FM561 Optoelektronik. Yarıiletken Fiziği

Transkript

1 FM561 Optoelektroik Yarıiletke Fiziği Yarıiletke Optoelektroik Devre lemaları 005 HSarı 1

2 Optoelektroik Devre lemaları Optoelektroik Yarıiletke Malzemeler Optoelektroik Malzeme Üretim Tekolojisi p- klemlerii Optoelektroik Uygulamaları Güeş Pilleri Işık Dedektörleri Işık Diyotları Işık Yaya Optoelektroik Devre lemaları» LD» Yarıiletke Lazereler Dalga Klavuzları» Optik Fiberler» Yarıiletke Dalga Klavuzları Yarıiletke Modülatörler 005 HSarı

3 Optoelektroik Malzemeler-1 Işık üretimi içi dolaysız (direk) bat aralığıa sahip yarıiletkeler kullaılmalıdır Geellikle bileşik yarıiletkeler dolaysız bat aralığıa sahip oldukları içi optoelektroik tekolojiside çok yaygı olarak kullaılır Verimli ışık aletlerii yapılabilmesi içi kristal kusurlarıı e az olması gerekir Bat aralığı, isteile dalgaboyuda ışık elde edecek şekilde ayarlaabilmesi arzulaır g k Bileşik yarıiletkelerdeki atom kosatrasyou değiştirilerek bat aralığı değiştirilebilir. Böylece isteile bat aralığıa sahip yarıiletke malzemeler elde edilebilir. Bua bat aralığı mühedisliği (Bad Gap gieerig) deir Öreği: Al x Ga 1-x As komposizyoa bağlı bat aralığı ( g ) 93 o K, x =0 ile 0,44 aralığıda g (x) = g (GaAs) + (1.49eV)x (0.14eV)x x > 0,44, içi AlGaAs idirek bat aralığıa sahip olmaktadır Bezer şekilde kırma idisi de kosatrasyoa bağlıdır (Selmieer Deklemi) B λ ( x) = A( x) + D( x) o λo C( x) 005 HSarı 3

4 Optoelektroik Malzemeler- Bileşik Yarıiletkelerde kristal sabiti ve eerji 005 HSarı 4

5 film (AlAs) Altaş (GaAs) Optoelektroik Malzemeler-3 Farklı türde bileşik yarıiletkeleri büyütmek içi uygu bir alttaşı buluması gerekmektedir a b Alttaşı ve üzeride büyütülecek filmi kristal örgü sabitleri arasıdaki fark çok küçük olmalıdır b a a < %1 Örgü sabitleri arasıdaki fark e kadar büyük olursa alttaş üzeride büyütülecek filmi kalılığıa o kadar çok kısıtlama gelir 005 HSarı 5

6 Tek Atomlu Yarıiletkeler Optoelektroik Malzemeler III IV V VI VII siliko (Si), germayum (Ge), karbo (C)! +II Işık Kayakları I II -V +V Işık Algılayıcıları -I Güeş pilleri Dolaylı Bat yapısı (Si) Bileşik Yarıiletkeler III-V İkili (Terary) => GaAs, AlAs, IAs, IP Üçlü (Quaterary) => Ga x Al (1-x) As, I x Al (1-x) As -V +I I Işık Kayakları +V II-VI İkili (Terary) => HgTe, CdTe Üçlü (Quaterary) => Cd x Hg (1-x) Te Işık Algılayıcıları Güeş pilleri -I 005 HSarı Dolaysız (direk) Bat yapısı (GaAs) 6

7 Optoelektroik Malzemeler-GaAlAs Al x Ga 1-x As içi bat aralığı (93 o K) Kırma idisi g (x) = g (GaAs) + (1.49eV)x (0.14eV)x x > 0.44, içi AlGaAs idirek bat aralığıa sahiptir ( x) = A( x) + D( x) λ o λo C( x) B 005 HSarı 7

8 Optoelektroik Malzemeler-IGaAs I x Ga 1-x As içi bat aralığı (300 o K) g (x) = 1.45eV (1.501eV)x + (0.436eV)*x Bütü x değerleri içi IGaAs direk bat aralığıa sahiptir 005 HSarı 8

9 Optoelektroik Yapılar Bileşik yarıiletke yapılar MB, MOCVD gibi tekiklerle üretilir c c g (IP) g (I 0,53 Ga 0,47 As) g (GaAlAs) g (GaAs) g (GaAlAs) g (GaAs) v v I 0,53 Ga 0,47 As -IP +-IP GaAlAs GaAs GaAlAs +-GaAs GaAlAs GaAs GaAlAs GaAs GaAlAs GaAs GaAlAs +-GaAs Basit Heteroyapılar Kuatum Çukurları Çoklu Kuatum Çukurları 005 HSarı 9

