Ankara Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Fizik Mühendisliği Bölümü Bahar Dönemi. Optoelektronik. Doç. Dr. Hüseyin Sarı

Transkript

1 Ankara Üniversiesi Mühendislik Fakülesi Fizik Mühendisliği Bölümü Bahar Dönemi Opoelekronik Doç. Dr. Hüseyin Sarı 2009 Tandoğan, Ankara 2009 HSarı 1

2 561 Opoelekronik 1. Hafa Sunuş 2009 HSarı 2

3 İçerik Opoelekronik Teknolojisi-Moivasyon Tanımlar Elekro-Opik Opoelekronik Foonik Elekromanyeik Spekrum İleişim Teknolojisi Modülasyon Neden ışık (Opoelekronik)? Ban Genişliği Veri Saklama Opoelekronik Tümleşik Devreler Elekromanyeik Dalganın Özellikleri Opoelekronik Ders İçeriği 2009 HSarı 3

4 Opoelekronik Teknolojisi-Moivasyon Opoelekronik, ileişim sekörü başa olmak üzere hızla büyüyen ve her geçen gün hayaımızda önemi aran bir eknoloji Günlük Hayaa» Bar kod okuyucular Eğlence Sekörü» Manyeik CD, VCD, DVD Savunma Sanayi» Takip sisemleri, gece görüş cihazları İleişim Sekörü» Bakır el Opik fiberler» Modülaörler Sağlık Sekörü» Neşer lazer Bilimsel Araşırmalar» Soğuma (1 µk).ve Türk Külüründe Opoelekronik 2009 HSarı 4

5 Tanımlar Opik Elekro-Opik (Akuso-Opik, Magneo-Opik) Opoelekronik Foonik 2009 HSarı 5

6 Tanımlar: Opik kuanum opiği elekromanyeik opik dalga opiği ışın opiği (geomerik opik) Klasik Opik Işın Opiği (Geomerik Opik): Işığın bir oramda ve ışığın dalgaboyundan büyük cisimler arasındaki ilerleyişini basi geomerik kurallarla açıklayan opik (ör. yansıma, kırılma) Dalga Opiği: Işığın birçok özelliğini skaler dalga eorisi ile açıklayan opik (örn. girişim, kırınım) Elekromanyeik Opik: kuuplanma) Işığın davranışını elekrik ve manyeik alan vekörleri ile açıklayan opik (ör. Kuanum Opiği: Işığın kuanum doğasını da dikkae alarak ışığın madde ile ekileşmesini konu edinen opik (örn. fooelekrik eki) Paraksiyel Opik Deme Opiği 2009 HSarı Fourier Opiği 6 Maris Opiği

7 Tanımlar-2 Elekro-Opik Elekromanyeik (opik) ve elekrik (elekronik) durumlar arasındaki ekileşmeye dayanarak asarlanmış bileşen, ale ve sisemleri birleşiren eknoloji (DOD, NATO) Örneğin sıvı krisaller (gerilim alında polarizasyon ekisini değişiren krisalleri içermekedir) elekro-opik ilkeye göre çalışan bileşenlerdir Ancak bir yarıileken lazeri bu kaegoriye koyamayız! n n+ n 2009 HSarı 7 V=0 V 0

8 Opoelekronik Tanımlar-3 Opoelekronik (OE), ışıkla ekileşen elekronik alelerin incelenmesi ve bu alelerin praiğe uygulamasıdır. Burada kasedilen ışık, elekromanyeik spekrumun görünür bölge de dahil olmak üzere, kızıl öesi ve mor öesi bölgesidir. Alernaif bir anım ise: elekriği ışığa (elekronu foona) veya ışığı elekriğe (foonu elekrona) dönüşürme işlevini gerçekleşiren herhangi bir ale. Opoelekronik, ışığın yarıileken malzeme içersinde ve çoğunlukla da elekrik alanın varlığında kuanum mekaniksel özelliği emeline dayanır. Örneğin, opoelekronik dediğimizde opik mikroskop veya dürbünü kasemiyoruz! Yarıileken lazerler, LED, CCD, foon dedekörleri opoelekronik özellik göseren alelerdir. ışık ışık 2009 HSarı 8 V V

