Fiber Optik Kablo Nedir?

Fiber optik kablo (fiber optic cable), elektrik kablosuna benzemekle birlikte, ancak ışığı taşımak için kullanılan bir veya daha fazla optik fiber içeren bir düzenektir. Optik fiber elemanlar tipik olarak plastik katmanlarla ayrı ayrı kaplanır ve kablonun açılacağı ortama uygun koruyucu bir tüp içinde bulunur.

Fiber optik (fiber optic) kabloların ışığı ileten kısmı nüve (core) ve kılıf (cladding) olmak üzere iki kısımdan meydana gelir. Nüve, ışığın içerisinde ilerlediği ve kablonun merkezindeki kısım, çok saf camdan yapılmış olup ve aynı zamanda esnektir. Belirli sınırlar içerisinde eğilebilir. Cinsine göre, tek modlu yada çok modlu oluşuna göre çapı 8 mikrometre ile 100 mikrometre arasında değişir (bir insan saçı 100 mikro metre civarındadır).

Kılıf ise 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.

Optik bir özelliği olmayan kaplama polimer veya plastik olabilir. Bir yada birden fazla katmanı olabilir. Fiberi şoklar ve  darbelerden korur. Bazı ışınlar nüve içinde yansımayıp kayarak kılıfa kaçar. Kaplamanın indisi kılıfa göre büyük olduğu için, kılıfa kaçıp kontrolden çıkan ışınlar kaplamada emilir. Aynı zamanda kaplama, nüve ve kılıfı dışarıdan gelen sert etkilerden korur.

Fiber, ışık kaynağından gelen ışınların hepsini kabul etmez. Fiberin kabul 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 ve kırınıma uğrayarak kılıfa geçer. Kılıfa geçen ışın kaybolur.

8 açısının (ışığın nüve tabakasına girdiği açı) alabileceği maksimum sinüs değeri Numerical Aparture’dır (NA). Geometrik olarak formülsüze 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 uğramadan, 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. Modlar arası faz farkından (ayrı yollardan ilerleyen ışınların farklı zamanlarda diğer uca varması) oluşan girişimle, işaretler zaman içinde genişler.

Bu durum işaretin veri iletim hızını, bundan dolayı bant genişliğini azaltır. İstenmeyen bu duruma modsal dağılım denir. Bu durum yalnız multi mod (çok modlu) fiberlerde meydana gelen bir durumdur.

Fiberin çalışma prensibi, optik kurallarına dayanır. Bir ışın demeti az yoğun bir ortamdan daha yoğun bir ortama geçerken geliş açısına bağlı olarak yansıması (tam yansıma) veya kırılarak ortam dışına çıkması (bu istenmeyen durumdur) oluşur.

Fiber optik kablonun tipini etkileyen diğer bir etken de kablo çekilecek merkezler arasındaki mesafe ve iletim hızıdır. Fiber kablolar multi mod ve single mod olmak üzere iki farklı özellikte imal edilmektedir. Multi mod fiber (multimode fiber) kabloların avantajı aynı anda birden fazla iletişim yapmalarıdır. Dezavantajı multi mod fiberler fazla uzak mesafelerde kullanılamazlar.

Kablo çekilecek merkezlerin arası belirli bir mesafeden fazla ise singlemod kablolar kullanılmak zorundadır. Fiber optik kabloların karakteristiği; iletim hızı (kullanılan mode sayısı) ve fiberin iletim kayıpları gibi etkenlere bağlıdır. Belirli bir mesafeden kısa uzaklıklarda, multi mod kablo, uzun mesafelerde de single mod kablo kullanılmalıdır.

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 100- 970 Jlm arasında bir nüve çapı vardır. Nüve çapı 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.

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

Kaynaktan gelen ışığın gerçekten kabul edilebilmesi için, tam olarak fiberin içine yönetilmeli ve fiber içinde ilerleyebilmelidir. Pozisyon hatasından dolayı fibere giremeyen ışınların kaybını gidermek için ışık kaynağının gücü artırılabilir. Single mod fiberin (single mode fiber) kullanılması en yüksek veri hızını ve uzun mesafelerde kullanılmasını sağlar.

Single mod fiber daha güçlü kaynak ve uygun birleştirme gerektirmektedir. Bu fiberin dedektörü de daha güçlü ve tam olarak birleştirilmiş olmalıdır. Böylece singlemod fiberin maliyetinde artış olur  Multi mod fiberin iki çeşittir: Step indeks ve dereceli (graded) indeks. Step indeks fiberde kılıfın içine doğru kırılma oluşmaması için öz tabakada keskin yansımalar gerçekleştirir. Step indeks fiber düşük hızlar ve kısa mesafeler için oldukça kullanışlı ve fiyatı da ucuzluk sağlar. 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 sonucunda nüvenin kenarlarından giden ışınlar merkezden giden ışınlara kıyasla daha fazla yol almış olur. 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. Dereceli indeks fiberin dağılımı step indeks fiberlerden daha azdır. Dereceli indeks fiberler daha uzak mesafelerde ve daha yüksek yüklerde kullanışlıdır, ama bu fiber optik kablo fiyatları daha pahalı imal edilir. Dereceli indeks fiberler 50-100 m çaplarındadır.

