OPTİK HABERLEŞMEDE YARIİLETKEN TABANLI AYGIT TEKNOLOJİSİ AYŞE EROL İSTANBUL ÜNİVERSİTESİ FEN FAKÜLTESİ FİZİK BÖLÜMÜ ayseerol@istanbul.edu.tr
V. Fizik Çalıştayı - 19 Şubat 2015 2 Nano- ve Optoelektronik Araştırma Grubu http://nano-optoelectronics.org/ Nano ve Optoelektronik ArLab İleri Litografik Yöntemler Laboratuvarı Yüksek Manyetik Alan & Düşük Sıcaklık Laboratuvarı
V. Fizik Çalıştayı - 19 Şubat 2015 3 İçerik Optik Haberleşme Sistemi ve Bileşenleri Optik Fiber Verici Yarıiletken ışık kaynakları LED / LASER Alıcı - Yarıiletken fotodedektörler Optik Yükselteç EDFA/Yarıiletken Optik Yükselteç
V. Fizik Çalıştayı - 19 Şubat 2015 4 Optik Haberleşme haberleşme sistemi Nedir? bileşenleri Optik haberleşme sistemleri bilginin taşınması için ışığı kullanır Bilgi Kaynağı Işık fiber boyunca kılavuzlanır Hedef Elektriksel algılama Çok yüksek miktarda bilgi (ses, veri) uzun mesafeler boyunca güvenli ve hızlı olarak aktarılır Elektriksel verici e o Optik fiber kablo e o Optik Kaynak Optik Alıcı
V. Fizik Çalıştayı - 19 Şubat 2015 5 Optik Haberleşmenin Tarihçesi 19.yy 1870 John Tyndall Işığın kılavuzlanması 1880 William Wheeling ışığın içi parlatılmış borularla kılavuzlanarak taşınması 1880 Alexander Graham Bell & Charles Sumner Tainter: Işıkla ses aktarım sistemi Fotofon SORUNLAR - Uygun ışık kaynağının olmaması - Atmosferin etkileri sonucunda düşük kapasiteli veri transferi
20.yy Optik Çağın dönüm noktaları V. Fizik Çalıştayı - 19 Şubat 2015 6 1962 İlk yarıiletken laser pulslı @77K 1966 Charles K. Kao (Standard Telecommunications Laboratories, UK) Optik fiberin taşıyıcı ortam olarak kullanılmasının önerilmesi 2009 Nobel ödülü 1970 İlk cw RT yarıiletken laser (Alferov) 2000 Nobel ödülü 1975 İlk ticari cw laser 1976 0.47dB/km @ 1.2m 1976 InGaAsP laser (1.25m) 1977 Telefon trafiği optik fiberlerden gönderildi 1977 850nm AlGaAs laser ile 45Mbit/s veri aktarımı 1978 1.3m de 53km 32Mb/s 1978 1.55m 0.2dB/km 1980 SMF 1.3m ilk optik fiber kablo döşenme çalışmaları başladı - TAT-8 1985 SMF Amerika ya yayıldı uzun erimli telefon sinyalleri için @ 400 Mb/s 1987 Erbium katkılı fiber @1.55m 1988 TAT-8 servise başladı (1.3m laser, SMF), 20Mbit/s trafik- aynı anda 40000 konuşma
V. Fizik Çalıştayı - 19 Şubat 2015 7 Optik Haberleşmenin Gelişimi
V. Fizik Çalıştayı - 19 Şubat 2015 8 Optik Haberleşmenin Gelişimi - II
V. Fizik Çalıştayı - 19 Şubat 2015 9 WDM teknolojisi Farklı dalgaboylu sinyaller tek bir fiber üzerinden taşınır. 4 kanallı ise her kanalda veri hızı 10Gb/s ise fiberde 40Gb/s veri taşınır. Yeniden optik fiber döşenmesini gerektirmez, elektrik enerjisi gerektirmez. CWDM- = 20nm 18 dalgaboyu DWDM - = 0.4nm > 80 dalgaboyu
V. Fizik Çalıştayı - 19 Şubat 2015 10 WDM teknolojisi Tek dalgaboyuyla farklı fiberlerde 10Gb/s 4 fibers, 32 regenerators 1 fiber, 4 Optical Amplifier
V. Fizik Çalıştayı - 19 Şubat 2015 11 Optik Fiber Nedir? Işık formunda bilginin taşınabildiği esnek cam (silika: SiO 2 ) Tam iç yansıma
V. Fizik Çalıştayı - 19 Şubat 2015 12 Optik fiber türleri 50-400 m core 125-500 m cladding wikipedia.org 50 m 62.5 m Çok modlu fiber Tek modlu fiber 5-10m core 125 m cladding
