Bölüm 52:Fiber Optik İletim

Bakırı ucuna kadar zorladın, sonra camı da elinle sonlandırdın: kırım açısını yarım dereceye tuttun, iki core’u mikron mertebesinde hizaladın, konnektörün alnını sekiz derece eğdin. Her hareketin bir gerekçesi vardı ve hepsi tek bir cümleye dayanıyordu.

Şimdi o cümleyi kanıtlama sırası. İsteğinin bitleri cam bir lifin içinde ilerleyen darbeler. Onları o camın içinde ne tutuyor, ve neden bu kadar dar bir paya sığıyorlar?

Işığı camda tutan şey ceket değil

Fiberi üç iç içe katman olarak düşünebilirsin. En içte ışığın ilerlediği saf cam core var. Onu saran katman kabuk (cladding), en dışta da ceket duruyor. Ceketin optikle bir ilgisi yok; onu camı ezilmeye, neme ve çekmeye karşı korusun diye sarıyorlar.

Işığı içeride tutan şey core ile kabuk arasındaki kırılma indisi farkıdır. Kırılma indisini tek satırda tanımlayabilirsin: ışığın vakumdaki hızının, o maddenin içindeki hızına oranı. Vakumda indis 1 oluyor ve ışık 300.000 km/s gidiyor. Tipik bir fiberde core’un indisi 1,47 ve ışığın hızı 204.082 km/s; kabukta indis 1,46 ve hız 205.479 km/s.

Aradaki fark küçük görünüyor ama sonucunu hiç küçümseme.

Kritik açı bir tanım değil, bir hesap sonucudur

Işık yoğun bir ortamdan daha seyreğine geçerken kırılıyor ve doğrultusundan sapıyor. Geliş açısını yatıklaştırdıkça sapma büyüyor; bir noktada ışık karşı tarafa hiç geçemiyor ve tamamı geri yansıyor. Bu eşiğe kritik açı deniyor ve tek bir şeye bağlı: iki ortamın yoğunluk farkına.

Açıları burada yüzeyin kendisinden değil, yüzeye dik olan doğrudan, yani normalden ölçüyoruz. Bunu aklında tut: “90 dereceye yakın açı” dediğimizde ışının yüzeye neredeyse paralel yattığını kastediyoruz.

Şimdi iki ayrı sayı çıkacak ve ikisinin farkı bu bölümün en önemli sezgisidir.

Cam ile hava arasında. Fizik dersinde öğretilen klasik hesap budur ve sonuç yaklaşık 42 derece. Bir cam blokta ışığın dışarı kaçmaması için sınıra normalden 42 dereceden daha yatık çarpması yeter. Geniş bir tolerans; ışığı cama sokmak neredeyse kendiliğinden oluyor.

Core ile kabuk arasında. Fiberin içinde karşındaki seyrek ortam hava değil, kabuk. Ve kabuk neredeyse core kadar yoğun — indisler 1,47 ile 1,46, aralarında yüzde birlik bir fark bile yok. Sonuç: kritik açı 83,3 derece.

Aradaki uçurumu bir kusur değil, tasarımın kendisi olarak oku. Fiberde ışığın sınıra normalden 83 dereceden daha yatık çarpması gerekiyor; başka bir deyişle ışının fiberin ekseninden sapması 6,7 dereceyi geçemez. Cam blokta 48 derecelik bir sapma payın varken fiberde 7 derecen var.

Bu yüzden ışığı fibere gelişigüzel sokamıyorsun. Fiberin ucunda hava duruyor ve ışık önce o sınırdan giriyor; girerken kırılıyor, sonra içeride tam yansımaya yakalanmak zorunda kalıyor. Bu iki şartı birden sağlayan giriş açılarının kümesine kabul konisi denir.

