Samm Teknoloji Fiber Optik Kablo Test Laboratuvarında Test Sistemleri ile Fiber Optik Kabloların Kalite Parametrelerinin Belirlenmesi Ve Analizi

İçindekiler

1. Fiber Optik Kabloların Kalite Parametrelerinin Belirlenmesi Ve Analizi
   1. Fiber Optik Kabloda Meydana Gelen Zayıflamalar
      1. Bükülme Dolayısıyla Elyafta Oluşan Zayıflamalar
      2. Çekme Gerilmesi Dolayısıyla Oluşan Zayıflamalar
      3. İklim Koşulları Dolayısıyla Oluşan Zayıflamalar
      4. Ek ve Konnektör Kayıpları
      5. Rayleigh Saçınım Kayıpları
   2. Fiber Optik Test Cihazları ile Zayıflama Ölçümü ve Yöntemleri
      1. Ekleme Kaybı (Insertion Loss) Güç Ölçüm Tekniği
      2. Geri Dönüş Kaybı (Optical Return Loss)
      3. OTDR Yöntemi ve OTDR’ın Çalışma Prensibi
      4. Optik Güç Ölçer(Power Metre) ve Çalışma Prensibi

1. Fiber Optik Kabloların Kalite Parametrelerinin Belirlenmesi Ve Analizi

Haberleşme alanında çeşitli ortamlar ve amaçlar için farklı tiplerde fiber optik kablolar üretilmekte ve kullanılmaktadır. Üretilen fiber optik kablolar farklı çevresel ve mekanik şartlar altında, farklı verim ve dayanım gösterebilmektedir. Bu durumun sebebi kablo imalatında kullanılan malzemenin kalitesi, miktarı ve üretim kusurları olabilmektedir. Fiber optik kabloların üretilirken ve kullanılacağı ortama göre belirli uluslararası kalite standartlarını sağlaması gerekmektedir. Sıcaklık ve gerilme gibi çevresel etkiler ve bükülme gibi mekanik etkilere karşı tepkileri, aralarındaki ilişkileri ortaya çıkarılmalı ve incelenmelidir. Bu tepkiler fiber optik kablonun içinden geçen ışığın kaybı, fiber öz boyunda uzama ve kablonun boyundaki uzamalardır. Fiber optik kablonun kalite parametrelerinin belirlenmesi kablo tasarımı, kablo maliyeti ve kullanılacağı alana uyumu açısından büyük önem arz etmektedir.

1.1. Fiber Optik Kabloda Meydana Gelen Zayıflamalar

Fiber optik kablola ışığının gücünde azalma durumuna zayıflama (sönümlenme) denir. Zayıflama durumlarında fiber optik kablolar ideal performansının altında çalışır. Bilginin iletim kapasitesi, bant genişliği ve verimi düşer. Bu zayıflamaların başlıca nedenleri rayleigh saçılımları, frensel yansımalar ve soğurma kayıplarıdır.

Fiber optik içinden iletilen bilgi akışının ortalama gücü Beer yasası ile açıklanır:

$\frac{dP}{dz}=-\alpha P$  

(Eşitlik 2.1)

Burada  zayıflama katsayısını ifade etmektedir.

${\displaystyle P_{\mathrm{out}}=P_{\mathrm{in}}\exp (-\alpha L)}$

(Eşitlik 2.2)

Burada ${\displaystyle P_{\mathrm{out}}}$ fiberin çıkışındaki optik güç , ${\displaystyle P_{\mathrm{in}}}$ fiberin girişindeki optik güç ve L ise fiber hattının uzunluğunu ifade etmektedir.

Zayıflama katsayısı dB/km cinsinden ifade edilirse,

${\displaystyle \alpha \left(\frac{dB}{km}\right)=-\frac{10}{L}{\log }_{10}\left(\frac{P_{\mathrm{out}}}{P_{in}}\right)\approx 4.343 \alpha }$

(Eşitlik 2.3)

Fiber kaybı ışığın daga boyu bağlantılıdır. Aşağıdaki şekilde ışığın dalga boyuna göre zayıflama miktarının değişimi görülmektedir.

Şekil 2.7’de görüldüğü üzere optik kayıp 1400 nm civarında tepe yapmıştır. Bu sebele tepe yapmadan hemen önceki 1300 nm ve sonraki 1550 nm aralıkları optik iletişim için tercih edilmektedir. Fiber kayıpları kısa dalga boyları için 5 dB/km yi aşmaktadır. Bu sebeple uzun mesafeli iletim için uygun değildir. Genel kayıp faktörlerinden en belirgini görüldüğü üzere Rayleigh saçılımı ve malzeme emilim kayıplarıdır (Agrawal 2002) .

