Fiber Optik Haberleşme Sistemlerine Giriş Prof.Dr. Ahmet ALTUNCU altuncu@dpu.edu.tr Dumlupınar Üniversitesi Elektrik-Elektronik Mühendisliği Fotonik Araştırma Laboratuarı web: mf.dpu.edu.tr/~fotonik mf.dpu.edu.tr/~altuncu/fiber

Kaynak Kitaplar : Keiser’den Optical Fiber Communications, G. Keiser, McGraw-Hill, 3.Baskı, 2001 Optical Fiber Communications, G. Keiser, McGraw-Hill, 4.Baskı, 2008 FTTX Concepts and Applications, G.Keiser, Wiley/IEEE, 2006 Optical Communications Essentials, McGraw-Hill, 2003

Elektromanyetik Dalga Spektrumu

Fiber Optik Haberleşmenin Temelleri

Optik Fiberin Yapısı

Optik İletişimin Tarihçesi-1 .... Kızılderililer tarafından kullanılması 1880 A.Graham BELL tarafından Photophone ile 200 m.lik haberleşme sağlanması 1887 Charls Vernen Boys ilk ince cam fiberi (kaplamasız) gerçekleştirdi. 1950 Direkt görüntü iletiminde cam fiber kullanılması 1958 LASER'in bulunması 1959 LASER'in başarıyla çalıştırılması 1962 Yarı iletken LASER'lerin geliştirilmesi 1962 Yarı iletken fotodiyotların geliştirilmesi 1963 Dereceli indisli fiber düşüncesinin ortaya atılması 1966 Cam fiber kullanma düşüncesinin ortaya atılması 1966 Fiberde örtü tabakası düşüncesinin ortaya atılması 1970 Silikadan fiber üretilmesi (20 dB/km. 850 nm. penceresinde) 1971 Kullanışlı LD ve LED'lerin bulunması 1972 Dereceli İndisli fiber üretilmesi (4 dB/km. 850 nm.) 1973 Optik kabloların askeri haberleşmede kullanılması 1973 Optik tekrarlayıcıların geliştirilmesi 1973 CVD yöntemiyle fiber üretimi 1973 Fiber üretiminde OVD yönteminin açıklanması 1974 Fiber üretiminde MCVD yönteminin (Cam tüpün içine silikon yerleştirilmesi) açıklanması. (2.4 dB/ km.) 1975 1310 nm. Optik penceresinin bulunması 1976 1310 nm. Işık dalga boyunda GaInAsP Laser Diyot'un üretimi 1976 Ark (Füzyon) yöntemiyle fiber kaynağının gerçekleştirilmesi

Optik İletişimin Tarihçesi-2 Optik (Işıksal) İletimin Tarihçesi(2) Optik İletişimin Tarihçesi-2 1976 45 Mbit/s'lik çoğullama sisteminin denenmesi Fiber üretiminde VAD yöteminin açıklanması 1978 Çok Modlu fiber kablo ilk tesisinin başlanması 1979 Fiber zayıflamasının (4 dB/km'den 1550 nm.) 0.2 dB/km.'ye indirilmesi 1980 GaInAsP 1550 nm. dalgaboyunda çalışan Laser Diyot'un üretimi 1980 1310 nm.lik ilk ticari sistemin tesis edilmesi 1981 Dereceli Indisli fiber kabloların kullanılması 1981 100 Mb/s hızda tekrarlayıcı aralığının 10 km.ye çıkması 1983 Tek Modlu fiber kablo üretiminin (VAD yöntemiyle) başlaması ; 1983 400 Mb/s hızla 25 km.lik tekrarlayıcı aralığının sağlanması 1984 Optik fiber sistemlerinin abone göz devrelerine (SONET) uygulanması 1984 Derin sulara gömülecek denizaltı fiber kablo için UV reçinesinin geliştirilmesi 1985 100 damarlı Dereceli Indisli Fiber kullanılması

