Optik Fibrde Işık Hızı Nedir?

OFSCN Global Teknik Merkezi OFSCN Teknik Bilgi Bankası
1

Işık, fiber optikte vakumdan daha mı yavaş ilerler? Ne kadar yavaş?

2

Evet, ışığın fiber optikte yayılma hızı, vakumdaki hızından belirgin şekilde yavaştır.

Birinci Bölüm: Fiziksel Prensip Açıklaması

  1. Vakumdaki Işık Hızı
    Işığın vakumda yayılma hızı, evrendeki cisimler için bir sınır hızdır ve c ile gösterilir. Tam değeri c = 299,792,458\ \text{m/s} 'dir (mühendislikte genellikle yaklaşık olarak 3 \times 10^8\ \text{m/s} veya saniyede 300.000 kilometre olarak kabul edilir).

  2. Ortam Kırılma İndeksinin Etkisi
    Elektromanyetik dalgalar (ışık) bir ortamda (su, cam veya fiber optik gibi) yayıldığında, ışık dalgalarının ortamdaki elektronlar ve atomlarla elektromanyetik etkileşimi nedeniyle makroskopik yayılma hızı yavaşlar. Bu yavaşlama derecesini belirleyen fiziksel nicelik, o ortamın kırılma indisidir (Refractive Index, n ile gösterilir).

    Ortamdaki gerçek ışık hızı v ile vakumdaki ışık hızı c ve kırılma indisi n arasındaki ilişki formülü şöyledir:

    v = \frac{c}{n}
    • (Not: Elektromanyetik teoriye göre, çoğu şeffaf ortamın kırılma indisi n 1’den büyüktür, bu nedenle ortamdaki gerçek ışık hızı v kaçınılmaz olarak vakumdaki ışık hızından c küçüktür).

İkinci Bölüm: Standart Bir Fiber Optikte Işığın Gerçek Hızı Yaklaşık Olarak Nedir?

Modern fiber optik iletişim ve fiber optik algılama teknolojilerinde kullanılan fiberlerin çekirdeği (Core) çoğunlukla yüksek saflıkta silika (Silica, \text{SiO}_2) kuvars camından oluşur.

  • Kırılma İndisi Değeri: Fiber optik iletişim ve fiber optik algılamada en sık kullanılan yakın kızılötesi dalga boyu bandında (örneğin, yaygın olarak kullanılan \lambda = 1550\ \text{nm} dalga boyunda), standart silika fiber çekirdeğinin kırılma indisi n yaklaşık olarak 1.46 ile 1.47 arasındadır ve genellikle ortalama referans değeri n \approx 1.468 olarak alınır.

  • Fiber Optik Işık Hızı Hesaplaması: Kırılma indisini yukarıdaki formüle yerleştirdiğimizde:

    v = \frac{299,792,458\ \text{m/s}}{1.468} \approx 204,218,295\ \text{m/s}

    Yani, ışığın fiber optik içindeki gerçek yayılma hızı yaklaşık olarak ** 2.04 \times 10^8\ \text{m/s} ** 'dir (yaklaşık ** 204.000 ** kilometre/saniye).

Üçüncü Bölüm: Işık Fiber Optikte Ne Kadar Yavaşlar?

Işığın vakumdaki hızı (yaklaşık 300.000 km/s) ile fiber optik içindeki gerçek hızı (yaklaşık 204.000 km/s) karşılaştırıldığında:

  • Işığın fiber optik içindeki hızı, vakumdaki ışık hızının yaklaşık ** %68.1 ** 'i kadardır.
  • Başka bir deyişle, ışık fiber optikte vakuma göre yaklaşık ** %31.9 ** daha yavaştır (neredeyse üçte biri kadar).

Dördüncü Bölüm: Kırılma İndisi ve Fiber Optik Teknolojisinde Yavaş Işığın Temel Rolü

Bu “yavaşlama” gerçeği olumsuz bir engel değildir; tam tersine, modern fiber optik ve fiber optik algılama teknolojisinin temelini oluşturan taşıyıcıdır:

  1. Fiber Optik Tam Yansıma ile Işık Kılavuzluğu
    Fiber optiğin ışığı kılavuzlaması, çekirdek kırılma indisinin biraz daha yüksek olması (örn. n \approx 1.468 ) ve kaplama (Cladding) kırılma indisinin biraz daha düşük olması (örn. n \approx 1.462 ) nedeniyledir. Snell Yasası’na göre, ışık belirli bir açıyla girdiğinde, çekirdek ve kaplama arasındaki arayüzde tam yansıma meydana gelir ve bu, ışığı çekirdekte ileri doğru yayılmaya kilitler.

  2. Fiber Bragg Izgarası (FBG) Yansıma Dalga Boyu
    Fiber Bragg Izgarası (Fiber Bragg Grating, FBG) algılama teknolojisinde, kırılma indisi belirleyici bir rol oynar. Fiber Bragg Izgarası’nın Bragg yansıma dalga boyu \lambda_B formülü şöyledir:

    \lambda_B = 2 \cdot n_{\text{eff}} \cdot \Lambda

    Burada n_{\text{eff}} fiberin etkin kırılma indisi ve \Lambda ızgara periyodudur. Ortam sıcaklığı veya fiber üzerindeki gerilme değiştiğinde, fiberin etkin kırılma indisi n_{\text{eff}} kayar ve bu da yansıma dalga boyunun \lambda_B hareket etmesine neden olur; bu da FBG sensörlerinin temel fiziksel mekanizmasını oluşturur.

  3. Optik Zaman Alanlı Yansıtma (OTDR / OFDR Konum Belirleme)
    Dağıtılmış fiber optik algılamada, çözme cihazı, yansıyan ışığın geri dönme süresi farkını t hassas bir şekilde ölçerek olayın meydana geldiği belirli konumu L hesaplar. Işığın fiber optik içinde yavaş hızda v yayıldığı göz önüne alındığında, konumlandırma formülü doğrudan kırılma indisine n bağlıdır:

    L = \frac{v \cdot t}{2} = \frac{c \cdot t}{2 \cdot n}

Beşinci Bölüm: OFSCN® ile İlgili Temel Fiber Optik ve FBG Ürünleri

Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. (OFSCN®), yüksek kaliteli çeşitli fiber optik ve fiber Bragg Izgarası (FBG) ürünleri üretmek için yüksek kaliteli standart tek modlu silika fiber optikleri kullanır (yakın kızılötesi dalga boyu bandında standart kırılma indisi n \approx 1.468):