Işık İleticiler: Optik Fiberler Yarıiletken Dalga Kılavuzları

Transkript

1 şık İleticiler: Optik Fiberler Yarıiletken Dalga Kılavuzları

2 Optik Dalga Kılavuzları-Sunuş Dalga kılavuzlarının fnksinu ışığı özelliğini bzmadan ve en az kaıpla bir nktadan başka bir nktaa iletmektir Bu asıl fnksinlarının anı sıra ptik mdülatör vea ptik anahtar larak da kullanılabilir İletimi amacı ile kullanıldığında a anı nga (çip üzerindeki a da birbirlerinden kilmetrelerce uzaklıkta bulunan ptelektrnik devre elemanları arasında ışığın iletimini sağlar İletken tellerdeki elektrik akımının tersine dalga kılavuzlarında ışık farklı kiplerde (md ilerler Yarıiletken dalga kılavuzları daha çk elektrnik ngalar üzerindeki ( < cm iletişimi sağlamada ve elektr-ptik mdülatörlerde kullanılır Uzun mesafeler arasında (km ışığı taşımada kullanılan en agın dalga kılavuzları ptik fiberlerdir n n n 1 n n n 1 > n n 1 n 1 > n n 1 n 1 > n Yarıiletken Dalga Klavuzları Fiber Optik Dalga Klavuzları

3 Optik Dalga Kılavuzları Dalga kılavuzları, kırılma indisi büük lan bir katmanın kırılma indisi daha küçük bir katman ile kaplanarak luşturulur n 1 n 1 n > n 1 Tam iç ansıma 3 θ c 3 θ > θ c 1 1 n 1 θ > θ c 3 θ n n 1 1 θ < θ c

4 Optik Dalga Kılavuzları-Mdlar Md: Kutuplanma dğrultusu ve enlemesine alanı (, H dalga kılavuzu ekseni bunca (z değişmeen ışığın uzasal dağılımı z B n > n 1 n 1 A d k θ z θ -dğrultusunda kutuplu TM dalga k n n 1 θ k faz faz π = πq AC AB C q=0, 1,, 3... θ z π π AC AB π = πq λ λ π ( AC AB = π ( q + 1 = π m λ m=(q+1=1,,3...

5 d θ A B B θ AC AB = d sin θ Optik Dalga Kılavuzları-Mdlar C π ( AC AB = π ( q + 1 = π m λ π d sin θ = m π λ λ sin θ m = m d m=(q+1=1,,3... Her m, farklı bir geliş açısına (θ m karşı gelmektedir. m in karşı geldiği alanın uzasal dağılımına m. md denir β = k = k cs θ z d k + θ k +θ k z =β β=yaılma sabiti km π = m d k k θ β = k m m π d

6 Dalga Kılavuzları-Mdlar-Genel Durum, ( (, ( t t r c r n t r = t i e r t r ω (, ( = 0 ( ( ( = + r r n k r z-eksenini bunca ilerleen Uzasal dağılım z i e r β =, ( ( β= aılma sabiti [ ] 0, ( (, (, ( = + + r n k β k=ω/c n 1 n n 1 z t i e r t r ω (, ( = d Düzlem dalga çözümleri Zaman ve uzasal bileşenler arılırsa

7 d << Yarıiletken Dalga Kılavuzları- (, 1 β (, + k n β (, = (, + k n3 β (, = 1. bölge + [ k n ] (, = 0. bölge [ ] 0 3. bölge [ ] 0 şığı kılavuzlanması için β > kn 1 β < kn β > kn 3 (k n -β ifadesinin işaretine bağlı larak çözümler peridik vea üsteldir şığı luşturan elektr manetik dalganın uzasal dağılımı kn 1 kn 3 kn β n 1 n T 1 T z n 3 TM 1,0 TM 0,0

