OPTİK HABERLEŞMENİN TARİHİ VE OPTİK FİBERLİ SİSTEMLER -CEM ÇAĞRI DÖNMEZ- 030214052

Optik haberleşme, duman işaretlerinin kolların veya bayrakların sallanması ve ışığı yansıtmak için aynaların kullanılması kadar eskidir.Bir RF (radio frekansı) jenaratörünün optik eşdeğerini sağlayan laserin keşfi, haberleşme için optic dalgaların kullanılma ihtimali büyük bir ilgi uyandırmıştır. 1854’te, John Tyndall, ışığın bükülmüş bir band içindeki sudan geçirebileceğini ve dolayısıyla ışığın eğilebileceğini gösterdi. John Tyndall, F.R.S. 1820 - 1893

Alexander Graham Bell 1847 - 1922 1880’de Alexander Graham Bell, ışık demeti üzerinden bir ses sinyalini ileten ‘’Photophone’’ isimli aleti buldu. Ancak elektrik sinyalini kullanarak ses iletişimini sağlayan telefonu bulduktan sonra bu çalışmasına devam etmedi. Photophone’un temel sorunu, ışık sinyalinin havadan geçerken atmosferik olaylardan etkilenmesiydi. Örneğin, bulutlu bir havada sinyal bozulabiliyordu. Aynı yıl, William Wheeler, içi kaplanmış ışık borusunu kullanarak ışığı yönlendiren olaylar deneyler yaptı.Serbest uzay iletiminde bahsedilicektir. Alexander Graham Bell 1847 - 1922

1888’de, Viyana’da Roth ve Reuss sağlık bilimleri grubu, bükülmüş ışık borularını insan vücudunun tanınmasında kullandılar. 1895’te, Fransız mühendis Henry Saint-Rene, bükülmüş cam borularından yararlanarak görüntüleri aktarmaya yarayan bir sistem tasarımı geliştirdi. 1898 yılında Amerikalı David Simith, ameliyat lambası olarak kullanılabilen bir bükülmüş cam borunun patenti için başvurdu. 1920’lerde İngiliz John Logie Baird ve Amerikalı Clarence W.Hansell, televizyon ve faksın ilk örnekleri sayılan saydam cam borulardan oluşan ve görüntünün iletilmesine yarayan cihazları için patent aldılar. 1930’da alman tıp öğrencisi Heinrich Lamm, ilk kez vücudun görünmeyen yerlerini gözlemek amacıyla fiber optik kablolardan oluşan bir sistem kurdu. Ancak görüntüler oldukça yetersizdi ve patent alma girişimleri Hensell’in İngiliz patenti yüzünden geri çevrildi. 1905’te Einstein kuantum kuramını kullanarak fotoelektrik olayını açıkladı. Kuantum kuramını, iki temel kuramın, parçacık ve dalga kuramının birleştirilmesiydi. Bu birleştirme zorunluydu; ışık bazen parçacık bazen dalga özelliği gösterir. Işık, enejinin bir biçimidir.

1980 lerde ışık dalgaları ile haberleşme ortaya çıktı 1980 lerde ışık dalgaları ile haberleşme ortaya çıktı. Araştırmacılar, eritilerek birleştirilmiş, çok saf, erime sıcaklığı ve kırılma indeksi düşük olan silis üzerinde deneyler yapmaya başladılar. Araştırma grupları cama ekledikleri değişik malzemelerle fiber damarındaki kırılma indeksini fiber kabuğuna göre çok az miktarda arttırarak günümüzde kullanılan fiber kabloları elde etmeye başladılar. Cam konusunda uzman Robert Maurer, Donald Keck ve Peter Schultz, ilk fiber optik kabloyu veya fiber optik dalga kılavuzunu buldular. Bu kablo bakır kabloya göre 65.000 kat daha fazla bilgiyi binlerce kilometre uzağa götürebilmekteydi. ABD ve diğer sanayileşmiş milletler fiber optik kullanmaya başladılar ve o kadar çok kullandılar ki son on yıl ‘’camın on yılı’’ olarak adlandırıldı. Koaksiyel veya başka türden onlarca mil uzunluğundaki bakır kablolar, uzun mesafe haberleşmesinde modası geçmiş olarak kabul edildi. Bakır kablolar, band genişliği denilen çok fazla bilgi taşıma kapasitesine sahip olmadıkları için, fiber optik kablolar ile değiştirilmişlerdir. Bir fiber optik haberleşme sisteminde, bilgi, metalik sistemlerdeki gibi elektron hareketiyle olmaktan ziyade ışık dalgasıyla taşınır. Optiksel fiber, içinde ışığın kolayca yayılabilmesi için temiz cam veya temiz plastikten yapılan şeffaf ince bir çubuktan ibarettir. Işık sinyali vericiden çıkarak çubuğun içindeki alıcıya gider ve çubuğun içindeki bu alıcıdan kolayca algılanabilir. Şimdi bu anlattığımızı şemstik olarak görürsek eğer...

