i ın modülasyonu - hüseyin sarıhuseyinsari.net.tr/bolum-9-isiginmodulasyonu.pdfdo ğrultusunun...

© 2008 HSarı 1

Işığın Modülasyonu

© 2008 HSarı 2

Ders İçeriği

• Temel Modülasyon Kavramları• LED Işık Modülatörler

• Elektro-Optik Modülatörler

• Akusto-Optik Modülatörler• Raman-Nath Tipi Modülatörler

• Bragg Tipi Modülatörler

• Magneto-Optik Modülatörler

© 2008 HSarı 3

Işık modülatörlerini modülasyon şekline göre, örneğin modülasyon için kullanılan

maddelerin kullanılan özelliklerine göre elektro-optik, magneto-optik, akusto-optik

modülatörler olarak sınıflandurabilir

•Elektro-Optik Etki

Gerilim uygulayarak malzemenin optik parametrelerini değiştirme

• Pockel Etkisi

•Akusto-Optik Etki

Ses dalgaları ile malzemenin optik parametrelerini değiştirme

• Bragg Tipi akusto-optik modülatörler

• Raman Nath tipi modülatörler

•Magneto-Optik Etki

Manyetik alan uygulayarak malzemenin optik özelliklerini değiştirme

• Faraday Dönmesi

Işık Modülatörleri

© 2008 HSarı 4


Temel modülasyon kavramları

• Modülasyon Derinliği

o

o

I I

Iη

−=

• Bant Aralığı

Modülasyon yapılacak sinyalin frekans aralığı

• Kayıplar

10log( )ti

o

IL

I=

• Güç Tüketimi

• Yalıtım

Io=Modülasyon gerilimi uygulanmadan önceki geçirgenlik

I=Modülasyon gerilimi uygulandığı durumda geçirgenlik

© 2008 HSarı 5


• Faz Modülasyonu

• Kutuplanma Modülasyonu

• Şiddet Modülasyonu

Işık Modülasyon Türü

© 2008 HSarı 6

Optoelektronik Modülatörler-LED

Uygun bir p-n eklemi I-V eğrisinin I. bölgesinde çalıştırılırsa eklemin tüketim bölgesinde elektron ve

deşikler belli bir eşik gerilimin üstünde eklem bölgesinde birleşerek dalgaboyu bant aralığına eşit ışık

yayabilir

+V

I

V>0, I >0

-V

-I

n p

V

A

- +

Iışık

EC

EV

hν=EC-EV

© 2008 HSarı 7

Optoelektronik Modülatörler

hv = Eg

Vp

n

EC

EF

EV

n p

Ec

Ev

Ef

n p

Ec

Ev

(c) İleri besleme durumu

(b) Sıfır gerilim altında p-n eklemi(a) Ayrık p ve n tipi yarıiletkenler ve enerji seviyeleri

EF

© 2008 HSarı 8


Diyotlar I-V eğrisinin doğrusal olduğu aralıkta ışık modülatörü olarak kullanılabilir

Bu aralıkta gerilimin (V) değişimi ile LED ışık şiddeti doğrusal olarak değişebilir

V

I

V(t)

Bilgi Sinyali

Iop(t)

Modüle edilmişışık

Iop(V)

R

V(t)p

n

Bilgi Sinyali

© 2008 HSarı 9


+V

Iopt

V1

-V

-I

n p

V

A

- +

• Modülasyon Türü

Genlik Modülasyonu (Işığın frekansı ve kutupluluğu değiştirilmiyor)

Io

I

V2

• Bant AralığıBilgi sinyalinin değişim sıklığı

oLED

o

I I

Iη

−=

Modülasyon derinliği

© 2008 HSarı 10

Elektro-Optik Modülasyon


© 2008 HSarı 11

Uygulanan dış elektrik alanın bir fonksiyonu olarak kırılma indisindeki değişme

2

2)

1( PErEn

+=∆

Burada r doğrusal elektro-optik sabit (Pockel Sabiti)

P karesel elektro-optik sabittir (Kerr Sabiti)

Elektro-Optik Etki

Elektro-Optik etki: Pockel ve Kerr Etkisi

Katılarda rE ile ilgili kırılma indisindeki (doğrusal) değişim “Pockel Etkisi”

