Optik fiberler ile ilgili Türkçe kaynak azlığından dolayı, burada bazı temel bilgileri soru-cevap şeklinde ele aldık. Aklınıza takılan sorular olursa sosyal medya hesaplarımız üzerinden (Twitter ve Instagram) veya e-mail ile (cflunam@gmail.com) bize iletebilirsiniz.

Optik fiber nedir?

Optik fiberi basit olarak tanımlamak istersek, ışığın iki nokta arasında iletimine yarayan lif diyebiliriz. Aslında optik fiberi, Türkçe’de optik lif olarak da isimlendirebiliriz. Fakat optik kelimesini, yabancı dillerden ödünç alırken fiber kelimesini de almayı ihmal etmemişiz ve günümüzde yaygın olarak bu adı tercih etmişiz. Peki optik fiber, ışığı ne amaçla iletiyor? Bu aydınlatma da olabilir, görüntüleme de, haberleşme de. Ama, Dünya’da optik fiberlerin en sık kullanıldığı alan, haberleşmedir. Kıtalararası iletişimin %99’u okyanusların tabanlarına serili fiberler sayesinde sağlanmaktadır.

Evlerimize ve işyerlerimize yüksek hızlı interneti getiren optik fiberler, silika camdan yapılmaktadır. Bunun yanında, fiberler dekorasyon amaçlı aydınlatma elemanlarında, hastanelerde vücut içini görüntüleyen cihazlarda veya ameliyatlarda zararlı dokuları yakan/kurutan lazerlerde de sıklıkla kullanılmaktadır. Fiberler, yapı olarak üç bölümden oluşur: çekirdek, kaplama ve koruyucu tabaka. Çekirdek ve kaplama camdan; koruyucu tabaka da polimer malzemelerinden üretilir. Aşağıdaki şekilde bir fiberin 3 boyutlu kesit alanı görülmektedir.

Fiberlerde ışık, çekirdek bölgesinden iletilir. Burada Kaplama bölgesi ışığın çekirdek bölgesinde tutulması için önemlidir. Koruyucu tabaka da adı üzerinde, cam fiberi dış etkilerden korur. Yukarıdaki görülen optik fiberde çekirdeğin kırınım indisi (n1) kaplamanın kırınım indisinden (n2) büyüktür. Bu fark ışığın iletiminde kilit rol oynamaktadır.

Fiberlerin kullanım alanlarına göre birçok çeşidi mevcuttur. Haberleşme için en sık kullanılan fiberleri, tek modlu, çok modlu ve kademeli indis çok modlu olarak isimlendirebiliriz. Bu üç tür fiberin çapları da aşağıdaki verilmiştir. Kıyaslama açısından insan saçının çapı, yaşadığımız bölgeye göre 40-120 mikrometre (um) arasında değişmektedir. Yani, evimize yüksek hızlı interneti getiren optik fiberler, aslında saçımız kalınlığında!

Peki, neden optik fiberler 125 um çapındadır?

1970’lerin başlarında, Corning Cam Firması’nın laboratuvarlarında, Peter Schultz, Donald Keck and Robert Maurer’dan oluşan, ufak bir ekip ilk düşük iletim kayıplarına sahip optik fiberi üretmek için çalışıyorlardı. Ekip yaptıkları çalışmalarda, önce 50 ve 250 um çaplarında fiberler üretmişlerdi. Bu fiberlerden 50 um çaplı fiberler, makaralara sarılırken sıkışma problemi yaşamış. 250 um çaplı fiberler de kalın gelip, sarılma esnasında kırılmış. Ekip 250’nin yarısı olan 125 um çapı denemiş. Tam uymuş ve bu yüzden 125 um fiber üretmeye başlamışlar. Bugün hala standart fiber çapı olarak 125 um kullanılmaktadır.

Silikadan başka malzemeden de fiber üretilebilir mi?

Fiber üretiminde en sık kullanılan malzemeler, camlar ve polimerlerdir. Camlar ise silika, florür, kalkojen camlar gibi alt gruplara ayrılır. Silika (SiO₂), haberleşme için kullanılan fiberlerin üretiminde başrolü oynar. Florür ve kalkojen camlar ise silika camların kullanılamadığı kızılötesi bölgede ışık iletiminde kullanılmaktadır.

