FM561 Optoelektronik. Işığın Modülasyonu

Transkript

1 FM561 Optelektrnik Işığın Mdülasynu

2 Pasif ptelektrnik elemanlar Çeyrek Dalga Plakası Yarım Dalga Plakası Tarım Dalga Plakası Işığın Mdülasynu lektr-ptik mdülasyn» Pckel tkisi» Kerr tkisi Akust-Optik mdülasyn Mağnet-Optik Mdülasyn

3 Dalga Plakaları - ve e-ışını arasında çeşitli dalga bylarında faz farkı luşturmaya yarayan ptik elemanlardır Dğrusal larak kutuplanmış bir ışık dalgası böyle bir plakadan çıktığında en genel larak eliptik kutuplanmış larak çıkacaktır Dalga plakası larak kullanılan malzemenin kalınlığı öyle ayarlanabilirki n ve n e eksenlerinden çıkan ışık arasındaki ptik yl farkı çeyrek dalga plakaları için /4, yarım dalga plakaları için /, tam dalga plakaları için / şeklinde lur Çift kırıcı maddeler uygun şekillerde kullanılarak (ptik eksen ve kalınlıkları ayarlanarak) dalga plakaları denilen pasif ptik elemanları luşturulur Bu tür dalga plakaları ile ışığın kutuplanma dğrultusu ve kutuplanma özelliği değiştirilebilir n e Optik eksen v e =c/n e k 005 HSarı 3 n v =c/n

4 Dalga Plakaları-Faz Farkı = sin( kz ωt+ φ) M dalganın uzaysal değişimi = sin( kz) = sin( φ) bsluk =, e = n bsluk n e Faz Fazfarkı = φ = = Δφ = π kz = z π π d d e Fazfarkı π = bsluk d n n e n e Optik eksen v e =c/n e k 005 HSarı 4 d n v =c/n

5 Çeyrek Dalga Plakaları -ve e-ışık demetleri arasında π/ faz farkı luşturan kristal çeyrek dalga plakası larak adlandırılır ϕ 4 π π = dn ne = bsluk bsluk Optik yl dn ne = Kalınlık d 4 4 = 4 n bsluk n e Dğrusal Kutuplanmış ışık n e Dairesel Kutuplanmış ışık φ Gelen ışık n d Çıkan ışık φ=45 veya 135 ise Dairesel Kutuplu Dalga φ 45 veya φ 135 ise liptik Kutuplu Dalga Örneğin kuartz için sdyum dalgası kullanıldığında (l nm) d=0,00164 ye eşit lacaktır 005 HSarı 5

6 Yarım Dalga Plakaları -ve e-ışık demetleri arasında π kadarlık faz farkı luşturan bir kristal yarım dalga plakası larak adlandırılır ϕ π = dn ne = π bsluk bsluk Optik yl dn ne = Kalınlık d = 4 n bsluk n e d plaka kalınlığı lmak üzere π kadarlık faz farkı n d-n e d =/ kadarlık bir yl farkına eşdeğerdir. Yarım dalga plakası da çeyrek dalga plakasına benzer bir düzenekle luşturulabilir İki plakanın tek farkı kalınlıklarının farklı luşudur. Yarım Dalga Plakaları emd nın plarizasyn dğrultusunu değiştirmekte ters çevirmekte kullanılır Dğrusal Kutuplanmış ışık n e Terslenmiş larak dğrusal Kutuplanmış ışık θ θ 005 HSarı Gelen ışık 6 Çıkan ışık d n

7 Tam Dalga Plakaları -ve e-ışık demetleri arasında πn kadarlık (n tam sayı) faz farkı luşturan bir kristal tam dalga plakası larak adlandırılır π ϕ = dn n = π Optik yl Tam dalga plakası da yarım ve çeyrek dalga plakasına benzer bir düzenekle luşturulabilir İki plakanın tek farkı kalınlıklarının farklı luşudur Tam dalga plakaları geciktirici larak kullanılır dn ne = bsluk bsluk e Kalınlık d = bsluk n n e Dğrusal Kutuplanmış ışık n e Geciktirilmiş ışık θ θ n Gelen ışık Çıkan ışık 005 HSarı d 7