V. Fizik Çalıştayı - 19 Şubat 2015 13 Tek modlu- çok modlu fiber Tek modlu fiber - Kor çapı küçük - Kuplaj zor - Pahalı - Modlar arası dispersiyon yok - Uzun mesafe haberleşme, kayıplar az Çok modlu fiber - Kor çapı büyük - Kuplaj çok kolay - Ucuz - Fiberde çok mod var, modlar arası dispersiyon - Kısa mesafe haberleşme
V. Fizik Çalıştayı - 19 Şubat 2015 14 Neden optik fiber kullanıyoruz? Çok dar ışık darbeleri uzun mesafeler boyunca çok düşük kayıpla (0.2dB/km) taşınabilir Veri aktarım hızı yüksektir Aktarılan bilgi kapasitesi yüksektir Üretimi ucuzdur (Silika ; SiO 2 ) Bakır kablolara kıyasla, boyutları küçük ve hafiftir (En ince bakır telle aynı çap içinde birçok fiber olabilir) Kabloların montajı daha kolaydır Fiber sistemler düşük güç tüketimine sahiptir (Sinyal optik fibere gönderildikten sonra güce gerek yok) Bilgi güvenli bir şekilde uzun mesafelere taşınır Çevre şartlarından etkilenmez
V. Fizik Çalıştayı - 19 Şubat 2015 15 Optik Fiber Bakır kablo Zorluklar - Döşenmesi zor, pahalı - Bu nedenlerle henüz eve kadar gelemiyor Maksimum kablo uzunluğu Bakır 100m Fiber 2km (MMF) > 2km (SMF) Veri hızları 100Mb/s Cat5e 10Gb/s 1Gb/s Cat 6 1Tb/s 100km (WDM tech.) Kayıp: Bakır kablo: 30dB/km Coaxial bakır kablo: 20dB/km Fiber : < 0.2dB/km Bakır kabloda ulaşılan en yüksek sınır 10Gb/s (30m) iken, optik fiberde henüz öngörülen bir sınır yok
V. Fizik Çalıştayı - 19 Şubat 2015 16 Optik Fiberde Dispersiyon Dispersiyon fiber içinde ilerleyen ışık sinyalinin genişlemesidir. Sinyal genişledikçe diğer sinyallerle (bitler) örtüşmeye başlar Dispersiyon bitlerarası uzaklığı sınırlar ve fiberdeki maksimum veri aktarım hızını düşürür Dispersiyon fiberin malzemesine, ışığın dalgaboyuna bağlıdır Farklı fiberler farklı dispersiyon karakteristiğine sahiptir
Optik Fiberde Dispersiyon V. Fizik Çalıştayı - 19 Şubat 2015 17 Optik fiberde yayılan modlar V 2a 2 2 n n 1/ 2 1 2 V < 2.405 ise optik fiberde tek mod yayılır Bir fiberde yayılabilecek mod sayısı yaklaşık olarak; V >> 2.405 M V 2 2
Modlar arası Dispersiyon V. Fizik Çalıştayı - 19 Şubat 2015 18 Her mod dalga kılavuzu içinde farklı hızda ilerler Modlar arası dispersiyon: L v min g v L g maks L n 1 n 2 c n 1 = 1.48 (kor) ve n 2 = 1.46 (kılıf) /L 67ns/km Çok modlu fiberlerde modlar arası dispersiyon kullanılabilir bant genişliğini sınırlar
V. Fizik Çalıştayı - 19 Şubat 2015 19 Tek modlu fiber- Kromatik Dispersiyon Modlar arası dispersiyon tek modlu fiber kullanılarak önlenebilir. Kromatik dispersiyon : Kromatik dispersiyon da ışık sinyalinin genişlemesine neden olur Işık kaynağının çizgi genişliği daraldıkça kromatik dispersiyon azalır
Optik Fiberin Karakteristiği V. Fizik Çalıştayı - 19 Şubat 2015 20 I. Pencere : 850 nm Kayıp: 1.2-2dB/km II. Pencere: 1310 nm Dispersiyon 0 Kayıp: 0.2-0.5dB/km III. Pencere: 1550 nm Dispersiyon: 15-20ps/nm.km Kayıp: 0.15-0.2dB/km Optik fiberde kayıplar; - Soğurulmalar - Saçılmalar - Geometrik etkiler - UV bölgede Rayleigh saçılması - IR bölgede soğurulması 73.7 Tbit/s photonic crystal fiber (Southampton Üniversitesi, 2013)
V. Fizik Çalıştayı - 19 Şubat 2015 21 Verici, Alıcı ve Optik Yükselteç Optik Vericiler Işık Yayan Diyot (Light Emitting Diode-LED) Fabry Perot Laser DFB Laser VCSEL Optik Alıcılar Fotodiyot pn Fotodiyot pin Fotodiyot- Çığ dedektörleri Fotodiyot Rezonans kaviteli pin dedektör VERİCİ ALICI Optik Yükselteçler EDFA Yarıiletken optik yükselteç
