OPTİK FİBER İLETİŞİM

FİBER OPTİK İLETİŞİM

Gürhan ŞAPLAKOĞLU (•) Ayhan ALTINTAŞ (*)

1. GİRİŞ

O ptik iletişimin başlangıcı olarak genellikle lazerin bulunması alınır. Ancak, in sanoğlu optik iletişimi elektronikten de önce kullanıyordu. Deniz fenerlerinin kullanımı, ya da kızılderililerin dumanla haberleşme yöntemleri bugünkü optik iletişim ile oldukça benzerlik gösterir.

nişliğine [~ 10'3 Hz] sahip olması dır. Bu ise optik kanallarda sıkış tırma ve/veya kodlama yapılma dan doğrudan veri iletişimi yapıl masını mümkün kılmaktadır. Bu yüksek kapasitenin getirdiği diğer önemli bir nokta da optik fiberle iletişimde darboğazın alıcı ve veri cilerdeki elektronikte toplanmış ol duğudur.

1960larda lazer bir laboratuvar araştırması olmaktan çıkıp, çeşitli aygıt ve sistemlerde kullanılabilir hale getirildiyse de daha çok fizikçi lerin ve malzeme bilimcilerin ilgilen diği bir konu olarak kaldı, elektronik ve iletişim mühendislerinin yakın ilgi alanına girmedi. Elektronik ve ileti şim mühendisleri böyle düzenli bir ışık kaynağının iletişime katkısı ola bileceğini biliyorlardı, ancak bu ışığı uzak mesafelere taşıyacak yeterlik te saydam bir ortamdan yoksundu lar. Bu durum 1971'lerde ham mad desi cam olan bir optik fiberin 20dB/km kayıpta üretilmesine kadar devam etti. Ne olduysa bundan sonra oldu ve iletişim alanında ne redeyse bir devrim sayılabilecek olaylar son 20 yılda gelişti.

Biz bu yazıda yüzeysel olarak fiber optik iletişim hakkında bilgi verecek ve teknolojinin hangi düzeyde oldu ğunu iletmeye çalışacağız.

2. FİBER OPTİK İLETİŞİMDE KULLANILAN BAŞLICA BİLEŞENLER

2.1. Optik Fiber Bir optik fiber iç içe iki cam katma nından oluşur, içteki katmana öz, dışardakine ise giydirme {cladding) denir. Giydirme katmanının çapı yaklaşık olarak 125 u.m civarındadır. Bu kalınlık bir insan saçı kalınlığı kadardır, ilk üretilen optik fiberler çok modlu diye tabir edilen türdendi ve bunlarda öz katmanının çapı 50

Fiber optik iletişimde en temel deği (im civarında idi. Böyle bir fiberde şiklik, kanalın çok büyük bant ge ışık, iç katman ile dış katman ara

(*) Bilkent Üniversitesi Elektrik Elektronik Mühendisliği Bölümü

sındaki yüzeye çarparak zikzak bir yol izler. Bu durumda bazı ışık ışın ları diğerlerine göre daha çok sayıda yansıma yaparlar, bu da darbe şek lindeki bir işaretin fiber içinde ilerle dikçe serpinime uğramasına neden olur. Bu durumu azaltmanın bir yolu, iç katmanın çapını azaltarak değişik ışınlar arasındaki yol farkını kısalt maktır. Bu çeşit optik fiberlere tek modlu fiberler denilmekte ve bu fi berlerde öz bölgesinin çapı 8 10 pm civarında olmaktadır. Bugün ileti şimde hemen hemen tamamen bu tip optik fiberler kullanılmaktadır. Uluslararası bir standart organizas yonu olan CCITT de çok modlu ve tek modlu fiberleri standartlaştırmış tır(1). Bu fiberler, kullanım için önce koruyucu bir ceketle kaplanmakta ve daha sonra bir kablo haline geti rilmektedir. Kablolaştırma sırasında fiberler çeşitli plastik ve polietilen türü kimyasal maddelerle destekle nip korunmaktadır. Kablo içine yine koruyucu amaçlarla çelik, alimin yum ya da bakır tel veya şeritler de yerleştirilmektedir. Bir kablodaki op tik fiber sayısı ihtiyaca göre değiş mekte ve bu sayı bazı durumlarda 200'e kadar çıkmaktadır. Daha son ra bu kablolar ya havadan asılarak ya da toprağa gömülerek (doğrudan ya da künkler içinde) kullanılmakta dır. Denizaltına da bu kabloları yer leştirmek mümkündür. Şu anda At lantiğı geçen optik fiber kablo (TAT 8) aynı anda yaklaşık 8000 telefon konuşmasına izin verebilmektedir'2'.

