Fiber Optik Malzemeler

Yıldız etkin değilYıldız etkin değilYıldız etkin değilYıldız etkin değilYıldız etkin değil
 

Haberleşme amaçlı optik fiberler, özellikler camdan dielektrik malzemeden yapılırlar. Yüksek silikalı camlar şimdi çok bileşenli camlar terk edildiğinden, rakipsizdirler. Silika olmayan oksit camlar ve oksit olmayan camlar incelemeye devam edilmektedir.

Haberleşme amaçlı optik fiberler için, malzemenin sahip olması gereken temel özellikler, kullanılan spektral bölgede mükemmel şeffaflık, kimyasal etkilere direnç, iyi kararlılık, iyi mekanik özellikler, düşük fiyat ve endüstriyel işlemlere iyi uyumluluktur.

CAMLAR
Şimdilerde haberleşme amaçlı kullanılan bütün optik fiberler camsı malzemelerden yapılır. Hatta yakın gelecekte ümit vadeden malzemeler bile camsı malzemelerdir. Camsı durumu tanımlamak kolay değildir. Cam olmayan şeyi tanımlamak veya bir camı elde etmede kullanılan işlemi tanımlamak daha kolaydır. Bu münasebetle, bir cam, amorf (yani, kristal halde olmayan) bir malzeme olarak göz önüne alınır veya alternatif olarak, kristalleşmeye başlayacak yeterli zaman bulunamayacak kadar hızlı bir şekilde soğutulan bir sıvı olarak kabul edilebilir. İkinci tanımlama, cam üretmede kullanılan pek çok metottan sadece birini belirler.

Kompozisyon, bir camın özelliklerini tanımlamak için yeterli değildir, çünkü, cam, temel ve mekanik bir sürecin sonucudur ve özellikleri bu sürece bağlıdır. Farklı süreç parametreleri kompozisyonları aynı olsa bile farklı malzemeler oluşturur, pek çok durumda, farklar önemli derecededir. Bu yüzden, hızlı soğutma süreçleri, daha yavaş soğutma ile elde edilen camlardan daha düşük yoğunlukta, atomlar arası mesafe daha fazla, düşük kırılma indisli düşük viskoziteli camlar meydana getirir.

Fiktif sıcaklığı (Tf) kavramı camın bütün özelliklerini, camın geçmişine bakmaksızın tek bir temel parametreye bağlamak için bir girişimdir. Böylelikle basit olarak fiktif sıcaklığı, yapısal değişim olmaksızın camın termal dengeyi bulduğu sıcaklıktır denilebilir. Gösterilmiştir ki, aynı kompozisyona sahip camlar, iç yapıları farklı olsa bile aynı kırılma indisine ve aynı fiktif sıcaklığına sahip olabilir. Böylece şu sonuca varılır ki Tf, camın durumunu temsil edemez.

Bu noktaya kadar, bir cam daima homojen bir malzeme olarak göz önüne alınmıştır ve homojenlik özelliklerin izotropisini içerir. Yoğunluk ve kompozisyondaki dalgalanmalar bu görüşe ilk aykırılık olarak gözükür. Fakat cam yapım tekniğinin geçmişinde önemli bir bölüm, camsı yapının bozulmasına (devikrifikasyon) ayrılmıştır, burada bu terim (devikrifikasyon) bir camsı yapıyı etkileyen bütün değişimleri ihtiva eder. Camsı yapının bozulması, faz ayrışması yani kristalleşme demektir. Kristalleşme sıcaklığı   , erime noktası ile cam geçiş noktası  arasındadır. değişim aralığı genellikle birkaç dereceyi geçmez ve bu yüzden  ’de gibi, genellikle belirli bir sıcaklık olarak alınır.

Yeterince yüksek sıcaklıkta tutulan bir camın, çoğu kez, belli derecede camsı yapıdan ayrılma gösterdiği bulunmuştur, bu ayrılmanın şiddeti gözleme zamanı ile artar ve  -   arttırıldıkça azalır. Bu yüzden      çoğu kez cam kararlılığının bir göstergesi olarak kullanılır. Oda sıcaklığında kullanılmak istenen camlar için   niceliği daha önemli olarak gözükmektedir; çünkü  ’e ek olarak,   ve  ’nin sıfırdan olan uzaklığını da hesaba katar.   Silika camlar için alandan çok daha ciddi devitrifikasyon problemine sahip malzemelerden olan çeşitli florlu camlar için kararlılık indisleri   gösterilmiştir.

