115. Ders

Optoelektronik Devre Elemanlar-I

Vp

n

2Bu blm bitirdiinizde,

Ik reten optoelektronik devre elemanlar, Ik yayan diyot (LED), Lazer, Yariletken dalga klavuzlar, Optik fiber

konularnda bilgi sahibi olacaksnz.

3Onbeinci Ders: erik

Ik reteler Ik Yayan Diyotlar (LED) Lazerler

Ik leticiler: Dalga Klavuzlar Optik Fiberler Yariletken Dalga Klavuzlar

4Ik reten Optoelektronik Elemanlar

Ik Yayan Diyotlar (LED) Yariletken Lazerler

5Ik Yayan Optoelektronik Elemanlar

Bu ama iin:

Dorudan bant aralna sahip yariletken malzeme (verimlilii arttrmak iin) Ar katklanm n- ve p-tipi eklemler (eik akm drmek iin)

kullanlmaldr.

Uygun bir p-n eklemi I-V erisinin I. blgesinde altrlrsa elektron ve deikler belli bir eik gerilimin stnde eklem blgesinde birleerek dalgaboyu bant aralna eit k yayabilir.

n p

V

A

- +

+V

IV>0, I >0

-V

-I

Elektron ve deikleri en dk gerilimle (akmla) ve en verimli ekilde birletirecek tasarm gereklidir.

I

6Ik Yayan Diyotlar (LED)Ar katklanm (n+ ve p+ ) bir yariletkende Fermi enerji seviyesi yasak bant aralnda deil bant iinde bulunur. Tketim blgesinin genilii katklanmann younluuna baldr.

hv = Eg

Vp

n

Ec

Ev

(c) leri besleme durumu

EC-EV < hv < EFn-EFp

EV

EC

EFp

EFn

hv = Eg

(d) Oluacak olan n frekans aral

EC

EF

EV

n+-GaAs p+-GaAs

(a) Ayrk n ve p tipi yariletkenler ve enerji seviyeleri

EF

(b) Sfr gerilim altnda p-n eklemi

1/ 22 1 1( )o

a d

Vdq N N

= +

Ec

EvEf

n+-GaAs p+-GaAs

d

7LED Inn zellii

h

iddet

Eik deerin altndaki durum(uyumsuz (koherent olmayan) ma)

Frekans Bant Aral

vo

Ik: Uyumlu (koherent) deildir Tek renkli (monokromatik) deildir Ynl deildir Kutuplu deildir

EV

EC

Faz yzeyleriyn

EC-EV < h < EFn-EFp

EV

EC

EFp

EFn

h

kutupluluk

E

8Lazerler-Genel KavramlarLASER: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation

LED nn aksine lazer nn zellii: Uyumlu (Koherent) Tek renkli (Monokromatik) Ynl Kutuplu

Lazerlerin alma prensibini anlamak iin enerjileri E1 ve E2 olan iki enerji seviyesini gz nne alalm. Enerji seviyelerindeki elektron younluklarnn sras ile N ve N2 olduunu, bu sistemin ayn zamanda (hv) foton alan iinde olduunu dnelim.

Trkesi LAZER

E2

E1

hv=E2-E1

E=E2-E1

Efoton=E2-E1(hv)

9Lazerler-Genel Kavramlar-1

Foton alan durumunda Uyarlm gei oran B21N2(hv) B21

Kendiliinden gei oran A21N2 A21= =

(hv)

Uyarlm gei oran B21N2(hv) B21N2Sourma oran B12N1(hv) B12N1

= =

Uyarlm geii sourmadan fazla yapmak iin N2 > N1

.......1

.......2

E2

E1

N2

N1

B21N2(hv) A21N2(hv)

B12N1(hv)

(hv) foton alannn varlnda sourma ve kendiliinden geiin yan sra lazer olay iin kritik olan uyarlm geiin oluur.

