Nasıl Işık İçinde Kalıyor
Richard Hamming, fiber optikleri yeni bir teknoloji önerisi olarak karşılaştı ve hemen fizikçinin sorusunu sordu: Işık, ince cam fibrinde neden içinde kalıyor?
Snell's Law
Işık, bir indeks of refraction n₁ ile bir ortamdan n₂ ile bir diğerine geçerken, iletilen açıklık θ₂, aşağıdaki şekilde karşılanır:
n₁ sin θ₁ = n₂ sin θ₂
Cam (n₁ ≈ 1.5) - hava (n₂ = 1.0) için, sin θ₂ = (n₁/n₂) sin θ₁ = 1.5 sin θ₁.
θ₁'in sin değerinin n₂/n₁ = 1/1.5 ≈ 0.667'den daha yüksek olduğu durumlarda, θ₂ için gerçek bir çözüm yoktur. Işık camdan tamamen geri yansır ve her photon içe yansı�. Bu eşiş, kritik açıklık olarak adlandırılır:
θ_c = arcsin(n₂/n₁)
Cam-hava için: θ_c = arcsin(1/1.5) ≈ 42°. Işık, normalden 42°'den daha büyük bir açıyla cam-hava sınırını çarptığında tamamen yansır. Sınır boyunca hiç kayıp yok.
Kritik Açıklık Hesaplamak
Kritik açıklık, sadece refraktif indekslerin oranına bağlıdır. Işık, çekirdek içinde, θ_c'yi aştığında her zaman sınırı arasında yansıtır. Fiber tasarımı, yüksek indeksli bir çekirdek (n₁) ve düşük indeksli bir izolasyon kabuğu (n₂) kullanır.
Neden küçükçe? Hamming bunu doğrudan belirtti. Daha kalın bir fiber, verilen bir eğimli kenar üzerinde daha az eğik olarak kıvrılır. Daha ince bir fiber, açının θ_c'yi aştığı bir eğimi takip edebilirken, uzun mesafelerde sinyal distorsiyonunu (modal dispersion) azaltır.
Bant Genişliği, Kayıp ve Dayanıklılık
Hamming, fiber optiğin kaçınılmaz olacağı mühendislik avantajlarını saydı:
Daha yüksek bant genişliği. Optik sıklıklar (≈10¹⁴ Hz) mikrodalga ve radyo sıklıklarından çok daha yüksek. Daha fazla saniye başına dalga daha fazla bilgi anlamına gelir. Bir fiber tel, bir demir kablo paketinden daha fazla eşzamanlı kanal taşır.
Daha düşük kayıp. Modern silika fiber, kilometrede yaklaşık 0.2 dB kayıp gösterir. Demirli köklü kablolarda kilometre başına 10-100 kat daha fazla kayıp olur. Fiber okyanusları daha az tekrar ile uzar.
Elektromanyetik bağışıklık. Fiber elektrik akımı taşımaz. Yakındaki güç hatları ve üst atmosferde patlayan nükleer bombalar manyetik impulslar oluşturur ve demir tabanlı iletişim sistemlerini yok eder. Fiber onları görmezden gelir. Hamming, kimya grubuyla çalışırken bu avantajı hesaplamalarıyla fark etti.
Düşük indeksli çözüm. Keskin çekirdek-kaplamalama sınırı, farklı ışın eğrilerinde farklı yol uzunlukları boyunca seyahat eder ve impulsları genişletir. Hamming, sürekli olarak eğrileri merkeze geri yönlendiren refraktif indeksi yumuşak bir şekilde derecelendirdiğini (küçük döner akülerde güçlü odaklama prensibi gibi) fark etti, bu da keskin yansımaları ortadan kaldırdı ve dağılımı azalttı.
Hamming'in Güvenlik İzi
Hamming, fiber optiğin verimli olduğu için aynı özelliğin güvenli olduğunu fark etti: aynı özelliğin hem verimli hem de güvenli olduğu.
> Fibers o kadar verimli, yani o kadar az fotyon kaybederler ki, bir hattı 'kesmek' zor bir iş olacaktır. Kesinlikle imkansız değil, sadece zor olacak.
Fiberı kesmek isteyen bir saldırgan, ışığın birazını kaçırmak için onu yeterince ezmek zorundadır. Ama yeterince ezmek, alıcıda sinyal gücünde düşüş fark eder. Demir gibi, pasif bir kesitte neredeyse hiç elektrik akımı çekmez, fiberde sinyal kesme fiziksel kanıtı vardır.
Bu, çift amaçlı bir sezgi idi: Hamming, bir fizik problemini düşünürken bir güvenlik özelliklerine dikkat ettiler. O, öğrendiği ders: bir teknolojinin ana uygulamaya odaklanan mühendisler, bir fiziksel sorunu inceleyerek kaçırdıkları özellikler.
Hamming'in Mod Tartışması Üzerine Durumu
Hamming, tek modlu ve çok modlu fiber tartışmasını takip etmediğini kabul etti. Her iki taraf için de simülasyonlar düzenledi ve sonunda, kariyerinin başlarında multi-level sinyallemeyi ikili sinyallemeye tercih ettiği gibi, tek modlu fiberi destekledi.
Çok modlu fiber, aynı anda birden fazla yayılma açısı (mod) sağlar. Üretimi daha kolay, ışık bağlantısı yapmayı daha kolaylaştırır, bağlantısızlık hatalara daha toleranslı. Ama modal dispersion, mesafe ile genişleyerek sinyalleri geniştir.
Tek modlu fiber, ışığı bir yayılma yoluna sınırlar. Çok küçük bir çekirdek çapı gerektirir (telekom için ~ 8 µm). Çok daha zorlu bir bağlantı ve bağlantı yapımı gerektirir. Ama sıfır modal dispersion: sinyaller binlerce kilometre boyunca keskin kalır.
Yüksek kapasiteli, uzun mesafeli iletimde uzun vadede galibiyet: tek modlu. Hamming'in basitliğe olan tercihleri - daha az mod, bir yol, modal dispersion olmaması - sonunda mühendislik sonucuyla uyumlu oldu.