9 Foonik (Phoonics) Tanımlar-4 Mor ve kızıl öesi bölgeler arasındaki dalgaboylarındaki ışık ve foonu kapsayan elekronik eknolojisine verilen isimdir. Opoelekronik ile eş anlamlı olarak kullanılmakadır. İsim olarak elekronik eknolojisinin ışık içeren eknolojiye benzeilmesidir. Elekron-ik: elekrik yüklerinin (boşluka ve madde oramında) konrolü Foon-ik: foonun (boşluka ve madde oramında) konrolü 2009 HSarı 9

10 Tanımlar-5 Akuso-Opik Maddenin opik özelliklerini ses dalgası ile değişirilmesi esasına dayanan eknoloji Mağneo-Opik Maddenin opik özelliklerini manyeik alan ile değişirilmesi esasına dayanan eknoloji 2009 HSarı 10

11 Frekans ν Frekans (Hz) Elekromanyeik Spekrum λ Dalgaboyu (m) γ-ışını Işınımsı 1 Α nm 10-9 x-ışını 1 THz µ 10-6 Mor öesi Kırmızı alı Işıksı Opoelekronik / Foonik 1 cm 10-2 Mikrodalga 1 GHz 1 MHz m UHF VHF TV Radar FM Radyo Dalgamsı Elekronik 1 km 10 3 Radyo Frekansı 1 KHz Elekrik Haı 2009 HSarı 11

12 Opik Bölge-Opoelekronik Teknolojisi Opik Bölge Opik bölgede ışığın dalgaboyu göreli olarak küçük olduğundan (10 nm-1 mm) ışığın üreimi, ileimi ve algılanması Var olan elekromanyeik eknolojisinden (uzun dalgaboyu) farklıdır ν=3x x10 16 Hz λ= 1 mm -1 nm Kırmızıalı Görünür Moröesi 1mm -760 nm nm nm ν Frekans (Hz) 1 khz 1 MHz 1 GHz 1 THz Hz Hz ν=c/λ TV Radar UHF FM Radyo Radyo Frekansı VHF Mikrodalga x-ışını λ Dalgaboyu (m) 1 km 1 m 1 mm 10 nm 1 nm elekronik Foonik 2009 HSarı 12

13 İleişim Teknolojisi İleişim, bir A nokasındaki bilginin başka bir B nokasına aşınmasıdır. Taşıma işleminde mesafeler cm (elekronik yongalar) merebesinden binlerce km ye kadar (kıalararası ileişim) uzanabilir. Bilgi A Bilgi B Bilgi aşınırken yapılması gereken bilgiyi oram koşullarından ekilenmeden en doğru bir şekilde (kayıpsız) ilemekir. Bunun için bilgi, farklı işlemlerden geçirilerek değişik sinyal formuna dönüşürülür (Modülasyon) 2009 HSarı 13

14 İleişim Teknolojisi-2 Bilgi Kodlayıcı Modülaör Taşıyıcı Oram DeModülaör Kod Çözücü Bilgi Gönderici Alıcı İleilecek bilgi (ki bu sayısal veya analog olabilir) öncelikle bir kodlama işlemine abi uulur Kodlanan bilgi daha sonra bu bilgiyi uzak mesafelere kadar aşıyacak olan peryodik bir sinyalin (aşıyıcı sinyal) üzerine bindirilerek (modülasyon) aşıyıcı oram boyunca ileimi sağlanır (örneğin anen) Taşıyıcı oram boyunca ilerleyen bilgiyi içeren sinyal uygun alıcı arafından algılanır Algılanan sinyal bindirme işleminin ersi bir işlemle (demodülasyon) bilgi ve aşıyıcı sinyali ayrışırılarak bilginin kodu çözülür 2009 HSarı 14