Lazer iin 1 (uyarlm geiin kendiliinden geie oran) ve 2 nolu (uyarlm geiin sourmaya oran) eitliklerin deerini mmkn olduu kadar byk tutmak gerekir.

1 nolu art ((hv)) rezonans kovuu ile, 2 nolu art (N2 >N1) ise d pompalama ile gerekletirilir.

B21N2 (hv) = Uyarlm gei oranB12N1(hv) = Sourma oranA21N2 = Kendiliinden gei oran

10

Lazerler-Genel Kavramlar-2

B12, A21, B21 : Einstein katsaylar

Isl denge durumunda ve siyah cisim ma denklemini kullanarak

321

3 321

8 8A h hB c

pi pi= =

12 21B B=

B21N2 (hv) = Uyarlm gei oranB12N1(hv) = Sourma oran

A21N2 = Kendiliinden gei oran

Denge durumundaB12N1(hv)=A21N2 + B21N2(hv)

E2

E1

N2

N1

B21N2(hv) A21N2(hv)

B12N1(hv)

elde edilir.

Lazer olay iin A21/B21 orann kk tutmak gerekir. Bu oran dalgaboyunun kp ile ters orantl (frekans ile doru) olduu iin yksek frekanslarda (gama-nlarnda) lazer yapmak teknik olarak daha zordur.

( Kendiliinden gei (A21) / Uyarlm gei (B21)

11

Spektral Dalm (Lineshape)

EC

EV

go

Eh

=

Kazan erisi

Eg

+-

EC-EV < hv < EFn-EFp

EFp

EFn

12

Lazer art

Nfus terslemesi N2 > N1 (Pompalama)z

oI I e+

=

oI I I 2 1Le

zoI I e

=

N2 > N1Io

L

Salnm (osilasyon) olabilmesi iin kazancn kayplardan daha byk olmas gerekmektedir.

2 1L

13

Lazer Ortam

Kazan ortamz

oI I e+

=

N2 > N1Io

Kaypl ortam zoI I e

=

N2 < N1Io

N2 > N1D enerji(elektrik, optik vs)

14

KayplarR1

L

r=toplam kayp katsays (birim uzunluk bana)

R2

221 2

sr LLe R R e =

s=salma ve sourma kayplar

1 2r s R R = + +

1 21 2

1 1ln( )2R R R L R R

= + =

R=aynalardaki yansmalardan kaynaklanan kayp

Kazan erisi

kayp

15

Optik Rezonans Kovuu (Optical Resonant Cavity)-1Bunun iin rezonans kovuu (resonant cavity) kullanlr. Bu rezonans kovuu sayesinde foton

alan (hv) srekli artrlr. Bu kovuk fotonu yanstacak bir ayna olabilir.

2 2o

L Lnm = =

Rezonatr frekanslar

m

L

m=1

m=2m=3

L

= rezonatr ortamnda dalgaboyuo= boluktaki dalgaboyu

2 2v c

L Ln = =

m+1 m+2m-1m-1

m=1, 2, 3...

16

Optik Rezonans Kovuu-2

m=1

m=2m=3

L

Kazan erisi

kayp

EC

EV

Eg

EFp

EFn

kayp

Kazan erisiRezonans kovuunun frekanslar iin getirdii kstlama (izin verilenen frekanslar)

Enerjisi bant aral civarnda dalm elektron geilerinden kaynaklanan fotonlar var. Bu enerjilerden (frekanslardan) hangisinin baat olacan rezonans oyugu belirler.

Lazer frekanslar

17

Pompalama

Uyarlm gei oran B21N2(hv) B21N2Sourma oran B12N1(hv) B12N1

= =

Uyarlm geii sourmadan fazla yapmak iin N2 > N1

N2>N1 koulu pompalanma ilemi optik veya elektrik akm ile yaplr.

Yariletken lazerlerde pompalama ilemi ar katklanma sayesinde eklem zerinden akm geirerek salanr.