10 Hetero Yapılar Homoeklemlerle karşılaştırıldığıda heteroyapıları büyük üstülükleri vardır klem arasıda üçgeimsi kuatum çukuru oluşur Taşıyıcıları bu bölgede toplamak kesikli bat aralığıda dolayı daha kolaydır I 0,53 Ga 0,47 As -IP c +-IP g (IP) g (I 0,53 Ga 0,47 As) v Basit Heteroyapılar 005 HSarı 10

11 Quatum Çukurları Düşük bat aralığıa sahip (öreği GaAs), yüksek bat aralığıa sahip başka bir malzeme ile (öreği GaAlAs) sadiviç yapıda büyütüldüğü takdirde düşük bat aralığıa sahip malzemei iletim badı elektrolar içi, değerlik badı ise deşikler içi kuatum çukuru oluşturur. GaAs GaAlAs GaAlAs +-GaAs g (GaAlAs) c g (GaAs) v Kuatum Çukurları 005 HSarı 11

12 Çoklu Kuatum Çukurları Çoklu kuatum çukurlarda kuatum çukurları arasıdaki mesafe yakı olduğu içi kuatum çukurları etkileşerek taşıyıcılar çukurlar arasıda tüelleme ile geçebilmektedir GaAlAs GaAs GaAlAs GaAs GaAlAs GaAs GaAlAs +-GaAs g (GaAlAs) g (GaAs) Çoklu Kuatum Çukurları 005 HSarı 1

13 Optoelektroik Malzeme Üretim Tekikleri Optoelektroik malzemeler (heteroyapılar) çoğulukla epitaksi kristal büyütme tekikleri ile üretilirler pitaksi, kelime alamı ile alttaşı kristal yapı ve doğrultusuu koruyarak yapıla büyütme işlemie deir (100) Yaygı optoelektroik malzeme üretim tekikleri: Sıvı Fazı pitaksi (Liquid Phase pitaxy, LP) Buhar Fazı pitaksi (Vapor Phase pitaxy, VP) Orgaik Metal Kimyasal Faz ptaksi (Metalorgaic Chemical Vapor Depositio, MOVP) Orgaik Metal Kimyasal Buhar pitaksi (Metalorgaic Chemical Vapor Depositio, MOCVD) Moleküler Demet pitaksi (Molecular Beam pitaxy, MB) 005 HSarı 13

14 Molekül Demeti Yötemi (MB) Oldukça yüksek vakum (< mbar) altıda gerçekleştirile epitaksiyel büyütme yötemidir Geellikle III-V bileşik yarıiletke yapılar (GaAlAs, IAlAs vs) büyütülmektedir shutter elektro tabacası I Al büyütme odası trasfer (tampo) vakum bölgesi örek girişi As Si alttaş örek hazırlama odası örek trasfer çubuğu Ga yüksek vakum pompaları kayaklar fosforlu ekra yüksek vakum pompaları karakterizasyo odası Üstülükleri: Atomik mertebede kalılık kotrolü Saflık derecesi çok iyi ola malzemeler üretilebilir Büyütme sırasıda çok iyi katkılama kotrolü sağlaabilir Lazer, dedektör ve modülatör gibi heteroyapılar içi ideal Olumsuzlukları: Kristal büyütme hızı yavaş < 1 μm/sa Seri üretime uygu değil Oldukça pahalı (Millio Buck pitaxy) 005 HSarı 14

15 Yarıiletke klemleri Optoelektroik Uygulamaları-1 Yarıiletke eklemler elektrik eerjisii ışığa etki şekilde çevirecek şekilde tasarımlaır p I d: Tüketim bölgesi ev b c v g op =0 g 1 g g 3 V p- eklemie hv > g eerjili düzgü bir ışıkla aydılatılırsa eklemde tüketim bölgeside elektro ve deşik çiftleri oluşur. Devrede oluşacak ola akım g op = (HP/cm 3 -s) I qv / kt = Ith( e 1) I op = gag op (L p +L +d) L p =Deşik difüzyo uzuluğu L =lektro difüzyo uzuluğu 005 HSarı 15 I op p L d L p A

16 Yarıiletke klemleri Optoelektroik Uygulamaları- Yarıiletkeleri optoelektroikte kullaılması farklı katkılama ile eklemler yapılarak mümküdür I I. Bölge (V>0, I >0 ): LD ve Lazerler -V V>0, I >0 +V - p + V A V<0, I <0 III. Bölge (V<0, I <0 ): Dedektörler Akım gerilimde bağımsız, optik şiddet ile oratılı -I V>0, I <0 IV. Bölge (V>0, I <0 ): Güeş Pilleri - + p A -V + - p 005 HSarı 16 A