Koninin ne kadar açık olduğunu veren büyüklüğün adı sayısal açıklık (numerical aperture, NA) ve core ile kabuğun indis farkından hesaplanıyor. Tipik bir tek modlu fiberde bu değer 0,17 civarında ve karşılığı şu: fiberin ucuna, eksenle en fazla 10 derecelik bir açı yapacak şekilde girebilirsin. Tam koni açısı yaklaşık 20 derece. Dışarıdan bakınca kolay görünüyor ama ışık huzmesini bu dar koniye oturtmak, iki fiberin eksenini mikron mertebesinde hizalaman anlamına geliyor. Konnektör ve ek işçiliğinin neden bu kadar belirleyici olduğunu bu bölümün sonunda tekrar göreceğiz; sebebi tam olarak bu 20 derecelik koni.

İki ışını yan yana koyduğunda fark tek bakışta görünüyor:

n₁ · sin θ₁ = n₂ · sin θ₂

sin θc = n₂ / n₁

NA = √(n₁² − n₂²)          →   √(1,47² − 1,46²) = 0,171
θmax = arcsin(NA)          →   yaklaşık 9,9 derece

Hat kodlamayı, bant genişliğinin fiziksel sınırını ve LED’in 600 MHz’lik tavanını biliyorsun; burada aynı işi lazer diyot yapıyor, çıkan şey elektrik değil ışık.

Elektrikten ışığa geçişi üç tip lazer diyot yapar: Fabry-Pérot, dağıtılmış geri beslemeli (DFB) ve dikey oyuklu yüzey yayıcılı (VCSEL). Karşı uçta ışığı elektriğe çeviren PIN ya da çığ foto diyot durur. İkincisi zayıf sinyali yaklaşık 100 kat kuvvetlendirir. Kaynağın cinsi hızın tavanını da koyar: çok modlu fiberde ışığı üreten parça çoğu zaman o LED’dir, VCSEL ise onun çok üstünde çalışır ve 10 Gbit/s’lik bağların kaynağıdır.

Core’un çapı sınıfı belirliyor

Tek modlu fiberde core 8-10 mikrondur ve ışık tek bir doğrultuda ilerler. Çok modlu fiberde core 50 ya da 62,5 mikrondur. Işık kabuğa çarpa çarpa gider ve yollar arasında uzunluk farkı doğar.

Kabuğun dış çapı iki sınıfta da 125 mikrondur. Künye bu yüzden iki sayıyla yazılır: 62,5/125 çok modlu, 10/125 tek modlu fiberi gösterir. İlk sayı core, ikinci sayı kabuk.

Bir mikron metrenin milyonda biridir. Bir saç teli yaklaşık 40 mikron gelir; 125 mikronluk kabuk onun üç katı, 9 mikronluk core ise dörtte biri kadardır.

Elindeki kabloyu soyduğunda karşına çıkacak katmanların çapları standarttır ve sırayı bilmek sonlandırmanın yarısıdır:

İki ayrım burada saklı. Birincisi 250 mikronla 900 mikron arasında: gevşek tüplü kabloda 250 mikronluk lifler jel dolu bir tüpün içinde serbest yüzer, bu yüzden dış kabloda sıcaklıkla gerilen kılıf lifi germez — dış tesis kablosu böyle yapılır. Sıkı tamponlu kabloda ise 900 mikronluk kaplama doğrudan lifin üstündedir; bina içinde konnektör takmak kolaylaşır. İkincisi aramid ipliktedir: fiberi çekerken kuvvet asla cama değil o ipliğe uygulanır. Tek modlu bir lifin izin verilen çekme kuvveti kurulum sırasında yaklaşık 600 newton, kurulumdan sonra kalıcı olarak 60 newtondur.

Camın kırılganlığı konusunda yaygın bir yanlış anlama var. Silika lif, aynı kesitteki çelikten daha yüksek çekme dayanımı taşıyor; kabloyu bitiren şeyi çekmede değil bükülmede arayacaksın. Standart sınır iki sayıyla verilir: kurulum sırasında dış çapın 20 katı, kurulduktan sonra 10 katı. 3 mm’lik bir patch kablosu için bu, çekerken 60 mm, raftayken 30 mm yarıçap demek. Sınırın altına inersen iki şey birden oluyor: tam yansımanın şartı kıvrımın dış yanında bozulup ışık kabuğa kaçar (makro kıvrım kaybı), ve camın yüzeyindeki mikro çatlaklar gerilme altında büyümeye başlar. Birincisi bugün fark edilir, ikincisi aylar sonra. Dolabın içinde kabloyu keskin bir köşeden döndürmenin bedeli budur.

