FZM450 Elektro-Optik. 9.Hafta

Transkript

1 FZM450 Elektr-Optik 9.Hafta şığın Mdülasynu 008 HSarı 1

2 9. Hafta Ders İçeriği Temel Mdülatör Kavramları LED ışık mdülatörler Elektr-ptik mdülatörler Akust-Optik mdülatörler Raman-Nath Tipi Mdülatörler Bragg Tipi Mdülatörler Mağnet-Optik Mdülatörler 008 HSarı

3 Elektr-Optik Etki Elektr-Optik etki: Pckel ve Kerr Etkisi Uygulanan dış elektrik alanın bir fnksiynu larak kırılma indisindeki değişme 1 Δ( ) = re + PE n V Pckel Etkisi Pckel Etkisi Burada r dğrusal elektr-ptik sabit (Pckel Sabiti) P karesel elektr-ptik sabittir (Kerr Sabiti) Katılarda re ile ilgili kırılma indisindeki (dğrusal) değişim Pckel Etkisi PE ile ilgili değişime (karesel terimden) ise Kerr Etkisi larak isimlendirilir 008 HSarı 3

4 Elektr-Optik Etki-Pckel Etkisi 1 Δ Δ ( ) = n = r 3 63E n n Eğer KDP ye elektrik alan z-ekseni byunca uygulanırsa x- ve y- eksenleri 45 lik dönme ile yeni x ve y eksenleri halini alır ve kırılma indisleri bu yeni yönler için n n ' n r E x 3 = + 63 z ' y 3 n n = n r63e z d Dğrusal Kutuplanmış ışık E y φ x' z Gelen ışık Geçen ışık V 0, E HSarı V 4

5 şık Mdülatörleri şık mdülatörlerini mdülasyn şekline göre, örneğin mdülasyn için kullanılan maddelerin kullanılan özelliklerine göre elektr-ptik, manyet-ptik, akust-ptik mdülatörler larak sınıflandurabilir Elektr-ptik etki Gerilim uygulayarak malzemenin ptik parametrelerini değiştireme Akust-ptik etki Ses dalgaları ile malzemenin kırılma indisini değiştirme Bragg Tipi akust-ptik mdülatörler Raman Nath tipi mdülatörler Manyet-ptik etki Manyetik alan uygulayarak malzemenin ptik özelliklerini değiştirme Faraday Dönmesi 008 HSarı 5

6 Temel Mdülasyn Kavramları şık Mdülatörleri Mdülasyn Derinliği η = Bant Aralığı =Mdülasyn gerilimi uygulanmadan önceki geçirgenlik =Mdülasyn gerilimi uygulandığı durumda geçirgenlik Mdülasyn yapılacak sinyalin frekans aralığı Kayıplar L i t = 10lg( ) Güç Tüketimi Yalıtım 008 HSarı 6

7 şık Mdülatörleri şık Mdülasyn Türü Faz Mdülasynu Kutuplanma Mdülasynu Şiddet Mdülasynu 008 HSarı 7

8 Optelektrnik Mdülatörler-LED Uygun bir p-n eklemi -V eğrisinin. bölgesinde çalıştırılırsa eklemin tüketim bölgesinde elektrn ve deşikler belli bir eşik gerilimin üstünde eklem bölgesinde birleşerek dalgabyu bant aralığına eşit ışık yayabilir V>0, >0 ışık - n p + A -V +V V E C hν=e C -E V - E V 008 HSarı 8

9 Optelektrnik Mdülatörler (a) Ayrık p ve n tipi yarıiletkenler ve enerji seviyeleri (b) Sıfır gerilim altında p-n eklemi n p n p E c E F E C E f E v E V E F (c) İleri besleme durumu V n p hv = E g E c E v 008 HSarı 9

10 Optelektrnik Mdülatörler-LED Diytlar -V eğrisinin dğrusal lduğu aralıkta ışık mdülatörü larak kullanılabilir Bu aralıkta gerilimin (V) değişimi ile LED ışık şiddeti dğrusal larak değişebilir R Bilgi Sinyali V(t) n p (V) V p (t) Mdüle edilmiş ışık V(t) Bilgi Sinyali 008 HSarı 10

11 Optelektrnik Mdülatörler-LED Mdülasyn Türü Genlik Mdülasynu (şığın frekansı ve kutupluluğu değiştirilmiyr) pt - n p + A -V V 1 V +V V Mdülasyn derinliği - η LED = Bant Aralığı Bilgi sinyalinin değişim sıklığı 008 HSarı 11