V. Fizik Çalıştayı - 19 Şubat 2015 22 LED Yarıiletkenlere dayalı aygıtlardan LED ileri yönde beslenen bir p-n eklemidir. Işıma dalgaboyu yarıiletkenin bant aralığına bağlıdır p n E g E Fp h h E C E Fn E g hc E V
V. Fizik Çalıştayı - 19 Şubat 2015 23 LED Malzemeleri AlGaAs 850nm LED InGaAsP 1300 ya da 1550 nm LED
V. Fizik Çalıştayı - 19 Şubat 2015 24 Fabry Perot yarıiletken laser r 1 r 2 L L q 2n c 2nL q L = 200m, = 900nm Bant genişliği: 6nm Mod sayısı: 1645 = 0.547 nm Kazanç eğrisindeki mod sayısı:10 L = 20 m Mod sayısı: 1645 = 5.47 nm Kazanç eğrisindeki mod sayısı:1
Yarıiletken laser V. Fizik Çalıştayı - 19 Şubat 2015 25
Dağıtılmış Geri Beslemeli Laser (Distributed Feedback Laser, DFB) V. Fizik Çalıştayı - 19 Şubat 2015 26 Tek modlu laser, dalgaboyu seçici bir kaviteyle elde edilebilir
V. Fizik Çalıştayı - 19 Şubat 2015 27 Dikey kaviteli Yüzey Işıması Yapan laser (Vertical Cavity Surface Emitting Laser - VCSEL) n d 1 1 n2d2 / 2
VCSEL V. Fizik Çalıştayı - 19 Şubat 2015 28 2 2 2 1 2 2 1 0 1 1 N o s N s n n n n n n n n R Intensity
V. Fizik Çalıştayı - 19 Şubat 2015 29 VCSEL Tek modlu optik çıkışa sahip olmalarından dolayı, tek modlu fiber optik sisteminde kullanıma uygundur. Geniş bir yüzeyden ışıma yaparlar Üretimleri çok kolaydır. Bütün yapı, tek süreçte üretilebilmektedir. Yoğun iki boyutlu dizin konfigürasyonuna uygundurlar Küçük aktif bölge hacmi eşik akımının da düşük olmasını sağlamaktadır. VCSEL @ 1.3m
V. Fizik Çalıştayı - 19 Şubat 2015 30 Optik Alıcı- Yarıiletken fotodedektör Fotodedektör (optik alıcı) optik sinyali elektrik sinyaline çeviren geri beslemede çalışan bir p-n eklemidir. Temel gereksinimler İstenen dalgaboyunda duyarlılık Yüksek verim: etkin foton-elektron dönüşümü Hızlı yanıt süresi ve düşük kapasitans için küçük alan Düşük gürültü seviyesi Optik fiber kuplajı için yeterli dedektör alanı Düşük maliyet I p P0 e 1 e h d R I P P 1 0 I p / e 1 e P / h 0 e h e hc d e h e d
V. Fizik Çalıştayı - 19 Şubat 2015 31 Yarıiletken fotodedektör Geri besleme ile arınmış bölgede elektrik alan artar, kapasitans azalır, dolayısıyla dedektör hızı artar Dedektörün algılayacağı dalgaboyu yarıiletkenin bant aralığına bağlıdır Soğurma katsayısı düşük olan bir yarıiletken kullanılırsa soğurma bölgesi kalın olmalıdır. Elektrot V çıkış Yansımayı önleyici kaplama Arınmış bölge Elektrot
V. Fizik Çalıştayı - 19 Şubat 2015 32 pin Diyot pin diyod yapısı foton absorpsiyonunun i-tabakasında olmasını sağlayacak şekilde tasarlanmıştır. Arınmış bölge daha büyüktür. Arınmış bölge artarsa daha fazla foton soğurulur ve kuantum verimi artar. Yanıt zamanı; R (ln 9)( RC tr ) RC zaman sabiti büyükse, dedektör hızlı pulslara yanıt veremeyeceğinden bilginin bir kısmı kaybolur. Taşıyıcıların difüzyon hızı da dedektörün hızını etkiler pin diyotta arınmış bölge genişliği, p-n eklemindekinden daha geniş olduğundan eklem kapasitansı daha küçüktür, bu nedenle pin diyot daha hızlı çalışır. Ancak soğurma bölgesi büyük olduğundan, direnci büyük ve transit zamanı uzundur.
