Bölüm 4 OPTİK KAYNAKLAR

1. Bölüm 4OPTİK KAYNAKLAR

2. Fiber Optik Haberleşme için Kullanılan Başlıca Işık Kaynakları: • Lazer Diyot : Çok eklemli (heterojunction) biçimlendirilmiş yarı iletken lazer diyotlar • LED : Işık yayan diyotlar, (Light-Emitting Diode)

3. Lazer Diyotların ve LED’lerin Kullanılmasının Sebepleri • Yeterli çıkış gücü • Doğrudan modüle edilebilme • Yüksek verim • Optik fiberle uyumlu boyut karakteristikleri

4. LED ve Lazer Diyotlar Arasındaki Temel Farklar • Lazer diyottan alınan optik sinyal koherent ışıktır. • LED’den alınan optik sinyal koherent ışık değildir.

5. Koherent bir kaynakta; • Optik sinyal, bir optik rezonatör (optical cavitiy) içerisinde üretilir. Spektral genişliği dar olan ışıma. • Koherent olmayan bir kaynakta; • P-N ekleminde ışık üretimi. Spektral genişliği çok yüksek olan ışıma.

6. Optik Dalga Kılavuzuyla Uyumlu Bir Optik Kaynak Seçiminde • Fiberin • Geometrisi • Zayıflama spektrumu • Grup hız dispersiyonu (GVD) • Modal karakteristikleri (SMF, MMF) önemlidir. • Optik kaynağın • Gücü • Spektral genişliği • Işıma deseni • Modülasyon yeteneği

7. Yarı İletken Fiziği ile ilgili konu başlıkları : • Enerji bantları • Katkısız (intrinsic) ve katkılı (extrinsic) madde • pn eklemi • Direkt ve endirekt bant aralıkları • Yarı iletken cihaz imalatı

8. Katkısız (Intrinsic) ve Katkılı (Extrinsic) Malzemeler • Katkısız malzemeler (Şekil 1.) • Katkılı malzemeler • n-Tipi, V. Grup elementlerle katkılanmış (Şekil 2.) • p-Tipi, III. Grup elementlerle katkılanmış (Şekil 3.)

9. Yarıiletken Enerji Bandları • Şekil 1. • Enerji-Seviyesi Diyagramları • Katkısız yarı iletken içindeki eşit elektron ve hol yoğunlukları

10. Intrinsic (Katkısız) Taşıyıcı Yoğunluğu T: Kelvin cinsinden sıcaklık kB: Boltzman sabiti h: Planck sabiti me: Elektron etkin kütlesi mh: Hol etkin kütlesi Denklem 1.

11. Örnek 1 • 300 K deki GaAs için aşağıdaki parametre değerleri veriliyor : • Durgun elektron kütlesi m=9.11x10-32 kg. • Etkin elektron kütlesi me=0.068m=6.19x10-32kg. • Etkin hol kütlesi mh=0.56m=5.10x10-31kg. • Bant-aralığı enerjisi Eg=1.42 eV • Denklem 1. den katkısız taşıyıcı yoğunluğu : • ni = 2.62x1012 m-3 = 2.62x106 cm-3

12. N-tipi katkılanmış yarıiletken • Şekil 2. • Bir n-tipi malzeme içindeki verici (donör) düzeyi • (b) Donör katkılarının iyonlaşmasıyla arttırılmış elektron yoğunluğu dağılımı

13. P-tipi katkılanmış yarıiletken • Şekil 3. • p-tipi malzemedeki alıcı (akseptör) düzeyi • (b) Alıcı katkılarının iyonlaşmasıyla oluşan arttırılmış hol yoğunluğu dağılımı.

14. p-n eklemi Şekil 4. Bir pn eklemi boyunca elektron difüzyonu, Yüksz (boşaltılmış) bölge için bir potansiyel bariyeri (elektrik alan) meydana gelir.

15. tıkama yönünde kutuplama Şekil 5. Tıkama yönünde (reverse bias) kutuplama boşaltılmış bölgeyi genişletir, fakat azınlık taşıyıcılarının serbestçe taşınmasına izin verir.

16. ileri yönde kutuplama Şekil 6. İletim yönünde kutuplama ile (forward bias) azalan bariyer potansiyeli, çoğunluk taşıyıcılarının eklem boyunca yayılmalarına izin verir.

17. Direkt bant aralığı olan malzemede elektron geçişleri : • Enerji ve momentum korunur. Şekil 7a. Bir direkt-bant aralıklı malzeme için elektron-hol yeniden birleşmesi ve foton yayılımıyla (emisyonuyla) sonuçlanması.

18. Endirekt bant aralığı olan malzemede elektron geçişleri : • Enerji korunur, momentum korunmaz. Şekil 7b. Endirekt-bant-aralıklı malzemeler için elektron-hol yeniden birleşmesi enerjisi Eph ve momentumu Kph olan bir fonon gerektirir.

