Fiber optik iletişim

Fiber optik iletişim, ya da bilinen adıyla ışıklifi, optik lif boyunca ışık sinyalleri göndererek bilginin bir yerden başka bir yere iletilmesi metodudur. Işık, bilgi taşımak için yönlendirilmiş elektromanyetik taşıyıcı dalga görevi görür. İlk olarak 1970 yılında geliştirilen ışıklifli iletişim sistemleri; telekomünikasyon endüstrisinde devrim yaratmış, bilgi çağının gelişinde önemli bir rol oynamıştır. Elektriksel iletimden avantajlı olması nedeniyle ışıklifleri gelişmiş ülkelerdeki çekirdek ağlarda bakır tellerin iletişimdeki yerini aldı.

An optical fiber junction box. The yellow cables are single mode fibers; the orange and blue cables are multi-mode fibers: 62.5/125 µm OM1 and 50/125 µm OM3 fibers respectively.

Işıklifi iletişim işlemi, üç temel aşamayı içerir:

1. Verici kullanımını kapsayan optik sinyal üretimi ve lif boyunca bu sinyalin yayınının yapılması,
2. Sinyalin çok zayıf ve bozulmuş olmamasından emin olunması,
3. Optik sinyalin alınması ve elektrik sinyaline dönüştürülmesi.

Uygulamaları

Işıklifi telefon sinyallerini iletmek, İnternet iletişimini sağlamak ve kablo televizyon sinyallerini iletmek gibi amaçlarla birçok şirket tarafından kullanılır. Çok daha az etki zayıflaması ve engele maruz kalması nedeniyle ışıklifleri yüksek talepli ve uzun mesafeli uygulamalarda bakır kablolara göre daha avantajlıdır. Buna karşın şehirlerdeki altyapı geliştirmesi zor ve zaman alıcıdır. Işıklifi sistemlerin kompleks olması nedeniyle bu sistemlerin kurulması ve işletilmesi pahalıdır. Bu zorluklar nedeniyle ışıklifi iletişim sistemleri öncelikli olarak yüksek maliyetini dengeleyen ve tam iletim kapasitesiyle çalışabileceği uzun mesafeli uygulamalarda kurulmuştur. 2000’den beri ışıklifi iletişim fiyatları oldukça düşmüştür. Herhangi bir konuta lif açma fiyatı bakır içerikli ağ açmaya göre daha uygundur. Amerika Birleşik Devletleri ve Hollanda gibi kazı masraflarının düşük ve konaklama yoğunluğunun yüksek olduğu ülkelerde fiyatlar abone başı 850$’a kadar düşmüştür.

Işıklifleri, optik yükseltici sistemlerin piyasalarda yer almaya başladığı 1990 yılından beri telekomünikasyon endüstrisinde şehirlerarası ağlara ve okyanus aşırı iletişim hatlarına serildi. 2002’den itibaren, 2,56 Tbit/s kapasiteli 250,000 km’lik kıtalararası denizaltı ışıklifi iletişim kablosu tamamlandı, özel ağ kapasiteleri öncelikli bilgi olmasına rağmen telekomünikasyon yatırım raporları 2004’ten beri ağ kapasitesinin çarpıcı bir biçimde arttığını gösterir.

Tarihi

1880 yılında Alexander Graham Bell ve yardımcısı Charles Sumner Tainter Washington’daki Volta Laboratuvarında ışıklifi iletişimin erken müjdecisi olan fotofonu yarattı. Bell bunun en önemli icadı olduğu düşüncesindeydi. Cihaz, ışık huzmesi üzerinde sesin iletimine olanak tanıdı. 3 Haziran 1880’de Bell, dünyanın ilk kablosuz telefon iletiminin 213 m. aralıklı iki bina arasında test etti. Atmosferik iletim ortamında kullanılması nedeniyle fotofon, lazer ve ışıklifi teknolojilerinin ışığın güvenli iletimine imkân sağlayacak kadar kullanışlı olduğunu kanıtlayamadı. Fotofon ilk olarak onlarca yıl sonra askeri haberleşme sistemlerinde elverişli olarak kullanılabildi.

1966 yılında Charles K. Kao ve George Hockham, Harlow’daki STC Laboratuvarı’nda ışıkliflerini deneyerek mevcut camdaki 1000 dB/km’lik kayıpların imkân dâhilinde yok edilebilen kirletici maddelerden kaynaklandığını gösterdiler.

Işıklifleri 1970 yılında iletişim amaçlarına yetecek kadar düşük etki zayıflamalı olarak başarılı bir şekilde Corning Glass Works tarafından geliştirildiler ve aynı zamanda kompakt GaAs yarı iletken lazerler üretildi. Böylece ışığın uzun mesafeler boyunca ışıklifi kablolar üzerinden iletimi sağlandı.

1975 yılından itibaren başlayan bir dizi araştırma sonrasında 0,8 µm dalga boyu civarında işletilen ve GaSa yarı iletken lazer kullanan ilk ticari ışıklifi iletişim cihazı geliştirildi. İlk nesil sistem 10 km’ye kadar aralıklı yineleyicilerle 45 Mbit/s değerinde işletildi. 22 Nisan 1977’de, General Telephone and Electronics 6 Mbit/s hızında ilk canlı telefon görüşmesini ışıklifi ile Long Beach, California boyunca gönderdi.

Dünyadaki ilk yaygın ışıklifi ağ sistemin Rediffusion tarafından İngiltere’de 1978 yılında kurulduğu öngörülüyor. Kablolar şehir boyunca kanallara yerleştirildi ve 1000’den fazla aboneye ulaştırıldı. Yerel yayın alma problemleri nedeniyle o zamanlarda televizyon kanallarının yayın iletimi için kullanıldılar. Şu anda ise sistem hâlen durmakta fakat kullanılmamaktadır.

