Fiber Optik Güç Ölçer

1.    “Fiber Optik Güç Ölçer” Deneyi (Deney)

          Güç Ölçümleri (Deney-a)

     Kullanılan Malzemeler

·       Fiber optik güç ölçer

·       Sayısal Voltmetre

·       0,5 m fiber kablo

·       5 m fiber kablo

·       Kablo birleştirici

·       Fiber optik verici

              Deneyde kullanılan fiber optik güç ölçerin ne görevde kullanıldığına ve nasıl kullanıldığına dair bilgi verelim:

         Fiber Optik Güç Ölçer

              Fiber optik güç ölçer, bir SMA konnektöründen çıkan ortalama gücü ölçer ve güç ölçüm aralığı 10 nW-1 mW ya da -60 dBm – 0 dBm’dir. Alınan optik güç seviyesini gösteren gösterge, lineer ve dBm ölçeklerin her ikisine de sahiptir (Bkz. Şekil 1).

Şekil 1: Fiber Optik Güç Ölçer

              Güç ölçer ile şu ölçümler yapılabilir:

Þ       İletilen güç seviyesi

Þ       Minimum ve gerçek alınan güç seviyeleri

Þ       Kablo yolların zayıflama ölçümleri

Þ       Ölçü aleti çıkış soketini kullanarak, yol zayıflamasının uzun vadeli izlenmesi

             

              Ölçü aleti kullanılmadan önce pil testi yapılarak ölçüme hazır olup olmadığı test edilmelidir. Bu işlem için ON/OFF pil anahtarı CHECK yönüne itilerek ölçeğin BATTERY CHECK işaretine ulaştığından emin olunmalıdır. Optik güç seviyesi ölçülecek SMA uçlu kablo, aletin sağ tarafındaki SMA dedektör girişine bağlanır. Altı kadran ile set edilebilen döner anahtar, ölçek üzerindeki ibrenin en büyük sapmayı sağlayacak kademeye ayarlanır. Ölçek ve döner anahtarın kademe pozisyonu okunarak dBm ve Watt olarak güç ölçümü şu ilkelere göre değerlendirilir.

(a)                 dBm:

              Döner anahtarın kademe pozisyonunda yazılı dBm değere ölçekten okunan dBm değeri eklenir. Örneğin, anahtar -40 dBm konumunda iken, ölçekten -3,5 dBm okunuyorsa ölçüm sonucu -43,5 dBm olarak hesaplanır.

(b)                 Watt:

              Döner anahtarın kademe pozisyonunda yazılı Watt değeri, ölçeği lineer tam ölçek okumaya set eder. Örneğin, anahtar 10 µW kademesinde iken ölçekten 8,9 değeri okunuyorsa, ölçüm sonucu 8,9 µW olarak hesaplanır.

              Deneyde kullanılacak sayısal voltmetre ile sayısal okumayı doğru bir şekilde gerçekleştirebilmek için, fiber optik güç ölçerin çıkış soketine bu sayısal voltmetre bağlanabilir. Anahtar pozisyonu ile set edilen lineer tam ölçek okuması, sayısal voltmetrede 1,00 V’a karşılık gelir. Örneğin, 10 µW değerine set edilen ve voltmetrede 0.655 V olarak okunan ölçüm, 6,55 W olarak hesaplanır. Çünkü sayısal voltmetreden okunan 1 V tam sapma, 10 µW değerine eş değerdir. Sayısal voltmetre ile güç ölçümü aslında Watt olarak lineer güç ölçümüdür. Ancak ölçüm sonuçları, aşağıdaki formüllerle de kolaylıkla ifade edilebilir:

              

              

              

              dBm birimleri genellikle optik elemanların yerleştirme kayıplarını ve optik kablonun zayıflamasını ölçmek için tercih edilir. Böylece dBm kayıpları optik yol boyunca eklenir.