17 Güeş Pilleri-1 Uygu bir p- eklemi I-V eğrisii V. bölgeside çalıştırılırsa eklem üzerie gele ışığı oluşturacağı elektro-deşik çifti toplaarak dış devreye elektriksel güç sağlayabilir I - + p A I op =0 I op >0 V lektro-deşik çiftii yaratılması ile p- eklemii uçları arasıda oluşacak ola gerilim kullaıla yarıiletke malzemei bat aralığıda daha düşük olur. Öreği Si de bu gerilim < 1 V Akım ise aydılatıla yüzeye bağlıdır. 1 cm 3 lik ala içi ma arasıda değişir Gerilim düşük olduğu içi yüksek güç elde etmek içi büyük yüzey alaları kullamak gerekmektedir Güeş spektrumudaki bütü dalgaboylarıı eklem tarafıda soğrulması arzulaır Siliko, ucuz oluşuda dolayı güeş pilleride yaygıca kullaılmaktadır 005 HSarı 17

18 Güeş Pilleri- Güeş pillerii verimliliği: (oluşturula e-h sayısı) / (gele foto sayısı) I op =0 I I op >0 V m V oc V I sc - + p I m I sc V oc = Açık devre gerilimi I sc = Kısa devre akımı V oc - + p P- eklemii yüzey alaıa klemleri direcie bağlı Yarıiletke malzemei bat aralığıa ve katkılamaya bağlı V m I m - + p V m = klem üzeride oluşa maksimum gerilimi I m = Devrede dolaşa maksimum akım Dolum Faktörü (Fill Factor) 005 HSarı 18 FF ImV = I V sc m oc

19 Güeş Pilleri-3 Güeş Pili Tasarımı a) Gele güeş eerjisii e etki şekilde elektrik eerjisie (elektro-deşik çiftie) çevirebilme özelliği ( g <hv) b) Optik güçte maksimum derecede faydalamak içi güeş pilii geiş yüzeye sahip eklem alaı olmalıdır c) Oluşacak elektro-deşik çiftlerii eklem bölgesie ulaşması maksimum olacak şekilde ayarlamalıdır (d<lp) d) Oluşa elektro-deşik çiftlerii tekrarda birleşmede toplayacak uçları (elektrotları) uygu yerleştirilmesi e) Yüzey yasımasıı azaltacak ve yüzey birleşmesii azaltacak yasıtma öleyici kaplama ile kaplamalıdır f) p- bölgeleride güç kaybıı e aza olabilmesi içi çok küçük direce sahip olmalıdır a) b) c) d, f) A d < L p hv > g g p p e) hv > g 005 HSarı 19 p

20 Güeş Pilleri-4 hv > g Metal kotak Yasıtma öleyici kaplama p d Üstte görüüş Güeş pilleride kullaıla siliko, sıcaklıkla verimliliği düştüğü içi buu yerie yüksek sıcaklıklarda verimliliği daha iyi ola bileşik yarıiletkeler kullaılmaktadır Öreği GaAs-GaAlAs heteroyapılı güeş pilleri yüksek verimliliğe ve yüksek sıcaklıklarda çalışabilme özelliğie sahiptir Acak GaAs-GaAlAs heteroyapıları üretimi pahalıdır 005 HSarı 0

21 Işık Algılayıcıları (Dedektörler)-1 p- eklemii I-V grafiğii III. bölgeside akım gerilimde bağımsız, fakat akım, ışık şiddeti ile oratılıdır I α I op I + p - -V A g op =0 g 1 g g 3 -V V g 3 >g >g 1 Bu bölgede çalışa optik devre elemaı (dedektör) zamala değişe optik siyali elektrik siyalie çevirmede kolaylıkla kullaılabilir Dedektörlerde kullaıla malzemei bat aralığı algılaacak ışığı eerjiside küçük olmalıdır Dedektörlerde tepki zamaı öemlidir. Öreği bir sıra 1 s aralıklarla değişe ışık siyallerie duyarlu bir dedektörde oluşa elektrik yükleri 1 s de daha kısa zama aralığıda ekleme ulaşmalıdır I op 005 HSarı 1 t (s) Dedektör

22 Işık Algılayıcıları (Dedektörler)- Tüketim bölgesi dışıda yaratıla elektro-deşik çiftii difüzyo ile tüketim bölgesie ulaşması uzu zama alacağı içi dedektörü tepki zamaıı artırır. Bu sebepte dolayı tüketim bölgesi geiş tutularak ışığı yüksüz ola - veya p- bölgeside ziyade tüketim bölgeside elektro-deşik oluşturması sağlaır Tüketim bölgeside yaratıla elektro ve deşik çifti bu bölgede var ola elektrik alaı sayeside ve p bölgelerie iletilerek akıma döüşmeleri sağlaır Tüketim bölgeside elektro-deşik çiftii oluşturulması esasıa dayalı ışık algılayıcılarıa Tüketim Bölgesi Işık Algılayıcıları (Depletio Layer Photodiode) hv p 005 HSarı

