Fiber Optik Kablolar Nasıl Çalışır?

Dünyanın neresinde olursanız olun göz açıp kapayıncaya kadar posta veya herhangi bir bilginin size nasıl ulaştığını düşündünüz mü? Bu iletişim karaya ve okyanusa döşenen kablo ağı sayesinde mümkün oluyor. Kablolar dünyadaki verilerin çoğunu taşırlar ve en çok veri taşıyanı ise fiber optik kablolardır. Ayrıca hızın önemli olduğu tıbbi cihazlarda da kullanılırlar.

Fiber Optik Kabloların Çalışması

Devrim niteliğindeki fiber optik kabloların nasıl çalıştığını düşündünüz mü? Fiber optik kablolar binlerce fiber telden oluşur. Tek fiber tel insan saçı kadar incedir (Şekil 1A). Fiberler, bilgileri Şekil:1B’de gösterildiği gibi ışık biçiminde taşır. Tek bir fiber, aynı anda yaklaşık 25.000 çağrı taşıyabilir. Fiber optiklerin çalışma prensibini anlamak için ışığın bazı temel davranışlarına bir göz atalım.Şekil: 1A
Fiber optik kablonun enine kesit görünümüŞekil: 1B Fiber optik kablo, bilgileri ışık şeklinde iletir.

Işığın bir ortamdan geçerken hızı değişir ve hızdaki bu değişim kırılma indisi ile ifade edilir (Şekil:2). Kırılma indisi aşağıdaki gibi tanımlanır.

Kırılma indisi(n) =Işığın boşluktaki hız /Işığın ortamdaki hızıŞekil: 2 Bir ortamdan geçerken ışığın hızı değişir.

Işığın hızındaki bu değişiklik, kırılmaya yol açar. Aşağıdaki gibi prizma üzerine düşen ışık dik bir açı ile gelse de çıkışta kırılmaya uğrar. Buda ışığın, bir kırılma indisine sahip olduğunu ve ortam değiştirirken kırılmaya uğradığını gösterir. Işık, kırılma indeksi yüksek bir ortamdan düşük bir ortama geçtiğinde ara yüze doğru bükülür, bu Şekil:3A’da gösterilmektedir. Kırılma, kalemin bir bardak suda bükülmüş görünmesinin nedenidir (Şek:3B). Bu basit kırma tekniği, optik fiberlerde etkin bir şekilde kullanılmaktadır.

n _Hava < n _CamŞekil: 3A Işık bir kırılma indisinden başka bir kırılma indisine geçtiğinde kırılma meydana gelirŞekil:3 B Kalemin bir bardak suda bükülmüş görünmesinin nedeni kırılmadır.

Toplam İç Yansıma ​​Fiziği

Kırılma indisini arttırdıkça, ışık yüzeye doğru daha fazla bükülür. Bir aşamadan sonra ışığın camın yüzeyinden geçeceğini göreceksiniz. (Şekil 4B). Kırılma indisini daha da arttırırsak, ışık aniden saf bir yansıma durumu olarak ilk ortama geri dönecektir. Buna; Toplam İç Yansıma ​​denir.

Kırılma indisini artırmak yerine olay açısını arttırırsak ışık da bükülür. Bu durumda kritik açı denilen belirli bir açıdan sonra ışık ilk ortama geri dönecektir (Şekil 4C).Şekil: 4A Gelme açısı kritik açıdan küçük olduğunda, tüm ışık kırılırŞekil: 4B Gelme açısı kritik açıya eşit olduğunda, kırılma açısı 90°’dir.Şekil: 4C Gelme açısı kritik açıdan büyük olduğunda, tüm ışık yansımaya uğrar.

Fiber optik kablolar ışığı iletmek için toplam iç yansımayı kullanır. Aşağıda görüldüğü gibi basit fiber kablo içerisinde yüksek kırılma indisine sahip cam kullanılır. Şekildeki gibi bir noktadan diğer noktaya ışığı iletmek için ışık kritik açıdan daha büyük açıyla gönderilir. Bu duruda ise ışık topla yansıma gerçekleşir ve ışık bir noktadan başka noktaya ulaşır. Şekil: 5A Optik fiberin çekirdeğinde, ışık toplam iç yansıma ilkesi kullanılarak iletilir.Şekil: 5B Toplam iç yansıma, fiber optik büküldüğünde bile ışığın her zaman sınırlı kalmasına neden olur.