Optik İletişimin Tarihçesi-3 1987 1550 nm.lik dispersiyon kaydırılmış fiber (DSF) kullanılması VAD yöntemiyle 100 - 500 km.lik (tek parça) fiber üretilmesi 1.6 Gb/s çoğullama sistemiyle (23040 kanal) tekrarlayıcı arasında 40 km.ye erişilmesi 1989 1550 nm dalgaboyunda 400 Mb/s.lik hızla çoğullama ve tekrarlayıcı aralığının 120 km.ye çıkması 1990 400 km.lik tekrarlayıcısız fiber optik linkinin tesis 1991 2.5 Gb/s.lik çoğullama ile 30720 kanala erişme (STM-16) 1995 2.5 Gb/s.lik hızla 100 km iletim mesafesi 1996 10 Gb/s.lik hızla 80 km iletim mesafesi (STM-64) 1997 40 Gb/s.lik hızla 300 km iletim mesafesi (STM-256)

Fiber Optik İletişimin Avantajları-1 a- Yüksek Hızda İletim : Bant genişliği x Uzaklık Çarpanı ; -Eşeksenli (Koaksiyel) kablolarda 0.2 GHz x Km. Dereceli Indisli (GI) fiberlerde 1 GHz x Km. Tek Modlu (SM) fiberlerde 100 GHz x Km. (tek kanal için) b- Uzun Amplifikatör (Tekrarlayıcı ) Aralığı : 40-45 km ( 1310 nm için ) 100 km ( 1550 nm için ) 1 MHz'lik işaret için gücün yarıya düştüğü uzaklık : Bakır iletkende 250 m Eşeksenli iletkende 1000 m Tek Modlu fiberde 10000 m

Fiber Optik İletişimin Avantajları-2 c- Kanal Başına Maliyetin Düşük Olması : Eşit kapasiteli bakır iletkene göre; 140 Mb/s.lik çoğullama sisteminde en az 50,565 Mb/s.de en az 200 kat daha ucuz d- Bilgi Çalınmasının Güçlüğü : Optik fiberden bilgi çalabilmek için kabloyu kesip ayırıcı/kuplör eklemek gerekir.Kablonun kesilmesiyle birlikte sinyal iletimi kesileceği için bağlantının kesilmesi anlık olarak tespit edilir. e- Elektromanyetik Bağışıklık : Metalik iletkenli (koaksiyel veya mikrodalga dalgaklavuzu vb.) iletim sistemlerinde elektromanyetik indüklenme ile iletilen sinyalde distorsiyon oluşurken fiber optik iletimde sinyal, klavuzlanmış ortamda ışıkla taşındığı için distorsiyona uğramaz. Bu nedenle enerji iletim hatları üzerine fiber optik haberleşme ağı kurulabilir. f- Krostalk (Diyafoni) Olmaması : Optik iletimde sinyaller fiber dışına taşmadığı için sinyallerarası girişim meydana gelmez.

Fiber Optik İletişimin Avantajları-3 g- Elektriksel izolasyon : Optik fiberler elektriksel bakımdan yalıtkan maddelerden (cam ve plastik türleri) yapılmış olduğundan tam bir elektriksel izolasyon sağlar. h- Değişik Çevre Koşullarına Uyum Sağlaması : Yüksek ısıya dayanıklı fiberler (+500 C'ye kadar) değişik çevre şartlarında kullanılabilir. Elektrik akımı taşımadığı için ark yapma tehlikesi yoktur. Bu nedenle patlayıcı maddelerin bulunduğu ortamlarda güvenli bir biçimde kullanılmaktadır. ı- Tesis Kolaylığı : Optik fiber kablolar küçük çaplı ve hafif oluşları nedeniyle tesisleri kolaydır. 12 damarlı fiber kablonun çapı 17 mm bakır iletken (0.6 mm2 ) 3 kg/km. fiber damar 30-50 gr/km. Makara boylarının uzun ( 2 veya 4 km ) olması ek sayısını azaltır. Fiber kablo damar sayıları : 4, 6, 12, 24, 36, 48, 60, 96, 144, 192 Japonya'da 100, 200, 600, 1000 damarlı fiber optik kablo üretilmektedir. Dezavantajlar : a- Ek yapma zorluğu ve maliyeti b- Dağıtım şebekesinde düşük hızlı abone hatlarında (FTTH-Fiber to the Home) kullanılması şu an için ekonomik değil. Alternatifi : ADSL

Analog/Sayısal Dönüştürme

Sayısal İletişim

Ses, video ve veri servisleri için tipik veri hızları

Kuzey Amerika, Avrupa ve Japonya’da kullanılan sayısal çoğullama düzeyleri

Sayısal İletişimde PDH ile Yüksek Mertebeden Çoğullama (Kuzey Amerika ve Japonya PDH sistemi) 1