Bilginin bir noktadan diğer bir noktaya taşınması bir haberleşme sistemi içinde bilginin taşınması görevini yapan elektromanyetik dalganın üzerine bilginin bindirilmesi ve modülasyonu ile sağlanır.Modüle edilmiş taşıyıcı alıcı noktada demodüle edilerek hedefe taşınır kısaca...

Bir fiber optik haberleşme sistemi üç ana bileşene sahiptir, elektrik sinyallerini ışık sinyallerine çeviren bir verici, sinyalleri iletmek için bir optik fiber ve diğer uçtaki sinyalleri yakalayıp onları elektrik sinyallerine çeviren bir alıcı. Vericinin önemli bir parçası bir ışık kaynağıdır. Bu, ya bir iletkenden lazer diyod veya ışık yayıcı diyoddur. (LED). Bir optik fiber camdan yapılsa dahi, şaşırtıcı biçimde serttir. Aslında tel gibi bükülüp burulabilir. Bununla beraber optik fiberi uç uca eklemek zor olabilir, fiberlerin uçları mekanik ekleme veya fuzyon ile birleştirilebilir. Optik fiberler, ultra saf oldukları için çok az iletim kayıplarına sahiptirler. Her bir fiber üç kısma sahiptir. Fiberin merkezinde ışık sinyalini taşıyan nüve vardır. Nüve, ‘’kaplama’’ adı verilen yaklaşık olarak 125 pm çapındaki eş eksenli bir cam tabakası ile çevrelenmiştir. Kapsama, nüveden farklı bir kırma indisine sahip olduğu için ışığı nüvede muhafaza ederek tam iç yansıma oluşur. Kaplamanın çevresi, fiberi aşınma, baskı ve kimyasallardan koruyan poli üreten bir cekettir. Birden birkaç yüze kadar sayıdaki fiber, bir kablo oluşturmak için gruplandırılırlar.

Taşıyıcı dalgalar olarak, milimetrik dalgalar, mikrodalgalar,RF(radyo frekansı) dalgalar ve optik frekanslı dalgalar kullanılabilir. İlke olarak, bşr taşıyıcının bilgi taşıma kapasitesi frekansıyla artar. Ancak, X-ışınları ve daha kısa dalga boylu dalgalar parçacık özelliği gösterirler; Bu yüzden, frekansla artan gürültüye maruzdurlar. Bundan başka, X-ışınları madde içinde zayıflatılırlar ve uzak mesafelere gönderilemezler. Böylece faydalı frekansların üst sınırı, görünür veya belki uzun UV (mor ötesi) bölge olur. Spekturumun alçak frekanas ucunda, 1 MHz civarındaki frekanslar zaten radyo için kullanılmaktadır; 1-10 GHz civarındaki VHF (Very High Frequency) ve UHF (Ultra High Frequency) bantları microdalga haberleşme sistemleri için kullanılmaktadır. Kısa bant frekans modülasyonu (FM) ve değişik frekans çeşitleri data yayınımını toplamak için kullanılır. UHF, VHF veya yaygın spekturum radyoları ile data yayınlama işlemi 10-20 km uzunluklarda uygulanabilmektedir.bununla beraber kullanışlı bant genişliği nispeten sınırlıdır. IR(kızılaltı) bölge haberleşme için uygundur; Fakat oda sıcaklıklarında, siyah cisim ışıması 10 micro metre de pik yapar; böylece sistemin tamamı soğtulmadıkça gürültü problemi oldukca ciddi olur. O zaman, bu durumda, haberleşme için ideale yakın taşıyıcı olarak görünür ve yakın IR (~10^14-10^15 Hz) bölgesi kalır. Laser, bu frekanslarda uygun bir ışık kaynağıdır. Bir optik haberleşme sisteminin başlıca üstünlüğü, zannedildiği gibi bilginin ışık hızıyla iletilmesi değil, bant genişliğinin yani birim zamanda taşınan bilgi miktarının büyük olmasıdır.