Fiber Optik Kablonun Çalışması 

Fiberin çalışma prensibi temel olarak optik kurallarına dayanır. Bir ışın demeti az yoğun bir ortamdan daha yoğun bir ortama geçerken geliş açısına bağlı olarak yansıması (tam yansıma) veya kırılarak ortam dışına çıkması mantığına dayanır.

Kablo üç kısımdan meydana gelir:

• Nüve: Nüve, ışığın içerisinde ilerlediği ve kablonun merkezindeki kısım, çok saf camdan yapılmış olup ve aynı zamanda esnektir. Belirli sınırlar içerisinde eğilebilir. Cinsine göre, tek modlu yada çok modlu oluşuna göre çapı 8 mikrometre ile 100 mikrometre arasında değişir (bir insan saçı 100 mikro metre civarındadır).
• Kılıf: Kılıf ise 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.
• Kaplama: Optik bir özelliği olmayan kaplama polimer veya plastik olabilir. Bir yada birden fazla katmanı olabilir. Fiberi şoklar ve darbelerden korur.

Fiber Optik Kablolarda Kayıplar

Fiber optik kablolarda iletim kayıpları, fiberin en önemli özelliklerindendir. Fiberdeki kayıplar, ışık gücünde bir azalmaya sebep olur. Sistem bant genişliğini, bilgi iletim hızını, verimliliği ve sistemin genel kapasitesini azaltır.

Soğurma kayıpları: Fiber optikteki soğurma (yutma) kaybı, bakır kablolardaki güç kaybına benzer; fiberin saf olmaması sebebi ile fiberde bulunan maddeler, ışığı yutar ve ısıya çevirir. Fiber optikleri üretmede kullanılan aşırı saf cam, yaklaşık %99.9999 saftır. Genel olarak, 1 dB/km arasındaki soğurma kayıpları tipik değerlerdir.

Fiber optikteki soğurma kayıplarına yol açan 3 etken:

Morötesi soğurma, kızılaltı soğurma ve iyon rezonans soğurması.

1. Morötesi soğurma
2. Kızılaltı soğurma
3. İyon rezonans soğurması-İyon rezonans soğurmasına, malzemedeki OH iyonları sebep olur. OH-iyonlarının kaynağı, üretim boyunca camın içinde sıkışıp kalan su molekülleridir. İyon soğurmasına demir, bakır ve krom molekülleri de sebep olabilir.