1,3 µm ile işletilip InGaAsP yarı iletken laser kullanan ikinci nesil ışıklifi iletişim, 1980 yılında ticari amaçla kullanılmak üzere ilk kez geliştirildi. İlk sistemler başlangıçta çok modlu dağılımı nedeniyle sınırlandı. 1981’de tek modlu lif sistem, iletişim performansını geliştirmek üzere ortaya çıkarıldı fakat tek modlu lif ile çalışan kullanışlı birleştiricilerin geliştirilmesinin zor olduğun kanıtlandı. 1987’den itibaren bu sistemler 50 km yineleyici mesafeleriyle 1.7 Gbit/s hızında işletildiler.

Işıklifi kullanan okyanus ötesi ilk telefon kablosu TAT-8’di ve Desurvire lazer yükseltme teknolojisini esas alarak tasarlanmıştı.İlk kez 1988 yılında kullanılmaya başlandı.

Üçüncü nesil ışıklifi sistemler 1,55 µm ve 0,2 dB/km kayıpla işletildiler. Bu gelişme Indium galyum arsenit geliştirilmesinden ve Indium galyum arsenit fotodiyodunun Pearsall tarafından ilerletilmesinden sonra mümkün hâle gelebildi. Mühendisler klasik InGaAsP yarı iletken lazer kullanarak o dalga boyundaki yayılım ile önceki problemlerin üstesinden geldiler. Bilim adamları bu zorluğu 1,55 µm’de minimum dağılmaya sahip olacak şekilde tasarlanan ve parçalı dağılım lifleri kullanarak veya lazer spektrumunu bir tek uzunlamasına moda sınırlayarak aştılar. Bu gelişmeler üçüncü nesil sistemlerin yineleyici aralıklarının 100 km üzerine çıktığı ağlarda 2.5 Gbit/s hızında işletilmesine olanak tanıdı.

Dördüncü nesil ışıklifi iletişim sistemi yineleyici ihtiyacını azaltmak için optik yükselticileri, veri kapasitesini artırmak için ise dalgaboyu bölmeli çoklama yöntemi(wavelength-division multiplexing) kullanıldı. Bu gelişmeler 1992’de başladığından bu yana 2001’de 10 Tbit/s'a ulaşılmasıyla her 6 ayda bir sistem kapasitesini iki katına çıkardı. 2006 yılında optik yükselticiler kullanılarak 160 km’lik tek hat üzerinde 14 Tbit/s veri hızına ulaşıldı.

Beşinci nesil ışıklifi komünikasyonun gelişimi için, WDM sisteminin işleyebileceği dalga boyu aralığının genişletilmesine odaklanıldı. C bandı olarak da bilinen klasik dalga boyu penceresi 1.53-1.57 µm aralığını kaplıyor ve kuru lif bu aralığı 1.30-1.65 µm ile aşarak düşük kayba izin veriyor. Diğer gelişmeler optik çözümler konseptini içeriyor. Özel şekiller kullanarak doğrusal olmayan etki ile dağılma etkisini yok edip şekli koruyan sinyal gönderiyor.

90’ların sonundan 2000’lere doğru sanayi ilerleticileri ve KMI, RHK gibi bazı araştırma şirketleri, iletişim bant genişliği talebindeki büyük artışın İnternetin kullanılmasının artmasına ve çeşitli bant genişliklerinin video talebi gibi yoğun müşteri servislerince ticarileşmesine bağladılar. İnternet protokol veri trafiği üstel biçimde, Moore Yasası kapsamında entegre edilmiş devre kompleksliğinin arttığı orandan daha hızlı artıyordu. Nokta com balonunun iflas ettiği 2006 yılı boyunca sanayide yeni trend, firmaları sağlamlaştırma ve maliyeti azaltmak için üretimin yabancı ülkede yapılmasıydı. Verizon ve AT&T gibi şirketler yüksek işlem hacimli veriyi ve geniş bantlı hizmetleri müşteri evlerine iletmek için ışıklifi iletişimin avantajını kullandılar.

Teknoloji

Modern ışıklifi iletişim sistemleri genellikle elektrik sinyalini optik sinyale çevirip optik life göndermek için bir optik ileticiyi, yeraltı devrelerine ve binalara yönlendirilmiş çoklu ışıklifi yığınından oluşmuş bir kabloyu, birçok çeşit yükselticiyi ve sinyali elektrik sinyali olarak toplayan bir optik alıcıyı içerir. İletilen bilgi genellikle bilgisayarlar, telefon sistemleri ve kablolu televizyon şirketleri tarafından üretilen dijital bilgilerdir.

Optik fiber tipleri

Optik fiberlerin özel kullanılan özel fiberler dışında temel olarak 3 kategoriye ayrılır. Bunlar Multimode (Çok modlu), Singlemode (Tek Modlu), Plastik fiberlerdir.