12 Pckels Elektr-Optik Mdülatör-1 Katılardaki elektr-ptik etkiyi kullanarak geliştirilen ışık mdülatörlerdir (Pckels electrptik mdülatörü ) Pckel etki ile çift kırınım haline getirilen malzemeler kullanılır Uygun kalınlıktaki çiftkırıcı mdülatör, birbirine 90 knumlandırılmış iki dğrusal kutuplayıcı arasına yerleştirilir Bu knfigurasyna sahip mdülatörlerde şiddet mdülasynu yapılabilmektedir (mdülatörü geçen ışık () şiddetinin mdülatöre gelen ışık şidetine ( ) ranı bilgi sinyaline bağlı larak değişmektedir) d Gelen ışık Dğrusal Kutuplanmış ışık E y φ Dairesel Kutuplanmış ışık Geçen ışık x Dedektör 008 HSarı 1 V

13 Pckels Elektr-Optik Mdülatör-1 E d x z Gelen ışık Dğrusal Kutuplanmış ışık E y φ x Dairesel Kutuplanmış ışık => Geçen ışık y Dedektör 0 V Dedektöre ulaşan ışık şiddeti * ϕ = k( Δn) d Δ n= 3 rn E π π rn = = Δ nd = E d λ λ 3 sin ( ϕ) sin (. ) sin ( ( ). ) 3 π rn V π 3 = sin ( ) d = sin rnv λ d λ 008 HSarı 13 T E E y y

14 Pckels Elektr-Optik Mdülatör- E Dğrusal Kutuplanmış ışık E y φ x => Dairesel Kutuplanmış ışık Geçen ışık Gelen ışık Dedektör 0 V = π 3 sin ( rnv ) π V λ = sin ( V ) V π λ rn 3 π V π, Geçen ışığın şiddetinin gelen ışığın şiddetine eşit lduğu (= ) lduğu maksimum geçirme için gerekli gerilimdir. V π, π lik bir faz farkına eşdeğerdir. Bu gerilime aynı zamanda yarım dalga gerilimi de denir. 008 HSarı 14

15 Pckels Elektr-Optik Mdülatör-3 Tipik bir elektr-ptik mdülatörde çalışma gerilimi yaklaşık dğrusal lacak bölgede Geçirme (%) 100 V π / V π 3V π / V π V = sin ( V Örnek: Yarım Dalga Gerilimi: 1,06 μ m dalga byunda KDP için yarım dalga gerilimini π ) λ 1,06x10 6 Vπ = = = 14,5kV rn.(10,6).(10 ).(1,51) 008 HSarı 15

16 Pckels Elektr-Optik Mdülatör-4 Tipik bir elektr-ptik mdülatörde çalışma gerilimi yaklaşık larak dğrusal lacak Bölgede yapılmalıdır Geçirme (%) 100 V π V() t = sin ( ) V π V π Mdüle edici gerilim V(t) 008 HSarı 16

17 Akust-Optik Mdülatörler-1 Bir rtamın kırılma indisi akustik (ses) dalgası ile değiştirilerek yapılan etkiye akust-ptik etki denir Kırılma indisi n lan bir rtamdan geçen ses dalgası rtamda mekanik zrlama (gerilme) luşturur Bu gerilme snucu rtamın kırılma indisini de Δn kadar değişir. Bu değişmeyi ses dalgasının şiddeti ve diğer nicelikler cinsinden veren frmül l Δn = n 6 p 10 ρv a 7 A P a n Δn Burada n, gerilmenin lmadığı durumdaki kırılma 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 Piezelektrik transducer 008 HSarı 17 l A=l.a a

18 Akust-Optik Mdülatör- Elektrptikte maddenin kırılma indisini ses dalgaları ile değiştirerek yapılan iki tür akust-ptik mdülatör vardır. Bunlar Raman-Nath tipi mdülatörlerdir (ışık yüzeye paralel) Bragg Tipi akust-ptik mdülatörler (ışık yüzeye özel açıda geliyrsa) Böyle bir rtamın kırılma indisi akustik dalganın dalga byu lan Λ ya eşit ve perydik larak değişir 008 HSarı 18

19 Raman-Nath Türü Akust-Optik Mdülatörler-1 Bu tür mdülatörlerde ışık, ses dalga vektörüne dik knumda gönderilir. Ses dalgasından dlayı kırılma indisi Λ perydu ile değiştirilmiş lan l uzunluğundaki maddeden geçen ışık kırınıma uğrayarak değişik açılarda gelen ışık dğrultusundan sapar. Ortamdan etkilenerek geçen ışığın şiddeti, akustik dalganın luşturduğu indis farkı ile rantılıdır Bu, akustik mdüle edici dalganın genliği ilişkilidir. Sıfırıncı mertebeden yk edilen ışığın ranı Burada akustik dalganın ykluğundaki geçen ışık şiddetini. Böylece akustik dalganın genlik değişimleri ptik demetin ışıma şiddeti değişimlerine dönüşür l x z Λ 1. derece 0. derece y Gelen ışık dalgası Piezelektrik transducer -1. derece 008 HSarı 19

