Optik fiber

Fiberoptik ya da optik fiber, kendi boyunca içinden ışığın yönlendirebildiği plastik veya cam fiberlerden oluşmuş bir optik liftir. Optik fiberler diğer iletişim malzemelerine oranla uzun mesafelerdeki veri iletişiminin daha hızlı ve yüksek değerlerde yapılabilmesine olanak verdikleri için fiberoptik haberleşme sistemlerinde çok sıklıkla kullanılmaktadırlar. Metal kablolar yerine fiber kabloların kullanılmasının nedeni, daha az kayba neden olmaları ve elektromanyetik etkileşimden etkilenmemeleridir. Optik fiberler aynı zamanda birçok sensör (alıcı) ve benzeri uygulamaların yapımında oldukça sık olarak kullanılmaktadırlar.

Işık, iç yansımalar aracılığıyla Optik fiberin merkezinde tutulmaktadır. Bu sayede fiber bir dalga kılavuzu gibi hareket etmektedir. Çoklu yayınma hatlarını ya da çapraz modları destekleyen fiberlere çok modlu fiberler (İngilizce, multimode fibers- MMF) denilir. Sadece tek bir modu destekleyen fiberlere ise tek modlu fiberler (İngilizce, singlemode fibers - SMF) denilmektedir. Çok modlu fiberler genellikle geniş çaplı bir merkeze sahiptir ve daha çok gücün iletilmesinin gerekli olduğu kısa mesafeli iletişim hatlarında kullanılırlar. Tek modlu fiberler ise 200 metrenin üzerindeki iletişim hatlarında kullanılmaktadırlar.

Fiberoptik kabloları birbirine eklemek elektrik tellerini ya da kablolarını eklemekten çok daha karmaşık bir işlemdir. Fiberlerin birleştirilecek uçları dikkatlice ayrılmalı ve mekanik olarak ya da elektrik arkı ile eritilerek birleştirilmelidir. Ayrıca daha sonra ayrılabilecek şekilde tasarlanmış özel konnektörler de mevcuttur.

Telekom ve lokal ağ alt yapılarında kullanılan tek modlu ve çok modlu fiberleri eklemenin en sağlam ve en az ışık kayıplı yolu füzyon ek tekniğidir. Bunun için fiber optik ek aletine (bir diğer deyişle füzyon ek aletine) ihtiyaç vardır. Günümüzde kullanımı oldukça kolaylaşmış ve fiyatları düşmüş olan bu cihazlar fiberleri otomatik olarak hizalar ve 2200 dereceye varan sıcaklıklarda kaynak yapar.

Birçok yeni nesil ek cihazı ek noktasındaki kayıp değerlerini otomatik olarak belirtir, fakat en güvenilir kayıp değerleri için OTDR test cihazı kullanmak gerekmektedir.

İçi (core bölgesi) vakum olan fiberler University of Southamptondaki araştırmacılar tarafından geliştirilmiştir ve bu fiberler teoride en yüksek bant genişliğine sahiptirler. Bu fiberlerde giden bir sinyal ışık hızına %99.7 ulaşmaktadır, fakat pratik uygulamada bu fiberleri kayıpsız bir şekilde ek yapmak şu an için neredeyse imkânsız gözükmektedir.^[1]

Işığın haberleşmede kullanılması çok eskiye dayanmaktadır. İlk çağlarda itibaren kullanılmaya başlanmıştır. Kızılderililerin dumanla haberleşmesi bir optik haberleşme yöntemidir.

İlk adı ışık kablo olarak 1842'de kullanılmıştır. Bunun nedeni ışığın yansımalar yaparak bir kablo içerisinden akmasıdır.Bu popüler tanım 1884 yılında Colladonun hazırladığı bir makalede geçmektedir.18.yy sonlarına gelindiğinde Avrupa'da, semafor denilen işaret kollarından yararlanılan, optik telgraf sistemleri kullanılmaya başlanmıştır.