Üçüncü bir türle daha karşılaşacaksın: gradyan indisli çok modlu fiber. Burada core’un indisini merkeze doğru artırıyorlar. Eksende ilerleyen ışın yavaşlar, kenardan dolaşan ışın uzun yolu daha hızlı alır ve ikisi alıcıya yaklaşık aynı anda varır.

Sınıfları karıştırmanın da somut bir bedeli var: lazer ışığını çok modlu core’un tam merkezine verirsen huzme bölünebiliyor. Çözüm, ışığı kasten eksenden kaydırarak veren mod şartlandırma patch kablosudur.

Twisted pair’in sekiz telini T568B sırasına göre kendin diziyordun; fiberde dizilecek tel yok, tutturulacak bir eksen var.

Dispersiyon mesafeyi değil, çarpımı sınırlıyor

Aynı anda yola çıkan ışık, farklı yolları izlediği için uzak uca zaman farkıyla varır. Darbe zamanda yayılır ve komşusuna karışmaya başlar. Buna modal dispersiyon denir.

Dispersiyon sabit bir kusur değildir, birikimlidir. Verilen bir işaretleşme hızında mesafe uzadıkça yayılma büyür. Bu yüzden çok modlu fiberin ölçüsü bant genişliği değil, bant genişliği ile mesafenin çarpımıdır. Birim de bunu söyler: MHz·km.

200 MHz·km’lik bir fiber 1 km’de 200 MHz, 2 km’de 100 MHz taşır. Mesafeyi ikiye katlamanın bedeli hızın yarıya inmesidir.

ISO/IEC 11801’in OM sınıfları bu çarpımla tanımlıdır ve aradaki kuşak farkı tek bakışta okunur.

Dört sınıfın da 1.300 nm değeri 500 MHz·km’de kalır. Kuşak farkı dalga boyunda değil, camın kendisindedir. Bu sayı sahada ölçülmez; üreticinin veri sayfasından okunur. Sahada ölçebildiğin şey uzunluk ve optik kayıptır.

Darbenin yol boyunca nasıl yayıldığını görelim:

Tek modlu fiberde yol tek olduğu için modal dispersiyon oluşmaz. Yayılma yine de bitmez. Kaynağın ışığı tek bir dalga boyundan ibaret değildir ve camda her dalga boyu biraz farklı hızda ilerler. Buna kromatik dispersiyon denir.

ITU-T G.652 bunu iki parametreyle sınırlar: sıfır dispersiyon dalga boyu 1300-1324 nm arasındadır, eğimin üst sınırı ise 0,092 ps/(nm²·km). Bağıntı 1310 nm’de yaklaşık 0,9 ps/(nm·km) çıkarır, 1550 nm’de 17-18 ps/(nm·km).

Fiberin bütün ödünleşimi bu iki kusurun arasında duruyor. Zayıflamanın en düşük olduğu pencerede kromatik dispersiyon en yüksektir; dispersiyonun sıfırlandığı pencerede zayıflama daha yüksek kalır. Dalga boyu seçmek, hangi kusuru ödeyeceğini seçmektir.

Pencerelerin adı da vardır ve ITU altısını sırayla dizer: O 1260-1360, E 1360-1460, S 1460-1530, C 1530-1565, L 1565-1625, U 1625-1675 nm. Eğrinin dibi C bandına düşer; uzun mesafe çoklamasının neden tam oraya yerleştiğini biliyorsun. Tepesi ise E bandındadır: 1383 nm’deki su tepesini G.652.D 0,4 dB/km’ye çekerek o bandı da kullanılabilir kıldı. Altısı da kızılötesindedir; görünür ışık 400-700 nm arasında kaldığı için fiberin içinde akan ışığı gözünle göremezsin.

