DUMLUPINAR ÜNİVERSİTESİ
ELEKTRİK-ELEKTRONİK MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ
4. BÖLÜM
OPTİK KAYNAKLAR
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)
Lazer Diyotların ve LED’lerin
Kullanılmasının Sebepleri




Yeterli çıkış gücü
Doğrudan modüle edilebilme
Yüksek verim
Optik fiberle uyumlu boyut karakteristikleri
LED ve Lazer Diyotlar Arasındaki Temel
Farklar
 Lazer diyottan alınan optik sinyal koherent ışıktır.
 LED’den alınan optik sinyal koherent ışık değildir.
 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.
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
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
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.)
Yarıiletken Enerji Bandları
Şekil 1.
(a) Enerji-Seviyesi Diyagramları
(b) Katkısız yarı iletken içindeki eşit elektron ve hol yoğunlukları
Intrinsic (Katkısız) Taşıyıcı Yoğunluğu
 Eg 

n  p  ni  K exp  
 2k B T 
T: Kelvin cinsinden sıcaklık
kB: Boltzman sabiti
h: Planck sabiti
3
K  2(2k BT / h ) 2 (me mh )
2
3
4
Denklem 1.
me: Elektron etkin kütlesi
mh: Hol etkin kütlesi
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
N-tipi katkılanmış yarıiletken
Şekil 2.
(a) Bir n-tipi malzeme içindeki verici (donör) düzeyi
(b) Donör katkılarının iyonlaşmasıyla arttırılmış elektron yoğunluğu dağılımı
P-tipi katkılanmış yarıiletken
Şekil 3.
(a) p-tipi malzemedeki alıcı (akseptör) düzeyi
(b) Alıcı katkılarının iyonlaşmasıyla oluşan arttırılmış hol yoğunluğu dağılımı.
p-n eklemi
Şekil 4. Bir pn eklemi
boyunca elektron
difüzyonu, Yüksz
(boşaltılmış) bölge için
bir potansiyel bariyeri
(elektrik alan) meydana
gelir.
tıkama yönünde kutuplama
Şekil 5. Tıkama yönünde (reverse bias) kutuplama boşaltılmış bölgeyi genişletir,
fakat azınlık taşıyıcılarının serbestçe taşınmasına izin verir.
ileri yönde kutuplama
Şekil 6. İletim yönünde kutuplama ile (forward bias) azalan bariyer potansiyeli,
çoğunluk taşıyıcılarının eklem boyunca yayılmalarına izin verir.
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.
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.
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
Işık-Yayan Diyot : LED
 Daha basit elektronik sürücü devresi gerektirir.
 Daha düşük verimlidir.
 Düşük maliyetle üretilebilir.
Fiber optik haberleşme uygulamalarında
kullanılan LED’ler :
 Yüksek radyan çıkış açısına,
 Yüksek tepki hızına,
 Yüksek kuantum verimine
sahip olmalıdır.
Şekil 8.
(a) 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.
Fiber optik haberleşmede kullanılan LED
konfigürasyonları
 Yüzey yayılımlı ( Surface emitting LED)
 Kenar yayılımlı (Edge emitting LED)
Şekil 9. Bir yüksek-radyanslı yüzey-yayılımlı LED’in şematik gösterimi. Aktif
bölgenin alanı fiber öz çapı ile uyumlu olacak şekilde dairesel olarak
sınırlandırılmıştır.
Şekil 10. Bir kenar-yayılımlı çift-heterojonksiyon LED’in şematik gösterimi. Çıkış

hüzmesi pn eklemi düzleminde lambertian’dır (||  120 ) ve pn eklemine dik
doğrultuda yüksek oranda yönlüdür. (   30 )
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
Şekil 11. Oda sıcaklığında Ga1-xAlxAs için alüminyum mol kesri x’in bir
fonksiyonu olarak bant-aralığı enerjisi ve çıkış dalgaboyu.
Şekil 12. x = 0.08 için Ga1-xAlxAs LED’in ışıma spektrumu.
Yarı-güçteki tam spektral genişliği 36 nm dir.
Enerji (E) - frekans (v) arasındaki temel
kuantum-mekanik bağıntısı
E  hv 
hc