Modern anlamıyla ışığın iletiminden yararlanarak haberleşme sağlama çalışmaları eskiye dayanmaktadır. Graham Bell, gün ışığını taşıyıcı sinyal olarak kullanıp telefon sinyallerini yaklaşık 200 metrelik bir uzklığa göndermeyi başardı. Ancak bu buluş teknolojik yetersizlik ve hava koşullarının olumsuz etkisinden dolayı yaygınlaşamadı. Tarih 1870 gösterdiğinde İngiliz fizikçi John Tyndall, akarsularda tam yansımadan yararlanılarak ışık iletiminin yapılabileceğini göstermiştir.

1910 yılında ilk uygulama iç yüzeyi metal kaplamalı ve yüksek yansımalı Hallow tüpünün kullanılmasıdır. Hallow lambasının elektromanyetik dalgaları geniş alanda kontrol yeteneği vardır. Bu cihaz, sinyal kayıplarının yüksek ve özellikle yön değiştirme eğilimlerinin olması yüzünden uygulamaya konulmamıştır. 1930'lu yıllarda cam fiber flaman üstünde denemeler yapıldı. Bu cam fiber demeti 1950'li yıllarda delikli kart okuyucularının ışık kanalı olarak kullanıldı. Tüm bu denemeler ancak 1960 yılında lazerin başarılı şekilde denenmesiyle mümkün olmuştur.^[2]

Fiber optik iletişiminin iki temel ünitesi olan ışık vericisi ve ışık alıcısı geliştirildi. 1960 yılında ışık kaynağı olarak çubuk şeklindeki bir amberin çıkardığı lazer ışımı tasarlandı. İlk defa 1961 yılında ışık vericisi olarak gaz lazer kullanıldı.

Fiberler günlük hayatta plastikten de üretilebilir. Plastik kaplamalı fiberler ve silika özlü fiberler buna örnek olabilir. Fiber özü basitçe katı bir kaplama sağlamak için yüksek sıcaklıkta ısıtarak polimer banyosu içinden çekilir. Çok düşük enerjinin taşındığı, büyük öz yarıçaplı basamak indisli fiber üretimini bu işlem kolaylıkla ayarlar. Fazla maliyeti olmayan uygulamalarda bu tarz fiberler orta mesafe, orta bant genişliği iletişim sistemlerinde kullanılabilir. Fiberler plastikten de yapılabilir. Plastikten yapılan bu fiberler çok yüksek kayıplardan etkilenmektedir. Bunun sebebi büyükçe bir Rayleigh katkısıdır.

Camdan daha esnek bir yapıya sahip olan plastikler bu özelliklerinden dolayı daha büyük yarıçaplı plastik fiber üretimine katkı sağlamaktadır.^[3]

Telekomünikasyon alanında kullanılan fiberoptik kablolar veri taşıma altyapılarında kullanılan bir veri kablosu çeşididir.

Dönüştürücü yardımıyla ses sinyali ışık sinyaline dönüştürülür, dönüştürülen bu ışık sinyali cam esaslı fiberoptik kablolarla taşınır ve başka bir dönüştürücü yardımıyla ışık sinyali tekrar ses sinyaline dönüştürülür. Fiberoptik kablolar iki katmandan oluşur. Birincisi öz bölümü ikincisi kabuk bölümüdür. Işık öz bölümünde ilerler. İki katman arasındaki fark kırılma indisleridir. Öz bölümün kırılma indisi kabuk bölümünden büyük olduğundan ışık bu bölümde hareket eder. Işığın öz bölümünde hareket etmesinin sebebi ışığın kırılma indisi büyük ortamda ilerlemek istemesidir. Bu durumu Snell yasası ile açıklamak mümkündür.

${\displaystyle {\frac {sin\alpha }{sin\beta }}={\frac {n_{2}}{n_{1}}}}$

${\displaystyle Sin\alpha _{c}={\frac {n_{2}}{n_{1}}}}$

${\displaystyle \alpha _{c}}$: Kritik açı

Bu kullanma ihtiyacı teknik ve ekonomik sebeplerden kaynaklanmıştır.