Elektromanyetik spektrum 1887’de Alman fizikçi Heinrich Hertz, eletromanyetik dalgaları elde etmeyi ve özeliklerini incelemeyi başardı ve bunu deneysel olarak kanıtladı (Halliday ve Resnick 1970). Elektromanyetik dalgalar, frekanslarına göre, özel adlarla anılan gruplara ayrılır. Bu gruplar arasındaki frekans sınırları kesin bir biçimde belirlenmiş değildir. Şekilde de görecegimiz gibi elektromanyetik spekturum, en düşük frekanstan en yüksek frekansa (en uzun dalga boyundan en kısa dalga boyuna) doğru olmak üzere tüm elektrik ve radyo dalgalarını, mikrodalgaları, kızılötesi (ısı) ışınımı, görünür ışığı, ultraviyole (morötesi) ışınımı, X ışınları, gamma ışınlarını ve kozmik ışınları içine alır. Elektromanyetik Spekturum (Halliday ve Resnick 1970) Elektromanyetik dalganın frekansını dalgayı oluşturan kaynak belirler. Elektromanyetik ışımayı oluşturan kaynaklar çok çeşitlidir. Radyo dalgaları genellikle yapay olarak ve elektronik devreler aracılığı ile elde edilir, ama evrende doğal olarak da bulunur. Bir verici anten, bir elektirik devresi yardımıyla üzerinde elektrik yüklerinin belirli bir frekansta titreştirildiği bir aygıttır. Böylece aynı frekansta elektromanyetik dalgalar oluşur ve çevreye yayılır. Verici antenin bir benzeri olan alıcı anten, gelen dalganın frekansına ayarlanmış bir rezonans devresine bağlıdır. Böylece elektromanynetik dalga elektriksel titreşimlere dönüştürülmüş olur. Işıma yayabilen her sistem, aynı ışımayı soğurabilir (Halliday ve Resnick 1970). Verici ve soğurucunun dalga boyu özellikleri, boyutlarıyla karmaşık bir biçimde ilişkilidir. Dalga boyları uzun olan radyo ve televizyon dalgaları büyük antenlerden yayılır, dalga boyu metrenin milyonda biri mertebesindeki ışık ise atom boyutlarındaki titreşimlerin sonucudur

Gamma ışınları, atom çekirdeğinin içinde oluşan hızlanmalar sonucu ortaya çıkar. X ışınları atoma en sıkı bağlı (çekirdeğe en yakın konumdaki) elektronlardan kaynaklanır. Atomun dış kabuklarındaki elektronlar ultraviyole ışınları ve görünür ışığı oluşturur, kızıl ötesi (infrared) ışınlar ise moleküllerin titreşimlerinden kaynaklanır. Işığın frekansı, onun rengini belirler. Gözümüz, farklı frekansdaki ışığa farklı şekilde cevap verdiği için, farklı renkleri ayırt eder. Gözümüze görünen ışınların dalga boyları 7.10^-7 m (kırmızı ışık) ile 4.10^-7 m (mor ışık) arasındadır. Bu bölgede yer olan ışınlar, görünür ışık olarak adlandırılır. Beyaz ışık, güneş ışığı da dahil, görünür bölgedeki bütün frekansların karışımıdır (Atkins ve Jones 1998). Değişik frekanslardaki elektromanyetik ışıma türleri madde ile çok farklı biçimde etkileşime girer. Elektromanyetik dalgalara tümüyle saydam olan tek ortam vakumdur. Maddesel ortamlar kimi frekans bölgelerindeki dalgaları kuvvetli bir biçimde soğurur. Atmosfer görünür ışığı, kısa dalgaboylu kızılötesi ışımaları ve radyo dalgalarını hemen tümüyle geçirir, geri kalan bütün frekansları ise soğurur (çok yüksek enerjili kozmik ışın fotonları da atmosferden geçebilirler). Bu nedenle astronomi gözlemleri ancak atmosferin bu iki ‘pencere’sinden (ışık ve radyo dalgaları) yararlanılarak gerçekleştirilebilir. Ama, örneğin X ışınları ile gökyüzünün incelenebilmesi, ancak atmosfer dışına gönderilen roketlere ya da uydulara yerleştirilen detektörlerle olanaklı olmaktadır. Cam, görünür ışık için hemen tümüyle saydam olduğu halde, görünür ışığa yakın dalga boyundaki ultraviyole (morötesi) ışınlar dışındaki UV bandındaki ışınları geçirmez. Zift gibi kimi dielektrik (yalıtkan) malzemeler görünür ışığı hiç geçirmedikleri halde mikrodalga frekanslarındaki radar dalgalarına yeterince saydamdır; söz konusu malzemelerden bu frekanslarda kullanılmak üzere mercekler ve prizmalar yapılır (Halliday ve Resnick 1970).