PE2 ile ilgili değişime (karesel terimden) ise “Kerr Etkisi” olarak isimlendirilir

Pockel Etkisi Kerr EtkisiV

© 2008 HSarı 12

Elektro-Optik Etki-Pockel Etkisi

'

3

632

oo zx

nn n r E= +

'

3

632

oo zy

nn n r E= −

y’

x'

E

Gelen ışık

φ

Doğrusal

Kutuplanmış ışık

V

d

Geçen ışık

z

V≠ 0, E ≠ 0

Eğer KDP’ye elektrik alan z-ekseni boyunca uygulanırsa x- ve y- eksenleri 45o lik

dönme ile yeni x’ ve y’ eksenleri halini alır ve kırılma indisleri bu yeni yönler için

632 3

1( ) 2

nr E

n n

∆∆ = − =

x

y

© 2008 HSarı 13

y

x

E

Gelen ışık

Geçen ışıkφ

Doğrusal

Kutuplanmış ışık

Dairesel Kutuplanmış ışık

V

Dedektör

• Katılardaki elektro-optik etkiyi kullanarak geliştirilen ışık modülatörlerdir (Pockels electro-

optik modülatörü )

• Pockel etki ile çift kırınım haline getirilen malzemeler kullanılır

• Uygun kalınlıktaki çiftkırıcı modülatör, birbirine 90o konumlandırılmış iki doğrusal kutuplayıcı

arasına yerleştirilir

• Bu konfigurasyona sahip modülatörlerde şiddet modülasyonu yapılabilmektedir (modülatörü

geçen ışık (I) şiddetinin modülatöre gelen ışık şidetine (Io) oranı bilgi sinyaline bağlı olarak

değişmektedir)

Pockels Elektro-Optik Modülatör-1

d

© 2008 HSarı 14

y

x

E

Gelen ışık

Geçen ışık

φ

Doğrusal

Kutuplanmış ışıkDairesel Kutuplanmış ışık

V

E

Dedektör


32 2 22 2

sin ( ) sin ( . ) sin ( ( ). )2

oo o o

rnI I I n d I E d

π πϕ

λ λ= = ∆ =

32 2 32

sin ( ) sin2

oo o o

rn VI I d I rn V

d

π π

λ λ

= =

d

Dedektöre ulaşan ışık şiddeti*

y yI T E E= ∝

x

y

z

3

2

ornn E∆ =

( )k n dϕ = ∆

IIo

© 2008 HSarı 15

)(sin 32 VrnI

Io

o λ

π= )

2(sin 2

π

π

V

V

I

I

o

=

32 o

Vrn

π

λ≡

y

x

E

Gelen ışık

Geçen ışık

φ

Doğrusal Kutuplanmış ışık Dairesel Kutuplanmış ışık

V

E

Dedektör

0

=>

Vπ, Geçen ışığın şiddetinin gelen ışığın şiddetine eşit olduğu (I=Io) olduğu maksimum

geçirme için gerekli gerilimdir.

Vπ , π’lik bir faz farkına eşdeğerdir. Bu gerilime aynı zamanda yarım dalga gerilimi de denir.


yarım dalga gerilimi

© 2008 HSarı 16

V

Geçirme (%)

VπV

π/2 3V

π/2

100

Tipik bir elektro-optik modülatörde çalışma gerilimi doğrusal bölgede olmalıdır


Örnek: Yarım Dalga Gerilimi: 1,06 µ m dalga boyunda KDP için yarım dalga gerilimini

kVx

rnV

o

5,14)51,1).(10).(6,10.(2

1006,1

2 312

6

3===

−

−λπ

)2

(sin 2

π

π

V

V

I

I

o

=


© 2008 HSarı 17

V

Geçirme (%)

Vπ

100

Modüle edilengerilim

V(t)


2 ( )sin ( )

2o

I V t

I Vπ

π=

© 2008 HSarı 18

• Bir ortamın kırılma indisi akustik (ses) dalgası ile değiştirilerek yapılan etkiye akusto-optik etki denir