Akmn belli bir deerinde (eik akm (Ieik) (threshold) N2 > N1 art salandnda lazer zellii gsteren k elde edilmi olur.

Lazer olaynn gereklemesi iin gerekli olan 2. art, yani N2 > N1 art, alt seviyedeki elektronlar st seviyeye uyararak gerekletirilir. Bu ileme nfus terslemesi(population inversion) denir.

EcEv

Ef

n+-GaAs p+-GaAs

d

- V +

I

Ith

I

optik g

18

Lazer Inn zellii

Ik: Uyumlu (koherent) Tek renkli (monokromatik) Ynl Kutuplu

EV

EC

Uyumlu (Koherent)

ynl

vo

EV

EC

EFp

EFn

ho = Eg

iddetLazer

LED

Tek renkli

Lazer olaynda, LEDden farkl olarak uygun foton rezonans kovuu iinde kendini kolonlayarak oald iin kan fotonlarn zellikleri ayndr.

19

Lazer Inn zellii-Modlar

Enlemesine (Transverse) mod Boylamasna (Longitudinal) mod

Enlemesine mod Boylamasna mod

( )( , )( , , ; ) o i t kzE x y z t eE x y =rr

TransverseElectroMagnetic wave-TEM(l,m,q)

Enlemesine mod (indis)

Boylamasna Mod

(frekans-Hz)

Lazer nn iki farkl modundan sz edilebilir. Yaylma dorultusu boyunca (boylamasna mod) ve yaylma dorultusuna dik dzlem zerindeki alan dalm (enlemesine mod).

20

Boylamasna Mod

vo

EV

EC

EFp

ho = Eghv

iddet

- Boylamasna mod (n elektrik alannn zaman iersindeki salnm)

( )( , , ; ) ( , ) i t kzoE x y z t E x y e =r r

EFn

Lazer nn frekansdr. Bu modu kazan erisi ve rezonans kovuunun zellikleri belirler.

21

Enlemesine Mod

TEM0,0

yx

- Enlemesine mod (n yaylma dorultusuna dik dzlemdeki elektrik alan dalm)( )( , )( , , ; ) o i t kzE x y z t eE x y =

rr

TEM1,0

TransverseElectroMagnetic (TEMl,m)

TEM1,1TEM0,1

Gaussiyen Dalm Hermite-Gaussiyen Dalm

(l,m) =>(0,0) (l,m) =>(l,m)

x

z

y

TEM0,0 TEM1,0

Kresel aynaKresel ayna

Lazer elektrik alannn uzaysal dalmdr. Lazer ortam rezonan kovuunun aynalar ve aktif ortamn geometri zellikleri belirler.

22

Yariletken Lazerler-1

Dorudan bant aralkl ve ar katklanm n ve p tipi yariletkenlerle oluturulan bir p-n ekleminden lazer elde edilebilir. Bir yariletken lazer, rezonans kovuu iine konmu LEDden farkl deildir. Yariletken lazerlerin dier lazer trlerine gre birok olumlu yan vardr;

Rezonans kovuu, yariletkenlerin kenarlarndan yaplan kesme (cleave) ilemi ile oluturulur,

Kk boyutlara sahiptirler (tipik boyutlar 0,1x0,1x0,3 mm), Yksek verimlidirler,

Lazer k, eklemlere uygulanan akm ile kolaylkla kontrol edilebilir,

Optoelektronik tmleik devreleri ile kolaylkla btnletirilebilir,

Yariletken lazerler fiber optik iletiimde yaygn olarak kullanlmaktadr.

23

Yariletken Lazerler-2

p

n

Ec

EvEf

V p

n

AynaR=1

AynaR=0,9

Kesme dorultular(ayna oluturmak iin)

AynaR=1

AynaR=0,9

24

Yariletken Lazerler-3Ar katklanm yariletken eklemin ileri besleme durumunda elektronlarla deikler ayn blgede birlemeye hazr duruma gelirler.