Polimerden üretilen fiberler ise kısa mesafeli haberleşme ağlarında ve silika fiber ağların son kısımlarında yaygın olarak kullanılmaktadır. Bunun sebebi polimer fiberlerin darbe, ezilme, eğilme gibi mekanik etkilere silika fiberlere göre daha dayanıklı olmasıdır. Peki neden bütün haberleşme ağında polimer fiberler kullanılmamaktadır? Çünkü polimer fiberler silika fiberlere göre daha yüksek iletim kayıplarına sahip olduğundan dolayı iletim hattının genel maliyetini çok yükseltmektedir. Bu yüzden, sadece kısa mesafeli veri iletimi için kullanılmaktadır.

Bunların yanında, yarıiletken malzemelerden üretilen fiberler de mevcuttur. Bu malzemeler genellikle kristal yapıda olup, teorik kayıpları silika fiberlere göre daha düşüktür. Silisyum, germanyum, çinko selenyum gibi malzemelerden üretilen fiberler kızılötesi ışık iletimi için önerilir. Yarıiletken fiber geliştirme çalışmaları devam etmektedir.

Fiberler nasıl üretilir?

Basit bir cevap istersek: camı ısıtarak hem de çok ısıtarak. Fiber üretiminde temel prensip makro boyutta tasarlanan fiber önkalıbını, ısıl işlemler ile çekirdek/kaplama çaplarının oranı koruyarak mikro boyutlara indirmektir. Fiber üretimi için ilk olarak önkalıp tasarlanır. Evlerimize interneti ulaştıran fiberi ele alırsak, yüksek saflıktaki bir cam borunun içi kimyasal buhar biriktirme yöntemi ile farklı element(ler) ile kaplanır. Kaplama işleminin devamında vakum altında ısı yardımıyla bu borunun içe çökmesi ve sonuç olarak da bir çubuk haline döner. Daha sonra bu hazırlanan önkalıp, dikey olarak ortası boşluklu bir yüksek sıcaklık fırınına daldırılır. Fırın 2000°C’nin üzerinde sıcaklıklara ulaştığında önkalıbı oluşturan camın, camsı geçiş sıcaklığını çoktan aşmış ve işleme sıcaklığına ulaşmış vaziyettedir. Cam çubuk sıcaklığın etkisi ile belirli bir noktadan incelmeye yani boyun vermeye başlar. Boyun veren noktadan aşağısı kesilip incelen cam çekilmeye başlanırsa, fiber elde edilir. Çekilen fiber önce koruyucu bir polimer tabaka ile kaplanır sonra da makaralara sarılır.

Fiber üretmek basit midir?

Tabii ki de hayır. Üretim sıcaklığının birkaç bin derece olduğu bir sistemde 24 saat fiber üretildiğini düşününce, işin içine bir miktar karmaşıklık giriyor. Mesela fiber çekilirken fırının sabit bir sıcaklıkta tutulması gerekiyor Bu sıcaklık ise 2000°C olunca aynı hassasiyeti sağlayabilmek için gelişmiş bir kontrol mekanizması işin olmazsa olmazlarındandır. Fiber çekilirken hızda değişim olursa fiberin çapında oynamalar olabilir. Bu da fiberin kayıplarını arttıran bir etkidir. Üretim esnasında sabit hızla fiberi çekmek elzemdir. Önkalıp üretilirken yapılan kimyasal buhar biriktirmede, sıcaklık ve kimyasal bileşen miktarının iyi ayarlanması ve istenilmeyen malzemelerin fiber içine girmemesi çok önemlidir. Ayrıca kimyasal buhar biriktirme için kullanılan gazların birçoğu zehirli ve/veya yanıcı olduğundan işleme ilave bir karmaşıklık getirmektedir. 2000°C ise birçoğumuzun hayatında yakınından bile yürümeyeceği seviyede yüksek olunca ve içine girecek herhangi bir canlı organizmayı yakıp kül edeceğinden dolayı özel önlemler gerektirmektedir.

Camlar katı mıdır sıvı mıdır?