Multimode ve Singlemode Fiberler

Multimode fiberler (çok modlu) genel olarak data iletişimde kullanılırlar. Bu tür fiberlerin yüksek hızlarda iletişim mesafeleri kısadır. İletişim hızı arttıkça multimode fiberlerin her zaman iletişim sağlayabildikleri mesafe kısalacaktır. Mulimode fiberler kendi aralarında birçok tipe ayrılırlar en genel kullanılan tipleri 62.5/125μm ve 50/125μm olanlardır. Bu tipler çok sık olarak birçok uygulamada tercih edilirler ancak 100/140μm gibi bazı özel uygulamalarda kullanılan multimode fiberlerde mevcuttur. Ancak bu tür özel fiberler çok özel uygulamalarda kullanır. Ben çok teknik detaya girmemek için sadece çok sık kullanılan ürünler üzerinde durmak istiyorum. Mulimode fiberler aktif cihazlarında LED (veya türevleri) ışık kaynakları ve sensörler kullanılır. Bu yüzden aktif cihazları singlemode ile karşılaştırıldığında daha ucuzdur. Ancak kablosu singlemode kablodan daha pahalıdır. Yani aktif cihazları daha ucuz + fiber optik kablo daha pahalıdır. Bu da sistemin genelinde ucuz bir sistem olmasını sağlar. Genişleme imkanı fazla olmayan ve limitli hız ihtiyacı olan hemen hemen her yerde bu yüzden multimode fiber optik tercih edilir. Singlemode fiberler neredeyse limitiz mesafelere limitsiz hızlarda iletişim sağlayabilirler. Ancak bu sistemlerde aktif cihazlar üzerinde kullanılan  kaynaklar Laser (ve/veya türevleri) oldukları için fiyatları multimode fibelere bakarak daha pahalıdır. Ayırca singlemode fiber’de bir tek fiber kıl üzerinden CWDM, DWDM gibi farklı iletişim teknolojileri kullanılarak bir kıl üzerinden çok daha fazla iletişim sağlamak mümkündür. Bu tür çok gelişmiş iletişim imkanlarından dolayı singlemode fiberler uzak mesafe iletişiminde telekom firmalarınca çok sıklıkla tercih edilirler. Singlemode fiberlerin tek avantajı uzak mesafe gidebilmeleri değildir aynı zamanda limitsiz band genişliği taşıyabilirler örneğin şu anda 100G sistemler singlemode üzerinde çalışmaktadır. Yani singlemode fibeler yüksek hız ihtiyacında ise mesafeye bakmaksızın tercih edilirler.

Multimode Fiber Tipleri

Multimode fiberlerin birçok tipi olmasına karşın sıklıkla 62.5/125μm ve 50/125μm olarak temel iki tipe ayrılır. Multimode fiberlerde genel olarak ISO standartları kullanılır. Multimode fiberler 850 nm ve 1300 nm dalga boylarında çalışır. Ancak üzerinden geçirelecek band genişliğine göre ihtiyaç duyulan frekans değerleri değişir. Bu frekans değerleri multimode bir fiberin ne kadar veriyi taşıyabileceğini anlatır. Dalga boyuna bağımlı olan kayıbı ise o veriyi ne kadar uzağa taşıyabileceği ile ilgilidir. Ancak işin içine frekans girince tabiki frekansı yükselterek aynı benzer mesafelerde aynı veriyi iletebilir. Bu yüzden multimode kablolarda frekans kriteri önemlidir. ISO standartlarında bu frekans kritelerine göre multimode fiberler ayrıştırılmıştır. Buna göre 62.5/125μm fiberler genel OM1’dir ve 200/500 MHz.km ‘de çalışırlar. Bu şu anlama gelmektedir. 100Mbps ile 2 km gidilebilir. 1Gbps ile en fazla 220m kadar gidilebilir. OM2 olan 62.5/125μm fibeler vardır ama çok nadiren görülürler. 50/125μm fiberler ise OM2,OM3,OM4 olarak mevcutturlar. OM2 genel olarak 500/500 MHz.km olsa dahi şu anda 500/900 MHz.km olan tipleride mevcuttur. OM2 fiber ile 1Gbps hızında 550m kadar iletişim sağlanabilir. OM3 ise 850 nm dalga boyuda laser özel olarak 50μm fibere gore optimize edilerek 2000 MHz.km (EMB) sağlayabilir. Bu da bize 1Gbps hıza multimode fiber ile 1 km ye kadar çalışabilme imkanı verir. Burada vermiş olduğum metarjlar anlaşılabilsin diye karmaşıklaştırılmamak adına yuvarlak olarak verilmiş ve kullancağının fiber optik modülün 1000BaseSX olacağı düşünülmüştür. Farklı modüller ile farklı mesafler desteklenir. OM3 fiberler 10Gbps’ı 300m’ye kadar desteklemek amacı ile geliştirilmiştir. Ancak hız ihtiyacının artması ile yeni nesil multimode fiberler geliştirimiştir. 50/125μm OM4 fibeler. OM4 fiberlerin frekansı 4500 MHz.km(EMB)’dir.

Singlemode Fiber Tipleri

Singlemode fiber tiplerini standartlar üzerinde kısaca anlaşılır şekilde izah etmek istiyorum. Singlemode fiberlerin iç çapları genel olarak 9um civarindadir. Ancak singlemode fiberlerde core (çekirdek) çapı verilmez. Yani 9/125μm bir singlemode fiberi simgeleyebilir ancak çok doğru bir anlatım sayılmaz. Bu ifade yerine dalga boyu ile değişken olan MFD (Mode Field Diameter - Mod Alan Çapı) ile tanımlanır. MFD ölçülebilir. MFD daha öncede bahsettiğim gibi dalga boyuna bağlı olarak değişkendir. Tipi bir singlemode fiber MFD değeri 1310 nm dalga boyunda 8.6-9.5μm,+-.6μm tolerans ile olabilir. Bu değer ITU. T. G652 standartlarından alınmıştır. Yani kısaca fiziki olarak fiber çekirdek (core) çapından değil, MFD değerinden bahsedilmesi gerekir. Ana çalışma dalga boyları 1310 nm, 1490 nm, 1550 nm, 1625 m'dir. Singlemode fiberlerin tamamı tek modludur.  Ancak özelliklerine gore farklılıklar gösterirler. Özellikleri ve tipleri aşağıdaki gibidir:

• ITU. T G652.D - Eğer hiçbir şey bahsetmeden bir singlemode fiberden bahsediliyor ise bu durumda anlaşılan singlemode fiber tipi budur. Piyasada singlemode diye anılan data networklerden, telekom alt yapıları, kablo TV vb. Bütün uygulamalarda kullanılan esas ana fiber tipidir. Yaklaşık olarak 75–100 km arası mesafelerde sorunsuz çalışabilir. Ancak uygulamaya ve taşınacak bilgisinin türüne göre bu mesafe değişim gösterebilir.
• ITU. T G653.B - Bu tür fiberler Dispersion Shifted fiber’dir. DSF olarak kısaltılabilirler. Bu tür fiberler 1550 nm dalga boyunda Dispersion (saçılma) etkisi nerdeyse sıfır olan fibelerdir. Bu tür fibeler ile 1550 nm dalga boyuı ile çok uzun mesafeler 75–100 km üstü mesafelere sorunsuz olarak dispersion (saçılma) sorunu olmaksızın yüksek hızlarda iletişim sağlanabilir. DWDM sistemleri için uygun değildir. Ancak 653.B versiyonu kısmen CWDM sistemler için uygun bir dispersion (saçılma) etkisi verebilir. Kısaca izah edecek olursa yüksek hızda, 1550 nm (tek ve/veya teke yakın dalga boyu) dalga boyunda çok uzun mesafelerde kullanılabilir.
• ITU. T.G655.C - Bu tür fiberler Non-Zero Dispersion Shifted fiber’dir. Kısaca NZ-DSF olarak adlandırılırlar. Bu tür fiberler 655.A sadece C bandında çalışrıken 655.C versiyonu ile 1260- 1565 nm aralığındaki bütün bölgede çalışır verisyonudur. Standart’ın A,B,C verisyonları vardır hepsinin çalışma dalga boyu alanları birbirlerinde farklıdır. Kısaca söyleyecek olursak eğer CWDM ve DWDM sistemler için uygundur. Ancak dar dalaga boyu aralığında.
• ITU. T.G656 - Bu tür fiberler Wideband Non-Zero Dispersion Shifted fiber’dir. Kısaca WB NZ-DSF olarak adlandırılırlar. Bu tür fiberler 1460 nm-1625 nm aralığında uzak mesafelerde hiçbir dispersion(saçılma) etkisi olmadan rahatlıkla kullanılabilir. G.655 ile aralarındaki temel fark desteklemiş oldukları dalga boyu aralığıdır.  En pahalı fiber tiplerinden biridir. Bütün DWDM sistemlerinde sorunsuz ve mükemmel performans sağlar.
• ITU. T.G657.B3 - Bu tür fiberler günümüzde artık çok konuşulan eve kadar fiber (FTTx) uygulamalarının yaygınlaşması ile daha fazla öne çıkmış bir fiber türüdür. Bildiğiniz gibi fiberler her çapta dönemezler. Eğer limiti üzerinde fibeler bükülürlerse fiber kırılabilir ve/veya iletişimi durur. Bu sorun eve kadar fiber uygulamalarında özellikle bina içi, ev içi dar alanlarda montaj yapılması gerekliliğinde büyük sorun yaratmaktadır. Bu fiberlerde bu sorun aşılmıştır. G657.B3 verisiyonu ile 5mm ye kadar dönüş çapı düşürülmüştür. Bu ürünün halen farklı dönüş çaplarında ve saçılma etkisi değerlerinde A1/A2 ve B2/B3 türevleri vardır. Genellikle bina içi kablolama amacı ile kullanılan fiber optik kablolarda, fiber optik patchcordlarda bu tür fiber tercih edilebilir. Bu fiber G652.D ile birlikte kullanılabilir.

Plastik Fiberler

Plastik fiberler iç fiber çekirdek çapları cam fiberlere göre çok daha büyük olan fiber tipleridir. Daha esnektirler ve kırılganlıkları çok daha azdır. Çok kısa mesafelerde çok az veri taşımak amacı ile kullanılır. Data iletişiminde ve telekom uygulamalarında nerdeyse hiç tercih edilmezler. Ancak makine otomasyon sistemlerinde, audio sistemleri gibi sistemlerde tercih edilirler. Örneğin günümüzde kullanılan 5+1 ses sistemlerinin arkasında bulunan optik kısmında ses sistemi ile hoparlör arasında bağlı bulunan optik kablolar plastik optik kablolardır.

Vericiler

A GBIC module (shown here with its cover removed), is an optical and electrical transceiver. The electrical connector is at top right, and the optical connectors are at bottom left

En yaygın kullanılan optik ileticiler led ve lazer diyotlar gibi yarı iletken cihazlardır. Led ve lazer diyotlarının arasındaki fark led eş evresiz ışık üretirken lazer diyodun eş evreli ışık üretmesidir. Optik iletişimlerde kullanım için yarı iletken optik ileticiler optimum dalga boyu aralığında işlerken ve yüksek frekanslarda direkt olarak yönlendirilirken; verimli, güvenilir ve kompakt olarak tasarlanmalıdır.

En basit formuyla led, elektriksel ışıldayış olarak da bilinen kendiliğinden salım aracılığıyla ışık saçan ileri önyargılı bir p-n eklem’dir. Yayılan ışık 30-60 nm gibi oldukça geniş spektrum aralığına sahip olan eş evresiz ışıktır. Led ışık transferi giriş gücünün yalnızca %1’i (veya 100 microwatt) kadar verimsizdir ve sonuç olarak ışıklifi içinde çiftlenilen ateşlenmiş güce dönüştürülür. Fakat basit tasarımları nedeniyle düşük maliyetli uygulamalar için çok kullanışlıdır.

İletişim ledleri genellikle InGaAsP (Indium galyum arsenit fosfat) veya GaAs’tan (galyum arsenit) yapılır. Çünkü InGaAsP ledler GaAs ledlere göre daha uzun dalga boylarında çalışabilirler (1.3 mikrometreye karşı 0.81-0.87 mikrometre) aynı zamanda eşdeğer enerji dalga boyu bazından 1.7 kat daha geniştir. Ledlerin büyük spektrum genişliği veri hız mesafesi ürününün sınırlayan (kullanışlılığı tipik ölçütü) daha yüksek lif dağılmasına maruz kalır. Ledler öncelikli olarak veri hızının 10-100 Mbit/s olduğu yerel ağ alanları ve birkaç km’lik iletim mesafeleri için uygundur. Aynı zamanda ledler günümüzde yerel alan WDM ağlarında kullanımda olan geniş spektrum üzerinde ışığı farklı dalga boylarında yayacak birkaç kuantum kaynağı kullanacak şekilde geliştirildi.