(Joule)
1.24

( m)
Eg (eV )
1 eV = 1.6*10^-19 Joule
Denklem 3.
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. ( Eg  1.1eV )
0 - 0.37 aralığındaki x değerleri için GaAlAs ile
elde edilen band aralığı enerjisi (deneysel) :
Eg  1.424  1.266 x  0.266 x
Denklem 4.
Örnek 3 :
• x = 0.07 ile Ga1-xAlxAs lazer için
• Denklem 4. den, Eg = 1.51eV
• Denklem 3. den dalgaboyu λ = 0.82 μm
2
(eV)
InP taban üzerine büyütülmüş In1-xGaxAsyP1-y alaşımlar
için eV cinsinden bant aralığı enerjisi :
Eg  1.35  0.72 y  0.12 y
y  2.20 x
ve
2
0  x  0.47
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
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.
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.
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 :
n  n0 e
t

n0 = Başlangıçta enjekte olan
fazlalık elektron yoğunluğu
 = Taşıyıcı ömrü
Denklem 6.
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
dn
J n


dt qd 
Denklem 7.
J = akım yoğunluğu (A/cm2)
q = Elektron yükü (C)
d = Birleşme bölgesinin kalınlığı (cm)
n/  = Termal üretim oranı
Denge durumunda :
J
n
qd
Denklem 8.
Bu bağıntı, LED içinden sabit bir akım akması durumu
için aktif bölgedeki kalıcı hal elektron yoğunluğunu verir.
Dahili Kuantum Verimi
(internal quantum efficiency)
 int
Rr

Rr  Rnr
Denklem 9.
Rr = Işınımlı birleşme oranı (birleşme/s)
Rnr = Işınımsız birleşme oranı (birleşme/s)
Dahili Kuantum Verimi
Fazlalık taşıyıcıların üstel azalması için ışınımlı ve ışınımsız birleşme
ömürleri (s) :
n
r 
Rr
int 
1
1   r  nr
 nr
n

Rnr


r
Denklem 10.
Toplam Birleşme Ömrü (recombination
lifetime)
1


1
r

1
Denklem 11.
 nr
Dahili kuantum verimleri :
Basit tek eklemli LED’ler için :
int  %50
Çift-çok eklemli (double heterojunction) LED’ler için :
int  %60  80
Eğer LED sürücü akımı I ise, toplam yeniden
birleşme oranı :
Rr  Rnr  I q
Denklem 12.
LED içerisinde üretilen optik güç :
I
hcI
Pint  int hv  int
q
q
Denklem 13.
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 :

 r  nr 30 100

(ns)  23.1 (ns)
 r   nr 30  100
Denklem 13’de yerine konulursa
hcI
(6.6256 1034 Js )(3 108 m / s)(0.040 A)
Pint  int
 0.77
 2.92 mW
19
6
q
(1.602 10 C )(1.3110 m)
Şekil 15. Sadece kritik açıyla tanımlı bir koni içinden gelen ışık optik kaynaktan
yayılabilir.
Harici Kuantum Verimi
Harici kuantum verimi, LED’den yayılan foton sayısının LED içerisinde
üretilen foton sayısına oranıdır.
 ext
1

4
c

0
T ( )(2 sin  )d
T(Φ) = Fresnel iletim katsayısı (Fresnel transmissivity)
Denklem 14.
 = 0 yani eksenel ışınlar için
n1 = n ve n2 = 1 (hava) için
Harici kuantum verimi :
LED’den yayılan optik güç :
4n1n2
T (0) 
(n1  n2 ) 2
4n
T (0) 
(n  1) 2
ext
Denklem 15.
Denklem 16.
1

n  (n  1) 2
Pint
P  ext Pint 
n(n  1) 2
Denklem 17.
Örnek 6.
Bir LED’de kullanılan yarıiletken malzemenin kırılma indisi n =
3.5’tur.
Denklem 16.dan
ext
1

 % 1.41
3.5(3.5  1)
P  0.0141 Pint
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.
Sürücü akımı ω frekansında modüle edildiğinde, optik
çıkış gücü :
P( )  P0[1  ( i ) ]
2 1 / 2
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.
Şekil 16. Bir optik kaynağın frekans tepkisi ile elektriksel ve optik
3-dB-bandgenişliği frekanslarının gösterimi.
P(ω) = I2(ω)*R den dolayı; ω frekansındaki elektriksel çıkış gücünün sıfır
modülasyondaki (DC’deki) güce oranı :
Oran elektriksel
 I 2 ( ) 
 p( ) 
 10 log 
 10 log  2 

 p(0) 
 I (0) 
Denklem 19.
I(ω) = Dedektör devresindeki elektrik akımı
Elektriksel 3 dB noktası, elektriksel gücün P(ω)=P(0)/2 olduğu
frekansta meydana gelir :
I 2 ( ) 1