Camsı geçiş sıcaklığının altında katı; üzerinde ise sıvıdır. Camlar kristal yapıda olmadığından dolayı demir, alüminyum, silisyum gibi kristal malzemelere kıyasla doğrudan tek bir sıcaklıkta erimezler, camın erimesi daha yavaş oluşan bir olaydır. Camlar ısıtılınca yumuşarlar, yani viskoziteleri düşmeye başlar ve camsı geçiş sıcaklığının üzerinde yerçekimi etkisiyle şekil değiştirmeye başlarlar. Fakat viskozitesinin 1 mPa.s’ye ulaşması yani suyun oda sıcaklığındaki viskozitesine ulaşması için camsı geçiş sıcaklığının çok üzerine çıkılması gerekmektedir.

Peki camlar, genel olarak amorf malzemelerdir, düzenli bir yapıya gelebilirler mi? Evet, belirli ısıl işlemler uygulanarak kristal forma sahip olabilirler. Mesela silikanın amorf hali, kaynaşık (fused) silika, ve kirstal hali, kuartz, farklı ısıl işlemlerle oluşmaktadır. Bunun yanında günlük hayatta içli dışlı olduğumuz birçok cam, amorf yapıdadır. Aşağıdaki mısır fotoğrafları, kristal ve amorf yapıyı anlayabilmek için güzel bir analoji oluşturmaktadır. Soldaki mısır, amorf yapıya; sağdaki ise kristal yapıya güzel birer örnektir.

Bu, fotoğrafı aşağıdaki şemada verilmiş amorf ve kristal silikalar ile kıyaslayarak daha net anlayabiliriz.

Yapısal fiberler nedir?

Optik, fiberlerin kullanım alanlarından sadece birisini oluşturmaktadır. Fiberlerin bir diğer önemli kullanım alanı da kompozit malzemelerdir. Kompozit malzemeler en az iki farklı malzemenin makro boyutlarda beraber kullanılması ile üretilen ve kullanılan malzemelerin özelliklerinin bir arada barındıran gelişmiş malzemelerdir. Örnek vermek gerekirse, cam, gevrek bir malzeme olduğu için darbe dayanımı düşük bir malzemedir fakat çekmeye karşı da güçlüdür. Bunun yanında polimerler genel olarak sünek bir malzemedir bu yüzden darbelere karşı dayanıklıdır fakat çekmeye karşı dayanımları düşüktür. Bu iki malzeme, bir arada kullanılarak hem darbeye dayanıklı hem de yüksek çekme kuvvetine sahip yeni bir malzeme oluşturulur. Cam elyaf kompoziti de cam fiberin ve polimer reçinenin bir arada kullanılmasıyla üretilen bir malzemedir. Rüzgar türbini kanatları, araba gövde parçaları, yat ve tekne gövdeleri, uçakların çeşitli parçaları kullanılan alanlardan sadece bazılarıdır.

Yapısal fiberler ile optik fiberlerin farkları nelerdir?

Fiberlerin bu iki kullanım alanı arasında zaman içinde ciddi farklar oluşmuştur. Burada soru cevap ile bazı noktalara açıklık getirmek belki de daha kolay olabilir:

• Hangisinin çapı daha küçüktür?

Yapısal fiberlerde çaplar genel olarak daha küçüktür. Burada yüzey alanının arttırılması çekme dayanımını arttırıcı etki yapmaktadır. Genel olarak yapısal fiberler 50 um altında, optik fiberler ise 125 um ve üzerinde çaplara sahiptir.

• Üretim yöntemleri nasıldır?

Optik fiberler, fiber çekme kulesinde tek lif olarak üretilir. Yapısal fiberler de fiber çekme kulesinde üretilebilseler de daha çok büyük kapasiteli üretimin mümkün olduğu ergitme fırınlarından çıkan düşük viskoziteli camın, delikli ızgaralardan geçirilmesiyle demet halinde çekildiği sistemlerde üretilir. Bu ızgaralardaki her bir delikten akan cam, topluca makaralar yardımıyla çekilir. Izgaradaki delik sayısı 6000’e kadar ulaşabilmektedir.

• Kimyasal bileşen olarak nasıldır?