Günümüzde ledlerin yerine benzer fiyata geliştirilmiş hız, güç ve spektral özellikler sunan VCSEL cihazları geçti. Genel VCSEL cihazları kuyuyu çok modlu life birleştirir.

Yarı iletken bir lazer ışığı kendiliğinden salımdan ziyade yüksek çıkış gücü (100 mW) kadar eş evreli ışığın doğasıyla ilgili diğer faydalarıyla sonuçlanan uyarılmış salınım yoluyla yayar. Bir lazerin çıkışı tek modlu lifde yüksek çiftleme verimi (yaklaşık %50) sağlayan yöneltmelidir. Dar spektral genişlik aynı zamanda yüksek veri hızlarına izin verir çünkü renksel dağılım etkisini azaltır. Üstelik yarı iletken lazerler kısa rekombinasyon zamanları nedeniyle yüksek frekanslarda yönlendirilebilirler.

Işıklifinde sıklıkla kullanılan yarı iletken lazer iletici sınıfı VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser), Fabry–Perot ve DFB’yi içerir.

Lazer diyotları sıklıkla ışık çıkışının bir devre tarafından cihaza direkt olarak uygulanan direkt yönlendirmeli şeklinde olurlar. Yüksek veri hızları veya uzun mesafeli hatlar için, lazer kaynağı devamlı dalga şeklinde veya elektro emilim modülatörü veya Mach–Zehnder girişimölçer gibi dış cihazlardan yönlendirilen ışık tarafından işletilebilir. Dış yönlendirme, doğrudan yönlendirilen lazerlerde hat genişliğini genişleten, lifin kromatik saçılmasını artıran lazer cıvıldamasını yok ederek katedilebilir hat mesafesini artırır.

Transceiver tek birleştirmede hem alıcıyı hem vericiyi içeren cihazdır.

Alıcılar

Optik alıcının ana bileşeni fotoelektrik etkisini kullanarak ışığı elektriğe dönüştüren foto detektördür. Telekomünikasyon için öncelikli fotodedektörler Indium galyum arsenitden yapılır. Foto detektör genellikle yarı iletken bazlı foto diyottur. Birkaç çeşit foto diyotlar p-n fotodiyotlar, p-i-n fotodiyotlar ve avalanche fotodiyolar içerir. Metal- yarı iletken- metal foto detektörler rejenerator’lardaki devre entegrasyonu ve dalga boyu bölmeli çoklamaya uygunluğu nedeniyle kullanılır.

Optik-elektrik dönüştürücüler, kanal boyunca hareket ederken etki zayıflamasına veya bozulmaya maruz kalabilen gelen optik sinyalden elektrik alanı içinde dijital sinyal üretmek için transimpedance yükselteç ve bir sınırlayıcı yükseltici tarafından çiftlenirler. Saat sinyali yenileme gibi kilitli faz döngüsü tarafından yapılan ileri düzeyde işlemler veri geçmeden önce de uygulanabilir.

Lif kablo çeşitleri

A cable reel trailer with conduit that can carry optical fiber

Single-mode optical fiber in an underground service pit

Bir ışıklifi çekirdek, kılıf ve tam içsek yansıma metoduyla kılıfın çekirdek boyunca ışığa kılavuzluk ettiği tampon bölgesinden oluşur. Çekirdek ve kılıf plastikten yapılabileceği gibi genellikle yüksek kalite silika camdan yapılır. İki ışıklifini birleştirme işlemi füzyon birleştirme veya mekanik birleştirmeyle yapılır ve lif çekirdeklerini birleştirmek için gereken mikroskobik hassas hizalama nedeniyle özel yetenek ve birbirine bağlama teknolojisi gerektirir.

Optik komünikasyonda kullanılan ışıklifinin iki çeşidi tek modlu ve çok modlu liftir. Çok modlu lifler daha az hassas ve daha ucuz alıcı ve vericileri aynı şekilde daha ucuz birleştiricilere bağlanmasına izin veren daha büyük bir çekirdeğe (50 mikrometreden büyük) sahiptir. Fakat çok modlu lif hattın bant aralığını ve uzunluğunu sınırlayan multimode distortion yaratır. Üstelik içeriklerindeki yüksek dopingli madde nedeniyle genellikle daha pahalı olup daha fazla etki zayıflaması gösterirler. Tek modlu lifin çekirdeği daha küçüktür (10 mikrometreden küçük) ve daha pahalı bileşen ve birleştirme metodu gerektirir, fakat çok uzun ve yüksek performanslı hatlarda çalışır.

Lifi ticari olarak uygulanabilen bir ürün hâline getirebilmek için kızılötesi kullanılarak koruyucu mantolaması yapılır, ışıkla kürlenmiş acrylate polymers, daha sonra ışıklifi birleştiriciyle sonlandırılır ve kabloya birleştirilir. Bu işlemden sonra zemine serilebilir, binanın duvarlarında işletilebilir veya bakır tellerde olduğu gibi havada yayılabilir. Yayıldıklarında bu lifler klasik bükülmüş tel çiftlerine göre daha az bakım gerektirirler.

Transatlantik iletişim kabloları gibi özelleşmiş kablolar deniz altı veri iletimi için kullanılır. Ticari girişimciler (Emerald Atlantis, Hibernia Atlantic) tarafından işletilen yeni (2011-2013) kablolar genellikle dört köşeli lifden oluşur ve Atlantik’i (New York-Londra) 60-70 ms içinde geçerler. 2011’de bu gibi kabloların her birin maliyeti yaklaşık 300M$’dır. (kaynak: The Chronicle Herald.)

