© 2009 HSarı 1 Ankara Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Fizik Mühendisliği Bölümü 2008-09 Bahar Dönemi Optoelektronik Doç. Dr. Hüseyin Sarı 2009 Tandoğan, Ankara
© 2009 HSarı 1
Ankara ÜniversitesiMühendislik Fakültesi Fizik Mühendisliği Bölümü
2008-09 Bahar Dönemi
Optoelektronik
Doç. Dr. Hüseyin Sarı
2009Tandoğan, Ankara
© 2009 HSarı 2
561 Optoelektronik
1. Hafta
Sunuş
© 2009 HSarı 3
İçerik• Optoelektronik Teknolojisi-Motivasyon• Tanımlar
– Elektro-Optik
– Optoelektronik
– Fotonik
• Elektromanyetik Spektrum
• İletişim Teknolojisi– Modülasyon
• Neden ışık (Optoelektronik)?
– Bant Genişliği
– Veri Saklama– Optoelektronik Tümleşik Devreler
• Elektromanyetik Dalganın Özellikleri• Optoelektronik Ders İçeriği
© 2009 HSarı 4
Optoelektronik Teknolojisi-MotivasyonOptoelektronik, iletişim sektörü başta olmak üzere hızla büyüyen ve her geçen gün hayatımızda önemi artan bir teknoloji
• Günlük Hayatta» Bar kod okuyucular
• Eğlence Sektörü» Manyetik ���� CD, VCD, DVD
• Savunma Sanayi» Takip sistemleri, gece görüş cihazları
• İletişim Sektörü» Bakır tel ���� Optik fiberler» Modülatörler
• Sağlık Sektörü» Neşter ���� lazer
• Bilimsel Araştırmalar» Soğutma (1 µµµµK)
• ….Ve Türk Kültüründe Optoelektronik ☺☺☺☺
© 2009 HSarı 5
Tanımlar
• Optik
• Elektro-Optik (Akusto-Optik, Magneto-Optik)
• Optoelektronik
• Fotonik
© 2009 HSarı 6
Tanımlar: Optik
Işın Optiği (Geometrik Optik): Işığın bir ortamda ve ışığın dalgaboyundan büyük cisimler arasındaki ilerleyişini basit geometrik kurallarla açıklayan optik (ör. yansıma, kırılma)
Dalga Optiği: Işığın birçok özelliğini skaler dalga teorisi ile açıklayan optik (örn. girişim, kırınım)
Elektromanyetik Optik: Işığın davranışını elektrik ve manyetik alan vektörleri ile açıklayan optik (ör. kutuplanma)
Kuantum Optiği: Işığın kuantum doğasını da dikkate alarak ışığın madde ile etkileşmesini konu edinen optik (örn. fotoelektrik etki)
Paraksiyel Optik
Demet Optiği
Fourier Optiği
Matris Optiği
ışın optiği (geometrik optik)
dalga optiği
kuantum optiği
elektromanyetik optik
Klasik Optik
© 2009 HSarı 7
Elektro-Optik
Elektromanyetik (optik) ve elektrik (elektronik) durumlar arasındaki etkileşmeye dayanarak tasarlanmış bileşen, alet ve sistemleri birleştiren teknoloji (DOD, NATO)
Örneğin sıvı kristaller (gerilim altında polarizasyon etkisini değiştiren kristalleri içermektedir) elektro-optik ilkeye göre çalışan bileşenlerdir
Ancak bir yarıiletken lazeri bu kategoriye koyamayız!
n n+∆n
V≠0V=0
Tanımlar-2
© 2009 HSarı 8
Tanımlar-3Optoelektronik
Optoelektronik (OE), ışıkla etkileşen elektronik aletlerin incelenmesi ve bu aletlerin pratiğe uygulamasıdır. Burada kastedilen ışık, elektromanyetik spektrumun görünür bölge de dahil olmak üzere, kızıl ötesi ve mor ötesi bölgesidir.
Alternatif bir tanım ise: elektriği ışığa (elektronu fotona) veya ışığı elektriğe (fotonu elektrona) dönüştürme işlevini gerçekleştiren herhangi bir alet.
Optoelektronik, ışığın yarıiletken malzeme içersinde ve çoğunlukla da elektrik alanın varlığında kuantum mekaniksel özelliği temeline dayanır.