19. Yarı İletken Eleman Üretimi • Subsrate (taban) üzerinde yarı iletken malzemelerin katmanlarını oluşturma • Epitaxial Büyütme Tekniği (Epi = “açık”, taxix = “düzenleme”) • Bir malzemenin atomlarının başka bir malzeme üzerine yerleştirilmesi

20. Işık-Yayan Diyot : LED • Daha basit elektronik sürücü devresi gerektirir. • Daha düşük verimlidir. • Düşük maliyetle üretilebilir.

21. Fiber optik haberleşme uygulamalarında kullanılan LED’ler : • Yüksek radyan çıkış açısına, • Yüksek tepki hızına, • Yüksek kuantum veriminesahip olmalıdır.

22. Şekil 8. • Tipik bir GaAlAs çift çok eklemli kaynağın kesiti. Bu yapıda taşıyıcı hapsetme ve optik kavuzlama yeteneği için x>y seçilmiştir. • (b) Aktif bölgeyi gösteren enerji band diyagramı. elektron ve hol bariyerleri yük taşıyıcılarını aktif bölge içine hapseder. • (c) Kırılma indisi değişimi. düşük kırılma indisli 1 ve 5 katmanları nedeniyle dalgaklavuzu etrafında bir optik bariyer oluşur.

23. Fiber optik haberleşmede kullanılan LED konfigürasyonları • Yüzey yayılımlı ( Surface emitting LED) • Kenar yayılımlı (Edge emitting LED)

24. Şekil 9. Bir yüksek-radyanslı yüzey-yayılımlı LED’in şematik gösterimi. Aktif bölgenin alanı fiber öz çapı ile uyumlu olacak şekilde dairesel olarak sınırlandırılmıştır.

25. Şekil 10. Bir kenar-yayılımlı çift-heterojonksiyon LED’in şematik gösterimi. Çıkış hüzmesi pn eklemi düzleminde lambertian’dır ve pn eklemine dik doğrultuda yüksek oranda yönlüdür.

26. Işık Kaynağı Malzemeleri • Tek elementli yarı iletkenler • Direkt bant aralığına sahip değil. • İkili bileşikler, III. Grup elementleri (Al, Ga, In), V. Grup elementleri (P, As, Sb) • Direkt bant aralığına sahip. • 800-900 nm spektrumda üçlü alaşım: Ga1-xAlxAs • Daha uzun dalgaboyu için dörtlü alaşım : In1-xGaxAsyP1-y

27. Şekil 11. Oda sıcaklığında Ga1-xAlxAs için alüminyum mol kesri x’in bir fonksiyonu olarak bant-aralığı enerjisi ve çıkış dalgaboyu.

28. Şekil 12. x = 0.08 için Ga1-xAlxAs LED’in ışıma spektrumu. Yarı-güçteki tam spektral genişliği 36 nm dir.

29. Enerji (E) - frekans (v) arasındaki temel kuantum-mekanik bağıntısı 1 eV = 1.6*10^-19 Joule Denklem 3.

30. Şekil 13. Oda sıcaklığında kristal kafes aralığı ve diyot ışıma dalgaboyu arasındaki ilişki. Taralı alan dörtlü bileşik InGaAsP içindir. Yıldızla gösterilen (*) InP ile kafes-uyumlu In0.8Ga0.2 As0.35P0.65 içindir.

31. 0 - 0.37 aralığındaki x değerleri için GaAlAs ile elde edilen band aralığı enerjisi (deneysel) : Denklem 4. Örnek 3 : • x = 0.07 ile Ga1-xAlxAs lazer için • Denklem 4. den, Eg = 1.51eV • Denklem 3. den dalgaboyuλ = 0.82 μm

32. InP taban üzerine büyütülmüş In1-xGaxAsyP1-y alaşımlar için eV cinsinden bant aralığı enerjisi : Denklem 5. Bu malzeme alaşımı ile elde edilen dalgaboyu aralığı : 0.92-1.65 m. Örnek 4: • In0.74Ga0.26As0.57P0.43 (x=0.26 ve y=0.57) alaşımı için • Denklem 5. den Eg = 0.97 eV • Denklem 3. den λ = 1.27μm

33. LED çıkış spektrumu Şekil 14. 1310 nm deki kenar-yayılımlı (edge-emitting) ve yüzey-yayılımlı (surface-emitting) LED’ler için tipik spektral dağılım. Artan dalgaboyu ile spektral genişlik artar, yüzey yayılımlı LED’ler için daha geniştir.

34. LED’in genel karakteristikleri : • Geniş spektral çıkış (50-150 nm) • Optik çıkış güçleri -13 dBm’den az (50 W) • Sadece birkaç yüz Mbps’e kadar modüle edilebilir. • Lazer diyotlardan çok daha ucuz. • LAN’de yaygın bir şekilde kullanılır.