Bütçeyi cam değil, uçlar bitiriyor

Zayıflama logaritmik ölçekte, desibelle ölçülüyordu. Optik tarafta işaret önem kazanır: 10·log(Pçıkış/Pgiriş) negatif çıkıyorsa kayıp var demektir. 3 dB kayıp gücün %50’sini götürür; 12,5 dB kaybın sonunda elinde %5,6 kalır.

Fiberin kaybı belli bir dalga boyunda dB/km olarak verilir. Birimin içinde mesafe olduğu için kaybı bulmak çarpmaktan ibarettir. G.652.D’nin tavanı 1310-1625 nm aralığında 0,4 dB/km, 1550 nm’de 0,3 dB/km. Modern fiber sahada tipik olarak 0,2 dB/km civarında ölçülür.

Peki neden tam olarak bu sayılar, ve neden uzun dalga boyunda daha az? Camın kaybı üç ayrı mekanizmadan toplanıyor ve üçü de dalga boyuna farklı tepki veriyor.

Rayleigh saçılması. Cam sıvı hâldeyken donduruldu; içindeki yoğunluk dalgalanmaları dalga boyundan çok daha küçük ölçekte kaldı ve donup kaldı. Işık bu mikroskobik düzensizliklerden saçılır. Saçılmanın şiddeti dalga boyunun dördüncü kuvvetiyle ters orantılıdır:

αRayleigh ∝ 1 / λ⁴

Dördüncü kuvvet acımasız bir çarpandır. 1550 nm, 850 nm’nin 1,82 katı; dördüncü kuvvette bu 11 kat daha az saçılma demek. Eğrinin sağa doğru inmesinin asıl sebebi budur ve bu bir üretim kusuru değil, camın doğasıdır — daha temiz üreterek aşağı çekemezsin. Uzun mesafe iletiminin neden 1550 nm’de yapıldığının tek cümlelik cevabı bu üstel.

Kızılötesi soğurma. Ters yönden bir duvar geliyor. 1600 nm’den sonra silikanın moleküler titreşimleri ışığı doğrudan yutmaya başlar ve kayıp hızla tırmanır. Rayleigh sola doğru, kızılötesi soğurma sağa doğru yükselttiği için eğrinin dibi ikisinin kesiştiği yerde, yaklaşık 1550 nm’de oluşur. C bandının konumu bir tercih değil, iki fizik eğrisinin kesişimi.

Hidroksil soğurması. Üretim sırasında cama karışan su, yani OH⁻ iyonu, 1383 nm’de keskin bir tepe yapar. Eski fiberlerde bu tepe 2 dB/km’ye çıkıp E bandını kullanılamaz kılıyordu. G.652.D’nin getirdiği yenilik tam olarak bu tepeyi 0,4 dB/km’ye indirmek oldu; sınıfın piyasadaki adı da bu yüzden düşük su tepeli fiberdir.

Dördüncü bir kalem daha var ama bu camın değil senin hatan: az önce gördüğün kıvrım kaybı. Ve o, dalga boyu uzadıkça artar — 1550 nm’lik ışık kıvrımda 1310 nm’lik ışıktan daha kolay kaçar. Sahada bunun çok pratik bir karşılığı var: bir bağ 1310 nm’de geçip 1550 nm’de düşüyorsa, aramaya kablo güzergâhındaki keskin dönüşlerden başlarsın.

Her optik bağlantı noktası, işçiliğin kalitesine göre 0,5 dB ile 2,0 dB arasında kayıp getirir. 10 km’lik tek modlu bir hattı hesapla: 0,3 dB/km cam kaybı 3,0 dB eder, iki iyi konnektör 1,0 dB. Toplam 4,0 dB. 10GBASE-L’in 6,2 dB’lik kanal ekleme kaybı bütçesine 2,2 dB pay kalır.

Aynı hatta konnektörler 2,0 dB’lik olursa toplam 7,0 dB’ye çıkar ve bağ bütçeyi aşar. İki uç, on kilometre camdan daha belirleyici. Kötü yapılmış bir ek, parmak yağı ya da toz aynı hesaba girer.