Devitrifikasyon olayı oldukça karmaşık bir olaydır ve özellikle birden fazla elemanlı camlar için tam olarak açık değildir.

1- YÜKSEK SİLİKALI CAMLAR
Çok düşük kayıplı optik fiberler, şimdiye kadar yüksek silika içerikli camın sentezlenmesiyle elde edilmiştir. Bu camları tanımlamak zordur; çünkü, onları çok bileşenli camlardan ayırt eden hiçbir kesin kompozisyon yoktur. Silika temel elemandır, bu elemana diğer oksitler eklenir; böylelikle onun kimyasal ve fiziksel özellikleri uygun şekilde değişir. Sonuç olarak, silikadan başka oksitlerin oranı yükseldikçe, camın davranışı, geleneksel çok elemanlı camlarınkine daha çok benzer.

Cam çekme sıcaklığı, bu iki sınıfın arasını en iyi ayıran parametredir. Çekme sıcaklığı 800 ve 1200   arasında olan fiberler, çok elemanlı cam fiberler olarak adlandırılır; çekme sıcaklığı yaklaşık olarak 2000  ’ye ulaşanlar ise yüksek silikalı cam fiberler olarak adlandırılırlar. Yüksek silikalı cam fiberler için, özdeki silika oranı, çok modlu fiberlerde %85’den, saf silika özlü tek modlu fiberler için %100’e kadar değişebilir.

Kompozisyonu oluşturmada kullanılacak olan diğer bileşikler, böylece nispeten düşük oranlarda kullanılırlar ve katkı (dopont) olarak adlandırılırlar. Yüksek silisyumlu camların özellikleri, bu yüzden silika camlarınkine çok yakın olur. Kimyasal özellikleri bakımından, silika cam, normal olarak, iyi bir malzeme olarak görülebilir. Sonuç olarak bu cam, hasar verebilen ve bozabilen ürünlerle temasa karşı korunmalıdır.

Diğer taraftan -50  ’den 70  ’ye kadar olan sıcaklık aralığında silika camın kararlılığı dikkate değer. Tablo 5.1 camsı silikanın ana fiziksel parametrelerini göstermektedir. Fiziksel özellikler takımı (mekaniksel ve özellikle optik alanlar) yüksek silikalı camı, haberleşme optik fiberleri için en uygun malzeme haline getirmektedir.

2- OKSİT CAMLAR (ÇOKLU-OKSİT CAMLAR)
İlk modern optik fiberler oksit camlarla yapılmıştır. Bu fiber, yine de yüksek zayıflamaya sahipti (600 dB/km) ve geleneksel oksit camlardan oluşmuştu; fakat geleneksel olmayan bir işlemle elde edilmişti. Haberleşme optik fiberlerine ait araştırma, çeşitli katkılara sahip camsı silikaya doğru kaydı, bunun sebebi, hem 20 dB/km’nin altında zayıflamaya sahip ilk fiberin yüksek-silika tipli olması ve hem de külçe halindeki camlar üzerinde yapılan ölçmelerin, camsı silikanın, en iyi çoklu oksit camlardan daha geçirgen olması tezini doğrulamalıdır.

Zayıflatma mekanizmalarının (özellikle saçılma) daha iyi anlaşılması, ilgi tekrar oksit camlara yöneltmiştir. Bu camlar silika camdan daha düşük cam geçiş sıcaklığına (Tg) sahiptirler ve bu yüzden daha düşük öz inçli saçılma kayıpları vardır. Bazı oksit camlarda ölçülen saçılma kayıplarının, camsı silika için olanda daha düşük olacağı etkin şekilde bulunmuştur. Ancak, tozlarda başlayarak oldukça sert camlar elde etmekteki zorluklar, yüksek-silikalı işlemlerin, düşük-silikalı oksit camları pratik olarak dışlayan bir ölçüde, endüstriyel seviyede kabul etmesini sağlamıştır.