8 Optik Dalga Kılavuzları-Mdlar β 1 β β3 km = m d π n n 1 n TM 1,1 TM 0,0 TM 1,0 β = k m m π d

9 Optik Fiberler Uzun mesafeler arasında ışığı taşımada kullanılan en agın dalga klavuzları ptik fiberlerdir Optik fiberler ışığı taşıan üksek kırılma indisli iç katmanın (cre düşük kırılma indisli malzeme (cladding ile silindirik gemetride apılırlar Optik fiberler genellikle silisumdan apılır SiO n 1 n İç katman (cre kruucu dış katman (cladding Dış katman (cladding n 1 > n n 1 >n SiO :Ge n 1 n İç katman (cre SiO Dış katman Dış katman (cladding: silisum SiO (cladding İç bölge (cre: germanum katkılanmış silisum (SiO :Ge şığın şiddetindeki azalma (sğrulması bütün dalgabları için anı değildir Bu sebepten dalga klavuzunun hangi dalgabu için kullanılacağı önemlidir

10 Optik Fiberler-Kaıplar P P( = P e α P db= - 10lg(P/P 10 lg( P / P = α = db Kaıp (attanuatin katsaısı 10 α (dbkm -1 Kızılötesi sğurma 0,1 0,01 Raleigh saçılması 0,8 1,0 1, 1,4 1,6 1,3 1,55 λ (µm

11 Yarıiletken Dalga Kılavuzları-1 Büük kırılma indisli arıiletken bir malzeme (n kırılma indisi daha küçük arıiletken malzemeler tarafında sandiviçlenirse kırılma indisi büük lan katman ışığı uzun mesafeler bunca dağıtmadan iletebilir Böle bir apı epitaksiel büütme öntemleri ile klalıkla büütülebilir Yarıiletken malzemeler kullanılarak apılan bu dalga kılavuzlarına arıiletken ptik dalga kılavuzları denir Kılavuz larak kullanılan katmanın bant aralığının iletilecek ışığın enerjisinden daha büük lması gerekir z n 1 d ( r, t = ( r e iωt n n 3 n 1 =n 3 simetrik dalga kılavuzu n 1 n 3 simetrik lmaan dalga kılavuzu n ( r ( r, t ( r, t = c t

12 Yarıiletken Dalga Kılavuzları-3 β nın farklı değerleri farklı aılma mdlarına karşı gelmektedir. Dalga kılavuzunda ilerleecek mdların saısı dalga kılavuzunun kalınlığına (d, dalganın frekansına ve n 1, n ve n 3 değerlerine bağlıdır Bir dalga kılavuzu için verilen üsteki değerler için belli bir frekansın altındaki dalgaları iletmediği bir kesim frekans (cutff frequenc değeri vardır Dalga kılavuzunda kalınlık (d, dalganın frekansına(ω, n 1, n ve n 3 değerlerini belli bir ugulama için sabitlendiği için bu dalga kılavuzunun iletebildiği mdlar bu sabitlere bağlıdır TM 1,1 TM 0,0 z ( r, t = ( r e iωt d n = n n 3 n 1 n n 3 (m + 1 λ 3n d m= m=1 m=0 TM 1,0 TM 0,0 Burada m=0, 1,, md saısı, λ ise aılan ışığın bşluktaki dalgabu Örneğin GaAs da n =3,6 ve kalınlığı dalgabu mertebesinde lduğu durumda 10 - lik indis farkı T mdunun aılmasına etecektir

13 Optelektrnik Mdülatörler Mdülasn-Genel Kavramlar lektr-optik Mdülatörler Optelektrnik Mdülatörler Yarıkararlı Optelektrnik Devre lemanları

14 şığın Mdülasnu

15 Optelektrnik Mdülatörler Temel Mdülatör Kavramları LD ışık mdülatörler lektr-ptik mdülatörler Akust-Optik mdülatörler Raman-Nath Tipi Mdülatörler Bragg Tipi Mdülatörler Mağnet-Optik Mdülatörler

16 Temel mdülasn kavramları şık Mdülatörleri Mdülasn Derinliği η = Bant Aralığı =Mdülasn gerilimi ugulanmadan önceki geçirgenlik =Mdülasn gerilimi ugulandığı durumda geçirgenlik Mdülasn apılacak sinalin frekans aralığı Kaıplar L i t = 10lg( Güç Tüketimi Yalıtım

17 şık Mdülatörleri şık Mdülasn Türü Faz Mdülasnu Kutuplanma Mdülasnu Şiddet Mdülasnu

