#13 Snell yasası, kritik açı, toplam iç yansıma, çekirdek-kılıf yapısı, optik kaynaklar, çalışma pencereleri, tek ve çok modlu fiber

Aşağıda defterde yazılan bütün satırlar ve bunlara eşlik eden sesli anlatımın tam metni bulunur.

1. 1. Snell yasasından kritik açı ve çekirdek–kılıf kılavuzlama koşulunu kur

   

   Fiber kılavuzlamanın temel ray-optik modeli toplam iç yansımadır; gerçek fiber aynı zamanda dalga modu, zayıflama, dispersiyon ve bükülme sınırları taşır.

   Bunu anlamak için Snell Yasası ile başlıyoruz.

   Işık bir ortamdan diğerine geçerken, her iki ortamın kırılma indekslerine göre yön değiştirir.

   Snell Yasası şöyle ifade edilir: n1 çarpı sinüs teta 1 eşittir n2 çarpı sinüs teta 2; burada n1 ve n2 kırılma indeksleri, teta 1 ve teta 2 ise normale göre ölçülen açılardır.

   Kritik açı adında özel bir açı vardır.

   n₁ > n₂ iken ve normale göre gelme açısı kritik açıyı aşınca ideal sınırda yayılan kırılmış ışın kalmaz; enerji toplam iç yansımayla geri döner.

   Karşı ortamda yayılan güç yoktur; fakat sınırda evanesan alan bulunabilir ve gerçek fiber kayıpsız değildir.

   Bu toplam iç yansımadır; fiberde çekirdek–kılıf indis farkı ve sayısal açıklık kılavuzlanan modları belirler.

   Kritik açı şöyle verilir: teta c eşittir ark sinüs, n2 bölü n1.

   Şimdi adım adım bir örnek hesaplayalım.

   Veriler: n1 eşittir 1.50 olan camdan, n2 eşittir 1.00 olan havaya geçen ışık.

   Adım 1: Formülü uygula.

   Teta c eşittir ark sinüs, 1.00 bölü 1.50.

   Adım 2: Oranı hesapla.

   1.00 bölü 1.50 eşittir 0.667.

   Adım 3: Ark sinüsü al.

   Ark sinüs 0.667 eşittir 41.8 derece.

   Bu, cam hava sınırına normalden 41.8 dereceden büyük açıyla gelen herhangi bir ışığın tamamen cama geri yansıtılacağı anlamına gelir.

   Sesli anlatım metni

   Fiber optik haberleşme, fizikteki temel bir prensibe dayanır: tam iç yansıma. Bunu anlamak için Snell Yasası ile başlıyoruz. Işık bir ortamdan diğerine geçerken, her iki ortamın kırılma indekslerine göre yön değiştirir. Snell Yasası şöyle ifade edilir: n1 çarpı sinüs teta 1 eşittir n2 çarpı sinüs teta 2; burada n1 ve n2 kırılma indeksleri, teta 1 ve teta 2 ise normale göre ölçülen açılardır. Kritik açı adında özel bir açı vardır. Işık yoğun bir ortamdan daha az yoğun bir ortama geçerken, gelme açısı kritik açıyı aşarsa, ışık tamamen geri yansıtılır. Hiç ışık geçmez. Bu tam iç yansımadır ve fiber optik böyle çalışır. Kritik açı şöyle verilir: teta c eşittir ark sinüs, n2 bölü n1. Şimdi adım adım bir örnek hesaplayalım. Veriler: n1 eşittir 1.50 olan camdan, n2 eşittir 1.00 olan havaya geçen ışık. Adım 1: Formülü uygula. Teta c eşittir ark sinüs, 1.00 bölü 1.50. Adım 2: Oranı hesapla. 1.00 bölü 1.50 eşittir 0.667. Adım 3: Ark sinüsü al. Ark sinüs 0.667 eşittir 41.8 derece. Bu, cam hava sınırına normalden 41.8 dereceden büyük açıyla gelen herhangi bir ışığın tamamen cama geri yansıtılacağı anlamına gelir.