              Lineer güç birimleri ise vericinin çıkış güç seviyesini ve alıcının minimum güç seviyesini ölçmek için tercih edilir. Çünkü terminal techizatlar bu birimler ile belirtilmiştir.

     Deneyin Yapılışı

              Eğitim setinden fiber-optik güç ölçer çıkartıldı.

              ON/OFF pil anahtarı CHECK yönüne itildi ve cihaz pili seviyesinin yeterli olduğu, ölçeğin BATTERY CHECK işaretine ulaşmasından gözlendi. Yeterli olduğu için de eski pil, yeni 9 V değerinde bir pil ile değiştirilmedi.

              ON/OFF pil anahtarı ON yönüne itildi ve fiber optik güç ölçer kullanıma açıldı. Güç ölçerin kullanımına göre sağ tarafındaki optik girişinin vidalı kapak ile kapalı olduğundan emin olundu.

              Kademeli döner anahtar, en yüksek kademe olan 0 dBm/1 mW değerine ayarlandı.

              Optik girişin vidalı kapağı yavaşça açıldığında ölçekteki ibrenin hareket etmediği gözlendi [1].

              Kademeli döner anahtarı, döner anahtar en alt kademeye gelene kadar değiştirildi ve anahtar en üst kademeden en alt kademeye gelen kadar ölçekteki hareketlilik gözlendi [2].

              İbrenin tam saptığı bir kademede optik giriş önce parmağımızla kapatıldı ve ölçekte az da olsa bir değer okunabildi. Ancak, yine ibrenin tam saptığı bir kademede optik giriş bu sefer cihazın kendi kapağıyla kapatıldı. Bu durumda da ölçekte herhangi bir değer okunamadı [3].

              Optik girişin kapağı tekrar açıldı ve en uygun kademede ölçek okunarak dBm ve Watt cinsinden elde edilen güç değerleri aşağıdaki gibi elde edilmiştir [4]:

                            

                            

              0,5 m uzunluklu fiber kablonun (Bkz. Şekil 2) bir ucuna el fenerinin lambası yaklaştırıldı ve fiber içerisinden gelen ışığın sarı renkte olduğu gözlendi [5].

Şekil 2: Fiber Optik Kablo

              0,5 m uzunluklu fiber kablonun bir ucu optik güç ölçerin girişine takıldı. Diğer ucu ise el feneri tarafından ışıklandırıldı. Fiber kabloya giren ışığın giderek arttığı, ibrenin hareketiyle gözlenmiştir.

              El feneri fiber kablonun ucuna iyice yaklaştırılarak fibere transfer edilen ışıma maksimum seviyeye çıkartılmaya çalışıldı ve bu durum için ölçülen en yüksek optik güç aşağıdaki gibi elde edilmiştir:

                            

                            

El feneri uzaklaştırıldığında da elde edilen güç seviyelerinin azaldığı gözlenmiştir [6].

              0,5 m uzunluklu fiber kablonun boştaki ucu, fiber-optik verici cihazın optik çıkışına bağlandı. Verici cihaz ANALOG moda, fiber optik güç ölçer ise -20 dBm/10 µW kademesine ayarlandı.

              Verici cihazın çıkış gücü, güç ölçerin ölçeğinde -1 kademesi görülene kadar ayarlandı [7].

              Bu ayar bozulmadan 0,5 m uzunluklu fiber kablodan gelen ışığın gücü hem analog göstergeden hem de güç ölçere bağlanan sayısal voltmetre tarafından aşağıdaki gibi ölçülmüştür [8]:

                            

                            

              0,5 m uzunluklu fiber kablo çıkartılarak yerine 5 m uzunluğunda fiber kablo bağlandı. dBm ve Watt olarak hem analog ölçekten hem de sayısal voltmetrenin sayısal göstergesinden ölçüm yapıldığında elde edilen değerler aşağıdaki gibi elde edilmiştir [9]:

                                          

                            

                            

              0,5 m ve 5 m uzunluğundaki fiber kabloları, birleştirici kullanılarak ek yapıldı. Eklenmiş fiber kablonun bir ucu vericiye diğer ucu da güç ölçere takıldı ve ölçümler aşağıdaki gibi elde edildi [10]:

                           

                            

                            

                            

              Optik güç ölçeri -30 dBm/1 µW kademesine ayarlandı. Verici cihazın çıkış gücü, güç ölçerin ölçeğinde 0’ı ve lineer ölçekte 10’u (-30 dBm ve 1 µw değerine karşılık gelir.) görene kadar ayarlandı.