8 lektr-optik tki Çift kırıcı maddeden yapılmış pasif ptik elemanlarının işlevselliği çğunlukla kalınlıkları ile sınırlıdır Bu maddelerden yapılmış ptik devre elemanları belli bir işlem yapmak için pratiktir ancak ışığın mdülasynunda tek başlarına kullanılamazlar! Bunun için indüksiyn ylu ile yani dışardan uygulanan bir etki ile (gerilim vs. ile) çift kırıcı özellik kazanabilen maddeler ışığın mdülasynunda kullanılmaktadır Bu işlem bazı özel malzemelerde klaylıkla yapılabilmektedir. lektr-optik tki: Bir ptik rtamın iki ucuna bir elektrik alan uygulandığında içindeki elektrnların dağılımı ve dlayısı ile kutuplanabilirliği bzulur ve rtamın kırma indisi aniztrpik bir şekilde değişebilir Bu elektr-ptik etkinin snucu larak, dğal larak çift kırıcı lan kristallerde, mesela KDP, yeni bir ptik eksen luşturmak veya dğal larak hmjen lan kristal, GaAs da lduğu gibi, çift kırıcı yapılabilmektedir 005 HSarı 8

9 lektr-optik tki lektr-optik etki: Pckel ve Kerr tkisi Uygulanan elektrik alanın () bir fnksiynu larak kırılma indisindeki (n) değişme 1 Δ( ) = r + P n Pckel Kerr ifadesi ile elde edilebilir. Burada r dğrusal elektr-ptik sabit ve P karesel elektr-ptik sabittir. Katılarda r ile ilgili kırma indisindeki (dğrusal) değişim Pckel tkisi larak, Karesel terimden dğan değişime ise Kerr tkisi larak isimlendirilir 005 HSarı 9

10 lektr-optik tki-pckel tkisi Pckels hücrelerinde genellikle ADP larak bilinen Amnyum dihidrjen psfat veya KDP larak bilinen ptasyum dihidrjen fsfr kullanılır. Pckel etkisi için kullanılan diğer malzemeler ve Pckels katsayıları (r) Madde r(pm/v) KH PO 4 (KDP) 10,6 KD PO 4 (KD*P) 6,4 AH PO 4 (ADP) 8,5 GaAs 1,6 Pckel etkisi durumunda uygulanan elektrik alanın bütün etkileri ele alınan malzemenin simetri ve kristal yapısına bağlıdır. Örneğin KDP meteryali için elektrik alana bağlı indisdeki değişme 1 Δ Δ ( ) = n = r 3 63 n n n Δ n= 3 r 63 Burada r 63 KDP için uygun elektr-ptik sabittir. Pckels etkisi ile çeşitli dalga plakalarını dışardan uygulanan dığımız elektrik alan ile luşturulabilir 005 HSarı 10

11 Mesela KDP de elektrik alan z-ekseni byunca uygulanırsa x- ve y- eksenleri 45 lik dönme ile yeni x ve y eksenleri halini alır ve kırma indisleri bu yeni yönler için n Δ n= 3 r 63 3 n n ' = n x + r63 3 n n ' = n y r63 Pckels etkisi ile çeşitli dalga plakalarını dışardan uyguladığımız elektrik alan ile luşturabiliriz z z Örneğin aşağıdaki düzenekte dğrusal larak kutuplanmış ışık demeti Pckels etkisi gösteren ve V gerilimi altında bulunan rtamdan geçtikten snra - ve e-ışınları arasında istenen faz farkı luşturularak d kutuplanma özelliği değiştirilebilir Dğrusal Kutuplanmış ışık y φ x' z Gelen ışık Geçen ışık Örnek: Pckels etkisi sebebiyle kırma indisindeki değişme: 4000 V luk bir gerilimin uygulandığı KDP nin 10 mm kalınlığındaki bir kristal için kırma indisindeki değişmeyi hesaplayalım. 005 HSarı 11 n -n=(1/)(6,4x10-1 )(1,51 3 )(4000 V/10 - m)=1,8x10-5 bulunur. V

12 lektr-optik tki-kerr tkisi Kerr tkisi: Optik larak iztrpik lan bir madde güçlü bir elektrik alana knduğu zaman bu madde çiftkırılma özelliği göstermeye başlar Bu etki 1985 yılında J. Kerr tarafından gözlendiği için bu etkiye Kerr elektr-ptik etki denir Bu etki hem katılarda hem de sıvılarda gözlenir Kerr etkisinin, elektrik alanın varlığında maddedeki mleküllerin yönelimlerinin atfedilir. Bu durumda madde sanki ptik ekseni elektrik alanın yönü ile belirlenmiş tek eksenli kristal gibi davranır Bu etkinin büyüklüğü uygulanan elektrik alanın karesi ile rantılıdır Kerr etkisi ile luşturulacak kırma indisi farkı Δn=n p -n s =K şeklinde verilir. Burda K Kerr sabiti, n s, alan yönündeki kırma indisi, n p alana dik dğrultudaki kırma indisi ve da ışığın bşluktaki dalgabyudur 005 HSarı 1