Yaygın olarak kullanılan SONET/SDH Hızları

Bir Fiber Optik Haberleşme Sisteminin Başlıca Elemanları 3

Fiberde Zayıflamanın Tarihsel Gelişimi 5

Optik İletişim Bandları

Fiber Optik Elemanların Çalışma Dalgaboyu Aralıkları 2

Optik ağların farklı segmentleri (various segments of optical networks)

Fiber optik kablo tesisleri 4

Denizaltı Fiber Optik Haberleşme Linkleri

Pasif Optik Ağlar (PON,GPON,EPON) Headend electrical repeater Remote Node Fiber Coaxial Cable Passive Optical Network (PON) passive optical splitter

Optik Ağlar (Lightwave Networks)

Denizaltı Fiber Optik Haberleşme Sistemleri AT&T

Denizaltı Fiber Optik Haberleşme Sistemleri FLAG: Fiberoptic Link Around the Globe (10Gb/s SDH-based, 27,000km, service in 1997) Tyco (AT&T) Submarine Systems Inc., & KDD Submarine Cable Systems Inc. 2 fiber pairs, each transporting 32 STM-1s (5-Gb/s)

Denizaltı Fiber Optik Haberleşme Sistemleri Africa ONE: Africa Optical Network (Trunk: 40Gb/s, WDM-SDH-based, 40,000km trunk, service in 1999) Tyco (AT&T) Submarine Systems Inc. & Alcatel Submarine Networks 54 landing points 8 wavelengths, each carries 2.5 Gb/s 2 fiber pairs

SEA-ME-WE-3

Çoğullama (Multiplexing) Yöntemleri Çoğullama (Multiplexing) : Aynı optik fiber üzerinden farklı kaynaklardan üretilen bilgilerin eş zamanlı olarak iletilmesini sağlar. Zaman Bölmeli Çoğullama, Time Division Multiplexing (TDM) A2 A1 A C B B2 B1 C2 C1 l time Sadece tek bir dalgaboyu gereklidir (tek bir lazer) Kanalın veri hızı R bit/s ise, N kanal için, sistem veri hızı (R  N) bit/s dir.

Çoğullama (Multiplexing) Yöntemleri Alt taşıyıcılı çoğullama, Subcarrier Multiplexing (SCM) l A C B freq fA fB fC fA fB fC Çoklu taşıyıcı frekansları (subcarrier) elektriksel yolla birleştirilir. Yalnızca bir dalgaboyu gereklidir. (tek bir lazer) (optik taşıyıcı) Fiber üzerinden video sinyallerini taşımak için uygundur.

Çoğullama (Multiplexing) Yöntemleri Dalgaboyu Bölmeli Çoğullama, Wavelength Division Multiplexing (WDM) A C B wavelength lA lB lC wavelength multiplexer lA lB lC Dalgaboyu aralığı : 0.8 nm (100-GHz) Bilgi kaynağı başına bir spesifik dalgaboyu gerekir( her lazer için) Farklı dalgaboylarını birleştirmek/ayırmak için dalgaboyu multiplexer/demultiplexer gereklidir. Kanalın dalgaboyu başına veri hızı R bit/s ise, N dalgaboyu için, sistem veri hızı (R  N) bit/s dir. Yüksek kapasiteli veri iletişimi için uygundur.

Çoğullama (Multiplexing) Yöntemleri Hibrit Yöntemler (TDM/WDM, SCM/WDM)  daha yüksek kapasite A C B wavelength lA lB lC wavelength multiplexer TDM stream TDM/WDM A C B wavelength lA lB lC wavelength multiplexer f1 f2 f3 SCM/WDM lA lA lB lB lC lC

Optical multiplexing (WDM) 6

İletim Kapasitesi 132 Ch 1 Ch TDM

SİMÜLASYON Erbiyum Katkılı Fiber Amplifikatörlerinin Modellenmesi ve Bilgisayar Simülasyonu

SİMÜLASYON Optik Fiberde Lineer ve Nonlineer Darbe Yayınımının Modellenmesi ve Simülasyonu : EDFA, Raman FA

SİMÜLASYON Dispersiyon Kompanzasyon Teknikleri : DCF