              Bu durumda 0,5 m uzunluğunda fiber optik kablo kullanıldığında yeni ayarlanılan verici gücü için elde edilen çıkış güçleri, güç ölçerden ve sayısal voltmetreden

             

                            

                                          

                                          

                             

                   olarak bulunmuştur.

              5 m uzunluğunda fiber optik kablo kullanıldığında yeni ayarlanılan verici gücü için elde edilen çıkış güçleri, güç ölçerden ve sayısal voltmetreden

             

              

              

              

             

              olarak bulunmuştur.

              0,5 m ve 5 m uzunluğunda fiber optik kablolar, birleştirici kullanılarak eklendiğinde yeni ayarlanılan verici gücü için elde edilen çıkış güçleri, güç ölçerden ve sayısal voltmetreden olarak bulunmuştur [11].

     Yorum

              [1]              Optik girişin vidalı kapağı yavaşça açıldığında ölçekteki ibrenin hareket etmediği gözlenmiştir. Çünkü ortamda bulunan ışığın, güç ölçerin optik giriş tarafına oldukça zayıf olarak düşmesi, bu ışımanın değerinin yüksek kademeye ayarlanmış güç ölçer tarafından ölçülemediğini göstermektedir.

    [2]               Kademeli döner anahtarı, döner anahtar en alt kademeye gelene kadar ölçekte hareketlilik gözlenmiştir. Ortam ışığının, güç ölçerin optik algılayıcı kısmına gelene kadar zayıflaması, bu ışımanın gücünü zayıflatmıştır. Bu yüzden de anahtar ancak zayıf güç ve yüksek negatif dBm değerlerine getirildiğinde ölçekten gözlenebilmiştir.

[3]              İbrenin tam saptığı bir kademede optik giriş parmağımızla kapatılsa dahi güç ölçer, yine de yanlardan ortamın ışığını az da olsa algılayabilmektedir. Ancak yine ibrenin tam saptığı bir kademede optik giriş bu sefer cihazın kendi kapağıyla kapatıldığında, artık güç ölçer tarafından ortamın ışığı yanlardan da algılanamamaktadır. Bu yüzden de ölçekte herhangi bir değer okunmamaktadır.

[4]              Elde edilen güç değerleri, ortamın ışığına ait güç değerleridir.

               

[5]              Fiber kablonun içerisinden gelen ışığın sarı renkte olmasının nedeni; fiberin bazı renkleri diğerlerinden daha fazla soğurmasıdır ve sarı renk, beyaz renkte el feneri ışığında mevcut bulunan renklerin tamamından en az soğurulanıdır.

              

    Şekil 3: Fiber Optik Kablodan Işık İletimi

Fiber optik kablolarda ışık iletimi Şekil 3’de görüldüğü gibidir. Bu sayede aynı ışın kullanılarak farklı kırılma açılarıyla farklı sinyaller fiber optik kablo ile elde edilebilir. Elektromanyetik etkilerden az etkilenen fiber optik kablodan veri aktarımı, “free space optic”e göre çok daha az dağılarak gerçekleşmektedir. Bu yüzden de fiber optik kablonun avantajlarından bir diğeri de, fiber optik kablo kullanıldığında veri aktarımı sağlanan alıcı ile verici birbirini görmek zorunda değildir; ancak “free space optic”te veri aktarımı sırasında alıcı ile verici birbirini optimum seviyede görmek zorundadır.