Bylece lazerin olumas iin gereken n2 > n1 art salanm olur.

iddet

Eik deerin altndaki durum(Koherent olmayan ma)

iddet

Eik deerin stnde lazer nm

(a)

iddet

Eik deerin hemen altndaki durum

(b) (c)

Frekans Bant Aral

o o

(a) LED masna kar gelmektedir. Tek renkli k elde edilmesine ramen frekans bantaral olduka genitir ve elde edilen kta lazerler iin gerekli olan 1. art salanmad iin koherentlik yoktur.

(b) Akm eik deerin hemen altnda birok rezonans kovuuna kar gelen dalgaboyundak elde edilir.Bunlardan birinin baat olmas iin gereken n2 > n1 art henz salanm deildir.

(c) Akm eik deerin stnde olduunda rezonans kovuundaki bir frekans dierlerini bastrarak baat hale gelir. Bu frekansta bant aral olduka kktr ve k koherentdir.

25

Heteroeklemli Yariletken LazerlerFarkl trden yariletken malzemeler kullanlarak yariletken lazerlerin verimlilii arttrlabilir. Bant aralklar farkl yariletkenlerle oluturulan eklemlerde elektron ve fotonlar eklem blgesinde tutularak eik akm deerinin drlmesi salanr.

p-GaAs < 1 mn-GaAsAltta

p-AlGaAs

n-GaAs p-GaAs p-AlGaAs

Ef Ef

Eg(AlGaAs)=2 eV

Eg(GaAs)=1,4 eV

(b) leri beslenme durumu

Kullanlan geni bant aralkl AlGaAs sayesindeElektronlarn tmyle p-GaAs de kalmas salanr.

Ef

Ef

p-GaAs

< 1 mn-GaAsAltta

p-AlGaAs

V

n-GaAs p-GaAs p-AlGaAs

(a) Sfr beslenme durumu

26

Dk Boyutlu Yariletken LazerlerDk boyutlu yaplar kullanlarak lazerlerin performans daha da arttrlabilir In frekans ayarlanabilir. Enerji seviyeleri kesikli olduu iin (bant deil!) frekans bantgenilii daha

dardr (tek renklilik). Elektronlar ve deikler uzayn belli bir blgesine hapsedildii iin birleme

verimlilii yksektir (dk eik akm-Ieik). Optik snrlamadan dolay foton alan (h) yksektir (yksek verimlilik).

GaAs d d m

n-GaAsAltta

p-AlGaAs

n-AlGaAs Aktif katman

Eg(AlGaAs)

Eg(GaAs)

Eg(AlGaAs)E2C

E1C

E1V

E2V

Aktif katmand

vo

iddet

homohetero

nGaAlAs nGaAs nGaAlAs

n2n1

n1

n2>n1n: krlma indisin

27

Kuantum Kuyusu Yariletken LazerlerAktif blgenin kalnl daha da ok drlerek (elektronun de Broglie dalgaboyumertebesinde) verimli ve frekans bant aral daha kk lazerler elde edilebilir.

Kuantum kuyusu lazerlerde tipik olarak eik akm deerinde 10 kat azalma salanabilir.

n-GaAs p-GaAs p-AlGaAsn-AlGaAs

Eg(AlGaAs)

Eg(GaAs)

Eg(AlGaAs)E2C

E1C

E1V

E2V

Aktif KatmanGaAs

d

Kuantum kuyusu lazerin enerji seviyeleri

p-GaAs d

n-GaAsAltta

p-AlGaAs

n-AlGaAs

p-GaAs

Aktif Katman

Kuantum kuyusu lazer yaps

Kuantum kuyusu lazerlerde kan k, iletim bandndaki kesikli bir enerji seviyesinden (n=1) deerlik bandndaki kesikli bir deik seviyesine (n=1) olan geilerden kaynaklanr.