Örneğin, optoelektronik dediğimizde optik mikroskop veya dürbünükastetmiyoruz! Yarıiletken lazerler, LED, CCD, foton dedektörleri optoelektronik özellik gösteren aletlerdir.
ışık
V V
ışık
© 2009 HSarı 9
• Fotonik (Photonics)
Mor ve kızıl ötesi bölgeler arasındaki dalgaboylarındaki ışık ve fotonu kapsayan elektronik teknolojisine verilen isimdir. Optoelektronik ile eşanlamlı olarak kullanılmaktadır. İsim olarak elektronik teknolojisinin ışık içeren teknolojiye benzetilmesidir.
Elektron-ik: elektrik yüklerinin (boşlukta ve madde ortamında) kontrolü
Foton-ik: fotonun (boşlukta ve madde ortamında) kontrolü
Tanımlar-4
© 2009 HSarı 10
• Akusto-Optik
Maddenin optik özelliklerini ses dalgası ile değiştirilmesi esasına dayanan teknoloji
• Mağneto-Optik
Maddenin optik özelliklerini manyetik alan ile değiştirilmesi esasına dayanan teknoloji
Tanımlar-5
© 2009 HSarı 11
1 MHz
1 KHz
1 GHz
1 THz
103
106
109
1012
1014
1015
1022
νFrekans (Hz)
1 km
1 m
1 cm
105
103
102
100
10-2
10-6
10-13
λDalgaboyu (m)
1 µ
1 Α
1 nm 10-9
10-10
γ-ışını
x-ışını
Mor ötesi
Kırmızı altı
Mikrodalga
Radyo Frekansı
Radar
FM Radyo
Elektrik Hattı
UHF
VHF TV
Işınımsı
Işıksı
Dalgamsı
Elektromanyetik Spektrum
Optoelektronik/ Fotonik
Elektronik
Frekans
© 2009 HSarı 12
νFrekans (Hz)
λDalgaboyu (m)
x-ışını
MorötesiKırmızıaltı
Mikrodalga
Radyo FrekansıRadar
FM RadyoUHF
VHF
TV
1 mm
Optik Bölge-Optoelektronik Teknolojisi
Fotonik
10 nm1 km 1 m
1 kHz 1 MHz 1 GHz 1 THz 1015 Hz 1018 Hz
1 nm
Görünür
ν=3x1011-3x1016 Hz
λ= 1 mm -1 nm
ν=c/λ
390 -10 nm1mm -760 nm 760-390 nm
Optik bölgede ışığın dalgaboyu göreli
olarak küçük olduğundan (10 nm-1 mm)
ışığın üretimi, iletimi ve algılanması
Var olan elektromanyetik teknolojisinden (uzun dalgaboyu) farklıdır
Optik Bölge
elektronik
© 2009 HSarı 13
İletişim Teknolojisi
• İletişim, bir A noktasındaki bilginin başka bir B noktasına taşınmasıdır. Taşıma işleminde mesafeler cm (elektronik yongalar) mertebesinden binlerce km’ye kadar (kıtalararası iletişim) uzanabilir.
• Bilgi taşınırken yapılması gereken bilgiyi ortam koşullarından etkilenmeden en doğru bir şekilde (kayıpsız) iletmektir. Bunun için bilgi, farklı işlemlerden geçirilerek değişik sinyal formuna dönüştürülür (Modülasyon)
Bilgi Bilgi
A B
© 2009 HSarı 14
İletişim Teknolojisi-2
• İletilecek bilgi (ki bu sayısal veya analog olabilir) öncelikle bir kodlama işlemine tabi tutulur
• Kodlanan bilgi daha sonra bu bilgiyi uzak mesafelere kadar taşıyacak olan peryodik bir sinyalin (taşıyıcı sinyal) üzerine bindirilerek (modülasyon) taşıyıcı ortam boyunca iletimi sağlanır (örneğin anten)
• Taşıyıcı ortam boyunca ilerleyen bilgiyi içeren sinyal uygun alıcı tarafından algılanır
• Algılanan sinyal bindirme işleminin tersi bir işlemle (demodülasyon) bilgi ve taşıyıcı sinyali ayrıştırılarak bilginin kodu çözülür
Kodlayıcı Modülatör
BilgiTaşıyıcıOrtam
Gönderici Alıcı
KodÇözücüDeModülatör
Bilgi
© 2009 HSarı 15
modülatör
ν(V(t))
t
V(t)
bilgi
modüle edilmiş dalgataşıyıcı dalga
ν=sbt
Modülasyon, bir dalganın değişik parametrelerini (örneğin genlik, frekans, faz gibi) kontrollü olarak değiştirerek bilgi yükleme işlemine denir.