Teorik formülle elde edilen güç değeri, deneysel olarak fiber optik güç ölçer tarafından ölçülen güç değerini doğrular niteliktedir.

El feneri uzaklaştırıldığında elde edilen güç seviyelerinin azalmasının, el fenerinden gelen ışımanın fiber optik kablonun ucuna gelene kadar serbest uzayda dağılmasından kaynaklandığı söylenebilir.

[7]              Verici cihazın çıkış gücü, -20 dBm/10 µW kademesine ayarlanan güç ölçerin ölçeğinde -1 kademesi görülene kadar ayarlanması demek; verici tarafından güç ölçere -21 dBm değerinde ışıma gönderilmesi demektir.

[8]              Anahtar pozisyonu ile set edilen lineer tam ölçek okuması, sayısal voltmetrede 1,00 V’a karşılık gelir. Deneyde 10 µW değerine set edilen ve voltmetrede 0,796 V olarak okunan ölçüm, 7,96 µW olarak hesaplanır. Çünkü sayısal voltmetreden okunan 1 V tam sapma, 10 µW değerine eş değerdir. Sayısal voltmetre ile güç ölçümü aslında Watt olarak lineer güç ölçümüdür.

Bu yüzden de sayısal voltmetre ile elde edilen güç değeri ile fiber optik güç ölçerin göstergesinden okunan güç değeri birbirine çok yakın değerlerde elde edilebilmiştir.

[9]                  

              

Yine teorik formülle elde edilen güç değeri, deneysel olarak fiber optik güç ölçer ve sayısal voltmetre tarafından ölçülen güç değerlerini doğrular niteliktedir.

Görüldüğü gibi; 5 m uzunlukta fiber optik kablo kullanıldığında elde edilen güç değerleri (-21,8 dBm ve 6,9 µW), 0,5 m uzunlukta fiber optik kullanıldığında elde edilen güç değerlerinden (-21 dBm ve 8 µW) daha azdır. Burada -21 dBm, -21,8 dBm değerinden daha yüksektir. Çünkü negatif dBm seviyesinin artması, ışıma şiddetinin azalmasına işarettir.

[10]              0,5 m ve 5 m uzunluğundaki fiber kabloları birleştirici kullanılarak ek yapıldığında, yalnız 0,5 m ve yalnız 5 m uzunluğunda fiber optik kabloları kullanıldığında elde edilen güç değerlerinden çok daha düşük değerde güçler elde edilmiştir. Çünkü birleştiricideki 0,5 m ve 5 m uzunluğundaki kablolar arasında ışımanın saçılması söz konusudur. Eğer orijinal sistemlerdeki gibi bir mercek kullanılarak bu ışıma diğer kablonun iletim hattına daha hassas odaklansaydı, güç kaybı bu kadar fazla olmayacaktı.

    

              

              [11]              Görüldüğü gibi yine fiber optik kablonun uzunluğu artınca ışımanın gücü azalmış, birleştirici kullanıldığında da beklenen azalmadan daha da fazla bir azalma gözlenmiştir.

          Optik-Fiber Zayıflama Ölçümleri (Deney- B)

              Sayısal bir voltmetre ile birlikte fiber optik eğitici, önceki deneyde gözlendiği gibi bir optik yolun sönümünün (zayıflamanın) ölçülmesi için kullanılabilir. Önce optik vericinin çıkış gücü için, referans alınan kısa kablo (0,5 m), optik alıcı ile optik verici arasına bağlanır ve sayısal voltmetre ile V_ref ölçülür. Sonra bir verici ile alıcı arasında bir optik yol  kurulur (uzun fiber kablo ya da serbest uzay ile) ve V₀ ölçülür. Vericinin kapatılmasıyla, optik iletim sistemindeki elektrik parazit düzeyi V_A ölçülür. Ölçülen bu değerlerle optik yolun kaybı (ve varsa birleştiriciden kaynaklanan eklem kayıpları) şu formülle hesaplanır.