Optik fiberin daha önce kullanılan bakır kablo veya mikrodalga iletişi mine karşı en önemli avantajı daha çok kanal kapasitesine sahip olma sıdır. Bir bakır kabloda aynı anda sayısal olarak 50 100 telefon gö rüşmesi yapılabilirken, mikrodalga iletişiminde bu rakam 1000 2000 ci varındandır. Oysa ki optik fiberde şu anda 1.7 Gbit/sn hızında çalışan sistemler mevcuttur ve bu da yakla şık 24.000 kanal kapasitesi demek tir. Teorik olarak bu kapasitenin mil yonlar mertebesine çıkarılması mümkündür. Bir diğer avantaj ise fi berin kayıplarının bugün çok düşük bir seviyeye indirilmiş olmasıdır. Fi berde en düşük kayıp 1.55 jam dalga boyundadır. Bir yerel minimum da

180 381 ELEKTRİK MÜHENDİSLİĞİ

1.3 u.m civarında bulunur. Bugün 1.3 u.m daha çok kullanılmakla birlikte 1.55 um bölgesi gittikçe daha popü ler olmaktadır. Halen 0.15 dB/km kaybında fiberler üretilmekte ve bu saydamlıktaki fiberlerde aşağı yu karı 200 250 km. mesafede ışık yol lanmakta ve alınabilmektedir.

2.2. Fotodiyotlar

Fiber optik alıcılarının hemen hep sinde ters gerilim uygulanmış foto diyotlar kullanılmaktadır. Bir fotodi yodun normal bir diyottan tek farkı üzerine ışık düştüğünde içinden ge çen ters akımın artmasıdır. Anlaşıla cağı üzere bir optik alıcının bu küçük akım değişikliğini algılayabilecek duyarlığa sahip olması gerekmekte dir.

Yarı iletken fotodiyotlar p i n (positi ve intrinsic negative) ve APD (Ava lanche photo diode) olmak üzere başlıca iki sınıfa ayrılırlar. Duyarlığı artırmak için kullanılan APD diyotları Zener diyotlara benzetebiliriz. APD diyotun aktif yüzeyine isabet eden bir foton, diyotta çığ çözülmesi ya ratarak birden fazla elektronun diyot ters akımına katılmasını sağlar; oy sa, p i n diyotlarda bir foton en fazla tek bir elektronun fotoalgılayıcı akı mına katılmasını sağlar. Ne yazık ki APD'lerde her foton değişik miktar larda elektron yarattığı için APD di yotların gürültüsü p i n diyotların

"Son yıllarda büyük gelişmeler kaydeden ve ticari olarak kullanılmaya başlanan optik yükselteçler gelecek fiber optik iletişim sistemlerinde önemli roller üstlenecektir.

gürültüsünden fazladır. Bir fotodiyodun duyarlığı QE (Quan tum Efficiency) veya R (Responsi vity) olarak adlandırılan parametre lerle belirlenir. QE fotoalgılayıcının etkin alanına çarpan fotonların yüz de kaçının elektrona çevrildiğini gösterir, R ise Amper / Watt cinsin den fotoalgılayıcı üzerine düşen I s.'

Watt şiddetinde bir ışık kaynağının Rl amper fotoalgılayıcı akımı yarata cağını ifade eder.

QE parametresi genellikle p i n di yotlar için kullanılır ve her zaman 1'den küçüktür. QE nin 1 olması al gılayıcının etkin yüzeyine çarpan her fotonun bir elektron yaratarak ters diyot akımına katkıda bulunması demektir.