23 Işık Algılayıcıları (Dedektörler)-3 Tüketim bölgesii geiş olması tepki zamaıı azaltır ve daha çok ışığı bu bölgede soğrulmasıı sağlar Acak bu bölge çok uzu olduğu takdirde oluşa elektro ve deşikleri bu bölgeyi aşmaları daha uzu zama alır Bu sebepte ışık algılayıcılarıı tasarımıda tüketim bölgesi içi e uygu (optimum) kalılık değeri seçilmelidir Yukardaki uygu kalılığı kotrol etmei bir yötemi p-i- olarak bilie ışık algılayıcıları yapmaktır hv i-bölgesi (saf bölge, itrisic): katkılamamış bölge R V p i d Uygulaa ters gerilim tümüyle i-bölgeside görülür Fazlalık taşıyıcılarıı yarı ömrü yeterice uzu ise oluşa elektro-deşik çifti - ve p-bölgelerie ulaşarak toplaır 005 HSarı 3

24 Işık Algılayıcıları (Dedektörler)-4 Düşük seviyedeki ışık siyallerii algılamak içi çığ ışık algılayıcıları (avalache photodedector) kullaılır Tüketim bölgesi algılayıcılarıda kazaç e fazla 1 olurke çığ algılayıcılarda bu sayı çok büyük olabilir hv I R V p e e h h d -V I d ava I p ava I d I p +V -I I d = Karalık akım I p = Işık olduğu durumdaki akım 005 HSarı 4

25 Işık Yaya Optoelektroik lemalar 005 HSarı 5

26 Bölüm III: Yarıiletkeler: Optoelektroik Devre lemaları- Işık Yaya Optoelektroik Devre lemaları» LD» Yarıiletke Lazereler Dalga Klavuzları» Optik Fiberler» Yarıiletke Dalga Klavuzları Yarıiletke Modülatörler 005 HSarı 6

27 Işık Yaya Optoelektroik lemalar Uygu bir p- eklemi I-V eğrisii I. bölgeside çalıştırılırsa eklemi tüketim bölgeside elektro ve deşikler belli bir eşik gerilimi üstüde eklem bölgeside birleşerek dalgaboyu bat aralığıa eşit ışık yayabilir I V>0, I >0 - p + A -V +V V -I Bu amaç içi direk bat aralığıa sahip ve aşırı katkılamış ve p tipi eklemler kullaılmalıdır 005 HSarı 7

28 Işık Yaya Diyotlar (LD) Aşırı katkılamış ve p tipi eklemlerde Fermi eerji seviyesi bat aralığıda ziyade bat içide buluur Tüketim bölgesii geişliği katkılamaı yoğuluğua bağlıdır (a) Ayrık p ve tipi yarıiletkeler ve eerji seviyeleri (b) Sıfır gerilim altıda p- eklemi + -GaAs p + -GaAs + -GaAs p + -GaAs c F C f v V F (c) İleri besleme durumu hv = g εvo 1 1 W = ( + ) q Na Nd 1/ (d) Oluşacak ola ışığı frekas aralığı V p F C c v hv = g 005 HSarı 8 V F p C - V < hv < F - F p

29 Lazerler-Geel Kavramlar LASR: Light Amplificatio by Sitmulated missio of Radiatio Geel olarak lazerleri çalışma presibii alamak içi eerjileri ve 1 ola iki eerji seviyesii göz öüe alalım Üst seviyedeki uyarılmış fazlalık elektrolar düşük eerji seviyesie düşer. Bu geçiş esasıda iki eerji farkı kadar eerjiye sahip fotolar salıır. Üst seviyedeki elektroları bu düşüşü rastgele olup bua kediliğide geçiş (spotaeous emissio) deir Δ= - 1 Lazerleri özelliği Koheretlik Tek reklilik 1 hv= - 1 Buu yaıda üst seviyedeki elektrolar uygu şartlarda kediliğide alt seviyeye imektese bir uyarıcıı varlığıda da alt seviyeye geçebilirler. Bu durumda kediliğide geçişi karakterize ede yarılama süresi τ k zamaıı beklemek zoruda değildir ve uyarılmaı etkisi ile çok daha kısa sürede τ u alt seviyeye geçebilirler. Bu şekilde ola geçişlere uyarılmış geçiş (stimulated emissio) deir 1 hv= - 1 Kediliğide geçiş Uyarılmış geçiş τ u 10-8 s << τ k 005 HSarı 9