18 Optelektrnik Mdülatörler-LD Ugun bir p-n eklemi -V eğrisinin. bölgesinde çalıştırılırsa eklemin tüketim bölgesinde elektrn ve deşikler belli bir eşik gerilimin üstünde eklem bölgesinde birleşerek dalgabu bant aralığına eşit ışık aabilir V>0, >0 ışık - n p + A -V +V V C hν= C - V - V

19 Optelektrnik Mdülatörler (a Arık p ve n tipi arıiletkenler ve enerji sevieleri (b Sıfır gerilim altında p-n eklemi n p n p c F C f v V F (c İleri besleme durumu V n p hv = g c v

20 Dit (LD Mdülatörler Ditlar -V eğrisinin dğrusal lduğu aralıkta ışık mdülatörü larak kullanılabilir Bu aralıkta gerilimin (V değişimi ile LD ışık şiddeti dğrusal larak değişebilir R Bilgi Sinali V(t n p (V V p (t Mdüle edilmiş ışık V(t Bilgi Sinali

21 Optelektrnik Mdülatörler-LD Mdülasn Türü Genlik Mdülasnu (şığın frekansı ve kutupluluğu değiştirilmir pt - n p + A -V V 1 V +V V Mdülasn derinliği - η LD = Bant Aralığı Bilgi sinalinin değişim sıklığı

22 şık Mdülatörleri şık mdülatörlerini mdülasn şekline göre, örneğin mdülasn için kullanılan maddelerin kullanılan özelliklerine göre elektr-ptik, manet-ptik, akust-ptik mdülatörler larak sınıflandurabilir lektr-ptik etki Gerilim ugulaarak malzemenin ptik parametrelerini değiştireme Akust-ptik etki Ses dalgaları ile malzemenin kırılma indisini değiştirme Bragg Tipi akust-ptik mdülatörler Raman Nath tipi mdülatörler Manet-ptik etki Manetik alan ugulaarak malzemenin ptik özelliklerini değiştirme Farada Dönmesi

23 lektr-optik tki lektr-optik etki: Pckel ve Kerr tkisi Ugulanan dış elektrik alanın bir fnksinu larak kırılma indisindeki değişme 1 ( = r + P n V Pckel tkisi Kerr tkisi Burada r dğrusal elektr-ptik sabit (Pckel Sabiti P karesel elektr-ptik sabittir (Kerr Sabiti Katılarda r ile ilgili kırılma indisindeki (dğrusal değişim Pckel tkisi P ile ilgili değişime (karesel terimden ise Kerr tkisi larak isimlendirilir

24 lektr-optik tki-pckel tkisi 1 ( = n = r 3 63 n n ğer KDP e elektrik alan z-ekseni bunca ugulanırsa - ve - eksenleri 45 lik dönme ile eni ve eksenleri halini alır ve kırılma indisleri bu eni önler için n n ' n r 3 = + 63 z ' 3 n n = n r63 z d Dğrusal Kutuplanmış ışık φ ' z Gelen ışık Geçen ışık V V 0, 0

25 Pckels lektr-optik Mdülatör-1 Katılardaki elektr-ptik etkii kullanarak geliştirilen ışık mdülatörlerdir (Pckels electrptik mdülatörü Pckel etki ile çift kırınım haline getirilen malzemeler kullanılır Ugun kalınlıktaki çiftkırıcı mdülatör, birbirine 90 knumlandırılmış iki dğrusal kutuplaıcı arasına erleştirilir Bu knfigurasna sahip mdülatörlerde şiddet mdülasnu apılabilmektedir (mdülatörü geçen ışık ( şiddetinin mdülatöre gelen ışık şidetine ( ranı bilgi sinaline bağlı larak değişmektedir d Gelen ışık Dğrusal Kutuplanmış ışık φ Dairesel Kutuplanmış ışık Geçen ışık Dedektör V

26 Pckels lektr-optik Mdülatör- d z Gelen ışık Dğrusal Kutuplanmış ışık φ Dairesel Kutuplanmış ışık Geçen ışık Dedektör V ϕ = k( n d n = 3 rn Dedektöre ulaşan ışık şiddeti = T π π rn = = n d = d λ λ 3 sin ( ϕ sin (. sin ( (. 3 π rn V π 3 = sin ( d = sin rnv λ d λ *

27 Pckels lektr-optik Mdülatör-3 Dğrusal Kutuplanmış ışık φ => Dairesel Kutuplanmış ışık Geçen ışık Gelen ışık Dedektör 0 V = π 3 sin ( rnv π V λ = sin ( V V π λ 3 rn π arım dalga gerilimi 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 anı zamanda arım dalga gerilimi de denir.