2.3. Lazer Diyotlar ve LED'ler

Işık kaynağı olarak LED'ler sadece çok modlu fiber sistemlerinde kulla nılmaktadırlar. Tek modlu sistemle rin ön plana geçmesiyle dar bantlı lazer diyotların önemi de büyük öl çüde artmıştır. Özellikle eşevreli (coherent) alıcılı sistemlerde en yüksek iletişim hızı lazerlerin bant genişliğine orantılıdır. Son yıllarda DFB (Distributed Feedback) ve EC (Extemal Cavity) diyot lazerlerin ge liştirilmesi ile bu yarı iletken lazer lerden gaz lazerlerin bandına yakın darlıkta salım (emission) elde etmek mümkün olmuştur. Dar bantlı yarı iletken lazerler eşevreli sistemlerin yaygın olarak kullanılmaya başlan masında büyük rol oynamaya de vam edecektir.

3. DOĞRUDAN ALGILAY ICILI GÜÇ ANAHTARLAMALI (DA/GA) SİSTEMLER

Tek bir fotoalgılayıcıdan meydana gelen ve dolayısı ile ışığın sadece şiddetini algılayan1 sistemlere doğ rudan algılayıcı sistemler denir. (Şe kil 1). Basitliği nedeni ile optik fiber iletişiminin doğuşundan günümüze kadar DA/GA sistemler en yaygın fiber optik iletişim yöntemi olma özelliğini korumuştur.

Başından beri DA/GA sistemlerin en büyük sorunu alıcılarının duyarlıkları olmuştur. Tipik olarak 109 yanılgı oranını elde etmek için DA/GA sis temleri bit başına yaklaşık 150 350 foton kullanmaktadırlar. Bu da yak laşık 200 250 km dolaylarında tek rarlayıcısız en uzun fiber hat mesafesi demektir. Yeni araştırmaların başlıca hedeflerinden biri de bu tekrarlayıcı sız hat mesafesini artırmaktır.

Bilkent Üniversitesi Elektrik Elektronik Mühendisliği Mlümünde gerçekleştirilen homodin alıcı

381 ELEKTRİK "| O t MÜHENDİSLİĞİ l ö l

Eşevreli alıcıları Eşevreli alıcıların diğer grubunu

süperheterodin teşkil eden heterodin alıcılarda ise

radyolara benze yerel lazerin dalga boyu, işaret dal

tebiliriz. Bu alıcılar ga boyundan farklıdır ve girişim teri

fiberden gelen mi bu iki lazerin frekans farkına

optik işareti bün eşittir (10 1000 MHz) (Şekil 3).

yelerinde bulunan

bir lazerin ışığı ile

karıştırdıktan son

ra fotoalgılayıcı

üzerine düşüre

rek algılarlar. Da

ha sonra elektro

nik olarak fotoal

gılayıcı akımından

girişim terimi se

çilebilir, bu terim

ise optik işaretin

// J: DİREK algılamalı alıcı

düşük frekanslara

4. EŞEVRELİ ALICILAR

benzeridir.

kaydırılmış bir

DA/GA sistemleri ile elde edilebile ceğinden daha fazla duyarlığa sahip alıcılar yapmak amacı ile geliştirilen eşevreli alıcılar DA/GA sistemlerine oranla çok daha karmaşık bir yapıya sahiptirler. Bu nedenle de ticari alanda kullanılmaları beklendiğin

Eşevreli alıcıları iki ana grupta top layabiliriz; Homödin ve Heterodin alıcılar. Homodin alıcılarda alıcıda bulunan yerel lazer, optik fiberden gelen ışık işareti ile aynı dalga bo yuna sahiptir (Şekil 2).

den daha yavaş gerçekleşmiştir. Fakat, son yıllarda yarı iletken ve Nd YAG lazer teknolojilerinde elde edilen gelişmeler eşevreli sistemleri ticari alana sokmuştur.