20 Raman-Nath Türü Akust-Optik Mdülatörler- l x z Λ 1. derece 0. derece y -1. derece Gelen ışık dalgası Piezelektrik transducer Δnπl πx Δϕ = sin( ) λ Λ Burada Δn, ses dalgalarından dlayı kırılma indisindeki değişim, l etkileşme uzunluğu, Λ, ses dalgasının dalgabyu, x ise ışığın geliş ekseninden lan uzaklıktır. Δ ϕ = π λ M 10 Pl π x sin( ) a Λ 7 a M n p 6 3 ρva Ses dalgaları ile indisi Dn kadar değiştirilmiş bölgeden geçen ışıgın geliş ekseninden x kadar uzak nktalarda ışık dalgasının maruz kalacağı faz kayması 008 HSarı 0

21 Raman-Nath Türü Akust-Optik Mdülatörler-3 Birden çk kırınımın lmasını önlemek için etkileşme uzunluğunun (l) küçük lması gerekir l << Λ λ Burada Λ, ses dalgasının dalgabyu, λ ise ışığın madde içindeki dalgabyu Kırınım şartı mλ = Λ sin( θ m ) m = 0, ± 1, ±,.. Δ ϕ = π λ M 10 Pl π x sin( ) a Λ 7 a şık şiddetinin ranı ' J m( Δ ϕ ), m > 0 = ' J ( ϕ ) Δ, m = 0 Burada 10 7 ' π / Δn M Pl a Δ ϕ = λ a Mdülasyn derinliği η RN [ ( m= 0) ] ' = = 1 J( ϕ ) Δ 008 HSarı 1

22 Bragg Türü Akust-Optik Mdülatörler-1 Bragg türü akust-ptik mdülatörlerde ışık mdülatöre dik değil de belli bir açı ile gelir Ses dalgaları ile kırılma 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 λ θ Β Λ 0. derece Λ Gelen ışık dalgası 1. derece Bragg Kşulu sinθ Β =λ/λ Piezelektrik transducer Bragg Türü mdülatörde, ışığın madde ile ses dalgaları ile etkileşip kırınıma uğraması için etkileşme uzunluğunun büyük lması gerekir 008 HSarı l >>Λ /λ

23 Bragg Türü Akust-Optik Mdülatörler- l λ θ Β Gelen ışık dalgası Λ 0. derece θ B Λ Bragg Kşulu sinθ Β =λ/λ Piez-elektrik transducer 1. derece Geliş açısı Bragg açısına eşit lmalıdır λ = Λ sin( θ B ) Bragg tipi akust-ptik mdülatörde kırınıma uğrayan ışığın () kırınıma uğramadan geçen ışığın ( ) şiddetine ranı = Δϕ sin ( ) şeklindedir Mdülasyn derinliği 7 ( ) π 10 MP a ηb = = sin ( ) λ a 008 HSarı 3

24 Magnet-Optik Etki Katılarda Faraday Dönmesi Bir iztrpik dielektrik madde manyetik alana yerleştirildiğinde dğrusal larak kutuplanmış ışık alan dğrultusunda gönderildiğinde ışığın kutuplanma dğrultusunun değiştiği gözlenir. Burada manyetik alan dielektrik malzemeyi ptik larak aktif duruma getirmiştir. Kutuplanma dğrultusunun dönme açısı manyetik alan (H) ve rtamın uzunluğu ile rantılıdır. θ=vhl Burada V rantı sabitidir. Bu sabite Verdet sabiti denir Bazı maddeler Verdet sabitleri Madde Elmas NaCl Cam V(q(dakika)Oe -1 cm -1 ) 0,01 0,036 0,015-0, HSarı 4

25 Manyet-Optik Mdülatörler-1 Bu tür ışık mdülatörleri Faraday manyet-ptik ilkeye göre çalışmaktadırlar Manyet-ptik etkide anlatıldığı üzere manyetik alanın etkisi ile ışığın dğrultusu değiştirilebilir θ=vhl Burada θ: ışığın kutuplanma dğrultusundaki dönme miktarı V:Verdet (manyet-ptik) sabiti, H: manyetik alan, l: ise ışığın rtamda katettiği yldur y x z x- yönünde dğrusal kutuplanmış ışık E Kutuplanmış ışık H θ φ Geçen ışık Dedektör Gelen ışık Manyet-ptik madde Manyetik Alan (H) 008 HSarı 5

26 Manyet-Optik Mdülatörler- y x z x- yönünde dğrusal kutuplanmış ışık E Kutuplanmış ışık H θ φ Geçen ışık Dedektör Gelen ışık Manyet-ptik madde Manyetik Alan (H) Δ 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 008 HSarı 6