30 Lazerler-Geel Kavramlar erjisi, bat aralığıa sahip (hv= - 1 ) fotolar uyarıcı olarak kullaıldığıda hv= - 1 ρ(hv) ρ(hv) foto alaıı varlığıda uyarılmış geçişi yaı sıra soğurma ve kediliğide yayma oluşur B 1 ρ(hv)=uyarılmış geçiş oraı B 1 1 ρ(hv)=soğurma oraı A 1 =Kediliğide geçiş oraı Dege durumuda 1 B 1, A 1, B 1 : istei katsayıları B 1 1 ρ(hv)=a 1 + B 1 ρ(hv) Isıl degede durumuda uyarılmış geçiş kediliğide geçiş oraı yaıda ihmal edilebilir 1 hv ρ(hv)=foto eerji yoğuluğu ρ(hv) 1 B 1 ρ(hv) A 1 B 1 1 ρ(hv) 1 hv Foto alaı durumuda Uyarılmış geçiş oraı B 1 ρ(hv) B 1 = = ρ(hv) Kediliğide geçiş oraı A 1 A Uyarılmış geçişi soğurmada fazla yapmak içi > 1 Uyarılmış geçiş oraı B 1 ρ(hv) B 1 = = Soğurma oraı B 1 1 ρ(hv) B HSarı 30

31 Optik Rezoas Oyuğu (Optical Resoat Cavity) Uyarılmış geçiş oraı B 1 ρ(hv) B 1 = = ρ(hv) Kediliğide geçiş oraı A 1 A 1 Uyarılmış geçişleri kediliğide geçişlerde daha fazla yapmaı yolu yüksek bir foto alaı ρ(hv) yaratmaktır. Buu içi rezoas oyuğu kullaılır. Bu rezoas oyuğu sayeside foto alaı ρ(hv) sürekli artırılır. Bu oyuk fotou yasıtacak bir aya olabilir. 1 m = L λ o m=1 Aya R=1 1 Aya R=0,9 m=3 L m= 005 HSarı 31

32 Pompalama Lazeri gerçekleşmesi içi gerekli ola. şart, yai > 1 şartı alt seviyedeki elektroları üst seviyeye uyararak gerçekleştirilir. Bu işleme dağılımı terslemesi (populatio iversio) deir. Uyarılmış geçişi soğurmada fazla yapmak içi > 1 Uyarılmış geçişi soğurmada fazla yapmak içi > 1 Uyarılmış geçiş oraı B 1 ρ(hv) B 1 = = Soğurma oraı B 1 1 ρ(hv) B 1 1 > 1 koşulu pompalama işlemi ile yapılır. Lazerlerde bu optik veya elektrik akımı ile yapılır. Yarıiletke lazerlerde pompalama işlemi aşırı katkılama sayeside eklem üzeride akım geçirerek sağlaır Akımı belli bir değeride (eşik akım (I eşik ) (threshold) > 1 şartı sağladığıda lazer özelliği göstere ışık elde edilmiş olur HSarı 3

33 Yarıiletke Lazerler Aşırı katkılamış ve p tipi direk bat aralığıa sahip yarıiletkelerle oluşturula eklemler lazerleri yapımıda kullaılabilirler Yarıiletke lazerler, rezoas oyuğu içie komuş LD lerde farklı değildir Rezoas oyuğu olarak, yarı iletkeleri kristal yapısıı bir soucu olarak yapıla kesme (cleave) işlemi uygulaır Yarıiletke lazerler diğer lazer türleride farklılık gösterirler. Buları e başlıcası boyutlarıı oldukça küçük oluşudur (tipik boyutları 0,1 x 0,1 x 0,3 mm) Yarıiletke lazerler oldukça verimlidir Lazer çıkışı eklemlere uygulaa akım ile kolaylıkla kotrol edilebilir Yarıiletke lazerler optoelektroik tümleşi devrelerie kolaylıkla bütüleştirilebilir Bu yarıiletke lazerler ayrıca fiber optik iletişimde oldukça kullaışlıdır 005 HSarı 33

34 Yarıiletke Lazerler Kesme doğrultuları (aya oluşturmak içi) p V p c f v Aya R=1 Aya R=0,9 005 HSarı 34

35 Yarıiletke Lazerler Aşırı katkılamış yarıiletke eklemi ileri besleme durumuda elektrolarla deşikler ayı bölgede birleşmeye hazır duruma gelirler Böylece lazeri oluşması içi gereke > 1 şartı sağlamış olur. şiddet Frekas Bat Aralığı şiddet şiddet w o hv şik değeri altıdaki durum (Koheret olmaya ışıma) (a) hv şik değeri heme altıdaki durum (b) w o hv şik değeri üstüde lazer ışıımı (c) (a) Daki durum LD lere karşı gelmektedir. Tek rekli ışık elde edilmesie rağme frekas bat aralığı oldukça geiştir ve elde edile ışıkta lazerler içi gerekli ola 1. şart sağlamadığı içi koheretlik yoktur (b) Akım eşik değeri heme altıda birçok rezoas oyuğua karşı gele dalgaboyuda ışık elde edilir. Bularda birii başat olması içi gereke >1 şartı heüz sağlamış değildir (c) Akım eşik değeri üstüde olduğuda rezoas oyuğudaki bir frekas diğerlerii bastırarak başat hale gelir. Bu frekasta bad aralığı oldukça küçüktür ve ışık koherettir 005 HSarı 35