• Kırılma indisi n olan bir ortamdan geçen ses dalgası ortamda mekanik zorlama (gerilme) oluşturur

• Bu gerilme sonucu ortamın kırılma indisini de ∆n kadar değişir. Bu değişmeyi ses dalgasının şiddeti

ve diğer nicelikler cinsinden veren formül

Av

Ppnn

a

a

2

726

2

10

ρ=∆

Burada

n, gerilmenin olmadığı durumdaki kırılma indisi,

p uygun fotoelastik tensör elemanı,

Pa

watt olarak toplam akustik güç,

ρ kütle yoğunluğu,

va

ise ses hızı,

A dalganın geçtiği bölge için tesir kesit alanı

Akusto-Optik Modülatörler-1

Piezo-elektrik transducer

l

n ∆n

l

a

A=l.a

© 2008 HSarı 19

Akusto-Optik Modülatör-2

Elektrooptikte maddenin kırılma indisini ses dalgaları ile değiştirerek yapılan iki tür

akusto-optik modülatör vardır. Bunlar

• Raman-Nath tipi modülatörlerdir (ışık yüzeye paralel)

• Bragg Tipi akusto-optik modülatörler (ışık yüzeye özel açıda geliyorsa)

Böyle bir ortamın kırılma indisi akustik dalganın dalga boyu olan Λ’ya eşit ve

peryodik olarak değişir

© 2008 HSarı 20

Λ

Gelen ışık

dalgası

0. derece

1. derece

-1. derece


x

y

z

l

• Bu tür modülatörlerde ışık, ses dalga vektörüne dik konumda gönderilir.

• Ses dalgasından dolayı kırılma indisi Λ peryodu ile değiştirilmiş olan l uzunluğundaki maddeden

geçen ışık kırınıma uğrayarak değişik açılarda gelen ışık doğrultusundan sapar.

• Ortamdan etkilenerek geçen ışığın şiddeti I, akustik dalganın oluşturduğu indis farkı ile orantılıdır

•Bu, akustik modüle edici dalganın genliği ilişkilidir.

•Sıfırıncı mertebeden yok edilen ışığın oranı

•Burada Io akustik dalganın yokluğundaki geçen ışık şiddetini. Böylece akustik dalganın

•genlik değişimleri optik demetin ışıma şiddeti değişimlerine dönüşür

Raman-Nath Türü Akusto-Optik Modülatörler-1

© 2008 HSarı 21

)2

sin(2

Λ

∆=∆

xln

o

π

λ

πϕ

Λ

Gelen ışık

dalgası

0. derece

1. derece

-1. derece

Piezo-elektrik

transducer

x

y

z

l

Ses dalgaları ile indisi ∆n kadar değiştirilmiş bölgeden geçen ışıgın geliş ekseninden x kadar

uzak noktalarda ışık dalgasının maruz kalacağı faz kayması

Burada

∆n, ses dalgalarından dolayı kırılma indisindeki değişim,

l etkileşme uzunluğu,

Λ, ses dalgasının dalgaboyu,

x ise ışığın geliş ekseninden olan uzaklıktır.


7

2102 2sin( )

2

aM P l x

a

π πϕ

λ∆ =

Λ

6 2

2 3

a

n pM

vρ≡

© 2008 HSarı 22

)sin( mom θλ Λ=

2

lλ

Λ<<

Burada

Λ, ses dalgasının dalgaboyu,

λ ise ışığın madde içindeki dalgaboyu


7

2102 2sin( )

2

aM P l x

a

π πϕ

λ∆ =

Λ

Birden çok kırınımın olmasını önlemek için etkileşme uzunluğunun (l) küçük olması gerekir

Kırınım şartı0, 1, 2,..m = ± ±

2'

2'

( ), 0

2

( ) , 0

m

o

o

JmI

IJ m

ϕ

ϕ

∆ >= ∆ =

7' 2102 /

2

a

o

M P ln

a

πϕ

λ

∆∆ =

Işık şiddetinin oranı

[ ] 2'