35. Kuantum verimi ve LED çıkış gücü • Bir yarıiletken ışık kaynağında taşıyıcı enjeksiyonu ile (akımla) p tipi ve n tipi malzemede srasıyla fazlalık elektron ve holleri (azınlık taşıyıcıları) üretilir. Elektron n ve hol p taşıyıcı yoğunlukları eşittirler. Taşıyıcı enjeksiyonu durursa taşıyıcı yoğunluğu denge durumuna geri döner. Genellikle, fazlalık taşıyıcı yoğunluğu zamanla üstel olarak azalır : n0 = Başlangıçta enjekte olan fazlalık elektron yoğunluğu  = Taşıyıcı ömrü Denklem 6.

36. Bir LED’in oran denklemi Fazlalık taşıyıcıları ışınımlı veya ışınımsız olarak yeniden birleşirler. Işınımlı birleşmede band aralığı enerjisi olan hv’e eşit enerjide bir foton yayılır. Işınımsız birleşmede ise enerji, aktif bölgede çeşitli şekillerde (ısı veya kinetik enerji vb.) harcanır. LED den sabit akım aktığında denge şartı sağlanmış olur. Yani yük nötrlüğü sağlandığı için elektron ve hol fazlalık yoğunlukları eşittir. LED’in taşıyıcı yeniden birleşimi için oran denklemi : Toplam taşıyıcı üretim oranı = dışardan sağlanan taşıyıcı oranı – termal taşıyıcı üretim oranı J = akım yoğunluğu (A/cm2) q = Elektron yükü (C) d = Birleşme bölgesinin kalınlığı (cm) n/  = Termal üretim oranı Denklem 7.

37. Denge durumunda : Denklem 8. Bu bağıntı, LED içinden sabit bir akım akması durumu için aktif bölgedeki kalıcı hal elektron yoğunluğunu verir.

38. Dahili Kuantum Verimi(internal quantum efficiency) Rr = Işınımlı birleşme oranı (birleşme/s) Rnr = Işınımsız birleşme oranı (birleşme/s) Denklem 9.

39. Dahili Kuantum Verimi Fazlalık taşıyıcıların üstel azalması için ışınımlı ve ışınımsız birleşme ömürleri (s) : Denklem 10.

40. Toplam Birleşme Ömrü (recombination lifetime) Denklem 11. Dahili kuantum verimleri : Basit tek eklemli LED’ler için : Çift-çok eklemli (double heterojunction) LED’ler için :

41. Eğer LED sürücü akımı Iise, toplam yeniden birleşme oranı : Denklem 12. LED içerisinde üretilen optik güç : Denklem 13.

42. Örnek 5. Bir çift çok eklemli InGaAsP LED, 1310 nm tepe dalgaboyunda sırasıyla 30 ns ve 100 ns ışınımlı ve ışınımsız birleşme sürelerine sahiptir. Sürücü akımı 40 mA ise toplam yeniden birleşme ömrü: Dahili kuantum verimi : Denklem 13’de yerine konulursa

43. Şekil 15. Sadece kritik açıyla tanımlı bir koni içinden gelen ışık optik kaynaktan yayılabilir.

44. Harici Kuantum Verimi Harici kuantum verimi, LED’den yayılan foton sayısının LED içerisinde üretilen foton sayısına oranıdır. Denklem 14. T(Φ) = Fresnel iletim katsayısı (Fresnel transmissivity)

45. = 0 yani eksenel ışınlar için • n1 = n ve n2 = 1 (hava) için • Harici kuantum verimi : • LED’den yayılan optik güç : Denklem 15. Denklem 16. Denklem 17.

46. Örnek 6. Bir LED’de kullanılan yarıiletken malzemenin kırılma indisi n = 3.5’tur. Denklem 16.dan

47. LED’in Modülasyonu • Bir LED’in frekans tepkisi (bandgenişliği) için; • Aktif bölgedeki katkılama oranı • Yeniden birleşme bölgesine enjekte edilen taşıyıcıların ömrü (i ) • LED’in parazitik kapasitansı önemli parametrelerdir.

48. Sürücü akımı ω frekansında modüle edildiğinde, optik çıkış gücü : Denklem 18. P0 = Sıfır modülasyon frekansında yayılan güçtür. LED’in modülasyon bandgenişliği elektriksel veya optik terimlerle ifade edilebilir. Normal olarak elektriksel bandgenişliği terimi kullanılır, çünki bandgenişliği gerçekte elektriksel devrelerle sınırlıdır. Modülasyon bandgenişliği : elektriksel sinyal gücü P()’nın yarıya düştüğü frekans olarak tanımlanır.

49. Şekil 16. Bir optik kaynağın frekans tepkisi ile elektriksel ve optik 3-dB-bandgenişliği frekanslarının gösterimi.

50. P(ω) = I2(ω)*R den dolayı; ω frekansındaki elektriksel çıkış gücünün sıfır modülasyondaki (DC’deki) güce oranı : Denklem 19. I(ω) = Dedektör devresindeki elektrik akımı Elektriksel 3 dB noktası, elektriksel gücün P(ω)=P(0)/2 olduğu frekansta meydana gelir : Denklem 20.  frekansındaki optik güç oranı, bu frekanstaki akım oranlarına eşittir. Denklem 21.