Bir diğer yaygın uygulama ışıklifi iplerinin uzun mesafeli güç iletim kabloların içinde demetlemektir. Bu durum güç iletiminin geçiş üstünlüğünü verimli bir şekilde sömürür, bir şirketin kendi cihaz ve hatlarını gözlemlemesi için gereken lif kontrolünü garantiye alır, sıkıştırılmaya karşı dayanıklı olur ve akıllı ağ teknolojisinin yayılmasını kolaylaştırır.

Yükselticiler

Işıklifi iletişimin iletim mesafesi lifin etki zayıflaması ve bozulması tarafından genellikle sınırlanır. Optoelektronik yineleyiciler kullanılarak bu problem yok edilir. Bu yineleyiciler sinyali elektrik sinyaline dönüştürür ve daha sonra sinyali öncekinden daha şiddetli gönderebilmek için bir verici kullanır. Modern dalgaboyu bölmeli çoklanmış sinyallerin (her 20 km’de bir kurulması gereği gerçeğiyle) karmaşıklığı nedeniyle bu yineleyicilerin maliyeti çok yüksektir.

Alternatif bir yaklaşım optik sinyali elektrik alan sinyaline dönüştürmeye gerek kalmadan doğrudan yükselten optik yükseltici kullanmaktır. Lifin bir kısmını nadir toprak elementlerinden olan erbiyumla dopinglemek ve iletişim sinyalinden daha kısa dalga boylu bir lazerden ışığa pompalamakla gerçekleştirilir. Yeni kurulumlarda yükselticiler büyük oranda yenileyicilerle değiştirildi.

Dalgaboyu bölmeli çoklama

Dalgaboyu bölmeli çoklama her kanalın ışık dalga boyuna gittiği paralel kanallarla fiber optiğin mevcut kapasitesini çoğaltma yöntemidir. Bu verici ekipmanındaki bir dalgaboyu bölmeli çoklayıcı ve alıcı ekipmanındaki bir antiçoklayıcı'yı gerektirir. DBÇ’daki çoğullama ve çoğullama çözme işlemleri için genellikle Arrayed waveguide gratings kullanılır. Piyasada bulunan DBÇ teknolojisini kullanarak 1.6 Tbit/s’lik birleştirilmiş veri hızı aralığını desteklemek için lif bant genişliği 160 kanala kadar bölünebilir.

Parametreler

Bant genişliği-uzaklık

Saçılma efektinin lifin uzunluğuyla artması nedeniyle lif iletim sistemi genellikle MHz・km birimiyle ifade edilen bant genişliği-mesafe ürünüyle nitelendirilir. Bu değer bant genişliğiyle mesafenin çarpımıdır çünkü sinyalin bant genişliği ve taşınabileceği mesafe arasında değiş tokuş vardır. Mesela, bant genişliği-mesafe çarpımı 500 MHz/km olan sıradan çok modlu bir lif 1 km için 50 MHz sinyal taşır ya da 1000 MHz sinyali 0,5 km’de taşır.

Mühendislik ışıklifi komünikasyonu geliştirmek için güncel kısıtlamalara bakmaktadırlar ve günümüzde bu kısıtlamaların birçoğu araştırılmaktadır.

Kayıtlı hızlar

Her lif, her biri ışığın farklı dalga boyunu kullanan birçok bağımsız kanal taşıyabilir. Lif başına net veri oranı FEC overhead tarafından azaltılan kanal başına düşen veri oranının kanal sayısıyla çarpılmasıdır. Elektrik kablolarının fiziksel limitleri saniyede 10 Gbit’i aşan hızları önlerken ışıkliflerinin fiziksel limitlerine henüz ulaşılamamıştır.

2013 yılında New Scientist, Southampton Üniversitesi’nden bir takımın boşluklu çekirdekli fotonik kristal lif üzerinde ışığın %99.7 hızıyla ilerleyen saniyede 73,7 Tbit’lik veri aktarımını başardıklarını rapor etti.

Yıl	Kuruluş	Etkin hız	WDM kanalları	Kanal başına hız	Mesafe
2009	Alcatel-Lucent	15 Tbit/s	155	100 Gbit/s	90 km
2010	NTT	69.1 Tbit/s	432	171 Gbit/s	240 km
2011	KIT	26 Tbit/s	1	26 Tbit/s	50 km
2011	NEC	101 Tbit/s	370	273 Gbit/s	165 km
2012	NEC, Corning	1.05 Petabit/s	12 core fiber		52.4 km

Dağılım

Modern cam ışıklifi için maksimum iletim mesafesi doğrudan malzeme emişinden ziyade birçok çeşit saçılma veya optik sinyallerin lif boyunca ilerlerken yayılmasıyla kısıtlanır. Işıklifindeki saçılma birçok çeşitli faktörden kaynaklanır. Farklı çapraz modların farklı eksenel hızlarından kaynaklanan Intermodal dispersion çok modlu fiberin performansını kısıtlar. Çünkü tek modlu fiber sadece tek transverse mode destekler, böylece Intermodal dispersion yok edilir.

Tek modlu lifde performans, öncelikli olarak ışığın dalga boyuna bağlı olarak camın indisinin hafifçe değişmesi nedeniyle meydana gelen kromatik saçılım ve sıfırdan farklı spektrum genişliğine sahip olma şartı bulunan gerçek optik vericiden gelen ışık tarafından kısıtlanır. Polarizasyon mod dağılımı, kısıtlamanın diğer kaynağı, meydana gelir çünkü tek modlu fiber yalnızca bir transverse mode sürdürmesine rağmen bu modu iki farklı polarizasyonla taşır ve lifdeki küçük kusur ve bozukluklar iki polarizasyon için ilerleme hızını değiştirebilir. Bu olaya fiber birefringence adı verilir ve ışıklifinin polarizasyon korumasıyla bu durumun etkisi yok edilebilir. Saçılma, lifin bant genişliğini sınırlar çünkü yayılan optik sinyal, sinyallerin lif üzerinde birbirini izleme oranını sınırlar ve alıcı tarafından hâlâ fark edilebilir durumdadır.