Dolayısı ile fotoalgılayıcı akımında bulunan girişim terimi DC frekansa kaymış durumdadır. Bugüne kadar yapılan en duyarlı optik alıcı'3' Nd: YAG lazeri kullanan, evre kaydırma

(Eşevreli sistemlerin DA/GA sistem anahtarlamalı (PSK), 140 Mb/s hı lere karşı en önemli üstünlüğü ise zında bir Homodin alıcıdır ve 109

WDM'ye (VVavelength Division Mul yanılgı oranını bit başına 25 foton ile

tiplexing) daha elverişli olmasıdır, ( 62.8 dBm) elde etmiştir. Diğer çe

Heterodin alıcılar homodin alıcılara göre daha basit sistemlerdir. Bunun nedeni ise bütün eşevreli sistemler de bulunması gereken PLL (Phase Locked Loop) ünitesinin tamamen elektronik olarak ara frekans ban dında yapılabilmesidir. Homodin alı cılarda ise PLL'in tamamen optik ortamda yapılıp yerel lazerin fre kansını kontrol etmesi gerekmekte dir. Ayrıca Heterodin alıcılar daha geniş bantlı lazerler ile çalışabilirken homodin alıcılar için çok dar bantlı lazerlere ihtiyaç vardır2. Buna kar şılık heterodin alıcıların duyarlıkları, homodin alıcılara göre yaklaşık 3 dB daha kötüdür, bu kayıp iki ayrı fre kanstaki ışık huzmesinin girişimin de doğan kayıptan oluşmaktadır.

Yakın zamanlarda geliştirilen PSK modülasyonlu3 heterodin alıcıların dan örnek vermek gerekirse;*8' de 560 mB/s hızında, Nd:YAG lazerleri kullanılarak yapılan ve 10'9 yanılgı oranına ulaşmak için bit başına 159 foton kullanan ( 48.7 dBM)'9', da 4 Gb/s hızında, bit başına 631 foton ( 34.2 dBm) kullanan heterodin alı cıların ayrıntıları bulunabilir.

özellikle BISDN (Broadband ISDN)'in gerektirdiği geniş bantlı kanallar eşevreli sistemler tarafın dan ekonomik olarak karşılanabil mektedir.

şitli deneylerde aynı yanılgı oranı gene PSK modüiasyonu kullanıla rak 1 Gb/s hızında bit başına 46 fo ton i l e w , 5 Gb/s hızında bit başına 93 foton ile'5' elde edilmiştir.

5 OPTİK Y ÜKSELTEÇLER

Son yıllarda büyük gelişmeler kay deden ve ticari olarak kullanılmaya başlanan optik yükselteçler gelecek fiber optik iletişim sistemlerinde

i(t) w B2 + A{t)B

önemli roller üst lenecektir. Adın dan da anlaşıla

A{t)cosu)0t

[A{t) + B] cos(w00

cağı üzere optik yükselteçler ışık işaretini elektro

optik bir dönüşüm

yapmadan tama

men optik ortam

da yükseltirler. Bu

ise optik yüksel

B cos uiç,t

teçlere klasik tek rarlayıcılarla kar

M

şılaştırıldıklarında

B2>A2 B = Zaman içinde sabit

——

büyük avantajlar sağlar. Çünkü op tik yükselteçler ile

Şekil 2: HOMODİN alıcı

kurulmuş bir hat

182 381 ELEKTRİK MÜHENDİSLİĞİ

her türlü hız, modülasyon paket vs. değişikliklerinden etkilenmez; oysa, bu gibi değişiklikler yapıldığında klasik tekrarlayıcıların da değiştiril mesi gerekir. Günümüzde optik yükselteçler ticari olarak pazarlan maya başlanmıştır. Kazançları 35 dB veya daha fazla olan ve bant genişlikleri ise yaklaşık 35 nm'yi bu lan optik yükselteçler imal edilmiş tir.

Optik yükselteçleri yarı iletken*10"12' ve Erbuim katkılanmış'13' yükselteç ler olarak başlıca iki grupta toplaya biliriz. Yarı iletken optik yükselteçle rin çalışma prensipleri bir lazerin çalışma prensibine benzer. Gelen ışık ışını etkisel salıma (Stimulated Emission) yol açar ve gelen ışık işareti güçlendirilmiş olur. Yarı ilet ken yükselteçlerin en büyük sakın cası fiberin bu yükselteçlere bağ lanmasında ortaya çıkan çiftleme kayıplarıdır. Bu kayıplar nedeni ile yarı iletken yükselteçler Erbium kat kılanmış yükselteçler kadar başarılı olamamıştır.