                            Eğer V_A, V₀’a kıyasla çok küçük değerlikli ise ihmal edilebilir ve formül basitleştirilir:

                            

            

            

     Kullanılan Malzemeler

·       Sayısal Voltmetre

·       0,5 m fiber kablo

·       5 m fiber kablo

·       Kablo birleştirici

·       Fiber optik verici

·       Fiber optik alıcı

     Deneyin Yapılışı

·       Deney düzeneğinde alıcı, sayısal çalıştırmaya getirildi ve eşik duyarlılığı minimuma azaltıldı.

·       Verici, sayısal çalıştırmaya getirildi ve sayısal işaretlerden CMOS seçildi. CMOS giriş terminaline bir giriş uygulanmamıştır; ancak bu durum verici diyodu kesintisiz ON durumunda bırakmıştır.

·       Çıkış gücü maksimuma getirildi.

·       Kısa optik kablo uzunluğu ile  (0,5 m) iyi bir ölçüm doğruluğu gerçekleştirilebilmesi için kablonun düz ve temiz uçlara sahip olduğu kontrol edildi. Ardından alıcı ile vericinin arasına bu kısa optik kablo bağlandı.

·       Alıcının sinyal gösterge ışığı sönene kadar iletilen çıkış güç düzeyi azaltıldı ve ölçümün geri kalan kısmı boyunca çıkış gücü seviyesinde değişiklik yapılmamıştır [1].

·       Verici Square Wave konumuna getirildi ve Signal Generator Frequency kumandası maksimuma ayarlandı.

·       Alıcı analoğa getirildi, alıcının analog kazancı minimuma çevrildi ve hoparlör kapatıldı.

·       1mV’un onda birine kadar alternatif akım değerlerini ölçmesi mümkün olan sayısal voltmetre, alıcının “yüksek Z” soketine bağlandı.

·       Verici ile alıcı arasına bağlanmış bulunan kısa kablo uzunluğuyla voltmetre okundu (=V_ref).

·       Verici ile alıcı arasında ölçülecek optik yol için, kısa uzunluklu fiber yerine önce 5 m uzunluğunda fiber kablo, sonra 0,5 m ve 5 m uzunluğunda fiber kabloların birleştirici ile eklenmesi sonucu elde edilen fiber kablolar bütünü ve son olarak serbest uzay kullanılarak (herhangi bir fiber kablo olmadan) sayısal voltmetreden aşağıdaki V₀ değerleri okundu.

·       Verici kapatıldı ve sayısal voltmetre okunarak elektrik parazit düzeyi (sistemin iç gürültüsü) kontrol edildi.

·       Deneysel yollarla elde edilen voltaj değerleri kullanılarak, bölümün başında verilen formül ile optik yol kaybı, her bir optik yol için aşağıdaki gibi hesaplanmıştır.

     Yorum

[1]              Alıcıda optik bakımından aşırı yük bulunmadığından emin olmak için ilk 5 madde yerine getirilmiştir.

[2]              Elde edilen değerlerden kaybın en fazla “free space optic”te olduğu kanıtlanmıştır.

[3]              Serbest uzayda alıcı ile verici arasına girildiğinde sayısal voltmetreden elde edilen değer, sistemin iç gürültüsüne yakın bir değer olan

              

              değeri olarak elde edilmiştir.

[4]              Bir önceki deneyde fiber optik kablonun uzunluğu artınca ışıma gücünün azaldığı, birleştirici kullanıldığında da beklenen azalmadan daha da fazla bir azalma gözlenmişti. Hatta “free space optic”te kaybın en fazla olduğu da görülmüştü. İşte “Deney-1.B”de de bu kaybın miktarının dB cinsinden değeri bulunmuştur. Bölümün başında görülen formül kullanılarak elde edilen bu değerlere baktığımızda 5 m uzunluğundaki kablodan serbest uzaya tüm koşullar için sönüm artmıştır. Çünkü pozitif dB artışı, sönüm miktarının yani kaybın artmasına işarettir.