2. 2. Fiber yapısını; LED/VCSEL/lazer kaynaklarını ve 850/1310/1550 nm pencerelerini ayır

   

   Optik fiber üç eş merkezli katmandan oluşur.

   İletişim fiberinde çekirdek çoğunlukla kırılma indisi katkılamayla ayarlanmış silikadır; kılavuzlanan optik mod çekirdek ve yakın kılıf alanına dağılır.

   Çekirdeği çevreleyen kılıf da camdır, ancak çekirdekten biraz daha düşük kırılma indeksine sahiptir.

   nçekirdek > nkılıf koşulu kılavuzlamayı sağlar; fakat soğurma, saçılma, bükülme, ek ve konnektör kayıpları boyunca güç azalır.

   Dış ceket mekanik koruma sağlar.

   Işık kaynakları iki türde gelir.

   LED düşük maliyetli geniş spektrumlu bir kaynak olabilir; modern yüksek hızlı çok modlu Ethernet'te 850 nm VCSEL kullanımı da yaygındır.

   LED gücü ve spektral genişliği aygıta, sıcaklığa ve çalışma noktasına bağlıdır; 36–40 nm evrensel bir sınır değildir.

   LED'ler bazı kısa erişimli çok modlu sistemlerde kullanılır; yüksek hızlı çok modlu bağlantılar çoğunlukla VCSEL tabanlıdır.

   Lazer diyotlar yüksek bağlaşım verimi ve dar çizgi genişliği sağlayabilir; güç, ışın ve çizgi genişliği aygıt tipine bağlıdır, 1 nm evrensel sınır değildir.

   Lazerler tek modlu uzun erişim ve WDM sistemlerinde yaygındır; kanal başına veri hızı 10 Gbit/s ile sınırlı değildir ve optik arayüze göre seçilir.

   850 nm çok modlu kısa erişimde yaygındır; G.652 tek modlu fiber 1310 nm civarında sıfır kromatik dispersiyona yakındır, 1550 nm bölgesi ise düşük kayıp ve optik yükseltme için kullanılır; her kaynak her pencerede çalışmaz.

   Alıcıda, yarı iletken fotodiyot ışığı tekrar elektrik sinyallerine dönüştürür.

   Sesli anlatım metni

   Optik fiber üç eş merkezli katmandan oluşur. İç çekirdek, ultra saf cam, yani silisyum dioksitten yapılmıştır ve ışık sinyali burada yol alır. Çekirdeği çevreleyen kılıf da camdır, ancak çekirdekten biraz daha düşük kırılma indeksine sahiptir. Çekirdeğin n1'i kılıfın n2'sinden büyük olduğu için, tam iç yansıma ışığı çekirdeğin içinde tutarak vericiden alıcıya kadar taşır. Dış ceket mekanik koruma sağlar. Işık kaynakları iki türde gelir. LED'ler, yani Işık Yayan Diyotlar, yaygın ve ucuzdur. 36 ile 40 nanometre gibi geniş spektral genişlikle düşük güçlü ışık üretirler. LED'ler kısa mesafe, düşük hızlı uygulamalar için çok modlu fiberde kullanılır. Lazer diyotlar daha pahalıdır ancak yüksek güçlü, dar odaklanmış, 1 nanometreden az spektral genişlikte ışık üretir. Lazerler uzun mesafe, yüksek hızlı bağlantılar için tek modlu fiberde kullanılır; dalga boyu başına saniyede 10 gigabit'lik DWDM sistemleri dahil. Her iki tür de üç standart dalga boyu penceresinde çalışır: 850 nanometre, dispersiyon için en uygun olan 1310 nanometre ve en düşük zayıflamaya sahip 1550 nanometre. Alıcıda, yarı iletken fotodiyot ışığı tekrar elektrik sinyallerine dönüştürür.