13 lektr-optik tki-kerr tkisi Kerr etkisi gözlenen bazı maddeler ve Kerr (K) sabitleri Madde K(cm/V ) Su 5,x10-14 Benzene 0,7x10-1 Karbndisülfür 3,5x10-1 Nitrbenzene 4,4x10-10 Kerr elektr-ptik etki yüksek hızlı ışık mdülasynunda kullanılır. Bu kullanımına Kerr hücresi denir ve genellikle Kerr katsayısı büyük lan malzemeler kullanılır. 005 HSarı 13

14 Işığın Mdülasynu 005 HSarı 14

15 Işığın Mdülasynu-1 Işık mdülatörlerini mdülasyn şekline göre, örneğin mdülasyn için kullanılan maddelerin kullanılan özelliklerine göre elektr-ptik, manyet-ptik, akust-ptik mdülatörler larak sınıflandurabilir lektr-ptik etki Gerilim uygulayarak malzemenin ptik parametrelerini değiştirme Akust-ptik etki Ses dalgaları ile malzemenin kırma indisini değiştirme Bragg Tipi akust-ptik mdülatörler Raman-Nath tipi mdülatörler Manyet-ptik etki Manyetik alan uygulayarak malzemenin ptik özelliklerini değiştirme Faraday Dönmesi 005 HSarı 15

16 Işığın Mdülasynu- lektr-ptik Mdülatörler Katılardaki elektr-ptik etkiyi kullanarak geliştirilen ışık mdülatörlerine denir. Pckel etki ile çift kırınım haline getirilen malzemeler kullanılır Pckel etki gösteren maddelerden yapılmış mdülatörlere Pckels electr-ptik mdülatörü denir. Bu mdülatörlerde mdülatörü geçen ışık (I) şiddetinin mdülatöre gelen ışık şidetine (I ) ranı Dğrusal Kutuplanmış ışık y φ Dairesel Kutuplanmış ışık Dedektör Gelen ışık I x Geçen ışık I I = sin π ( rn 3 V ) V V π, Geçen ışığın şiddetinin gelen ışığın şiddetine eşit lduğu (I=I ) lduğu maksimum geçirme için gerekli gerilimdir. V π, π lik bir faz farkına eşdeğerdir. Bu gerilime aynı zamanda yarım dalga gerilimi de denir. V rn 005 HSarı π 3 16 I I π V = sin ( V π )

17 Işığın Mdülasynu-3 Tipik bir elektr-ptik mdülatörün çalışma gerilimi, dğrusal lan bölgede seçilir Geçirme (%) 100 Geçirme (%) 100 V π V V Mdüle edici gerilim V π / V π 3V π / Dğrusal Kutuplanmış ışık y φ Dairesel Kutuplanmış ışık Dedektör x Gelen ışık I Geçen ışık Örnek: Yarım Dalga Gerilimi: 1,06 μm dalga byunda KDP için yarım dalga gerilimini V 6 1,06x10 V = = = 14,5kV larak bulunur π HSarı rn.(10,6).(10 ).(1,51) 17

18 Akust-Optik etki Bir rtamın kırma indisi akustik (ses) dalgası ile değiştirilerek yapılan etkiye akust-ptik etki denir Kırma indisi n lan bir rtamdan geçen ses dalgası rtamda mekanik zrlama (gerilme) luşturur Bu gerilme snucu rtamın kırma indisini de Δn kadar değişir. Bu değişmeyi ses dalgasının şiddeti ve diğer nicelikler cinsinden veren frmül n n+δn Δn = n 6 p ρv 005 HSarı Burda n, gerilmenin lmadığı durumdaki kırma indisi, p uygun ftelastik tensör elemanı, P a watt larak tplam akustik güç, ρ kütle yğunluğu, v a ise ses hızı, A dalganın geçtiği bölge için tesir kesit alanı a lektrptikte maddenin kırma indisini ses dalgaları ile değiştirerek yapılan iki tür akust-ptik mdülatör vardır. Bunlar Bragg Tipi akust-ptik mdülatörler Raman Nath tipi mdülatörlerdir Böyle bir rtamın kırma indisi akustik dalganın dalga byu lan Λ ya eşit ve perydik larak değişir 7 A P a P a =0 P a =P sin(λx)