850nm penceresi için Si APD V. Fizik Çalıştayı - 19 Şubat 2015 33 Çığ Fotodiyotlar Çığ fotodiyot iç kazancı olan bir dedektördür. Dedektöre uygulanan yüksek geri besleme voltajı impakt iyonizasyon mekanismasıyla kazanç elde edilir. M 1 V 1 V r B n I p ep0 M h R I P P 0 em h
Rezonans kaviteli fotodedektör V. Fizik Çalıştayı - 19 Şubat 2015 34 Üst DBR Çok ince aktif tabakaları olmasına karşın, verimleri yüksektir Dalgaboyu seçicilikleri yüksektir Daha hızlıdır Yüksek hızlı veri transferi için uygun Bir pin diyot soğurma tabakası soğurmayıcı üst ve alt DBR kavite içindedir. Kaviteye giren ışık kavitenin yüksek yansıtıcılarından yansıtılır. Böylece optik kavite içinde soğurulan foton sayısı artar. Alt DBR InGaAs pin dedektör
V. Fizik Çalıştayı - 19 Şubat 2015 35 Optik Yükselteç Optik fiber içinde yol alırken zayıflayan sinyalin yükseltilmesinde kullanılmaktadır. (a) Laser, (b) optik yükseltici
V. Fizik Çalıştayı - 19 Şubat 2015 36 EDFA 1550 nm optik penceresinde kullanılabilir
V. Fizik Çalıştayı - 19 Şubat 2015 37 Yarıiletken optik yükselteç Yarıiletkende elektrik akımıyla uyarılmış elektronlar optik sinyalden gelen ışıkla temel enerji seviyelerine dönmek için uyarılırlar. Uyarılmış durumdaki seviyeden temel duruma dönen bir elektronun verdiği foton ışımaya neden olan foton ile aynı dalgaboyundadır. Bu nedenle sinyal artık öncekinden daha şiddetlidir yani yükseltilmiştir. Boyutları küçük, 1310 ve 1550 nm için kullanılabilir, kuplaj kayıpları var.
V. Fizik Çalıştayı - 19 Şubat 2015 38 Dikey kaviteli yarıiletken optik yükselteç (Vertical Cavity Semiconductor Optical Amplifier VCSOA) VCSEL in eşik yoğunluğu altında çalıştırılan ve daha az sayıda üst ayna içeren halidir Kavite uzunluğu çok incedir, bu nedenle kazanç yüksek yanısıtıcılıkta aynalar kullanılarak sağlanır Fiber ile kuplajları yüksektir, güç tüketimi düşüktür. FP SOA daha büyük boyutlardadır, güç tüketimi yüksektir. Kavite tabakalara diktir bu nedenle ışıma yüzeydendir.
V. Fizik Çalıştayı - 19 Şubat 2015 39 Kaynaklar J.M. Senior, Optical Fiber Communications, Prentice Halll, 1992 A. Erol, N. Balkan, Yarıiletkenler ve Optoelektronik Uygulamaları, Seçkin Yayıncılık, 2013 N. Balkan, A. Erol, Çevremizdeki Fizik, III. Baskı, TÜBİTAK, 2013 S. O. Kasap, Optoelectronics and Photonics, Pearson, 2nd Edition, 2013 S. Özsoy, Fiber Optik, Birsen Yayınevi, 1998 Erol, A. Balkan, N., Arikan, M.C., Serpenguzel, A., Roberts, J., Temperature dependence of the threshold electric field in a HELLISH-VCSEL, IEE Optoelectronics, 150, 535, 2013 Cisco Systems, cisco.com Exfo Systems, exfo.com GateawayforIndia, gatewayforindia.com Fiber-Optics.Info, fiber-optics.info Gruber communication products, gruber.com RP Photonics Encyclopedia, rp-photonics.com