Yüksek kırılma indisi ve düşük kılma indisini birbirinden ayırmak için fiber kablolar koruyucu bir kaplamaya ihtiyaç duyar.Şekil: 6 Çekirdeği fiziksel ortamdan korumak için fiber optik dış katman kullanılır.

Bu durumdan kurtulmak için, çekirdek camın üzerine düşük indisli bir kaplama yapılır. Hem çekirdek hem de kaplamada, temel malzeme olarak Silika kullanır, kırılma indisindeki fark, farklı türde katkı maddeleri eklenerek elde edilebilir. Çünkü camda bulunan kirlilik ışığı emer.

n _Kaplama < n _ÇekirdekŞekil: 7A Çekirdek, fiber optik kablonun merkezidir, kaplama çekirdeği çevreler.Şekil: 7B Çekirdek ve kaplama, temel malzeme olarak silika kullanır.

Fiber optik amplifikatör

Fiber optik kablolar, 100 km’den fazla sinyal taşıyamazlar. Yüksek mesafelerde kablolarda kayıplar meydana gelir. BU zayıflamanın ana nedenleri ise soğurma ve saçılma, olarak değinilebilir. Bu yüzden belli bir mesafeden sonra amplifikatörleri görürsünüz. Sinyal gücünü arttırırlar ve sinyalin uzun bir mesafe üzerinden iletilmesine izin verirler. Amplifikatör için gerekli olan güç yakındaki kaynaklardan alınır(Şekil:8).Şekil: 8 Optik amplifikatör, sinyal gücünü artırır.

Optik fiber iletişimde nasıl yer alır?

Optik fiber, telefon görüşmesi veya internet sinyali gibi bilgileri nasıl iletir? Bilgiler 1 ve 0’lar şeklinde oluşur. Cep telefonunuzdan ‘MERHABA’ göndermek istediğimizde bu kelime 1’ler ve 0’lar dizisine dönüştürülecek ve cep telefonunuz bu 1’leri ve 0’ları elektromanyetik dalgalar şeklinde iletecektir. 1 yüksek frekans olarak ve 0 düşük frekans dalgası olarak iletilir.

Denizin altında fiber optik kablo

Bilgiyi taşıyan ışık darbeleri, hedefe ulaşmak için karmaşık bir kablo ağın kullanmak zorundadır. Bu amaçla tüm dünya fiber optik kablolarla kaplanmıştır. Bu kablolar yerin ve okyanusun altına döşenir. Yeraltı kablolarının bakımı esas olarak mobil servis sağlayıcı tarafından yapılmaktadır. AT&T, Orange ve Verizon, okyanus altı fiber optik kabloların sahibi ve bakımını yapan birkaç küresel firmalardır. Denizaltı kabloları, sudan zarar gören ve deniz hayvanlarından korumak için özel olarak tasarlanmıştır. 2018 itibariyle, dünya çapında hizmet veren 1,2 milyon kilometreden fazla denizaltı kablosu var.

Denizaltı kablosunun detaylı yapısı
Denizaltı kablosunun ayrıntılı bir kesit görünümü Şekil 10A’da gösterilmektedir. Denizaltı kabloları, su altında dayanacak şekilde özel olarak tasarlanmıştır. Elyaf demeti, çelik tellerle sarılmış küçük plastik bir tüpe yerleştirilir. Bu çelik teller mukavemet için zırh görevi üstlenir. Daha sonra bu tam yapı bir bakır boruya yerleştirilir. Burada bakır boru, amplifikatörlere güç verilebilmesi için kablo boyunca elektrik gücü sağlar. Bu bakır boru, üzerine voltaj uygulandığı için yalıtkana ihtiyaç duyar, bu nedenle plastik boru ile kaplanmıştır. Bundan sonra, lifleri balıkçılık ve demirleme gibi insan faaliyetlerinden korumak için bir veya iki kat daha fazla galvanizli çelik kullanılır. Ve son olarak suya dayanıklı hale getirmek için polietilen kılıf kullanılır. Şekil: 10A Denizaltı kablosunun ayrıntılı bir kesit.
,Şekil: 10B Fiber optik kablo yoksa, internet erişimi mümkün değil.