In frekans( )e hg n nE E E+ +

=

h

28

Bant ii Yariletken Lazerler Tipik bir kuantum ukurlu lazerlerde kan k, iletim bandndaki kesikli bir enerji

seviyesinden (n=1) deerlik bandndaki kesikli bir deik seviyesine (n=1) olan geilerden kaynaklanr.

Uygun ekilde oluturulan ve nfus terslemesi yaplan kuantum ukurlarnda geiler iletim bandndaki kesikli bir st enerji seviyesinden bant iindeki kesikli bir dier enerji seviyesine de olabilir.

Geiler sadece izinli enerji seviyeleri arasnda olur. Uzun dalgaboylu k elde edilebilir Eg(AlGaAs)

Eg(GaAs)

Eg(AlGaAs)E2C

E1C

E1V

E2V

Aktif KatmanGaAs

d

Lazer , iletim bandndaki kesikli enerji seviyesinden (n=2) ayn bandtaki kesikli alt enerji seviyesine (n=1) olan geilerden oluur.

In frekans 1 2( )

= =+

=

h

e e

n nE E

29

Yzey Salml Lazerler (VCSEL) Yariletken lazer yaplarnda k, aynann yan yzeylerde oluundan dolay yan

yzeylerden darya kar. Bu tr lazerlere yzey salml lazerler (edge emittinglasers) denir.

Aktif blgenin (x) yaklak m mertebesinde, dier boyutun (y) ise mm mertebesinde olduu dnlrse ebatlardaki bu oran lazer nn asimetrikgenilemesine sebep olabilmektedir. Pratikte bunu dzeltmek iin fazladan optik sistem kullanmak gerekir.

Bu tr lazerlerin bir baka eksiklii ise lazer dizileri yapmak mmkn deildir.

Baz uygulamalarda tek bir lazerden ziyade lazer dizilerine ihtiya duyulabilir,rnein bir yzeyin kla taranmas gibi.

Yzeyden salm yapan lazerlerle yukardaki sorunlar zlebilir.

n

pdy

x

dx

y

dx dy

dy

x

dx

y

dx =dy

30

Yzey Salml Lazerler (VCSEL)-2 Eer bir yariletken lazerde aktif blgenin alt ve stnde uygun ekilde aynalar oluturulursa

rezonans kovuu yzeye dik oluturulmu olur. Bu durumda lazer kenarlardan deil yzeyden darya alnabilir.

Bu aynalar farkl krlma indisine sahip ve n dalgaboyu mertebesinde zel kalnlkl katmanlarn uygun sayda bytlmesi ile elde edilebilirler. Bu aynalara Datlm Bragg Aynas (DBR) denir.

Bu ekilde oluturulmu lazerler k yzeyden salnd iin Yzey Salml Lazerler, ksaca VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Lasers (VCSELs)) olarak adlandrlr.

GaAsDBR-AlAs/GaAs

DBR-AlAs/GaAs

altta

Enine Mod

n+-GaAs

n-GaAsn-AlAs

GaAsn-AlAs

p-AlGaAsGaAs

n-GaAsn-AlAs

GaAsn-AlAs

DBR Ayna (23 ift)

Akm snrlayc

DBR Ayna (23 ift)

Aktif blge

Rezonans kovuu

31

Lazer Yapmnda Kullanlan MalzemeleriGaAlAs/GaAs Tabanl Yariletkenler:

Hem dorudan bant aralkl hem de deiik kompozisyonlarda bytlmesinde problem olmad (rg sabitleri arasndaki fark ok kk) iin kolaylkla retilebilmektedir.

InGaAsP/InP Tabanl Yariletkenler:

Deiik dalgaboyunda k retimine elverili ve sorunsuz bytlebilmektedir. In yzdesi deitirilerek =1,3-1,55 m aralnda herhangi bir dalgaboyunaayarlanabilir.

GaAs(1-x)Px Yariletkenler:

Bant aral x ile dorusal olarak deiir ve < x=0,45e kadar direk bant aralna sahiptir.