36 Heteroeklemli Yarıiletke Lazerler Farklı türde yarıiletke malzemeler kullaılarak yarıiletke lazerleri verimliliği arttırılabilir. Bat aralıkları farklı yarıiletkelerle oluşturula eklemlerde elektro ve fotolar eklem bölgeside tutularak eşik akım değerii düşürülmesi sağlaır p-algaas p-gaas -GaAs Alttaş < 1 μm V p-algaas p-gaas -GaAs Alttaş < 1 μm -GaAs p-gaas p-algaas -GaAs p-gaas p-algaas g (AlGaAs) = ev f f g (GaAs) =1,4 ev f Kullaıla geiş bat aralıklı AlGaAs sayeside lektroları tümüylr p-gaas de kalması sağlaır f (a) Sıfır besleme durumu (b) İleri besleme durumu 005 HSarı 36

37 Çift Heteroeklemli Yarıiletke Lazerler Çift Heteroyapılı lazerler (Double Heterostructures): Daha verimli lazer yapılar oluşturulabilir Aktif Katma p-gaas p-algaas p-gaas -AlGaAs -GaAs Alttaş < 1 μm -GaAs -AlGaAs p-gaas p-algaas (AlGaAs) g = ev f g (AlGaAs) = ev g (GaAs) =1,4 ev 005 HSarı 37

38 Kuatum Çukurlu Yarıiletke Lazerler Lazeri aktif bölgesii kalılığı daha da çok düşürülerek (elektrou de Broglie dalga boyu mertebeside) Daha verimli ve frekas bad aralığı daha küçük lazerler elde edilebilir. Kuatum çukurlı lazerlerde tipik olarak eşik akım değeride 10 kat azalma sağlaabilir -GaAs -AlGaAs p-gaas p-algaas Aktif Katma p-gaas p-algaas p-gaas Å g (AlGaAs) g (GaAs) C C 1 g (AlGaAs) -AlGaAs -GaAs Alttaş V 1 V Aktif Katma GaAs 005 HSarı 38

39 Yüzey Salıımlı Lazerler Şimdiye kadar icelee lazer yapılarıda ışık ayaı ya yüzeylerde oluşuda dolayı ya yüzeylerde dışarıya çıkar Aktif bölgei yaklaşık μm kalılıkta olduğu düşüülürse lazer ışığıı geişlemeside asimetrik etkiye sebep olabilmektedir Yüzeyde salıım yapa lazer geometrisi ile lazer dizileri yapmak mümkü değildir Bazı uygulamalarda tek bir lazerde ziyade lazer dizilerie ihtiyaç duyulabilir. Öreği bir yüzey alaıı ışıkla taraması gibi 005 HSarı 39

40 Yüzey Salıımlı Lazerler Şimdiye kadar icelee lazer yapılarıda ışık, aya geometrisii ya yüzeylerde oluşuda dolayı ya yüzeylerde dışarıya çıkar Aktif bölgei yaklaşık μm kalılıkta olduğu düşüülürse lazer ışığıı geişlemeside asimetrik etkiye sebep olabilmektedir Yüzeyde salıım yapa lazer geometrisi ile lazer dizileri(array) yapmak mümkü değildir DBR Aya (3 çift) Akım sıırlayıcı Aktif bölge DBR Aya (3 çift) GaAs -AlAs -GaAs -AlAs GaAs p-algaas GaAs -AlAs -GaAs -AlAs +-GaAs 005 HSarı 40

41 Lazer Yapımıda Kullaıla Malzemeleri GaAlAs/GaAs tabalı yarıiletkeler: Hem direk bat aralığıa sahip hem de değişik kompozisyolarda büyütülmeside problem olmadığı (örgü Sabitleri arasıdaki fark çok küçük olduğu içi) üretilebilmektedir. IGaAsP/IP tabalı yarıiletkeler: Değişik dalgaboyuda ışık üretimie elverişli ve sorusuz büyütülebildiği içi λ=1,3-1,55 μm aralığıa herhagi bir dalgaboyua ayarlaabilir GaAs (1-x) P x Bat aralığı x ile doğrusal olarak değişir ve < x=0,45 e kadar direk bat aralığıa sahiptir LD ler içi kullaıla e uygu GaAs 0,6 P 0,4 Bu aralıkta bat direktir ve 1,9 ev eerji ile kırmızı Bölgeye düşer. Bu LD ler hesap makieleride ve diğer ışıklı göstergeleri yapımıda kullaılır 005 HSarı 41