NEDEN FİBER OPTİK

Yüzeydeki kusurlar nedeniyle sızıntı Kirlilik Hava Cam Kırık,çizik Hava

Çözüm - Optik Kaplama Hava Hava Yüksek yansıma indisli cam nüve Yüzeysel bozukluklar Hava Alçak yansıma indisli Cam kaplama Hava Işığın camdaki hızı = Işığın havadaki hızı Kırılma hızı

Birinci (koruyucu) kaplama Çözüm Koruyucu Kaplama 62.5/125 Fiber Kaplama Çapı (Örn. 125um) Nüve Çapı (Örn. 62.5um) Birinci (koruyucu) kaplama

MultiMode Fiberde Saçınım sinyalleri yollamak için LED (Ligth Emitting Diot) kullanan fiber tipi multi-mode olarak adlandırılır ve en yaygın tiptir. Lazer ışığı kullanan single-mode fiber çok yüksek veri aktarım değerlerine ulaşabilmesine rağmen pahalı ekipmanı nedeniyle yaygın değildir.

MultiMode Fiberde Saçınım

MultiMode (Çok Modlu) Fiber

SingleMode (Tek Modlu) Fiber

SingleMode Fiber 9/125 Fiber Kaplama Çapı (125um) Nüve Çapı (8.3um)

SingleMode Fiber Tek Modlu fiberde saçınım düşüktür ve bunu ışık kaynağının karakteristiği tayin eder. Tek Modlu fiberin bant genişliği tipik olarak 50GHz.km’dir. Elektronik devrelerde, pratik olarak eş zamanlı kanal kullanımı sınırlıdır. Tek modlu fiberin dezavantajı; nüve çapının küçük olması (8.3um) sebebiyle ışık yoğunluğu yüksek ve pahalı olan lazer ışık kaynağı kullanma zorunluluğu olup aynı zamanda çok daha hassas bağlantı elemanları gerektirmesidir.

Serbest Uzay İletimi: Serbest uzay ortamında güneş ışığı kullanılarak yapılan ilk optik haberleşme düzeni, 1880’de A.G.Bell’in fotofonudur. Bu düzenleme ilk 200 m’lik bir mesafeye bilgi ulaştırabilmiştir. Bu iletim şekli, dış uzayda basit muhtemelen uygun olur. Yersel haberleşme için toz parçacıkları ve yoğunluk homojensizliklerinin sebep olacağı saçılmalar hakkında endişe duyulabilir. Her şeyden önce yoğunluk atmosferde yükseklikle değişir; daha da önemlisi, solar ısınma, küçük ölçekte hızlı değişen yoğunluk dalgalanmalarına yol açabilir. Hava durumu ciddi soğuruma yol açabilir; mesela sis kolayca 40-60 dB’lik ciddi soğuruma yol açabilir. Ayrıca atmosferik gazlar tarafından da soğurum vardır. Mesela oksijen onlarca GHz frekansındaki mikrodalgaları soğurur. Sonuç olarak, serbest uzayda iletim pratik değildir. (bazı özel uygulamalar dışında)

Beni dinlediğiniz için teşekkür ederim...