Şekil 2.8’ de görüldüğü gibi zayıflama iç ve dış faktörlerden kaynaklanır. İçsel zayıflama, lif içinde doğal olarak bulunan maddelerden kaynaklanırken, dışsal zayıflama, bükülme gibi dış kuvvetlerden kaynaklanır. Zayıflama katsayısı kilometre başına desibel cinsinden ifade edilir(Alwayn 2004).

Işık sinyali fiber üzerinde ilerlerken, emilme, dağılma ve diğer radyasyon kayıpları nedeniyle optik gücünü kaybeder. Bir noktada, güç seviyesi, alıcının optik sinyal ile artalan gürültüsü arasında ayrım yapmasını engelleyecek kadar zayıflayabilir (Lietaert, Taws, Wolszczak, & Laferrière, 2011).

Fiber optik kablonun bulunduğu ortamdaki çevresel ve mekanik olumsuzluklar ,ek ve bağlantı noktaları büyük zayıflamalara neden olmaktadır. Ayrıca kablo boyu arttıkça kablo üzerindeki toplam kayıpta artar.

1.1.1. Bükülme Dolayısıyla Elyafta Oluşan Zayıflamalar

Kablolardaki lif performansını etkileyen makro bükme ve mikro bükme kaybı olmak üzere iki farklı kayıp mekanizması vardır. Her iki durumda da, optik sinyal fiberden birleşerek iletim kaybına neden olur. Makro bükme veya mikro bükme kayıp modları, kablo üretimi, kablo montaj işlemi veya çevresel etkiler nedeniyle servis sırasında herhangi bir aşamada üretilebilir (Wiltshire ve Reeve 1988).

Makro Bending : Fiber optik kablonun dış etkilerle bükülmesi ve ezilmesi sonucu oluşan bükülme türüdür. Bu durum Şekil 2.9’ da görüldüğü gibi depolama ve kurulum esnasında ortaya çıkabilmektedir. (Elliott ve Gilmore 2002)

Mikro Bending (Bükülme):

Mikrobending bükülmeleri ışığın iletimini önemli ölçüde etkileyebilirler. Mikro bending’e neden olan başlıca faktörler kalitesiz fiber üretimi, kablolama esnasındaki olumsuzluklar, düşük sıcaklık ve yüksek basınç değişimleridir (Elliott ve Gilmore 2002). Fiber optik kablolardaki mikro bükülmeler kablo üretim işlemleri sırasında ortaya çıkmaktadır.

Farklı tiplerdeki optik fiberler bükülme durumlarında farklı kayıp performansı gösterebilmektedir. Bu durum Şekil 2.10’da görülmektedir.

1.1.2. Çekme Gerilmesi Dolayısıyla Oluşan Zayıflamalar

Fiber optik kablolar sahaya uygulanırken fazla gerilirler ve durumda ışık iletiminde kayıplar meydana gelebilmektedir. Gerilme esnasında kablo içerisinde mikro bükülmeler meydana gelebilmektedir.

1.1.3. İklim Koşulları Dolayısıyla Oluşan Zayıflamalar

Bir fiber optik kablo kurulumdan sonraki ve öncesindeki zamanlarda etrafındaki sıcaklık değişiklikleri performansında önemli etkilere yol açabilir. Sıcaklık değişimleri makro yayılmaya ve mikro büküm kaybına neden olan kablo malzemelerinin farklılaşmasına ve daralmasına neden olur. Kablodaki sıcaklık değişimlerinin etkileri, kablo çekme testinde üretilen etkilerle benzerdir. Bu nedenle, sıcaklık performansının analizinde, kablo çekme testlerinin sonuçları olası servis performansının bir göstergesi olabilir. Bununla birlikte, bu sonuçların yorumlanmasında özen gösterilmelidir, çünkü elyaf kaplamaların elastik özellikleri sıcaklık ve zamanla değişebilir (Wiltshire ve Reeve 1988).

Farklı materyallerden yapılmış fiber clading yapısı iletilen güç miktarına etki etmektedir (Wing F. Yeung ve Alan R. Johnston 1978).

Koruyucu ceketlerin giydirilmesi, sertleştirilmesi, yumuşatılması ve büzülmesi için kullanılan polimerlerde indeks ve faz değişimleri hem istenmeyen zayıflamaya hem de fiber kablonun esnekliğinin korunmasında zorluklara neden olabilmektedir.