42 Dalga Klavuzları 005 HSarı 4

43 Optik Dalga Klavuzları (Optical Waveguides) Dalga klavuzlarıı asıl foksiyou iki okta arasıda taşıacak ışık dalgasıı özelliğii bozmada ve e az kayıpla iletmek Bu asıl foksiyolarıı yaı sıra optik modülatör veya optik aahtar olarak da kullaılabilir Işık iletimi amacı ile kullaıldığıda ya ayı yoga (çip) üzerideki yada birbirleride kilometrelerce uzaklıkta bulua optoelektroik devre elemaları arasıda ışığı iletimii sağlamak İletke tellerdeki elektrik akımıı tersie dalga klavuzlarıda ışık farklı kiplerde (mod) ilerler Uzu mesafeler arasıda (km) ışığı taşımada kullaıla e yaygı dalga klavuzları optik fiberlerdir Yarıiletke dalga klavuzları daha çok elektroik yogalar üzerideki ( < cm) iletişimi sağlamada ve elektro-optik modülatörlerde kullaılır Dalga klavuzları kırma idisi büyük ola bir katmaı kırma idisi daha küçük bir katmala kaplaarak oluşturulur 005 HSarı

44 Optik Fiberler Uzu mesafeler arasıda ışığı taşımada kullaıla e yaygı dalga klavuzları optik fiberlerdir Optik fiberler ışığı taşıya yüksek kırma idisli iç katmaı (core) düşük kırma idisli malzeme (claddig) ile silidirik geometride yapılırlar Optik fiberler geellikle silisyumda yapılır SiO 1 > SiO :Ge SiO Dış katma (claddig): silisyum SiO İç bölge (core): germayum katkılamış silisyum (SiO :Ge) 1 İç katma (core) Dış katma (claddig) Işığı şiddetideki azalma (soğrulması) bütü dalgaboyları içi ayı değildir Bu sebepte dalga klavuzuu hagi dalgaboyu içi kullaılacağı öemlidir P o P( x) = P o e αx P 10 α (dbkm -1 ) Kızılötesi soğurma db=-10log(p/p o ) 0,1 Rayleigh saçılması λ (μm) 10 log( P / P o ) db Kayıp (attauatio) katsayısı α = = 0,01 x x 0,8 1,0 1, 1,4 1,6 005 HSarı 1,3 1,55 44

45 005 HSarı 45 Yarıiletke Dalga Klavuzları-1 ), ( ) ( ), ( t t r c r t r = Düşük kırma idisli yarıiletke bir malzeme( ) kırma idisi daha büyük yarıiletke malzemeler tarafıda sadviçleirse kırma idisi düşük ola katma ışığı uzu mesafeler boyuca dağıtmada iletebilir Böyle bir yapı epitaksiyel büyütme yötemleri ile kolaylıkla büyütülebilir Yarıiletke malzemeler kullaılarak yapıla bu dalga klavuzlarıa yarıiletke optik dalga klavuzları deir Klavuz olarak kullaıla katmaı bat aralığıı ıletilecek ışığı dalgaboyuda daha küçük olması gereki t i e r t r ω ) ( ), ( = 0 ) ( ) ( ) ( = + r r k r r 1 = 3 simetrik dalga klavuzu 1 3 simetrik olmaya dalga klavuzu z ekseii boyuca ilerleye düzlem dalga çözümleri z i e y x r β = ), ( ) ( β= İlerleme sabiti [ ] 0 ), ( ) ( ), ( ), ( = + + y x r k y y x x y x β k=ω/c 1 3 z x y t i e r t r ω ) ( ), ( = d

46 005 HSarı 46 Yarıiletke Dalga Klavuzları- [ ] 0 ), ( ) ( ), ( ), ( = + + y x r k y y x x y x β 1. bölge [ ] 0 ), ( ), ( 1 = + y x k x y x β. bölge [ ] 0 ), ( ), ( = + y x k x y x β 3. bölge [ ] 0 ), ( ), ( 3 = + y x k x y x β (k -β ) ifadesii işaretie bağlı olarak çözümler peryodik veya üsteldir 1 3 z x y β k 1 k 3 k T 1 T o Işığı oluştura elektro mayetik dalgaı uzaysal dağılımı d << y Işığı klavuzlaması içi β > k 1 β < k β > k 3