28 Pckels lektr-optik Mdülatör-4 Tipik bir elektr-ptik mdülatörde çalışma gerilimi dğrusal bölgede lmalıdır Geçirme (% 100 Mdülasn derinliği V V π / V π 3V π / π V = sin ( V Örnek: Yarım Dalga Gerilimi: 1,06 µ m dalga bunda KDP için arım dalga gerilimini π V π λ 1, = = = rn.(10,6.(10.(1,51 14,5kV

29 Pckels lektr-optik Mdülatör-4 Geçirme (% 100 V π V ( t = sin ( V π V π Mdüle edilen gerilim V(t

30 Akust-Optik Mdülatörler-1 Bir rtamın kırılma indisi akustik (ses dalgası ile değiştirilerek apılan etkie 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 n kadar değişir. Bu değişmei ses dalgasının şiddeti ve diğer nicelikler cinsinden veren frmül l n = n 6 p 10 ρv a 7 A P a n n Burada n, gerilmenin lmadığı durumdaki kırılma indisi, p ugun ftelastik tensör elemanı, P a watt larak tplam akustik güç, ρ kütle ğunluğu, v a ise ses hızı, A dalganın geçtiği bölge için tesir kesit alanı Piez-elektrik transducer l A=l.a a

31 Akust-Optik Mdülatör- lektrptikte maddenin kırılma indisini ses dalgaları ile değiştirerek apılan iki tür akust-ptik mdülatör vardır. Bunlar Raman-Nath tipi mdülatörlerdir (ışık üzee paralel Bragg Tipi akust-ptik mdülatörler (ışık üzee özel açıda gelirsa Böle bir rtamın kırılma indisi akustik dalganın dalga bu lan Λ a eşit ve perdik larak değişir

32 Raman-Nath Türü Akust-Optik Mdülatörler-1 Bu tür mdülatörlerde ışık, ses dalga vektörüne dik knumda gönderilir. Ses dalgasından dlaı kırılma indisi Λ perdu ile değiştirilmiş lan l uzunluğundaki maddeden geçen ışık kırınıma uğraarak 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 k edilen ışığın ranı Burada akustik dalganın kluğundaki geçen ışık şiddetini. Bölece akustik dalganın genlik değişimleri ptik demetin ışıma şiddeti değişimlerine dönüşür l Λ z 1. derece 0. derece -1. derece Gelen ışık dalgası Piez-elektrik transducer

33 Raman-Nath Türü Akust-Optik Mdülatörler- l z Λ 1. derece 0. derece -1. derece Gelen ışık dalgası Piezelektrik transducer nπl π ϕ = sin( λ Λ Burada n, ses dalgalarından dlaı kırılma indisindeki değişim, l etkileşme uzunluğu, Λ, ses dalgasının dalgabu, ise ışığın geliş ekseninden lan uzaklıktır. ϕ = M 10 P l π sin( a Λ 7 π a λ M n p 6 3 ρva Ses dalgaları ile indisi n kadar değiştirilmiş bölgeden geçen ışıgın geliş ekseninden kadar uzak nktalarda ışık dalgasının maruz kalacağı faz kaması

34 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 dalgabu, λ ise ışığın madde içindeki dalgabu Kırınım şartı mλ = Λ sin( θ m m = 0, ± 1, ±,.. ϕ = M 10 P l π sin( a Λ 7 π a λ şık şiddetinin ranı ' J m( ϕ, m > 0 = ' J ( ϕ, m = 0 Burada 10 7 ' π / n M Pa l ϕ = λ a Mdülasn derinliği η RN [ ( m = 0 ] ' = = 1 J ( ϕ