Kaybın nerede olduğunu bulmak için OTDR kullanılır. Süreksizliklerden yansıyan ışığı ölçer ve toplam zayıflamanın yanında kaybın yerini de gösterir: bir ekte mi, bir konnektörde mi, aşırı sıkı bir kıvrımda mı.

Bir yanlış anlamayı burada kapatmak gerekiyor. Fiber, tek yön yayılım gecikmesinde bakırdan belirgin hızlı değildir: 1.000 km’de 4,9 ms’ye karşı 5,0 ms. Kazanç gecikmede değil, taşınabilen kapasitede ve gidilebilen mesafede. 10GBASE-L 1310 nm’de 10 km’ye çıkarken 10GBASE-E 1550 nm’de 10,9 dB’lik bütçesiyle 30 km’ye gider.

Her fiber bağ segmenti iki damar ister; biri gönderme, biri alma. Çaprazlama kablo tarafında yapılır, anahtarın içinde değil. Alt sınır da tanımlıdır: standardın izin verdiği en kısa fiber segment 2 metredir.

Bugün en yaygın iki konnektör SC ve LC. LC’nin ferrülü 1,25 mm ve gövdesi SC’nin yarısı kadar yer kaplar. Anahtarın ön paneline bu yüzden daha çok port sığar. Sunucudaki optik modülü ethtool -m enp3s0 ile okuyabilirsin. Çıktıda modülün türü, lazerin dalga boyu ve o an alınan ışık gücü dBm cinsinden yazar.

Renk kodu da bilgi taşır. TIA kodunda tek modlu fiber sarı, OM1 ile OM2 turuncu, OM3 ile OM4 su yeşilidir. Konnektör gövdesi çok modluda bej, tek modluda mavi, APC uçlarda yeşildir. Bina içi omurga kabloları genelde 12 ya da 24 damar taşır. Masaüstüne inen yatay kablolama ise hâlâ ezici çoğunlukla twisted pair’dir.

Bir uyarı: Fiberin ucuna bakmak hiçbir koşulda güvenli değildir. Retinada ağrı alıcısı yoktur; yeterince güçlü lazer ışığı acı hissi vermeden zarar verir.

Taşıyıcı sınıfı bir metro Ethernet devresinin altında çoğu zaman tam olarak bu cam lif yatıyor.

Özet

Peki, ne öğrendik?

• Kritik açı bir hesap sonucudur: θc = arcsin(n₂/n₁). Cam-hava sınırında 42 derece çıkar, core-kabuk sınırında 83,3; fiberde ışının eksenden sapma payı bu yüzden 6,7 derecedir.
• Sayısal açıklık girişi ölçer: NA = √(n₁²−n₂²) kabul konisinin yarı açısını verir ve tek modlu fiberde bu koni 10 dereceye kadar daralır.
• Core çapı: 8-10 mikronluk core tek modlu, 50 ya da 62,5 mikronluk core çok modlu fiberi tanımlar; kabuk iki sınıfta da 125, birincil kaplama 250, sıkı tampon 900 mikrondur.
• Zayıflamanın dibi bir tercih değil: Rayleigh saçılması 1/λ⁴ ile düşer, kızılötesi soğurma karşıdan yükselir; ikisinin kesiştiği yer 1550 nm, yani C bandıdır.
• Modal dispersiyon: çok modlu fiberde yollar farklı uzunlukta olduğu için darbe genişler, ölçü de bu yüzden MHz·km ile yazılır.
• Kromatik dispersiyon: tek modlu fiberde bile dalga boyları farklı hızda gider ve G.652 bu yayılmayı iki parametreyle sınırlar.
• Kayıp bütçesi: bir bağın bütçesini çoğu zaman camın kilometreleri değil, uçlardaki konnektörler ve ekler bitirir.

Cam lif kıtayı geçiyor ve mesafeyi artık ışığın hızıyla ölçüyorsun. Ama evlerin çoğuna inen kablo hâlâ cam değil bakır, üstelik o bakır internet için çekilmedi. Peki yalnızca ses taşısın diye döşenmiş iki tel, bugün nasıl oluyor da onlarca megabit veriyor?