Modülasyon
© 2009 HSarı 16
Modulasyon Teknikleri-1
Modülasyon, bir dalganın değişik parametrelerini (örneğin genlik, frekans, faz gibi) kontrollü olarak değiştirerek bilgi yükleme işlemine denir. Bu işlem eğer dalganın;
• Genliği değiştirilerek yapılıyor ise Genlik Modülasyonu(Amplitude Modulation-AM),
• Frekansı değiştirilerek yapılıyor ise Frekans Modülasyonu (Frequency Modulation-FM),
• Faz açısı değiştirilerek yapılıyor ise Faz Modülasyonu(Phase Modulation-PM) denir.
© 2009 HSarı 17
Modulasyon Teknikleri-2
Genlik modülasyonu(AM)
Taşıyıcı dalganın genliği bilgi sinyali ile orantılı olarak değiştirilerek oluşturulan modülasyon tekniğidir
• Bant aralığı daha az
• Sinyal/gürültü oranı FM modülasyonuna göre daha küçüktür
Bilgi sinyali
t
v(t)
Taşıyıcısinyale(t)
t
e(t).v(t)
t
© 2009 HSarı 18
Modulasyon Teknikleri-3
Frekans Modülasyonu(FM)
Taşıyıcı dalganın frekansı bilgi sinyali ile orantılı olarak modüle edilerek oluşturulan modülasyon tekniğine denir.
• Bant aralığı daha fazla
• Sinyal/Gürültü oranı AM modülasyonuna göre daha büyüktür
Taşıyıcısinyale(t)
t
Bilgi sinyali
t
v(t)
t
e(t).v(t)
© 2009 HSarı 19
Modulasyon Teknikleri-4
Faz Modülasyonu (PM)
Taşıyıcı dalganın fazı bilgi sinyali ile orantılı olarak modüle edilerek oluşturulan modülasyon tekniğine denir.
Taşıyıcısinyale(t)
t
Bilgi sinyali
t
v(t)
t
e(t).v(t)
E(t)
© 2009 HSarı 20
• Sinyal Kalitesi
Lazerlerle birlikte (tek renkli ışık) optik sinyalin bozunmadan optik fiberler içersinde uzun mesafeler boyunca gitmesi mümkündür
• Yüksek bant genişliği
Optik fiberler içinden ışık dalgası (1014 Hz) ile metal tellere göre daha fazla bilgi iletilebilir. Optik fiberler yaklaşık GHz mertebesinde (yüksek band aralığı) bilgi taşıma kapasitesine sahiptirler ve metalik telefon hatlarına göre 100 milyon kez daha fazla bilgi taşıyabilmektedirler.
(Tipik bir televizyon kanalının frekansının 4 MHz olduğunu düşünürsek, optik dalgalarla yaklaşık 75 milyon TV kanalı iletilebilir)
Neden ışık (Optoelektronik)?
© 2009 HSarı 21
Yandaki taşıyıcı dalgalardan her biri farklıfrekanslara sahiptir.
Bu taşıyıcı dalgaları kullanarak verilen bir bilgi sinyalini en iyi hangisi ile modüle edilip taşınabilir?
Frekansı en küçük olan birinci sinyal (a) verilen zaman aralığında bilgi sinyalini taşımaya yetecek kadar titreşim yapamamaktadır!
Frekansı en yüksek olan sinyal (c) ise birim zamanda çok sayıda bilgiyi taşıyabilmektedir çünkü bilgi sinyalinin salınımından daha fazla salınım yapmaktadır
Bu özelliğe taşıyıcı dalganın bant genişliği denir
Örneğin TV yayınlarını radyo frekansı (KHz) ile göndermek sıkıntı yaratır. Çünkü TV yayınında radyo yayınına(ses) ek olarak görüntü bilgisi de iletileceğinden birim zamanda iletilecek bilgi sayısı radyoya göre çok daha fazladır.