35 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 perdu ses dalgalarının perdu λ lan perdik düzlemler larak algılanabilir Bu rtama giren ışık anen kristale giren -ışınları gibi Bragg kşulunu sağlaan durumda apıcı girişim ile 1. dereceden ansımaı luşturur Diğer durumlarda ışık ansımadan geliş dğrultusunda kristalden çıkar l λ θ Β Gelen ışık Λ 0. derece Λ 1. derece Bragg Kşulu sinθ Β =λ/λ Piez-elektrik transducer Bragg Türü mdülatörde, ışığın madde ile ses dalgaları ile etkileşip kırınıma uğraması için etkileşme uzunluğunun büük lması gerekir l >>Λ /λ

36 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 uğraan ışığın ( kırınıma uğramadan geçen ışığın ( şiddetine ranı = ϕ sin ( şeklindedir Mdülasn derinliği η B 7 ( π 10 M P a = = sin ( λ a

37 Magnet-Optik tki Katılarda Farada Dönmesi Bir iztrpik dielektrik madde manetik alana erleştirildiğinde dğrusal larak kutuplanmış ışık alan dğrultusunda gönderildiğinde ışığın kutuplanma dğrultusunun değiştiği gözlenir. Burada manetik alan dielektrik malzemei ptik larak aktif duruma getirmiştir. Kutuplanma dğrultusunun dönme açısı manetik alan (H ve rtamın uzunluğu ile rantılıdır. θ=vhl Burada V rantı sabitidir. Bu sabite Verdet sabiti denir Bazı maddeler Verdet sabitleri Madde lmas NaCl Cam V(q(dakikaOe -1 cm -1 0,01 0,036 0,015-0,050

38 Manet-Optik Mdülatörler-1 Bu tür ışık mdülatörleri Farada manet-ptik ilkee göre çalışmaktadırlar Manet-ptik etkide anlatıldığı üzere manetik alanın etkisi ile ışığın dğrultusu değiştirilebilir θ=vhl Burada θ: ışığın kutuplanma dğrultusundaki dönme miktarı V:Verdet (manet-ptik sabiti, H: manetik alan, l: ise ışığın rtamda katettiği ldur z - önünde dğrusal kutuplanmış ışık Kutuplanmış ışık H θ φ Geçen ışık Dedektör Gelen ışık Manet-ptik madde Manetik Alan (H

39 Manet-Optik Mdülatörler- z - önünde dğrusal kutuplanmış ışık Kutuplanmış ışık H θ φ Geçen ışık Dedektör Gelen ışık Manet-ptik madde Manetik Alan (H 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 ugulanan akım vea gerilim ile değiştirerek ışığın genligini mdüle edebiliriz

40 Genlik Mdülatörü: Dalga Klavuzlu lektr-optik Mdülatörler Faz mdülasnu genlik mdülasnu ile karşılaştırıldığında algılanması zr lduğundan pratik ugulamaların bir çğunda dalga kılavuzlu mdülatörler genellikle genlik mdülatörü şeklinde apılır Bunun için dalga kılavuzu elektrik alan k iken sadece en düşük mdlu ışık dalgasını iletmesi için tasarlanır n = n + n = 3 cmp CCR 1 λ ( 3n d lektrik alan ugulandığında dalga kılavuz katmanı ile alttaş arasında küçük bir indeks farklılığına l açar z d -V n n 1 Dalga Kılavuzu Ga (1-b Al b As Alttaş Ga (1-a Al a As <100> n 3 b < a L

41 Dalga Klavuzlu lektr-optik Mdülatörler Birçk elektr-ptik mdülatörler dalga klavuzu şeklinde luşturulabilir Dalga klavuzları faz mdülatörü vea genlik mdülatörüşeklinde tasarlanabilir z d -V n n 1 Dalga Klavuzu Ga (1-b Al b As Alttaş Ga (1-a Al a As <100> n 3 b < a Faz Mdülatörü: Tplam indeks değişimi m=0 md için Alttaşın <100> önelimi için n3 = n n3 = ncmp + nccr + no 1 λ 9 λ ( < n + n < ( 3n d 3n d β n = = k cmp CCR n = n r O ( βλ π 3 41 V d L ϕ = β L = O n cmp : Kmp. dlaı indeks farklılığı n CCR : Yük fark. dlaı indeks farklılığı n O : lektr-ptik etkiden dlaı indeks farklılığı π n r λ 3 41 VL d