Erbium katkılanmış yükselteçlerin çalışma prensibi doğrusal olmayan etkileşimlere dayanır. Yükseltme or tamı Erbium katkılanmış fiberdir. Dolayısı ile yarı iletken yükselteçler de sorun olan çiftleme kayıpları bu

S"

fr

S Zaman iç nde sabit

Şekil $: HETERODIN alıcı

"Foton anahtarfama cihazlan olarak ü/c akla gelenler bir fiberden çıkan ışığı, değişik fiberlere paylaştırmak amacıyla mekanik olarak kontrol edilen düzeneklerdir.

rada sözkonusu değildir4

Erbium katkılanmış fiberin içine yükselteçte bulunan ve dalga boyu, sinyal dalga boyundan değişik olan bir pompa lazerin ışını ile işaret ışını birlikte girerler ve iki ışık huzmesi arasındaki etkileşim sayesinde sin yal huzmesi güç kazanmış olarak yükselteci terk eder (Şekil4).

6. FOTON

ANAHTARLAMASI

Foton anahtarlama cihaz

ları olarak ilk akla gelenler

bir fiberden çıkan ışığı, de

ğişik fiberlere paylaştırmak

amacıyla mekanik olarak

kontrol edilen düzenekler

dir. Anahtarlama hızları mekanik ta sarımla sınırlı olup, milisaniyeler mer tebesindedir.

Bunu daha hızlandırmak için meka nik düzenek yerine elektro optik kristal kullanılarak elektronik kontrol uygulanmaktadır. Burada, uygula nan elektrik sinyali ile kristalin kırıl ma indisi değiştirilmekte ve bu da gelen ışığın başka bir yöne kaydırıl masında kullanılmaktadır. Tabii ki en hızlı optik anahtarlama cihazı, optik olarak kontrol edilebilendir. Böyle cihazlarda da kırılma indisi kuvvetli ışık sinyali ile değiştirilebilen malzemelerden yararlanılmakta, malzemenin optik geçirgenliği bu şekilde kontrol edilmektedir*14'. Bü tün bu cihazlar birden fazla girişi ve çıkışı olan sistemler için bir matris halinde genişletilmektedir. Burada, değişik kaynaklardan gelen ışık sin yallerinin güçlerinin eşitlenmesi, eş zamanlı kılınması, matristen çıkar ken de kayıplarının eşitlenmesi gibi sorunların halledilmesi gerekmekte dir. Bugün, bu gibi sorunlar, elekt ronik teknolojisinde çok küçük yer kaplayacak tümleşik devrelerle hal ledildiği halde, optik alanında hala büyük ve kullanışsız düzeneklerle yapılabilmektedir.

Optik iletişim ortamı olan fiberin çok yüksek bir taşıma kapasitesine sa hip olması, gelecekte böyle bir şe bekenin düğüm noktalarının da ol dukça hızlı çalışmasını gerektire cektir. Bu hızların şimdiki elektronik teknolojisinin sınırlarının üzerine çıkması, doğal olarak tamamen op tik bir foton anahtarlama sistemini gerekli kılmaktadır.

7. SONUÇ

Bu yazımızda, kabaca optik fiber iletişim teknolojisi hakkında bir fikir

Pompa

Erbium Katklanmış Fiber

A2 Pompa

Şekil4: ERBİUM katlılanmış optik yükselteç

Sinyal

381 ELEKTRİK | O ' ] MÜHENDİSLİĞİ İ O J

vermeye çalıştık. Teknolojinin, tek modlu fiberler, eşevreli sistemler ve foton anahtarlaması kullanılarak yüksek kapasiteli kanalların ekono mik olarak kullanıcıya ulaştırılması yönünde gelişmesi beklenmektedir.

DİPNOT

Işığın genliği ile evresini algılamak sadece eşevreli sistemler ile müm kündür. Heterodin alıcılarda lazerin maksi mum bant genişliği 2 x 10"3x (bit/s)

[6], Homodin alıcılarda ise 10* x (bit/ s)dir[7].