Kromatik saçılma başta olmak üzere bazı saçılmalar dağılma kompansatörü tarafından yok edilebilir. Bu, saçılımı verici lif tarafından uyarılmış lifin saçılımına zıt olan özel hazırlanmış lif uzunluğu kullanılarak yapılır; bu sinyali keskinleştirir, böylece elektronik tarafından doğru bir biçimde deşifre edilebilir.

Güç kayıpları

Yükseltici sistemi gerekli kılan lif etki zayıflaması malzeme emişi, Rayleigh d, Mie saçılım ve bağlantı kaybı kombinasyonundan kaynaklanır. Saf silikanın madde emişinin yalnızca 0,03 dB/km olmasına rağmen orijinal ışıklifindeki kusurlar etki zayıflamasının 1000 dB/km civarında olmasına neden olur. Etki zayıflamasının diğer şekilleri life doğru fiziksel basınç, yoğunluktaki mikroskobik dalgalanmalar ve iyi olmayan birleştirme tekniklerindne kaynaklanır.

İletim pencereleri

Etki zayıflamasına ve saçılmaya katkıda bulun her etki optik dalga boyuna bağlıdır. Bu etkilerin en zayıf olduğu dalga boyu bantları (pencere) iletim için en yararlısıdır. Bu dalga boyları standartlaştırıldı ve günümüzde tanımlanan bantlar şunlardır: (Tablo) Not: Bu tablo orijinalinde ayrık olan 2. Ve 3. Dalga boyu bantlarının günümüz teknolojisi tarafından birleştirilmesini göstermektedir.

Bant	Tanım	Dalga boyu oranı
O bandı	orijinal	1260 - 1360 nm
E bandı	genişletilmiş	1360 - 1460 nm
S bandı	kısa dalga boyları	1460 - 1530 nm
C bandı	geleneksel ("erbium window")	1530 - 1565 nm
L bandı	uzun dalgaboyları	1565 - 1625 nm
U bandı	ultrauzun dalga boyları	1625 - 1675 nm

Tarihsel olarak, birinci pencere adı verilen, 800-900 nm arasında, O bandının aşağısında bir pencere vardı, fakat kayıpların yüksek olması nedeniyle bu bölge öncelikli olarak kısa mesafe iletişim için kullanılır. Günümüzdeki daha düşük pencereler (O ve E) 1300 nm civarındadır ve kayıpları daha düşüktür. Bu bölgede saçılma olmaz. Orta pencereler (S ve C) 1500 nm civarındadır ve en yaygın kullanılandır. Bu bölge etki zayıflamasının en az olduğu bölgedir ve en uzun mesafeye ulaşmayı başarır. Biraz saçılma gösterebilir bu nedenle, bu saçılmaları yok etmek için saçılma düzenleyici cihazlar kullanılır.

Yenileme

Bir iletişim hattının hâlihazırdaki ışıklifi teknolojisinin yapabileceğinden daha uzun mesafe kapsaması gerektiğinde, yineleyiciler tarafından orta noktalarda sinyal tekrar üretilmelidir. Yineleyiciler komünikasyon sisteminin maliyetini oldukça artırırlar, bu nedenle sistem tasarımcıları yineleyicileri minimum ölçüde kullanmaya çalışır.

Lif ve optik komünikasyon teknolojisindeki yeni gelişmeler sinyal azalmasını, optik sinyallerin tekrar üretiminin yalnızca yüz kilometrelik mesafelerden fazla olan mesafelerde gerektirecek kadar azaltmıştır. Bu durum optik ağ işleminin maliyetini azaltmıştır, özellikle deniz altı kapsamalarında yineleyicilerin fiyat ve güvenirliliği tüm kablo sisteminin performansını belirleyen anahtar faktördür. Bu performans artırıcılarına katkıda bulunan ana faktörler doğrusalsızlığa karşı saçılma efektini dengelemeye çalışan saçılma yönetimi ve uzun mesafelerdeki saçılmasız ilerlemeye olanak tanımak için lifdeki doğrusal olmayan etkileri kullanan solitons’dır.

Son mesafe (last mile)

Işıklifi sistemler yüksek bant genişlikli uygulamalarda sivrilmesine rağmen fiber to the premises amacına ulaşamamış ve last mile problemini çözememiştir. Fakat, bant genişliği talebi yükseldikçe bu amaca yönelik birçok ilerleme gözlemlenebilir. Mesela Japonya’da, EPON geniş bantlı İnternet kaynağı olarak DSL’in yerini almıştır. Güney Kore’nin KT’si FTTH isminde abonenin evine ışıklifi ileten bir servis sağlar. Eve ışıklifi dağıtımın en yüksek olduğu yerler Japonya, Çin ve Güney Kore’dir. Singapur, OpenNet tarafından kurulup 2012 yılında bitmesi planlanan her yeri lifle kaplama projesine başlamıştır. Servisleri 2010 Kasım’ından beri açtıkları için Singapur’daki ağ kapsaması ülke genelinde %60’a ulaşmıştır.

Amerika’da Verizon Communications, bölgesindeki yüksek ARPU’ları (kullanıcı başına düşen hasılat) seçmek amacıyla FiOS adında her konuta ışıklifi bağlatı sağlar. ILEC ve AT&T, lifi çift bükümlü telle ağa taşıyan U-Verse servisini kullanır. MSO rakipleri HFC kullanarak koaksiyonel FTTN (fiber to the net) işletir. Tüm ana erişim ağları lifi, servis sağlayıcısının ağından müşteriye olan toptan mesafe için kullanır.

Dünya çapındaki baskın erişim ağı EPON’dur. Avrupa’da, Ameridaki telekomünikasyonların arasında, BPON ve GPON, FSAN (ful servis erişim ağı) ve ITU-T gibi kontrolleri altında olan organizasyonlarda kökleşmiştir.

