Fiber Optik

Konu Anlatımı

Fiber Optik

Fiber Optik konusu, fizik dersinin programında yer alan temel başlıklardan biridir. Bu bölümde konunun kavramsal çerçevesi kurulur, ön bilgiye dayalı basit bir örnek çözülür, ardından ileri düzeyde adım adım çözümlere geçilir.

Ne Öğreneceğiz?

Fiber optik, ince cam liflerin içinden ışığı zıplatarak binlerce kilometre uzağa taşıma yöntemidir. Bugün telefon, internet ve veri iletimi büyük ölçüde bu yönteme dayanır. Bu konunun amacı, çalışma ilkesini anlamak ve tasarım ölçütlerini hesaplayabilmektir.

Lifin neden bu kadar ince olabildiğini ve ışığın neden dışarı çıkmadığını anlamak, optik lifin diğer bütün özelliklerini de açıklar. Anahtar kavram tam iç yansımadır.

Ön Bilgi

Işık, kırılma indisinin büyük olduğu ortamdan küçük olduğu ortama, belirli bir açıdan büyük açılarla geçirildiğinde sınırdan geçemez ve tamamen yansır. Bu olaya tam iç yansıma denir. Sınırı belirleyen açıya kritik açı adı verilir.

Kritik açının sinüsü, geçiş yapılan iki ortamın kırılma indislerinin oranına eşittir. Camın kırılma indisinin yaklaşık 1,5 ve havanınki yaklaşık 1 olduğu düşünülürse, camdan havaya geçişte kritik açı yaklaşık 42 derece bulunur.

Saydam maddelerin kırılma indisleri arasındaki fark küçük de olsa tam iç yansımayı sağlamaya yeterlidir. Optik lif tasarımında bu nedenle çekirdek ve kabuk maddeleri birbirine çok yakın değerlerde seçilir.

Basit Örnek

Çekirdek indisi 1,5 olan ve dışı hava ile çevrili bir cam lif düşünülsün. Işık, lifin içinden dışarıya doğru gönderildiğinde tam iç yansıma koşulunu sağlamak için hangi açıdan büyük gönderilmemelidir?

Kritik açının sinüsü, havanın kırılma indisinin camın kırılma indisine bölünmesiyle bulunur. Bu bölmenin sonucu yaklaşık 0,667 çıkar ve kritik açı yaklaşık 42 derece olur. Bu açıdan büyük gönderilen ışık dışarı çıkar.

İleri Örnek

Çekirdek indisi 1,5 ve kabuk indisi 1,4 olan bir basamak indeksli lif için kabul açısı hesaplanabilir. Kabul açısının sinüsü, çekirdek indisinin karesinden kabuk indisinin karesinin çıkarılmasıyla elde edilen değerin kareköküdür.

Bu örnekte kareler arasındaki fark 0,29 bulunur ve karekökü alındığında kabul açısının sinüsü yaklaşık 0,54 olur. Kabul açısı büyük olduğu için lifin eğilmesine bağlı kayıplar az olur ve veri daha geniş açıyla gönderilebilir.

Adım Adım Çözüm

1. Adım 1: Çekirdek ve kabuk indislerini belirleyin ve hangisinin büyük olduğunu yazın.
2. Adım 2: Tam iç yansıma için ışığın hangi koşulu sağlaması gerektiğini belirleyin, yani açının kritik açıdan küçük olması gerektiğini not edin.
3. Adım 3: Kritik açı hesaplanacaksa sinüs değerini bulup ters trigonometrik fonksiyonla açıya geçin.
4. Adım 4: Kabul açısı hesaplanacaksa karekök içindeki farkın pozitif olduğunu denetleyin ve sonucun sıfırdan büyük, birden küçük olduğunu doğrulayın.
5. Adım 5: Sonucu fiziksel olarak denetleyin; kabul açısı kritik açıdan büyük olmalı, hesap sonucu beklenen aralıkta kalmalıdır.

Karşılaştırma Tablosu: Çekirdek ve Kabuk Katmanları

Karşılaştırma Tablosu: Optik Lif Türleri

Sık Yapılan Hatalar

Optik lifte ışığın kırılarak ilerlediğini düşmek yanlıştır, ışık sürekli yansıyarak ilerler

Kabuk indisinin çekirdek indisinden büyük olduğunu varsaymak tam iç yansımayı engeller

Kritik açıyı 90 derece kabul etmek hatalıdır, açı daima 90 dereceden küçüktür

Kabul açısı hesabında karekök içindeki değerin negatif çıkabileceğini görmezden gelmek yanlıştır

Optik lifin iletken tel gibi akım taşıdığını sanmak yanlıştır, lif yalnızca ışık iletir

Özet ve Kendini Dene

Özet: Optik lif çekirdek ve kabuk olmak üzere iki katmandan oluşur ve çekirdek indisinin kabuk indisinden büyük olması zorunludur. Işık, gelme açısı kritik açıdan küçük olduğu sürece sınırdan tamamen yansır ve lif içinde zıplar. Kritik açı için sin eşitliği kullanılır, kabul açısı ise karekök ifadesiyle bulunur. Kendini dene: (1) Çekirdek indisi 1,5 ve kabuk indisi 1,4 olan bir lifin kabul açısının sinüsü kaçtır? (2) Camdan havaya geçişte kritik açının sinüsü nedir? (3) Optik lifte ışık kırılır mı yansır mı?