Çok bileşenli cam optik fiberler genellikle ve karbonatlardan başlayarak üretilirler. SiO , GeO , B O , Na CO , K CO  ve BaCO  hazırlama yöntemi reaktantların saflaştırılması veya sentezlenmesi ile başlar, reaktantlar daha sonra karıştırılır ve bir cam oluşturmak için füzyona getirilir. En yaygın kullanılan cam tipi, sodyum borosilikattır. Cam kararlılığını, mekanik dayanımı ve difüzyon-ilişkili zayıflamayı iyileştirmek ve erime noktasını düşürmek için diğer kompozisyonlar da incelenmiştir. Soda kireç silikat camlarda, soda-aliminosilikat camlarla ve alkali-germanosilikat camlarla da iyi sonuçlar elde edilmiştir.

Kesin olarak, değiştirilebilen kompozisyonları yüzünden, birçok elemanlı camlar optik fiberler hazırlamak için ihtiyaç duyulan optik, mekanik ve kimyasal özellikler elde etmek için geniş bir imkanlar sahası sunar. Ancak, az veya çok kirlenmiş tozlardan başlayan bu gelişmemiş hazırlama yöntemi ve malzeme saflığını koruyan bir fiber hazırlama işleminin yokluğu, yüksek kaliteli fiber üretimini engellemiştir.

Bu malzemeler hala, çoğunlukla kısa mesafede ‘’birinci-pencere’’ de çalışma veya SELFOC yöntemiyle elde edilen GRIN optik fiberler için, düşük maliyetli fiberler elde etmede kullanılmaktadır. Optik kızılaltına (2-20 µm) kaydırılmış dalga boylarında çalışan optik fiberler geliştirmek için, şimdilerde ağır metal oksit camlar incelenmektedir. Uygun kompozisyonlar, La O , Ga O -SrO, Sb O , Bi O , CaO-Al O , TeO  ve GeO  esaslıdırlar. Son ikisinden fiberler çekilmiş ve karakterize edilmiştir. Bu camların hazırlanmasında VPP yöntemleri kullanılabildiğinden çok ilgi çekicidir.

3- HALOJEN CAMLAR
1960’ların başında IR Linfaredl görüntüleme demetleri için orta kızılaltı (MIR) bölge için imal edilmişti. 1970’den bu tarafa, silika fiberlerle elde edilen çabuk ve cesaret verici sonuçlar, diğer malzemelere olan ilgiyi yok etmiştir. Son yıllarda yeni malzemelere yönelen araştırmalar, zayıflatmada daha fazla azalma elde etme ümidiyle yeniden başlamıştır. Hala, Pasifik veya Atlantik okyanusunu tekrarlayıcı kullanmadan geçerek haberleşme imkanı sağlayacak olan aşırı düşük kayıplı fiber hayali vardır.

İncelenen malzemelerin geçirgen (şeffaf) olduğu dalga bölgesi kızılaltı gölgedir. Kızılaltı dalga boyu bölgesi Tablo 4.2’de gösterildiği gibi alt kısımlara bölünür. Bu muhtemel ikinci nesil fiberler için aday malzemeler camsı yapıdadır. Camsı malzemeler arasında, en ümit verici olan, metal halojenleri olarak gözükmektedir.

4- ÇİNKO KLORÜR CAMLAR
1925’lerde C.G.Marer, Çinko klorürün cam haline gelme kapasitesinden bahseder. Ancak elde edilen cam, optik özellikleri mükemmel olduğu halde, kararsız ve oldukça hijroskopiktir (yani, genellikler iletim özellikleri, su buharının soğurulmasıyla önemli derecede etkilenen malzeme).

5- BERİLYUM FLORÜR CAMLAR
Berilyum florür tabanlı camlar (BeF ) Gold Schmit ve arkadaşları tarafından keşfedilmiştir ve sonra K.H.Sun ve arkadaşları tarafından karakteristikleri incelenmiştir. Morötesinden kızılaltına uzanan yüksek geçirgenliğe ek olarak, bu camların en ilginç özellikleri düşük kırılma indisi ve düşük kromatik dispersiyondur. Bu özellikler, özellikle, kendi kendine odaklanma problemini azaltan düşük nonlineer kırılma indisi, bu camları yüksek enerjili lazerler için uygu hale getirmektir.