• Bakırdan daha ucuz maliyette üretilmiş olmaları
• Nükleer patlamalardan etkilenmeyecek olması
• Gittikçe artan kanal ihtiyacına cevap verebilecek düzeyde olması
• Geniş bantlı ve yüksek hızlı iletime cevap verecek düzeyde olması

Lazerin bulunmasıyla başlayan optik sistem çalışmaları, kısa sürede haberleşme uygulanacak düzeye gelmiştir.^[2]

• Yüksek hızda olması
• Uzun repetör aralıklarına imkân vermesi
• Kanal başına düşen maliyetinin düşük olması
• Elektro-manyetik parazitlerden etkilenmemesi
• Çevre şartlarından etkilenmez
• Kablo döşeme kolaylığına rağmen ek bakım ve temizlik ister

^[2]

• Optik haberleşme sistemleri, sağladıkları avantajlar nedeniyle kısa sürede geniş kullanım alanı bulmuştur.
• Kapalı devre TV sistemlerinde
• Data iletiminde
• Elektronik cihazların aralarındaki irtibatlanmasında
• Yüksek gerilim hatlarında
• Askeri bağlantılarda
• Trafik kontrollerinde
• İnternet bağlantılarında
• Vücut organlarının görüntülenmesinde (Endoskopi,Kolonoskopi vb.)

^[2]

1. Geniş bir band genişliği ve taşıma kapasitesi sağlar.
2. Fiberler çeşitli çap ölçülerine sahiptir ve birimi mikron'dur.
3. Çok hafiftir.
4. Taşıma mesafesi çok fazladır.
5. Uzun mesafelerde kayıpları çok azdır.
6. Gizlilik ve güvenlik sağlar.Fiber kablolardan bilgi çalmak mümkün değildir.^[4]

1. Maliyetinin yüksek olması.
2. Detaylı işçilik gerektirmesi.
3. Yüksek çıkış gücünün olmaması.^[5]

Fiberoptik kablolar, elektriği iletmek için kullanılabilir.^[6] Fiber optik kablolar geleneksel bakır teller kadar verimli olmasa da^[], metalik iletkenlerin kullanılmaması gereken durumlarda kullanılmaktadır.^[7]

Preform, fiberoptiği çizmemize yarayan bir cam parçasıdır. Preform, çekirdeği sağlamak ve lifleri kaplamak için farklı kırıcı indislerine sahip çeşitli cam parçalarından oluşur. Preformun şekli daireseldir bununla beraber bazı uygulamalar için çift kaplı lifler tercih edilebilir. Yüzey gerilmesinden dolayı,çizim esnasında preformun yüzeyi tıraşlanabilir ve bu nedenle cam fibere son şeklini veremeyebilir. Bu nedenle camı cilalamak önemlidir. Preform yüzeyindeki herhangi bir hata fiber optiğin mekanik özelliklerini etkileyecektir.

• Plastik çekirdekli ve plastik koruyucu zarflı
• Cam çekirdekli ve plastik koruyucu zarflı (İngilizce, Plastic Clad Silica - PCS)
• Cam çekirdekli, cam koruyucu zarflı (İngilizce, Silicon Carbide Fibers - SCS)

Cam çekirdekli fiberler, güç kaybı yönünden diğerlerine göre daha iyidirler. İkisi de cam çekirdekli olan PCS ve SCS fiberlerin arasında PCS fiberler diğerine oranla bu konuda daha iyidir.

• Çok modlu (İngilizce, multimode fibers- MMF)
• Tek modlu (İngilizce, singlemode fibers - SMF)

İndis, bir ışık ışınının madde içerisindeki ilerlemesine karşı gösterilen direnci belirten bir katsayıdır.

• Dereceli İndis Fiber
• Kademeli İndis Fiber

Wikimedia Commons'ta Optical fibers ile ilgili çoklu ortam belgeleri bulunur