Bant Genişliği
Modüle edilmiş sinyal
t
t
t
τt
τb
(b)
Bilgi sinyali
(c)
=
=
=
d
1
d2 d4d3
d
1
d2 d4d3
d
1
d2 d4d3
t
d
1
d2 d8d5
τb
Farklı frekanstaki (1/τt) taşıyıcı sinyaller
t
t
t
τt
τt
τt
τt
(a)
τb
τtτb
1 0 1 000 1 0
© 2009 HSarı 22
elektronik sinyal (akım)
optikmodülatör
(elektro-optikkristal)
ν(V)
t
V(t)
bilgi (elektronik)
modüle edilmişdalga (ışık)
taşıyıcı dalga(ışık)
ışık kaynağı(lazer)
optik dedektör(p-i-n diyot)
DeModülatör
taşıyıcı ortam(fiber, dalga
klavuzu)
t
V(t)
bilgi (elektronik)
Optik İletişim
© 2009 HSarı 23
Veri Saklama
lazer
(a) manyetik kayıt (2B)
manyetik ortam
(b) optik kayıt (2B)
optik ortam optik ortam
lazermanyetikkafa
lazer
λokuma
az kayıplıoptik fiber
(c) holografik kayıt (3B)
Işık veri saklamada da üstün olanaklar sunmaktadır
© 2009 HSarı 24
Optoelektronik Tümleşik Devreler
radar
transducer(ses dalga dönüştürücü)
lazer
fotoalgılayıcıdizisi
ses dalgası
farklı frekans bileşenleri içeren
RF sinyal
λ1
λ2
λ
I
mercekmercek
λ2
λ1
© 2009 HSarı 25
Elektromanyetik Dalganın Özellikleri1) Frekans ν2) Dalgaboyu λ3) Hız
a) faz hızı c=vpb) grup hızı vg
4) Şiddet, I5) Polarizasyon (s veya p)
Bir EM dalga olan ışığın hangi özelliklerini kontrol edebiliriz?
Frekans (ν), dalgaboyu (λ) ve hız (v) arasındaki bağıntı
v=ν.λ
Frekans, sadece ışık kaynağına bağlıdır ve değiştiremeyiz (çizgisel ortam)
Hız, ışığın yayıldığı ortama bağlıdır
Dalgaboyu, hıza bağlı parametre olup dalganın yayıldığı ortama bağlıdır
Şiddet, değiştirilebilir
Polarizasyon, değiştirilebilir
x, t
I, E
v
λ, T
© 2009 HSarı 26
Optoelektronik Dersinin İçeriği
• Işık üreten aygıtlar• LED• Lazerler
– Yarıiletken Lazerler – Boylamasına Kaviteli Yüzey Salınımlı Laser– Kuantum Çukurlu Lazerler
• Işık ileten aygıtlar• Optik fiberler• Yarıiletken dalga kılavuzları
• Işık algılayıcılar• Optik dedektörler
• Işık dönüştürücüler• Güneş pilleri
• Işık modülatörleri• Elektro-Optik modülatörler• Akusto-Optik modülatörler• Kuantum Çukurlu modülatörler
t
ν(V)
Elektro-optikkristal
V(t)
e(t)
© 2009 HSarı 27
Optoelektronik Ders Planı• Elektromanyetik (Işık) Dalganın Özellikleri (3 hafta)
• Boşlukta EM Dalga• Madde içinde EM dalga
– İzotropik Ortam– Anizotropik (Kristal) Ortam
• Işığın Kutuplanması• Optik Sabitlerin Frekansa Bağlılığı• Çizgisel Olmayan Optik
• Işığın Modülasyonu (1 hafta) • Elektro-Optik Modülasyon• Akusto-Optik Modülasyon• Magneto-Optik Modülasyon
• Yarıiletkenler Fiziği (3 hafta)• Temel Kavramlar• Yarıiletken Teknolojisi ve Optik Özellikler• Optoelektronik Malzeme Üretim Teknolojisi
• Yarıiletken Optoelektronik Devre Elemanları (4 hafta)• Yarıiletken Tabanlı Lazerler• Güneş Pilleri• Dedektörler• Dalga Kılavuzları
• Optoelektronik Tümleşik Devreler(1 hafta)
• Öğrenci Sunumları (2 hafta)
© 2009 HSarı 28
Teşekkürler…
Gelecek Hafta
Işığın Elektromanyetik Dalga Tanımlanması
Boşlukta ve Madde Ortamında İlerleyişi