Optik fiberde ışığın iletimi için çekirdek ve kaplamanın iki farklı kırınım indisine sahip cam bileşimlerinden oluşması gerekmektedir. Ayrıca saflık derecesinin yüksekliği istenmeyen kayıpların önüne geçilmesinde önemli bir faktördür. Mesela, çekirdekte germanyum katkılandırılmış silika kullanılırken, kaplamada saf silika kullanılmaktadır. Buradaki germanyum oranı da çok düşük miktarlardadır (<%1). Buna karşın, yapısal fiberlerde farklı elementler istenilen özelliklere göre değişen yüzdelerde kullanılabilir. Aşağıdaki tabloda bu elementleri görebilirsiniz [1]:

• Optik fiberi yapısal; yapısal fiberi de optik fiber gibi kullanmak mümkün müdür?

Evet mümkündür. Ama kimse kullanmak istemez. Çünkü teknolojinin ilerlemesiyle beraber bu iki fiber çeşidi farklılaşmış ve bir üst maddede de belirttiğimiz gibi özel bileşimlere ve yapılara sahip olmuşlardır. Mesela, yapısal fiberde çekirdek ve kaplama diye ayırmaya gerek yoktur. Ama optik fiberlerde gerek vardır. Ya da optik fiberlerde alkali direncini arttırmak için zirkonyum oksit katmaya gerek yoktur. Zaten bu işlemi yapan koruyucu bir kılıfı vardır. Bir optik fiberi, koruyucu kılıfı olmadan yapısal fiber gibi kullanabilir miyiz? Evet, kullanabiliriz, ama pahalı bir seçenek olur. Yada S-cam’ı, uygun bir kılıfla optik fiber olarak kullanabilir miyiz? Evet, kullanabiliriz, ama normalde kullanılan sinyal güçlendirici sistemler ki, çok maliyetli yapılardır, daha sık kullanmamız gerekir.

• Genelde malzemeler optik özelliği sağlarken yapısal özellikleri sağlayamazlar. İstisnalar yok mudur?

Tabii ki vardır. Saf silika, burada yine öne çıkmaktadır. Hem yapısal hem de optik olarak kullanılabilir. Yapısal silikada çekirdek kaplama diye ayrı bölmeler yoktur tekli yapıdadır. Ayrıca koruyucu kılıf yerine özel bir kimyasal ile kaplıdır. Saf silikayı da, uygun bir kaplama ile optik fiber haline dönüştürebiliriz.

FT Wallenberger, JC Watson, H Li – Materials Park, OH: ASM International, 2001., 2001

Uzayda fiber üretimi – Çok düşük kayıplara sahip fiberlerin üretilmesi mümkün müdür?

Teorik olarak birçok malzeme silika camdan daha düşük iletim kayıpları gösterme potansiyeline sahip olsa da üretim aşamasında oluşan kusurlar sebebiyle pratikte aynı sonuçlar alınamamaktadır. Bu malzemelerden birisi de florür camlardır. Florür camlar, teorik olarak silikadan 10-100 kat daha az kayıplara sahip olmakla beraber, üretim esnasında yerçekiminden kaynaklı olarak kusurlar oluşmakta ve iletim kayıpları yükselmektedir. Bu sorunum çözümü de mikro-yerçekimi ortamında fiber üretimi yapılmasıdır. İlk deney, dünyada büyük kargo uçakları kullanılarak yüzeye doğru dalış esnasında oluşan düşük yerçekimli ortamda kısa bir süre zarfında (yaklaşık 20 saniye) florür cam ile gerçekleştirilmiştir. Aşağıdaki fotoğrafta da görüldüğü gibi düşük yerçekimli ortamda üretilen camda kusurlar azalmış, daha homojen ve berrak bir görüntü oluşmuştur.

Bu ön çalışmaların sonucunda, araştırmacıların aklında da çılgın bir fikir doğmuş:

“Bize yerçekiminin daha düşük olduğu bir yer lazım. Dünyada böyle bir yer mevcut değil. O zaman neden uzayda fiber üretmeyi denemiyoruz?”

Ve 2018 yılında bir şirket uzayda fiber üretebilecek düzeneği hazırlayarak Uluslararası Uzay İstasyonu’na (ISS) gönderiyor. Çalışmaların sonuçları hala açıklanmadı. Devam ettiğini varsayarak büyük ümitlerle sonuçları bekliyoruz.

https://upward.issnationallab.org/the-race-to-manufacture-zblan/