açıklanabilir.

Fiber optik kabloların karakteristiği; iletim hızı (kullanılan mode sayısı) ve fiberin iletim kayıpları gibi etkenlere bağlıdır.

Fiber Optik Sistemlerin Avantajları

• Fiber optik kablolar yüksek taşıma kapasitelerine sahiptirler (çok geniş bant genişliği, THz veya Tbit / s)
•  Ayrıca bu optik kablolar çok daha hafif ve verimlidir. Bu yüzden uçak, gemi ve uydu gibi araçlarda fiber kullanımı yaygın hale gelmiştir.
• Çok düşük iletim kayıpları vardır (<0.2dB / km, cf1dB / km mikrodalga, 10db / km bükülmüş bakır çifti)
• Isı yaymazlar.
• Çapraz konuşma ve elektromanyetik parazitlere karşı dirençlidirler.
• Elektriksel yalıtkan bir malzeme olduğundan parazitlenme (EMI, RFI, EMP) ve etkileşim gibi problemleri yoktur.
• Yineleyici (repeater) kullanılmadan bilgi taşıma mesafesi bakır kablolardan çok daha fazladır.
• Uzun mesafelerde bile veri kayıpları çok azdır.
• Gizlilik ve güvenlik sağlar. Fiber optik kablolardan bilgi çalmak mümkün değildir.

Dezavantajları

Başlangıç maliyeti diğer sistemlere göre daha yüksektir. Fiber sistemlerin bir başka dezavantajı ise uzun süredir kullanımda olmadığı için tam olarak kanıtlanmamış olmasıdır.

Fiber Optik Kabloların Kullanım Alanları

• Telekomünikasyon: Fiber optik kablo, bilgi alma ve bilgi gönderme amacı için kullanılır. Fiber optik kablolar telefon iletiminde kullanılır. Enerjiyi ışık atımları şeklinde iletir. Fiber optik teknolojisi, aynı anda binlerce konuşmayı gerçekleştirebilir. Bunun yanı sıra, koaksiyel kablolar ile de karşılaştırılabilir.

• Ağ: Fiber optik kablo, sunucuları ve kullanıcıları çeşitli ağ ayarlarında bağlamak için kullanılır. Veri iletiminin doğruluğunu ve hızını artırmaya da yardımcıdır.

• Savunma – Devlet Alanında: Sonar ve denizaltı, uçak ve diğer araçlarda kablolama gibi sismik kullanımlar için hidrofon olarak kullanılır. (Hidrofon, su altı sesini kaydetmek veya dinlemek için tasarlanmış bir mikrofondur. Çoğu hidrofon, ses dalgası gibi bir basınç değişikliğine maruz kaldığında elektrik potansiyeli üreten bir piezoelektrik dönüştürücüye dayanır.)

• Ticari – Sanayi Alanında: Fiber optik veya optik fiber, kendi boyunca içinden ışığın yönlendirebildiği plastik veya cam fiberlerden oluşmuş bir optik liftir. Optik lifler, sıcaklık yapmak için duyusal cihazlar gibi EMI’ (Elektromanyetik girişim) nin bir problem olduğu yerlerde kablolama, endüstriyel alanlarda, otomobillerde kablolama ve basınç gibi alanlarda görüntüleme için kullanılır. Ayrıca yayın / CATV Kablo şirketleri HDTV, CATV, isteğe bağlı video, internet gibi birçok uygulamayı kablolamak içinde fiber optik kablolar kullanır.

• Tıp Alanında: Tıp alanında kulanım için uygundur. Fiber optik kablolar, kan damarlarına, akciğerlere, vücudun birçok kısmına yerleştirmek için, ince olan esnek tellerde yapılabilme imkanı vardır. Bu kablolar, doktorların herhangi bir ameliyat yapmadan vücudun içindeki organları incelemelerine imkan veren farklı cihazlarda kullanılır.

• Veri Depolama: Fiber kablolar veri depolama, iletim, görüntüleme, ışıklandırma gibi çeşitli değişkenleri izlemek ve ölçmek amacı ile sensörler olarak da kullanılır. Bütün bu uygulamaların geliştirilmesi, araştırılması ve test edilmesinde kullanılmaktadır.