19 Raman-Nath Türü Akust-Optik Mdülatörler Bu tür mdülatörlerde ışık ses dalga vektörüne dik knumda gönderilir. Ses dalgasından dlayı kırma indisi Λ perydu ile değiştirilmiş lan l uzunluğundaki maddeden geçen ışık kırınıma uğrayarak değişik açılarda gelen ışık dğrultusundan sapar. Ortamdan etkilenerek geçen ışığın şiddeti I, akustik dalganın luşturduğu indis farkı (Δn) ile bağlantılıdır. Bu, akustik mdüle edici dalganın genliği ilişkilidir. Sıfırıncı mertebeden yk edilen ışığın ranı Burada I akustik dalganın ykluğundaki geçen ışık şiddetini. Böylece akustik dalganın genlik değişimleri ptik demetin ışıma şiddeti değişimlerine dönüşür l y x z Λ 1. derece 0. derece m = Λ sin( θ m ) -1. derece Gelen ışık dalgası Piezelektrik transducer Ses dalgaları ile indisi Δn kadar değiştirilmiş bölgeden geçen ışıgın geliş ekseninden x kadar uzak nktalarda ışık dalgasının maruz kalacağı faz kayması Δnπl πx Δϕ = sin( ) Λ şeklinde lacaktr. Burada Δn, kırma indisindeki değişim, l etkileşme uzunluğu, Λ ise ses dalgasının dalgabyudur. x ise ışığın geliş ekseninden lan uzaklıktır. 005 HSarı 19

20 Bragg Türü Akust-Optik Mdülatörler Bragg türü akust-ptik mdülatörlerde ışık mdülatöre dik değil de belli bir açı ile gelir Ses dalgaları ile kırma indisi mdüle lmuş lan rtam perydu ses dalgalarının perydu Λ lan perydik düzlemler larak algılanabilir Bu rtama giren ışık aynen kristale giren x-ışınları gibi Bragg kşulunu sağlayan durumda yapıcı girişim ile 1. dereceden yansımayı luşturur Diğer durumlarda ışık yansımadan geliş dğrultusunda kristalden çıkar l θ Β Λ 0. derece Λ Gelen ışık dalgası 1. derece l>>λ / Bragg Kşulu sinθ Β =/Λ Piezelektrik transducer Bragg tipi akust-ptik mdülatörde ışığın şiddetini veren ifade I I I Δϕ = sin ( ) 005 HSarı 0 şeklindedir

21 Magnet-Optik tki ve Mdülasyn Katılarda Faraday Dönmesi Bir iztrpik dielektrik madde manyetik alana yerleştirildiğinde dğrusal larak kutuplanmış ışık alan dğrultusunda gönderildiğinde ışığın kutuplanma dğrultusunun değiştiği gözlenir. Burda manyetik alan dielektrik malzemeyi ptik larak aktif duruma getirmiştir. Kutuplanma dğrultusunun dönme açısı manyetik alan (B) ve rtamın uzunluğu ile rantılıdır. θ=vbl Burda V rantı sabitidir. Bu sabite Verdet sabiti denir ve bazı maddeler için değeri aşağıdaki tablda verilmektedir. Madde V(q(dakika)Oe -1 cm -1 ) lmas 0,01 NaCl 0,036 Cam 0,015-0, HSarı 1

22 Manyet-Optik Mdülatörler Bu tür ışık mdülatörleri Faraday manyet-ptik ilkeye göre çalışmaktadırlar Manyet-ptik etkide anlatıldığı üzere manyetik alan etkisi ile ışığın dğrultusu değiştirilebilir Aşağıda bu işlemin nasıl yapılacağını gösteren basit bir düzenek gösterilmektedir. Başlangıçta x ekseni yönünde kutuplanmış ışık, manyet-ptik özellik gösteren maddenin içinden geçince kutuplanma dğrultusu q açısı kadar değiştirilebilir. Bu açı θ=vhl Burda V Verdet (manyet-ptik) sabiti, H manyetik alan, l ise ışığın rtamda katettiği yldur. y x z x- yönünde dğrusal kutuplanmış ışık Kutuplanmış ışık H θ φ Geçen ışık Dedektör Gelen ışık Manyet-ptik madde I Manyetik Alan (H) ΔI θ = VHl Dedektörde algılanan ışık şiddeti θ açısı ile rantılı lacaktır Görüldüğü gibi dedektöre gelen ışığın genliği H alanı ile dğru rantılı lduğu için H alanını dışardan uygulanan akım veya gerilim ile değiştirerek ışığın genligini mdüle edebiliriz 005 HSarı

23 Teşekkürler Gelecek Hafta Yarıiletken Fiziği- lektrnik Özellikler