Ankara ÜniversitesiMühendislik Fakültesi Fizik Mühendisliği Bölümü

FZM450

Elektro-Optik

Doç. Dr. Hüseyin Sarı

2

İçerik• Optoelektronik Teknolojisi-Motivasyon• Tanımlar

– Elektro-Optik

– Optoelektronik

– Fotonik

• Elektromanyetik Spektrum

• İletişim Teknolojisi– Modülasyon

• Neden ışık (Optoelektronik)?

– Bant Genişliği

– Veri Saklama– Optoelektronik Tümleşik Devre

• Elektromanyetik Dalganın Özellikleri• Elektro-Optik Ders İçeriği

3

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

• ….Ve Türk Kültüründe Optoelektronik ☺☺☺☺

4

Tanımlar

• Elektro-Optik (Magneto-Optik, Akusto-Optik)

• Optoelektronik

• Fotonik

5

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 (ör. 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 (ör. fotoelektrik etki)

Paraksiyel Optik

Demet Optiği

Fourier Optiği

Matris Optiği

ışın optiği (geometrik optik)

dalga optiği

kuantum optiği

elektromanyetik optik

Klasik Optik

6

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

7

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

8

• 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

9

• 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

10

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

11

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

12

İletişim Teknolojisi

• İletişim, bir A noktasındaki bilginin başka bir B noktasına taşınmasıdır. Taşıma işleminde mesafeler cm (elektronik yongalar) mertebesinden binlerce km’ye kadar (kıtalar arası 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

13

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

14

modülatör

ν(V(t))

t

V(t)

bilgi

modüle edilmişdalga

taşıyıcı dalga

ν=sbt

Modülasyon, bir dalganın değişik parametrelerini (örneğin genlik, frekans, faz gibi) kontrollü olarak değiştirerek bilgi yükleme işlemine denir.

Modülasyon

15

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.

16

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

17

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)

18

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)

19

• 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 taşıma yapılabilir. 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)?

20

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 taşıyabilecektir 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

21

elektronik sinyal (akım)

optik modülatör(elektro-optik

kristal)

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

22

Veri Saklama

lazer

(a) manyetik kayıt (2B)

manyetik ortam

(b) optik kayıt (2B)

optik ortam optik ortam

lazermanyetikkafa lazer

λokuma

(c) holografik kayıt (3B)

Geniş bant genişliğinin yanısıra bilgi depolamada da ışığın sunduğu birçok üstünlükler vardır

23

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

24

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, dalgaboyu ve hız arasındaki bağıntı

v=ν.λ

Frekans, sadece ışık kaynağına bağlıdır ve değiştiremeyiz (ortamın doğrusal olduğunu kabül ediyoruz)

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

25

FZM450 Elektro-Optik Dersinin İçeriği

t

ν(V)

Elektro-optikkristal

V(t)E(t)

Bu ders sonunda ışığın modülasyon işleminin nasıl yapıldığını, bunu optik sistemin hangi parametrelerinin değiştirerek yapılabileceği öğrenilmiş olacak

Elektromanyetik dalganın (ışık) genel özellikleri BoşluktaMadde OrtamındaAnizotropik Ortamda

Demet ÖzelliğiKutuplulukFrekansa Bağlılık

Dış etkiler:Elektro-Optik ( Kerr ve Pockel etki)Akusto-OptikMagneto-Optik Etki

Işık Üretme ve Algılama:LazerlerDedektörler

26

FZM450 Elektro-Optik Ders Planı• Elektromanyetik (Işık) Dalganın Özellikleri (3 hafta)

• Boşlukta EM Dalga• Madde içinde EM dalga

– İzotropik Ortam– Anizotropik (Kristal) Ortam

• Anizotropik Ortam (2 hafta)

• Demet Optiği (1 Hafta)

• Işığın Kutuplanması(1 hafta)

• Fresnel Eşitlikleri (1 hafta)

• Optik Sabitlerin Frekansa Bağlılığı (1 hafta)

• Elektro-Optik (2 hafta)• Elektro-Optik Etki• Akusto-Optik Etki• Magneto-Optik Etki

• Işığın Modülasyonu (1 hafta) • Elektro-Optik Modülasyon• Akusto-Optik Modülasyon• Magneto-Optik Modülasyon

• Optoelektronik(1 hafta)

• Öğrenci Sunumları (2 hafta)