15 Modülasyon Modülasyon, bir dalganın değişik paramerelerini (örneğin genlik, frekans, faz gibi) konrollü olarak değişirerek bilgi yükleme işlemine denir. aşıyıcı dalga modülaör modüle edilmiş dalga ν=sb ν(v()) V() bilgi 2009 HSarı 15

16 Modulasyon Teknikleri-1 Modülasyon, bir dalganın değişik paramerelerini (örneğin genlik, frekans, faz gibi) konrollü olarak değişirerek bilgi yükleme işlemine denir. Bu işlem eğer dalganın; Genliği değişirilerek yapılıyor ise Genlik Modülasyonu (Ampliude Modulaion-AM), Frekansı değişirilerek yapılıyor ise Frekans Modülasyonu (Frequency Modulaion-FM), Faz açısı değişirilerek yapılıyor ise Faz Modülasyonu (Phase Modulaion-PM) denir HSarı 16

17 Modulasyon Teknikleri-2 Genlik modülasyonu(am) Taşıyıcı dalganın genliği bilgi sinyali ile oranılı olarak değişirilerek oluşurulan modülasyon ekniğidir e() Taşıyıcı sinyal v() Bilgi sinyali e().v() Ban aralığı daha az Sinyal/gürülü oranı FM modülasyonuna göre daha küçükür 2009 HSarı 17

18 Modulasyon Teknikleri-3 Frekans Modülasyonu(FM) Taşıyıcı dalganın frekansı bilgi sinyali ile oranılı olarak modüle edilerek oluşurulan modülasyon ekniğine denir. e() Taşıyıcı sinyal v() Bilgi sinyali e().v() Ban aralığı daha fazla Sinyal/Gürülü oranı AM modülasyonuna göre daha büyükür 2009 HSarı 18

19 Modulasyon Teknikleri-4 Faz Modülasyonu (PM) Taşıyıcı dalganın fazı bilgi sinyali ile oranılı olarak modüle edilerek oluşurulan modülasyon ekniğine denir. e() Taşıyıcı sinyal v() Bilgi sinyali e().v() E() 2009 HSarı 19

20 Sinyal Kaliesi Neden ışık (Opoelekronik)? Lazerlerle birlike (ek renkli ışık) opik sinyalin bozunmadan opik fiberler içersinde uzun mesafeler boyunca gimesi mümkündür Yüksek ban genişliği Opik fiberler içinden ışık dalgası (10 14 Hz) ile meal ellere göre daha fazla bilgi ileilebilir. Opik fiberler yaklaşık GHz merebesinde (yüksek band aralığı) bilgi aşıma kapasiesine sahipirler ve mealik elefon halarına göre 100 milyon kez daha fazla bilgi aşıyabilmekedirler. (Tipik bir elevizyon kanalının frekansının 4 MHz olduğunu düşünürsek, opik dalgalarla yaklaşık 75 milyon TV kanalı ileilebilir) 2009 HSarı 20

21 Yandaki aşıyıcı dalgalardan her biri farklı frekanslara sahipir. Bu aşıyıcı dalgaları kullanarak verilen bir bilgi sinyalini en iyi hangisi ile modüle edilip aşınabilir? Frekansı en küçük olan birinci sinyal (a) verilen zaman aralığında bilgi sinyalini aşımaya yeecek kadar ireşim yapamamakadır! Frekansı en yüksek olan sinyal (c) ise birim zamanda çok sayıda bilgiyi aşıyabilmekedir çünkü bilgi sinyalinin salınımından daha fazla salınım yapmakadır Bu özelliğe aşıyıcı dalganın ban genişliği denir Ban Genişliği Bilgi sinyali d 1 d 2 d 5 d Modüle edilmiş sinyal Örneğin TV yayınlarını radyo frekansı (KHz) ile göndermek sıkını yaraır. Çünkü TV yayınında radyo yayınına(ses) ek olarak τ τ b görünü bilgisi de ileileceğinden birim (c) zamanda ileilecek bilgi sayısı radyoya göre çok daha fazladır HSarı 21 τ b Farklı frekansaki (1/τ ) aşıyıcı sinyaller (a) (b) τ τ = = = d 1 d 1 d 1 d 2 d 3 d 4 τ b d 2 d 3 d 4 τ b d 2 d 3 d 4 τ τ τ