• Malzeme veya rayleigh saçınım kayıpları: Üretim boyunca, cam çekilerek çok küçük çaplı uzun fiberler durumuna getirilir. Bu süreç içinde, cam plastik durumundadır (sıvı ya da katı halde değil). Bu süreç esnasında cama uygulanan germe kuvveti, soğuyan camda mikroskopla görülmeyecek kadar küçük düzensizliklerin meydana gelmesine sebep olur. Bu düzensizlikler fiberde kalıcı olarak meydana gelir. Işık ışınları, fiberde yayınım yaparken bu düzensizliklerden birine çarparsa kırınım oluşur. Kırınım, ışığın birçok yönde dağılmasına veya saçılmasına yol açar. Kırınım yapan ışığın bir kısmı fiberde yoluna devam eder, bir kısmı da koruyucu zarf üzerinden dışarı kaçar. Kaçan ışık ışınları, ışık gücünde bir kayba karşılık gelirler. Buna rayleigh saçınım kaybı adı verilir.
• Renk veya dalga boyu ayrılması: bir ortamın kırılma indisi dalga boyuna bağlıdır. Işık yayan diyodlar (LED’ler) çeşitli dalga boylarını içeren ışık yayarlar. Bileşik ışık sinyalindeki her dalga boyu farklı bir hızda ilerler. Bundan dolayı, bir LED’den aynı zamanda yayılan ve fiber optikte yayınım yapan ışık ışınları, fiberin en uç noktasına aynı anda varmazlar. Sonuç olarak, alma sinyalinde bozulma oluşur; buna kromatik bozulma denir.
• Yayılım kayıpları: Yayınım kayıplarına, fiberdeki küçük bükümler ve burulmalar sebep olur. İki tür büküm vardır: Mikro büküm ve sabit yarıçaplı büküm. Mikro büküm, çekirdek malzemesi ile koruyucu zarf malzemesinin ısıl büzülme oranları arasındaki farktan oluşur. Mikro büküm, fiberde rayleigh saçınımının oluşturabileceği bir süreksizlik meydana getirir. Sabit yarı çaplı bükümler, fiberin yapımı veya montajı sırasındaki bükülmeler sonucu oluşur.
• Model yayılma: Model yayılmanın veya darbe yayılmasının sebebi, bir fiberde farklı yollar izleyen ışık ışınlarının yayınım sürelerindeki farktır. Model yayılmanın yalnızca çok modlu fiberlerde oluşabileceği açıktır. Dereceli indeksli fiberler kullanılmak suretiyle model yayılma önemli ölçüde azaltılabilir; tek modlu kademe indeksli fiberler kullanıldığı zaman hemen hemen tümüyle ortadan kaldırılabilir. Model yayılma, bir fiberde yayınım yapmakta olan bir ışık enerjisi darbesinin yayılarak dağılmasına sebep olabilir. Eğer darbe yayılması yeterince ciddiyse, bir darbe bir sonraki darbenin tepesine düşebilir(bu, semboller arası girişime bir örnek meydana getirmektedir). Çok modlu kademe indeksli bir fiberde doğrudan fiber ekseni üzerinden yayınım yapan bir ışık ışını, fiberi bir ucundan diğer ucuna en kısa sürede kat eder. Kritik açıyla çekirdek/koruyucu zarf sınırına çarpan bir ışık ışını, en çok sayıda iç yansımaya maruz kalacak ve bundan dolayı fiberi bir ucundan diğer ucuna en uzun sürede kat edecektir.
• Bağlaşım kayıpları: Fiber kablolarda, şu üç optik eklem türünden herhangi birinde bağlaşım kayıpları oluşabilir: Işık kaynağı-fiber bağlantıları, fiber-fiber bağlantıları ve fiber fotodedektör bağlantıları.

Eklem kayıplarına genellikle şu ayar sorunlarından biri sebep olur: Yanal ayarsızlık, açısal ayarsızlık, aralık ayarsızlık ve kusursuz olmayan yüzey

• Yanal ayarsızlık: Bitişik iki fiber kablo (fiber cable) arasındaki yanal kayma veya eksen kaymasıdır. Kayıp miktarı, bir desibelin beş ila onda biri ile 30 birkaç desibel arası olabilir. Eğer fiber eksenleri, küçük fiberin çapının yüzde beşi dâhilinde ayarlanmışsa, bu kayıp ihmal edilebilir.
• Açısal ayarsızlık: Açısal ayarsızlığa bazen açısal yer değiştirmede denir. Açısal ayarsızlık ikiden az ise kayıp 0.5 desibelden az olur.
• Aralık ayarsızlığı: Aralık ayarsızlığına bazen uç ayrılması da denir. Fiber optiklerde ekler yapıldığında, fiberlerin birbiri ile temas etmesi gerekir. Fiberler birbirinden ne kadar ayrı olursa, ışık kaybı o kadar fazla olur. İki fiber birbirine bağlantı parçasıyla birleştirilmiş ise, uçlar temas etmemelidir. Bunun sebebi, iki ucun bağlantı parçasında birbiri ile sürtünmesinin fiberlerden birine veya her ikisine birden hasara yol açabilecek olmasıdır.
• Kusursuz olmayan yüzey: İki bitişik kablonun uçlarının bütün pürüzleri giderilmeli ve iki uç birbirine tam olarak uymalıdır. Fiber uçların dikey çizgiden açıklıkları üç’den az ise, kayıpları yarım desibelden az olur.

Neden Fiber Optik Kablo Kullanılır?

• Fiber optik kablolar pratik olarak sınırsız bilgiye sahiptirler.
• Fiber optik kablolar yüksek taşıma kapasitelerine sahiptirler (çok geniş bant genişliği, THz veya Tbit / s)
• Fiber optik kabloların çok düşük iletim kayıpları vardır (<0.2dB / km, cf1dB / km mikrodalga, 10db / km bükülmüş bakır çifti)
• Fiber optik kablolar ısı yaymazlar.
• Fiber optik kablolar çapraz konuşma ve elektromanyetik parazitlere karşı dirençlidirler.

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 (hydrophone) olarak kullanılırlar. (Hidrofon, su altı sesini kaydetmek veya dinlemek için su altında kullanılmak üzere 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 meydana gelmiş 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 uygun olan fiber optik kablolar, kan damarlarına , akciğerlere, vücudun birçok kısmına yerleştirmek için, ince olan esnek tellerde yapılabilme imkanı vardır. Fiber optik 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 fiber optik kablolar kullanılmaktadır.