Eşevreli alıcılar ışık sinyalinin hem genliğini hem de evresini algılaya bildikleri için klasik iletişim teorisinde uygulanan tüm modülasyon tiplerini kullanabilirler Biz bu kısa yazıda karşılaştırmaya olanak sağlamak için sadece PSK modülasyonu kul lanan homodin ve heterodin aıcılar dan bahsediyoruz. Günümüzde tek modlu fiberden tek modlu fibere yapılan çiftlemelerdeki kayıplar 0.2 dB'nin altındadır

KAYNAKLAR (1) CCITT Blue Book, Recommendati ons G 651, G. 652, G. 653, G. 654., Melbourne, 1988 (2) VV.B. Jones Jr., Optical fiber Com

munication System, Holt. Reinholt and VVİnston Inc., New York, 1988.

(3) D. A. Atlas ve L.G. Kazovsky, An optical PSK Homodyne Trans mission Experiment using 1320 nm Diode Pumped Nd: YAG La sers IEEE Photon. Technol. Lett, Vol. 2, No. 5, pp. 367 370, Mayıs 1990.

(4) J.M. Kahn. B.L Kasper ve K.J. Pol lock, Optical Phaselock Receiver with Multi Gigahertz Signal Bandwidth, Electron. Lett., Vol. 25, Mayıs 1989.

(5) S. Norimatsu, K. Ivvashita, K. Şato, PSK Optical Homodyne Detection Using Ex ter nal Cavity Laser Dio de in Costas Loop, IEEE Photon. Technol Lett., Vol. 2, No. 5, pp 374 376, Mayıs 1990 (6) L.G. Kazovksy, Peıiormance Analysis and Laser Linewidth Requirements for Optical PSK Heterodyne Communication Systems, J. Lightvvave Tech., Vol. 4, No. 4, pp. 415 425, 1986 (7) L.G Kazovsky, Balanced Phase Locked Loops for Optical Ho modyne Receivers, J. Lightvvave Tech., Vol 4, No. 2, pp. 182 195, 1986.

(8) L.G. Kazovsky, DA Atlas, 560 Mb/ s Optical PSK Synchronous He terodyne Expehment, IEEE Pho

ton. Technol. Lett., Vo. 2, No. 6, pp. 431 434. Haziran 1990.

(9) L.G. Kazovsky, D.A. Atlas, R. W. Smith, Optical Phase Locked PSK Heterodyne Experiment at 4 Gb/ s, IEEE Photon. Technol. Lett., Vo 2, No. 8, pp. 588 590, Ağustos 1990.

( 1 0 ) J C Simon, GalnAsP Semicon ductor Laser Amplifiers for Single Mode Fiber Communica tions, J. Lightvvave Tech., Vol 5, No. 9, pp. 1286 1295, 1987.

(11) M.J. O'Mahony, Semiconductor Laser Optical Amplifiers for Fu ture Fiber Systems, J Lightvvave Tech., Vol. 6, No. 4, pp 531 544, 1988.

(12) T. Saitoh ve T. Mukai, Recent Progress in Semiconductor La ser Amplifiers, J Lightvvave Tech., Vol. 6, No.11, pp. 1656 1664, 1988.

(13) P. Urquat, Review of Rare Earth Doped Fiber Lasers and Amplifi ers, Proc. IEE , Part J, Vol. 135, No.6, pp. 385 407, 1988 (14) S.D. Personick, Photonic Switc hing: Technology and Applicati ons, IEEE Communications Ma ganize, Vol. 25, No 5, Mayıs 1987.

PROF. DR. ADNAN ATAMAN

Odamız 423 sicil no'lu üyesi Prof. Dr. Adnan ATAMAN'ı kaybettik.

184 381 ELEKTRİK MÜHENDİSLİĞİ

BÜLENT EPİR

ODTÜ Bilgisayar Mühendisli ği eski bölüm başkanlarından

Bülent EPİR'İ kaybettik.

ENVER TÖRELİ

Odamız 491 sicil no'lu üyesi Enver

TÖRELl'yi kaybettik.