3. 3. Tek ve çok modlu fiberde ölçü, dispersiyon, hız ve erişim iddialarını standartla sınırla

   

   Fiberler, ışığın nasıl yayıldığına göre iki ana türe ayrılır.

   G.652 tek modlu fiberde 1310 nm mod alan çapı tipik olarak yaklaşık 8,6–9,5 µm aralığındadır ve kılıf 125 µm'dir; mod alan çapı geometrik çekirdek çapıyla aynı değildir.

   Kesim koşulu altında yalnız temel uzaysal mod yayılır; bunu geometrik olarak tek düz ışın diye yorumlamak doğru değildir.

   Tek modlu fiber modlar arası dispersiyonu kaldırır; kromatik dispersiyon, polarizasyon mod dispersiyonu ve kayıp yine hız–mesafe tasarımını sınırlar.

   Tek modlu bağlantılar 1310 veya 1550 nm bölgelerinde çalışabilir; erişim, verici/alıcı, veri hızı, yükseltme, dispersiyon ve güç bütçesine bağlıdır, 50–100 km evrensel değildir.

   Telekom omurgası ve denizaltı kabloları için standarttır.

   Çok modlu fiber çok daha büyük bir çekirdeğe sahiptir: 125 mikron kılıf üzerinde 50 veya 62.5 mikron çekirdek yaygın boyutlardır.

   Büyük çekirdek ışığın birden fazla yolda, yani modda ilerlemesine izin verir.

   Bu, farklı modların farklı zamanlarda ulaştığı modal dispersiyona neden olur ve hem bant genişliğini hem mesafeyi sınırlar.

   Çok modlu erişim OM sınıfı ve Ethernet optiğine bağlıdır: G.651.1 1 Gbit/s için 550 m örneği verir; modern OM4 arayüzleri 100G/400G sınıfında 100 m örnekleri destekler.

   Çok modlu fiberin iki alt türü vardır.

   Adım indeksli fiberde çekirdek ve kılıf arasında ani bir kırılma indeksi değişimi vardır ve daha fazla dispersiyona neden olur.

   Kademeli indeksli fiber, çekirdek boyunca kırılma indeksini kademeli olarak değiştirir.

   Dereceli indis profilinde dış bölgelerde daha düşük indis daha yüksek faz hızına izin verir ve diferansiyel mod gecikmesini azaltır; modlar tam olarak aynı anda varmak zorunda değildir.

   Kademeli indeks modal dispersiyonu önemli ölçüde azaltır.

   Sesli anlatım metni

   Fiberler, ışığın nasıl yayıldığına göre iki ana türe ayrılır. Tek modlu fiber yalnızca 9 mikron çapında çok küçük bir çekirdeğe sahiptir; kılıf çapı 125 mikrondur. Çekirdek çok küçük olduğu için ışık tek bir düz yolda ilerler. Bu, modal dispersiyon adı verilen sorunu ortadan kaldırır ve çok uzun mesafelerde çok yüksek bant genişliği sağlar. Tek modlu fiber lazer diyotlarla 1310 veya 1550 nanometrede çalışır ve tekrarlayıcılar arasında 50 ile 100 kilometre aralığa ulaşabilir. Telekom omurgası ve denizaltı kabloları için standarttır. Çok modlu fiber çok daha büyük bir çekirdeğe sahiptir: 125 mikron kılıf üzerinde 50 veya 62.5 mikron çekirdek yaygın boyutlardır. Büyük çekirdek ışığın birden fazla yolda, yani modda ilerlemesine izin verir. Bu, farklı modların farklı zamanlarda ulaştığı modal dispersiyona neden olur ve hem bant genişliğini hem mesafeyi sınırlar. Çok modlu fiber 100 metreden kısa mesafelerde saniyede 200 megabit'e kadar destekler; bu onu binalar içindeki LAN uygulamaları için uygun kılar. Çok modlu fiberin iki alt türü vardır. Adım indeksli fiberde çekirdek ve kılıf arasında ani bir kırılma indeksi değişimi vardır ve daha fazla dispersiyona neden olur. Kademeli indeksli fiber, çekirdek boyunca kırılma indeksini kademeli olarak değiştirir. Dış katmanlardaki ışık daha hızlı ilerleyerek daha uzun yolu telafi eder; böylece tüm modlar yaklaşık aynı zamanda ulaşır. Kademeli indeks modal dispersiyonu önemli ölçüde azaltır.