( 0)1 ( )

oRN o

o

I I mJ

Iη ϕ

− = = = − ∆


Burada

© 2008 HSarı 23l >>Λ2/λ

Λ

Gelen ışık0. derece

1. derece


Λ

λ θΒ

Bragg Koşulu

sinθΒ=λ/2Λ

l

• Bragg türü akusto-optik modülatörlerde ışık modülatöre dik değil de belli bir açı ile gelir

• Ses dalgaları ile kırılma indisi modüle olmuş olan ortam peryodu ses dalgalarının peryodu λ olan

peryodik düzlemler olarak algılanabilir

• Bu ortama giren ışık aynen kristale giren x-ışınları gibi Bragg koşulunu sağlayan durumda yapıcı

girişim ile 1. dereceden yansımayı oluşturur

• Diğer durumlarda ışık yansımadan geliş doğrultusunda kristalden çıkar

Bragg Türü Akusto-Optik Modülatörler-1

Bragg Türü modülatörde, ışığın madde ile ses dalgaları ile etkileşip kırınıma uğraması için

etkileşme uzunluğunun büyük olması gerekir

© 2008 HSarı 24

)2

(sin 2 ϕ∆=

−

o

o

I

II

Λ

Gelen ışık

dalgası

0. derece

1. derece


Λ

λ θΒ

Bragg Koşulu

sinθΒ=λ/2Λ

l

Bragg tipi akusto-optik modülatörde kırınıma uğrayan ışığın (I) kırınıma uğramadan

geçen ışığın (Io) şiddetine oranı

şeklindedir

Bragg Türü Akusto-Optik Modülatörler-2

2 sin( )Bλ θ= Λ

Geliş açısı Bragg açısına eşit olmalıdır

2θB

72 2( ) 10

sin ( )2

o aB

o o

I I M P

I a

πη

λ

−= =


© 2008 HSarı 25

Katılarda Faraday Dönmesi

Bir izotropik dielektrik madde manyetik alana yerleştirildiğinde doğrusal olarak kutuplanmış ışık

alan doğrultusunda gönderildiğinde ışığın kutuplanma doğrultusunun değiştiği gözlenir.

Burada manyetik alan dielektrik malzemeyi optik olarak aktif duruma getirmiştir. Kutuplanma

doğrultusunun dönme açısı manyetik alan (H) ve ortamın uzunluğu ile orantılıdır.

θ=VHl

Burada V orantı sabitidir. Bu sabite Verdet sabiti denir

0,015-0,050Cam

0,036NaCl

0,012Elmas

V(q(dakika)Oe-1cm-1)Madde

Magneto-Optik Etki

Bazı maddeler Verdet sabitleri

© 2008 HSarı 26

E

Gelen ışık

Geçen ışık

φ

x- yönünde doğrusal

kutuplanmış ışıkKutuplanmış ışık

I

Manyetik Alan (H)

θ

Manyeto-optik

madde

H

Dedektör

x

y

z

• Bu tür ışık modülatörleri Faraday manyeto-optik ilkeye göre çalışmaktadırlar

• Manyeto-optik etkide anlatıldığı üzere manyetik alanın etkisi ile ışığın doğrultusu değiştirilebilir

Manyeto-Optik Modülatörler-1

Burada

θ: ışığın kutuplanma doğrultusundaki dönme miktarı

V:Verdet (manyeto-optik) sabiti,

H: manyetik alan,

l: ise ışığın ortamda katettiği yoldur

θ=VHl

© 2008 HSarı 27

2I VHlθ∆ ∝ =

E

Gelen ışık

Geçen ışık

φ

x- yönünde doğrusal

kutuplanmış ışıkKutuplanmış ışık

I

Manyetik Alan (H)

θ

Manyeto-optik

madde

H

Dedektör

x

y

z

Dedektörde algılanan ışık şiddeti θ açısı ile orantılı olacaktır

Görüldüğü gibi dedektöre gelen ışığın genliği H alanı ile doğru orantılı olduğu için H

alanını dışardan uygulanan akım veya gerilim ile değiştirerek ışığın genligini modüle edebiliriz

Manyeto-Optik Modülatörler-2

i ın modülasyonu - hüseyin sarıhuseyinsari.net.tr/bolum-9-isiginmodulasyonu.pdfdo ğrultusunun...

Documents