2
I (0) 2
I ( )
1
veya

 0.707
I (0)
2
Denklem 20.
 frekansındaki optik güç oranı, bu frekanstaki akım oranlarına eşittir.
Oran optik
 P( ) 
 I ( ) 
 10 log 
 10 log 


P
(
0
)
I
(
0
)




Denklem 21.
Lazer Diyotlar
Şekil 17.
Lazer etkisinde gerekli üç anahtar geçiş süreci. Açık daire elektronun başlangıç
durumunu, kapalı son durumunu temsil eder. Her diyagramda solda gösterilen
gelen fotonlar, sağda gösterilen yayılan fotonlar.
Şekil 18.
Bir lazer diyot için Fabry-Perot resonatör oyuğu. Kısmen yansıtan ayna gibi yarılmış
kristalin uç fonksiyonu. Arka yüzeydeki optik kaybı azaltmak için bir dielektrik
yansıtıcıyla kaplanabilir. Not: Bir düşey elips şeklindeki lazerden çıkan ışık ışını, aktif
alan yüzündeki lasing spotu düz olduğu halde bir yatay elipstir.
Şekil 19.
Bir dağıtılmış-geri beslemeli (DFB) lazer diyotun yapısı.
Farklı lasing durumları ve rezonans frekansları
için,elektrik alan fazörün koşullarında boyuna yönde
yayılan elektromanyetik dalga ifadesi;
E ( z, t )  I ( z )e
Denklem 22.
j (t  z )
z uzaklığı boyunca içinden geçen lasing boşluğuyla
eksponensiyel olarak artan bir foton enerjisindeki
radyasyon yoğunluğu;
I ( z)  I (0) exp g (hv)   (hv)z
Denklem 23.
Gidiş dönüş sırasında, sadece optik radyasyonun R1 ve R2
oranları iki lazer sonundan (sırasıyla1 ve 2) yansıyandır.
 n1  n2 

R  
 n1  n2 
Denklem 24.
2
R1 ve R2;
Aynaların yansıtmaları veya
Fresnel yansıma katsayılarıdır.
İki madde arasındaki bir
arayüzeyde ışığın yansıtması
için n1 ve n2 kırılma indisine
sahip.
Denklem 23. den gelen Lasing durumu;
I (2L)  I (0) R1 R2 exp 2Lg (hv)   (hv)
Denklem 25.
Lasing eşiğinde, bir durgun-durum salınımı yer alır, ve geri
dönen dalganın genlik ve fazı orijinal dalganınkiyle eşit
olmalıdır. Bu koşul genlik için,
I (2L)  I (0)
Denklem 26.
Ve faz için,
e
 j 2 L
1
Denklem 27.
Denklem 27. Fabry-Perot boşluğunun rezonans frekansı
ile ilgili bilgi verir.
Lasing eşiğine hemen ulaşmak için koşul, oyuktaki toplam
kayıp αt ye eşit optik kazançtaki noktadır. Denklem 26. dan bu
koşul,
1  1 
     end.
gth   t   
ln 
2 L  R1R2 
Denklem 28.
αend = Lasing boşluğundaki ayna kaybı.
Şekil 20.
Optik çıkış gücü ve lazer diyotun sürme akımı arasındaki ilişki. Lasing
eşiğinin aşağıda olduğu optik çıkış bir kendiliğinden LED-tipi yayılımdır.
Kuvvetli taşıyıcı sınırlandırmaya sahip lazer yapıların, kendiliğinden
yayılım için eşik akım yoğunluğu olan Jth denklemle lasing-eşiğiyle
ilgili iyi bir yaklaşım yapılabilir,
gth  J th
Denklem 29.
β, yapılan aygıta özel bir
sabittir
Lazer Diyot Oran Denklemleri
Aktif bölgedeki elektron ve fotonların birbirini etkilemesi oran denklemleri
tarafından tanımlanan sürüş akımı ve optik çıkış gücü arasındaki ilişki ile
açıklanabilir.Pn jonksiyonu taşıyıcı sınırlaması ile d’ nin derinliğiyle oran
denklemleri şöyle çözülür.
d