4. 4. Fiber seçimini kılavuzlama, dispersiyon, güç bütçesi ve arayüz kapılarıyla toparla

   

   Özetleyelim.

   Snell Yasası ışığın malzeme sınırlarında nasıl kırıldığını yönetir.

   Açı kritik açıyı aştığında tam iç yansıma gerçekleşir; bu fiber optiğin arkasındaki prensiptir.

   Optik fiber, daha yüksek kırılma indeksli cam çekirdek ve daha düşük kırılma indeksli cam kılıftan oluşur; ışığı çekirdeğin içinde tutar.

   LED bazı kısa çok modlu sistemlerde kullanılır; modern yüksek hızlı çok modlu Ethernet'te VCSEL yaygındır.

   Lazer diyotlar tek modlu uzun erişimde ve yüksek hızlı çok modlu VCSEL arayüzlerinde kullanılabilir; eşleşme arayüz standardına bağlıdır.

   Yaygın pencereler 850, 1310 ve 1550 nm'dir; minimumlar fiber türüne bağlıdır ve G.652 için 1310 nm sıfır dispersiyona, 1550 nm düşük kayba yakındır.

   Tek modlu G.652: yaklaşık 9 µm mod alanı / 125 µm kılıf, temel mod; erişim ve bant genişliği sistem bütçesiyle belirlenir.

   Çok modlu: 50/125 µm güncel dereceli indis ailesi; 62,5/125 µm çoğunlukla eski OM1; erişim OM sınıfı ve optik arayüze bağlıdır.

   Kademeli indeks, adım indeksine kıyasla modal dispersiyonu azaltır.

   Bir sonraki derste fiber türlerini daha detaylı işleyeceğiz; Serbest Uzay Optiği ve tüm iletim ortamlarının tam karşılaştırmasıyla birlikte.

   Sesli anlatım metni

   Özetleyelim. Snell Yasası ışığın malzeme sınırlarında nasıl kırıldığını yönetir. Açı kritik açıyı aştığında tam iç yansıma gerçekleşir; bu fiber optiğin arkasındaki prensiptir. Optik fiber, daha yüksek kırılma indeksli cam çekirdek ve daha düşük kırılma indeksli cam kılıftan oluşur; ışığı çekirdeğin içinde tutar. LED'ler kısa, düşük hızlı bağlantılar için çok modlu fiberle kullanılır. Lazer diyotlar uzun mesafe, yüksek hızlı bağlantılar için tek modlu fiberle kullanılır. Üç dalga boyu penceresi: 850 nanometre, minimum dispersiyon için 1310 nanometre ve minimum zayıflama için 1550 nanometre. Tek modlu: 9 bölü 125 mikron çekirdek, tek yol, uzun mesafe, yüksek bant genişliği. Çok modlu: 50 veya 62.5 bölü 125 mikron çekirdek, çoklu yol, LAN mesafeleri. Kademeli indeks, adım indeksine kıyasla modal dispersiyonu azaltır. Bir sonraki derste fiber türlerini daha detaylı işleyeceğiz; Serbest Uzay Optiği ve tüm iletim ortamlarının tam karşılaştırmasıyla birlikte.

Kaynak video: Haberleşme Temelleri #13 — Fiber Optik Temelleri (6:17)