Elektrik iletimi ile karşılaştırması

A mobile fiber optic splice lab used to access and splice underground cables

An underground fiber optic splice enclosure opened up

Özel bir sistem için ışıklifi ve bakır tel seçimi değiş tokuş sayısına göre yapılır. Yüksek bant genişliği gerektiren ve uzun mesafeleri kapsayan sistemler için ışıklifi elektrik kablolarına göre tercih edilir. Lifin temel faydaları olağanüstü az kaybı (yükseltici/yineleyici arasındaki uzun mesafelere olanak tanıma), zemin akımı, diğer parazit sinyaller ve uzun, paralel elektrik iletkenlerine mahsus güç problemlerinden (iletim için elektrik yerine ışığın güvenilirliği ve ışıklifinin dielektrik doğası nedeniyle) yoksun olması ve doğal olarak yüksek veri taşıma kapasitesidir. Binlerce elektrik hattı tek bir yüksek bant genişlikli lif kabloyla değiştirilmeyi gerektirebilir. Lifin diğer bir faydası elektrik ileten hatların aksine, uzun mesafelerde birbirlerinin yanı sıra yerleştirildiklerinde bile ses karışması göstermemeleridir. Liflerin kamu hatları, güç hatları ve demiryolu rayları gibi yüksek elektromanyetik engel içeren alanlara da kurulabilir. Ametal tüm dielektrik kabloları da yüksek yıldırım çarpma olasılığı olan alanlar için idealdir.

Tek hatlı sisteme kıyasla birkaç kilometreden uzun voice grade bakır sistemleri tatmin edici performans için hat içinde sinyal yineleyicilerine ihtiyaç duyabilir; optik sistemler için aktif veya pasif işlem olmadan 100 km. ilerlemek olağandışı değildir. Tek modlu kablolar genellikle uzun kablo akışındaki birleştirme sayısını minimize eden 12 km. uzunlukta olurlar. Endüstriyel standartlar 2 kilometrelik kırılmamış kablo akışlarını zorunlu kılsa da 4 kilometre uzunluktaki çok modlu lifler mevcuttur.

Kısa mesafelerde ve düşük bant genişlikli uygulamalarda elektrik kabloları genellikle şu özellikleri nedeniyle tercih edilir:

Büyük miktarlar gerekmedikçe daha az malzeme fiyat

Alıcıların ve vericilerin ucuzluğu

Sinyaller kadar elektriksel gücü de taşıma kapasitesi (gereğine uygun şekilde tasarlanan kablolarda)

Lineer modda transdüser işletmenin kolaylığı.

Işıkliflerinin birleştirilmesi elektrik kablolarına göre daha zor ve pahalıdır. Yüksek güçlerde ışıklifleri lif çekirdeğinin feci bir şekilde tahrip olmasıyla ve iletim bileşenlerinin hasarlanmasıyla sonuçlanan lif kaynamasına karşı hassaslaşırlar.

Elektrik iletimin yararları nedeniyle optik komünikasyon kısa box-to-box, backplane, veya chip-to-chip uygulamalarda yaygın değildir, fakat bu ölçeklerdeki optik sistemler laboratuvarlarda gösterilmiştir.

Bazı durumlarda lif şu özellikleri nedeniyle kısa mesafe ve düşük bant genişlikli uygulamalarda bile kullanılırlar:

• Nükleer elektromanyetik sinyal (lifin alfa ve beta ışımalarından hasar alabilmesine rağmen) dâhil elektromanyetik engellere karşı dayanıklı olmaları.

• Yüksek voltajlı ekipmanlarda veya potansiyel farkın bulunduğu alanlarda kullanılmasını güvenli kılan yüksek elektrik direnci.

• Daha hafif ağırlık- özellikle uçaklarda.

• Kıvılcım çıkarmaması- alev alıcı ve patlayıcı gaz içeren ortamlarda önemlidir.

• Elektromanyetik ışıma yapmaması- sinyali bozmadan tıkanmasınız zor olması, yüksek güvenlikli yerlerde önemlidir.

• Daha küçük kablo boyutu- Mevcut binadaki ağ işlemi gibi kablo yolunun sınırlı olduğu daha küçük kablo kanallarının açılıp mevcut kanal boşluklarıyla alan tasarrufu yapılan yerlerde önemlidir.

• Ametal iletim ortamı nedeniyle korozyona karşı dirençli olması.

Işıklifi kablolar, optik kabloların küçük boyutu, sınırlı çekme kapasitesi ve bükülme yarıçapları nedeniyle bazı modifikasyonlarla bakır ve ortak eksenli kabloların kurulumu için kullanılan aletlerle kurulabilirler. Optik kablolar genellikle 6000 metre veya kanal sisteminin durumuna, planına ve kurulma tekniğine göre daha fazla mesafe kapsayacak şekilde kurulabilirler. Daha uzun kablolar gerektiğinde ortadaki bir noktadan sarmalanıp kablo sisteminin içine çekilebilir.

Ülke standartları

Birçok üreticinin ışıklifi komünikasyona uygun bir biçimde çalışan bileşenler geliştirebilmesi için birkaç standart geliştirildi. Uluslararası Telekomünikasyon Birliği liflerin özellik ve performansıyla ilgili şunları da içeren birkaç standart yayımladı:

ITU-T G.651 “50/125 µm multimode graded index optical fibre cable özellikleri”

ITU-T G.652, “Tek modlu fiber optik kablo özellikleri”

Diğer standartlar uygun sistemlerde kullanılacak olan lif, alıcı ve verici performans ölçütlerini belirtir. Bu standartların bazıları şunlardır:

• 100 Gigabit Ethernet

• 10 Gigabit Ethernet

• Fibre Channel

• Gigabit Ethernet

• HIPPI

• Synchronous Digital Hierarchy

• Synchronous Optical Networking

• Optical Transport Network (OTN)

TOSLINK, dijital kaynakları dijital alıcılara bağlamak için plastik ışıkfiberi kullanan dijital ses formatının en yaygın olanıdır.