Bunların düşük zayıflatması ve oksit camlardan daha uzun dalga boylarına (4,5 uzanan iletim penceresi , bu  malzemeleri, hem üçüncü pencerede hem de MIR bölgesinde çalışan optik fiberler için ilginç hale getirmektedir. Berilyum florür oldukça zehirleyici ve hijroskopiktir; bu yüzden bu konudaki araştırma çalışmalarının cesaretini kırmıştır.

6- ALÜMİNYUM FLORÜR CAMLAR
K.H.Sun ayrıca alüminyum florlu (AlF ) camlarda elde etmiştir. Bunlar kızılaltı bölgede geçirgendirler fakat çekme sırasında cam yapının bozulması problemi vardır ki, hiçbir kristal oluşumu olmayan fiberler üretmeyi zorlaştırır.

7- AĞIR METAL FLORÜR CAMLAR
1975’de, şimdi kızılaltında iletim fiberleri için en ümit verici malzemeler olarak gözüken,  ağır metal florür camları (HMFG) J.Lucas ve M.Ponlain tarafından keşfedilmiştir. Özellikle ilgilenilenler, ana eleman olarak (%50 ve %70 mol arasında) zirkonyum florür (ZrF ) veya hatniyum florür (HfF ), modifikatör olarak (%20 ve %3 mol oranında) baryum florür (BaF ) ve stabilazör olarak alkali metallerin, geçiş metallerinin, nadir toprak elementlerinin veya aktinidlerin bir veya daha çok florürlerini ihtiva eden kompozisyonlardır.

Bu camlar, 3-4 µm arasında   dB/km’lik minimum zayıflama vererek, yakın UV’den (yaklaşık 0,3 µm) orta IR’ye (8 µm civarı) kadar uzanan geniş bir geçirim penceresiyle karakterize edilirler. Bu durum bunları, lazerler, mercekler, filtreler ve tabii olarak optik fiberler için geliştirilen pencereler için çok ilgi çekici yapar. Bu camların kırılma indisi, bileşikler eklenerek değiştirilebilir; bu işlem ayrıca camın kararlılığını da arttırır.

8- FLORÜRDEN BAŞKA HALOJEN CAMLAR
KCl-BCl3, AgCl, AgBr, AgI ve PbBr esaslı camlar (camlaşma bölgeleri bilinmese de ve özellikleri ile ilgili çok az yayın olsa da) geliştirilmişlerdir. Muhtemelen flozikonatlara alternatif olabileceklerinden CdF2 esaslı camlar üzerinde bir ilgi vardır.

KALKOJEN CAMLAR
Kararlı camlar, sülfürler, selenürler ve tellürler gibi kalkojen karışımlarından da oluşabilirler. En çok dikkati çeken camlar: Ge-S, As-S, As-Se, Ge-As-Se ve Ge-As-Te 2,4 µm’lik bir dalga boyunda 35 dB/km’lik en düşük zayıflatma seviyesi olan fiberler As-S camlardan yapıldı. Bazı sülfürler için 4-6  µm dalga boyu bölgesinde   dB/km’lik bir teori zayıflatma hesaplanmıştır. Bu malzemelerin mekanik özelliklerinin çok iyi olmaması yüzünden, diğer uygulamalar için ümit verici olabilseler de, haberleşme uygulamaları için genellikler göz önüne alınmazlar.

KRİSTALLER
İyi kalitede bir kuartz kristalinde, saçılma değerleri, en iyi camsı silkanınkinden 15 kez daha düşük olabilir. Kristal KCL için  dB/km’lik bir zayıflatma hesaplanmıştır. Kristal fiberler elde etmek için çalışmalar yapılmıştır. Ancak, öz-yelek ara yüzeyindeki saçılma kadar, çok yavaş üretim yöntemlerinde, kristal fiberleri haberleşme uygulamarı için genellikle uygun olmaktan çıkarmaktadır. Aynı şey çoklu kristal fiberler içinde geçerlidir, bunlar edilemez ışık saçma değerleri göstermektedir.