LEDler iin kullanlan en uygun GaAs0,6P0,4 Bu aralkta malzeme dorudan bantzelliine sahiptir ve 1,9 eV enerji ile krmz blgeye der. Bu LEDler hesap makinelerinde ve dier kl gstergelerin yapmnda kullanlr.

32

Ik leticiler: Dalga Klavuzlar Optik Fiberler

Yariletken Dalga Klavuzlar

33

Optik Dalga Klavuzlar-Genel

n1 > n2

n1

n2n2

n1 > n2

n1n2

n2

n1

n1 > n2

Yariletken Dalga Klavuzlar Fiber Optik Dalga Klavuzlar

Dalga klavuzlarnn fonksiyonu n zelliini bozmadan ve en az kaypla bir noktadan baka bir noktaya iletmektir.

Bu asl fonksiyonlarnn yan sra optik modlatr veya optik anahtar olarak da kullanlabilir.

letimi amac ile kullanldnda ya ayn yonga (ip) zerindeki ya da birbirlerinden kilometrelerce uzaklkta bulunan optoelektronik devre elemanlar arasnda n iletimini salar.

letken tellerdeki elektrik akmnn tersine dalga klavuzlarnda k farkl kiplerde (mod) ilerler.

Yariletken dalga klavuzlar daha ok elektronik yongalar zerindeki (< cm) iletiimi salamada ve elektro-optik modlatrlerde kullanlr

Uzun mesafeler arasnda (km) tamada kullanlan en yaygn dalga klavuzlar optik fiberlerdir.

34

Optik Dalga Klavuzlar-2

Dalga klavuzlar, krlma indisi byk olan bir katmann krlma indisi daha kk bir katman ile kaplanarak oluturulur. Ik iletimi tam i yansma esasna gre gerekleir.

n1n2

Tam i yansman2 > n1

132

21

3 c > c

n1

n2n1

< c

> c

1

1

3

Geli as kritik adan kk olan k (1), n1 ortamna geer ve dalga klavuzundan ayrlr. Geli as kritik adan byk olan k (3) ise n katmanna gemez ve n2katmannda kalarak dalga klavuzu boyunc iletilir.

35

Optik Fiberler Uzun mesafeler arasnda tamada kullanlan en yaygn dalga klavuzlar optik fiberlerdir.

Optik fiberler tayan yksek krlma indisli i katmann (core) dk krlma indisli malzeme (cladding) ile silindirik geometride yaplrlar.

Optik fiberler genellikle silisyumdan yaplr.

D katman (cladding): silisyum SiO2 blge (core): germanyum katklanm silisyum (SiO2:Ge)

SiO2

SiO2

n1

n2

SiO2:Ge

n1>n2

D katman (cladding)

katman (core)

n1 > n2

koruyucu d katman (cladding)

i katman (core)

D katman (cladding)n1

n2

36

Optik Fiberler-Kayplar

x

oePxP

=)(

(dBkm-1)

(m)

0,8 1,0 1,2 1,4 1,6

10

0,01

0,1

Kzltesi sourma

Rayleighsalmas

1,551,3

Po P

dB= - 10log(P/Po)

x

dBx

PP o==

)/log(10 Kayp (attanuation) katsays

In iddetindeki azalma (sorulmas) btn dalgaboylar iin ayn deildir. Bu sebepten dalga klavuzunun hangi dalgaboyu iin kullanlaca nemlidir.

Optik fiberlerde sourmann en dk olduu dalgaboylar 1,3 ve 1,55 m olduundan optik iletiimde bu dalgaboylarndaki k kullanlr.