47 Yarıiletke Dalga Klavuzları-3 β ı farklı değerleri farklı yayılma modlarıa karşı gelmektedir. Dalga klavuzuda ilerleyecek modları sayısı dalga klavuzuu kalılığıa (d), dalgaı frekasıa ve 1, ve 3 değerlerie bağlıdır Bir dalga klavuzu içi verile üsteki değerler içi belli bir frekası altıdaki dalgaları iletmediği bir kesim frekas (cutoff frequecy) değeri vardır Dalga klavuzuda kalılık (d), dalgaı frekasıa(ω), 1, ve 3 değerlerii belli bir uygulama içi sabitlediği içi bu dalga klavuzuu iletebildiği modlar bu sabitlere bağlıdır x y z 1 d m= m=1 ( r, t) = ( r) e iωt 3 m=0 Δ = 3 (m + 1) λo 3 d Burda m=0, 1,, mod sayısı, λ o ise yayıla ışığı boşluktaki dalgaboyu Öreği GaAs da =3,6 ve kalılığı dalgaboyu mertebesiede olduğu durumda 10 - lik ideks farkı T o moduu yayılmasıa yetecektir 005 HSarı 47

48 Optoelektroik Modülatörler 005 HSarı 48

49 Diyot (LD) Modülatörler Diyotlar I-V eğrisii doğrusal olduğu aralıkta ışık modülatörü olarak kullaılabilir Bu aralıkta gerilimi (V) değişimi ile LD ışık şiddeti doğrusal olarak değişebilir I R V(t) p I(V) V I op (t) V(t) 005 HSarı 49

50 SD ksito soğurması ilkesie dayaılarak yapıla optoelektroik modülatöre e iyi örek SD (Self lectro-optic ffect Devices) olarak bilie ve eksito soğurmasıa dayaa modülatörlerdir V=0 V R p Soğurma katsayısı (α) V=10 V V=6 V V i Kuatum Çukuru 1,4 1,5 Foto eerjisi (ev) SD çalışma ilkesi: Sırıf alada eksito pikie yakı dalga boyuda ışık modülatöre göderilir Düşük şiddette fotoakım düşük olacak, şiddet artar ise fotoakım da artmaya başlayacak Foto akımı artması ile p-i- yapı üzeride gerilim düşmesi olacak Potasiyeli düşmesi eksito pikii kaymasıa buu soucu olarak da daha fazla soğurmaya sebep olacaktır 005 HSarı 50

51 Dalga Klavuzlu lektoro-optik Modülatörler Birçok elektro-optik modülatörler dalga klavuzu şeklide oluşturulabilir Dalga klavuzları faz modülatörü veya gelik modülatörü şeklide tasarlaabilir x y z d -V 1 Dalga Klavuzu Ga (1-b) Al b As Alttaş Ga (1-a) Al a As <100> 3 b < a Faz Modülatörü: Toplam ideks değişimi m=0 mod içi Alttaşı <100> yöelimi içi Δ 3 = 3 =Δ comp +Δ CCR +ΔO 1 λ 9 λ ( ) <Δ +Δ < ( ) 3 d 3 d Δβ Δ = = k o o comp CCR Δ = r O ( Δβλo ) π HSarı 51 V d L Δ ϕ =Δ βl= O Δ comp : Komp. dolayı ideks farklılığı Δ CCR : Yük fark. dolayı ideks farklılığı Δ O : lektro-optik etkide dolayı ideks farklılığı π r λ o 3 41 VL d

52 Dalga Klavuzlu lektoro-optik Modülatörler Gelik Modülatörü: Faz modülasyou gelik modülasyou ile karşılaştırıldığıda algılaması zor olduğuda pratik uygulamaları bir çoğuda dalga klavuzlu modülatörler geellikle gelik modülatörü şeklide yapılır Buu içi dalga klavuzu elektrik ala yok ike sadece e düşük modlu ışık dalgasıı iletmesi içi tasarımlaır Δ =Δ +Δ = 3 comp CCR 1 λ ( o ) 3 d lektrik ala uyguladığıda dalga klavuz katmaı ile alttaş arasıda küçük bir ideks farklılığıa yol açar x y z d -V 1 Dalga Klavuzu Ga (1-b) Al b As Alttaş Ga (1-a) Al a As <100> 3 b < a 005 HSarı 5 L

53 Kayaklar: 1) Solid State lectroics Devices, B. G. Streetma, Pretice Hall, 1995 ) The Physics of Semicoductors with applicatios to Optoelectroic Devices Kevi F. Brea, Cambridge Uiversity Press, ) R. G. Husperger, Itegrated Optics: Theory ad Techology, 3rd ditio, Spriger Series i Optical Sciece, Spriger-Verlag, ) HSarı 53