22 Opik İleişim opik modülaör (elekro-opik krisal) aşıyıcı oram (fiber, dalga klavuzu) opik dedekör (p-i-n diyo) DeModülaör ışık kaynağı (lazer) ν(v) aşıyıcı dalga (ışık) modüle edilmiş dalga (ışık) elekronik sinyal (akım) V() V() bilgi (elekronik) bilgi (elekronik) 2009 HSarı 22

23 Veri Saklama Işık veri saklamada da üsün olanaklar sunmakadır lazer λ okuma manyeik kafa lazer lazer manyeik oram opik oram opik oram az kayıplı opik fiber (a) manyeik kayı (2B) (b) opik kayı (2B) (c) holografik kayı (3B) 2009 HSarı 23

24 Opoelekronik Tümleşik Devreler farklı frekans bileşenleri içeren RF sinyal λ 2 λ 1 radar ransducer (ses dalga dönüşürücü) mercek mercek fooalgılayıcı dizisi I lazer λ 1 λ 2 λ ses dalgası 2009 HSarı 24

25 Elekromanyeik Dalganın Özellikleri 1) Frekans ν 2) Dalgaboyu λ 3) Hız a) faz hızı c=v p b) grup hızı vg 4) Şidde, I 5) Polarizasyon (s veya p) I, E λ, T v x, Bir EM dalga olan ışığın hangi özelliklerini konrol edebiliriz? Frekans (ν), dalgaboyu (λ) ve hız (v) arasındaki bağını v=ν.λ Frekans, sadece ışık kaynağına bağlıdır ve değişiremeyiz (çizgisel oram) Hız, ışığın yayıldığı orama bağlıdır Dalgaboyu, hıza bağlı paramere olup dalganın yayıldığı orama bağlıdır Şidde, değişirilebilir Polarizasyon, değişirilebilir 2009 HSarı 25

26 Opoelekronik Dersinin İçeriği Işık üreen aygılar LED Lazerler Yarıileken Lazerler Boylamasına Kavieli Yüzey Salınımlı Laser Kuanum Çukurlu Lazerler Işık ileen aygılar Opik fiberler Yarıileken dalga kılavuzları Işık algılayıcılar Opik dedekörler Işık dönüşürücüler Güneş pilleri Işık modülaörleri Elekro-Opik modülaörler Akuso-Opik modülaörler Kuanum Çukurlu modülaörler 2009 HSarı 26 e() V() Elekro-opik krisal ν(v)

27 Opoelekronik Ders Planı Elekromanyeik (Işık) Dalganın Özellikleri (3 hafa) Boşluka EM Dalga Madde içinde EM dalga İzoropik Oram Anizoropik (Krisal) Oram Işığın Kuuplanması Opik Sabilerin Frekansa Bağlılığı Çizgisel Olmayan Opik Işığın Modülasyonu (1 hafa) Elekro-Opik Modülasyon Akuso-Opik Modülasyon Magneo-Opik Modülasyon Yarıilekenler Fiziği (3 hafa) Temel Kavramlar Yarıileken Teknolojisi ve Opik Özellikler Opoelekronik Malzeme Üreim Teknolojisi Yarıileken Opoelekronik Devre Elemanları (4 hafa) Yarıileken Tabanlı Lazerler Güneş Pilleri Dedekörler Dalga Kılavuzları Opoelekronik Tümleşik Devreler(1 hafa) 2009 HSarı Öğrenci Sunumları (2 hafa) 27

28 Teşekkürler Gelecek Hafa Işığın Elekromanyeik Dalga Tanımlanması Boşluka ve Madde Oramında İlerleyişi 2009 HSarı 28