Po: Fibere giren optik gP : Fiberden kan optik g

37

Dalga Klavuzlar: Modlar-Genel Durum

2

2

2

22 ),()(),(

t

trEc

rntrE

=

tierEtrE )(),( =0)()()( 222 =+ rErnkrE

z-eksenini boyunca ilerleyen In uzaysal dalm

zieyxErE = ),()( = yaylma sabiti (z-dorultusundaki dalga vektr)

[ ] 0),()(),(),( 22222

2

2

=+

+

yxErnk

yyxE

x

yxE

k=/c

z

xy

tierEtrE )(),( =

Zaman ve uzaysal bileenler ayrlrsa

Dalga klavuzlarnda k belli modlarda yaylr. Bu modlar bulabilmek iin Maxwell denklemleri krlma indisleri farkl katmanlar iin yazarak zmleri bulmak gerekir.

n2

n2

n1

Bu diferansiyel denklemi salayan deerleri dalgann olas modlarn (elektrik alann uzaysal dalmn) verecektir.

38

Optik Dalga Klavuzlar: Modlar-1Mod: In kutuplanma dorultusu ve enlemesine alan (E, H) dalga

klavuzu ekseni boyunca (z) deimeyen uzaysal dalm

n1

n1

z

n2

x

d

C

A

B

n2 > n1

k

k

y-dorultusunda kutuplu TEM dalga

Eoy

x

y

z

k

z

2 2AC ABfaz faz q pi = pi2 2 2 2AC AB qpi pi pi = pi

q=0, 1, 2, 3.....

2 ( ) 2 ( 1) 2AC AB q mpi = pi + = pi m=(q+1)=1,2,3...

39

Optik Dalga Klavuzlar: Modlar-2

2 2 sin 2d mpi = pi

sin2m

md =

mk m dpi

=

2 sinAC AB d =

2 22 2

2mmk

dpi =

d

Her m, farkl bir geli asna (m) kar gelmektedir. min kar geldii alann uzaysal dalmna m. mod denir.

k+

kz=

k

k+x

kx

=Yaylma sabiticoszk k = =

d

BC

A

B

2 ( ) 2AC AB mpi = pi m=(q+1)=1,2,3...

40

n2

n2

n1

y

xTEM1,0

y

xTEM0,0

y

xTEM1,1

Optik Dalga Klavuzlar: Modlar-3

mk m dpi

=

2 22 2

2mmk

dpi =

12

3

d

1

2

3

41

Yariletken Dalga Klavuzlar-1 Byk krlma indisli yariletken bir malzeme (n2) krlma indisi daha kk yariletken

malzemeler tarafndan sandivilenirse krlma indisi byk olan katman datmadan iletebilir.

Byle bir yap epitaksiyel bytme yntemleri ile kolaylkla bytlebilir.

Yariletken malzemeler kullanlarak yaplan bu dalga klavuzlarna yariletken optik dalga klavuzlar denir.

Kayplarn en az olabilmesi iin klavuz olarak kullanlan katmann bant aralnn iletilecek n enerjisinden daha byk olmas gerekir.

n1 = n3 simetrik dalga klavuzun1 n3 simetrik olmayan dalga

klavuzu

zieyxErE = ),()( = lerleme sabiti

[ ] 0),()(),(),( 22222

2

2

=+

+

yxErnk

yyxE

x

yxE

n1n2n3

z

xy

tierEtrE )(),( =d

42

Yariletken Dalga Klavuzlar-21. Blge (n1) [ ] 0),(),( 22122

2

=+

yxEnkx

yxE 2. Blge (n2) [ ] 0),(),( 22222

2

=+

yxEnkx

yxE 3. Blge (n3) [ ] 0),(),( 22322

2

=+

yxEnkx

yxE (k2n2-2) ifadesinin iaretine bal olarak zmler periyodik veya steldir. In dalga klavuzunda kalabilmesi iin n2 katmannda periyodik, n1 ve n3 katmannda da stel azalan zmleri veren deerlerini bulmak gerekir.

n1

n2

n3z

x

y

kn1 kn3 kn2

TE1 TEo

d kn1 < kn2 > kn3

I klavuzlanmas iin

y

x

TEM1,0y

x

TEM0,0y

x

TEM0,0

43

Yariletken Dalga Klavuzlar-3 nn farkl deerleri farkl yaylma modlarna kar gelmektedir.Dalga klavuzunda ilerleyecek modlarn says dalga klavuzunun kalnlna (d), dalgann frekansna ve n1, n2 ve n3 deerlerine baldr.