Fiber optik kablolar kullanılacağı ortama göre farklı performanslarda çalışabilirler. Genellikle ortalama bir fiber optik kablo -40°C ile +80°C arasında çalışır. Kablo tipine göre kablonun çalışacağı sıcaklık aralığı değişmekte ve bu aralığın dışına çıkıldığında çok daha yüksek zayıflamalar oluşabilmektedir.

Thomes ve arkadaşları Şekil 2.15’te görüldüğü gibi uydu ortamları için kullanılan çeşitli kabloların dalga boyu ve uzunluklarına göre sıcaklığa karşı insertion loss değerlerinin değişimini belirlemişlerdir (Thomes, Jr. vd. 2008)

1.1.4. Ek ve Konnektör Kayıpları

FO ek noktalarında ek işlemi yapılırken iki optik fiber ucunun bir biri ile bağlantı noktasında oluşan kayıplardır. Bu kayıplar yanal ayarsızlık, aralık ayarsızlığı, açısal ayarsızlık ve kusursuz olmayan yüzey olarak sınıflandırılabilmektedir (Yetim 2011).

İki ayrı fiber optik kabloyu birleştirmek için kablolar birbirine ek yapılır ya da konnektörler kullanılır. Bir kablo füzyon eki yapılıdığınnda veya mekanik ekler yani  konnektörlerle birleştirildiğinde kablo üzerinde saçılımlar ve frensel yansımalar artacağından kablonun iletim kaliteside düşmektedir. Konektör, sinyal kaybını önlemek için fiber ucunu ışık kaynağı veya alıcı ile tam olarak hizalaması gerekmektedir.

1.1.5. Rayleigh Saçınım Kayıpları

Fiber üretim işlemi esnasında ısıtılır ve gerdirilir. Bu aşamada cama uygulanan germe kuvveti, soğuyan camda mikroskopla görülmeyecek kadar küçük düzensizliklerin oluşmasına yol açar.  Bu durum fiberde homojen yapıyı bozar ve mikro düzeyde yoğunluğu farklı bölgeler oluşturur. Lazer ışınları, fiberde yayılım yaparken bu düzensiz bölgelerden birine çarparsa kırınım meydana gelir (Pnev vd. 2015). Bu bölgelerde ışık küçük bir miktar saçılır ve bu saçılıma bağlı olarak fiberde her dalga boyunda zayıflama meydana gelir. Bu noktadaki dağılma, noktasal ışık kaynağı gibi gelen her yana dağıtarak zayıflamasına neden olur. Buna “Rayleigh saçınım kaybı” denir. Dalga boyu arttıkça Rayleigh kaybı azalır. (Yetim 2011)

Optik fiberlerdeki genel kaybın yaklaşık yüzde doksan altısını oluşturan Rayleigh saçılması, mor ötesi ve kızıl altı soğurum arasındaki düşük soğurum penceresinde baskın öziçli kayıp mekanizmasıdır.(Yetim 2011) Rayleigh saçılması, yoğunluktaki lokal mikroskobik dalgalanmalardan kaynaklanan temel bir kayıp mekanizmasıdır. Silika molekülleri erimiş halde rasgele hareket eder ve lif üretimi sırasında yerinde donar. Yoğunluk dalgalanmaları, kırılma indeksinin optik dalga boyu λ'dan daha küçük bir ölçekte rastgele dalgalanmalarına neden olur.(Max Born ve Emil Wolf 2003)

OTDR gibi test cihazları bu saçılımları kullanarak kablo kaybını hesaplar. Ayrıca rayleigh saçınımının oluşturduğu geri yansımalar gelişmiş istemlerle toplanarak tümüyle bir fiber optik hattın takibine imkan vermektedir. Bu sistemler “Fiber optik tabanlı dağıtık akustik sistemler” olarak adlandırılır ve petrol boru hatları, yol güvenliği, sınır güvenliği gibi uygulamalarda gerçek zamanlı takip sağlamakta, ülkemizde ve dünyada kullanılmaktadır.

Rayleigh Saçılımı dB/km cinsinden aşagıdaki şekilde ifade edilir.

${\displaystyle {\alpha }_s=\frac{A}{{\lambda }^4}}$

(Eşitlik 2.4)

${\displaystyle \mathrm{Si}{O}_2}$ gibi tek bileşenli bir cam için,

${\displaystyle A=\frac{8{\pi }^3}{3}{n}_0^8{p}^2\beta kT}$

(Eşitlik 2.5)

Burada $n^0$ kırılma indisi, P fotoelastik katsayı, β termal sıkışıklık, k boltzman sabiti, T mutlak sıcaklık örneğidir.