PLASTİKLER
Silika esaslı optik fiberlerin uzak mesafe haberleşme amaçları için en yaygın kullanılmalarının yanında, ek yapma sırasındaki zorluklar ve kırılganlığı sebebiyle de dezavantajları vardır. Kua ve orta mesafedeki haberleşmeler için yüksek kayıplı fakat kolay kullanımlı fiberler kullanılabilir. İşte plastik fiberler bu tür fiberlerdir. Plastik fiberleri kendi içinde ikiye ayırabiliriz. Plastik yelekli silika fiberler veya plastik yelekli optik fiberler (PCOF) ve Tamamen Plastik Fiberler (POF).

PCOF Fiberler, çoğu kez camsı silika olan bir camöze ve genellikle silikon elastomer olan daha düşük kırılma indisli yeleğe sahiptirler.PCOF fiberler genellikle, 850 nm’de bulunan birinci pencerede kullanılırlar; bu dalga boyunda zayıflatmaları 5-8 dB/km’dir. Bu kayıp cam fiberinkinden daha yüksektir ve optik gücün bir kısmın taşıyan yüksek kayıplı plastik yelek yüzündendir. PCS’ler deki soğurum mekanizmaları cam fiberlerdekine benzerdir; bununla beraber, yelek malzemesi olarak düşük indisli plastik kullanıldığı zaman, yüksek NA’lı fiberler elde edilebilir.

Silikon elastomerin üç ana kusuru vardır; önemli derecede plastiği konnektör uygulamalarını zorlaştırır; yapıştırılarak bağlama imkansızdır. Ve pratik olarak organik çözücülerde çözülmezler. Bu sıkıntılar bu malzemeyi sevimsiz hale getirir. Bağlantı uygulamalarındaki güçlüklerinden dolayı silikon elostomer yelek yerine, sert yelekli silika (HLS) fiberler yapılmıştır. Bu fiberlerde yelek malzemesi perfloro-akoksi polimer (PFA) dır. Bu fiberler 5,2 GPa’lık gerilme dayanımına, nem ve radyasyona karşı iyi dirence sahiptirler.

PCS fiber tasarımı basamak indisli profille sınırlıdır, bu da düşük veri hızı doğurur. Zayıflatmaları, tamamen plastik fiberler kadar yüksek olmadığından, PCS’ler orta mesafeli haberleşmeler için kullanılabilirler. Plastik fiberlerin temel zafiyeti önemlidir. En yaygın kullanılan plastiklerde, 80   - 100   arasındaki sıcaklıklarda, optik kayıplar kadar mekanik güvenilirlik gibi polimer yapısında değişimler söz konusu olabilir.

Türkiyede Telekominikasyon

23 Ekim 1840: Bugünkü Türk Telekom’un Postahane-i Amirane adıyla Sultan Abdülmecit tarafından atıldı. 9 Ağustos 1847: İlk telgraf alma-çekme işleminin başarıyla gerçekleştirilmesi üzerine ilk telgraf hattının İstanbul-Edirne arasında döşenmesine başlandı...

Fiber Optik Malzemeler

Haberleşme amaçlı optik fiberler, özellikler camdan dielektrik malzemeden yapılırlar. Yüksek silikalı camlar şimdi çok bileşenli camlar terk edildiğinden, rakipsizdirler. Silika olmayan oksit camlar ve oksit olmayan camlar incelemeye devam edilmektedir.

Fiber Optik

Bilgi iletişiminin tarihi oldukça eskiye dayanır. İlk çağlar da insanlar ateş yakarak iletmek istedikleri bilgiyi bir tepeden bir başka tepeye aktardılar. Işık kullanılarak yapılan bu ilk haberleşmede insanoğlu belki de...

    Yusuf Gökçe

    'Yusuf GÖKÇE Blog' Teknoloji'nin her dalından hayatımızı kolaylaştıran buluşların kısa ve öz teknik bilgileri bu portalda olacak...

    Bizden Makaleler

    © 2025 Yusuf Gökçe. Elektrik, Elektronik, Bilgisayar, Otomasyon, Telekominikasyon...

    Arama