Bir dalga klavuzu iin verilen steki deerler iin belli bir frekansn altndaki dalgalar iletmedii bir kesim frekans (cutoff frequency) deeri vardr.

n1

n2n3

d

Dalga klavuzunda kalnlk (d), dalgann frekansna(), n1, n2 ve n3 deerlerini belli bir uygulama iin sabitlendii iin bu dalga klavuzunun iletebildii modlar bu sabitlere baldr.

22

22

32 32)12(dn

mnnn o

+=

Burada m=0, 1, 2, mod says, o ise yaylan n boluktaki dalgaboyudur.

rnein GaAs da n2=3,6 ve kalnl dalgaboyu mertebesinde olduu durumda 10-2 likindis fark TEo modunun yaylmasna yetecektir.

m=0

m=1

m=2

y

xTEM1,0

y

x

TEM0,0

y

xTEM1,1

y

xTEM0,0

z

xy

44

zetBu derste optoelektronik teknolojisinde kullanlan k kaynaklar ve k ileticileri incelenerek alma ilkeleri anlatlmtr.

Bir p-n eklemi I-V grafiinin I. blgesinde altrlrsa, tketim blgesinde elektron ve deiklerin verimli bir ekilde birlemesi salanarak k elde edilebilir. Byle bir yap uygun ekilde tasarlanarak amaca ynelik k elde etmede kullanlabilir.

Bu sayede elde edilen k (LED ) dier k kaynaklarna gre daha verimlidir ancak uyumlu, tekrenkli ve kutuplu deildir. Bir p-n eklemi uygun ekilde oluturulursa (kenarlarna aynalar yaplrsa) kan k ok farkl zellikler gsterir. Bu durumda kan k tek renkli, kutuplu ve uyumludur, yani lazer dr. Yariletken lazerlerin verimlilii dk boyutlu sistemler kullanlarak daha da arttrlabilir. Dk boyutlu sistemler hem elektron ve deiin verimli bir ekilde birlemelerine hem de optik foton alann artmasna katk salar. Yariletken lazerlerde aktif blgenin alt ve stne DBR aynalar yaparak n kenardan deil de yzeyden kmas salanabilir. VCSEL olarak bilinen bu yariletken lazerler sayesinde k dizileri oluturmak mmkndr.

In iletimi de retimi kadar nemlidir. Ik iletiminde optik dalga klavuzlar kullanlr. Uzun mesafeler iin optik fiberler, ksa mesafeler (ip) iin de yariletken dalga klavuzlar kullanlmaktadr. Optik dalga klavuzlarnda k belli modlarda ilerler. Dalga klavuzlarnn krlma indisi ve kalnlklar ayarlanarak sadece belli moda sahip n iletilmesi salanabilir.

45

UADMK - Ak Lisans Bilgisi

Bu ders malzemesi renme ve retme yapanlar tarafndan ak lisans kapsamnda cretsiz olarak kullanlabilir. Ak lisans bilgisi blm yani bu blmdeki, bilgilerde deitirme ve silme yaplmadan kullanm ve gelitirme gerekletirilmelidir. erikte gelitirme deitirme yapld takdirde katklar blmne sadece ekleme yaplabilir. Ak lisans kapsamndaki malzemeler dorudan ya da trevleri kullanlarak gelir getirici faaliyetlerde bulunulamaz. Belirtilen kapsam dndaki kullanm ak lisans tanmna aykr olduundan kullanm yasad olarak kabul edilir, ilgili ak lisans sahiplerinin ve kamunun tazminat hakk domas sz konusudur.