(4-30)
 Cn  Rsp 
dt
 ph
=uyarılmış emisyon + kendiliğinden oluşan emisyon + foton kayıpları
dn J n (4-31)
   Cn
dt qd  sp
=injeksiyon+ kendiliğinden oluşmuş
yeniden birleşim +uyarılmış emisyon
n elektron sayısını verir.Burada c bir katsayıdır.Optik soğurum ve emisyonun
etkileşimlerinin
güç
tanımlaması
olarak
kullanılır.
Rsp lasing moddaki kendiliğinden oluşan emisyon oranı (toplam kendiliğinden
oluşan emisyon oranından daha küçük) ,
 ph foton ömrü,
kendiliğinden oluşan yeniden birleşim ömrü ve J injeksiyon akım
s
yoğunluğu.
4-30 ve 4-31 denklemleri lazer oyuğundaki taşıyıcıların sayısını etkileyen
faktörlerin tümü göz önünde bulundurarak eşitlenebilir.Kararlı durumda bu
denklemleri
çözmek
bize
çıkış
gücünün
verimini
açıklar.
d
yi’ ihmal edebiliriz.dt
4-30 ve 4-31 denklemlerini sıfıra eşitleriz.
durumda
küçüktür)

Cn 
1
 ph
0
Rsp
Pozitif olduğunda ( bu
Bu bize
 ‘yi yükseltmek için n ’nin bir başlangıç değeri nth
‘ı aşması
gerektiğini gösterir.  =0 fotonun sayısı olduğu zaman kararlı durumda
başlangıç akımı ’ın ihtiyaç duyduğu ters yüzey n = nth ifade edilebilir.
nth J th

 sp qd Bu açıklamalar bozulma mekanizmaları içindir ve aşırı
elektron yoğunluğunu sürdürebilmek için gerekli akımı tanımlar.Kararlı
durumda foton ve elektron oran denklemlerini hesaba katarsak.
0  Cnth s  Rsp 
s
 ph
nth
J nth
0

 Cnth s
qd  sp
 sp için kararlı durum foton yoğunluğunu da hesaba katar
çözersek birim hacimdeki herbir fotonun sayısal verisi:
s ‘ i
 ph
s  ( J  J th )   phs
qd
İlk terim uyarı emisyonuyla sonuçlanan fotonların sayısıdır.İkinci terim
kendiliğinden oluşan fotonları verir.
Harici Quantum Verimi
diferansiyel quantum verim orandır. Eşik değerlerini
 ext Harici
sabitlediğimizde kazanç katsayısını elde ederiz.
 ext
 i ( g th   )

g th
= iç quantum verim oranıdır.oda sıcaklığında
 i yaklaşık değeri
i  0,6  0,7
sürüş akımına karşılık gelen optik güç yayılımının eğrisinin kısmi
doğrularından hesaplanır.
ext
q dP
dP(mW )
 ext elektrongerilimlerindeki
0.8065 (m) band aralığı enerjisi.
E g dI
dI (mA)
sürüş akımındaki adımsal değişiklik için mW’lar seviyesinde yayılan
optik
güç
E
g
cinsinden dalga boyudur.Standart yarı iletkenler için quantum
dP
verimi% 15-20,yüksek kalitelilerde % 30-40 arasındadır.

m
Rezonans Frekansları
(e  j 2L  1) 2olduğu
L  2m zaman sağlanır. Burada m bir katsayıdır. Yayılma
sabiti için için   2n‘ kullanırsak.Elde
edilen frekansların bir oranı olarak
/
elde ederiz.Burada =
Frekansın ve kazancın
c 
L
2 Ln
marasındaki

 ilişkiyi
v gausyan dağılım formunda almak zorundayız.
 / 2n
c
v
spektrum merkezindeki dalga boyu.
 (   0 ) 
0
g ( )  g (0) exp 

2
2


kazancın spektral genişliği.
 maxsimum kazançtır ve populasyonun tersiyle orantılıdır. Burada sadece
modları dikkate alınmış bunun yanında birkaç enine mod da
g (boyuna
0)
bulunabilir. Frekans aralıklarını bulmak için m ve m-1 tamsayıları tarafından
elde edilen
ve
frekanslarının ardışık modları dikkate alınır.
2
v m 1
vm
Frekans aralıklarını bulmak için ;
m 1 
2 Ln
vm1
c
mm 
2 Ln
v meşitliklerinin farkını alırız.Bu durumda
c
c
2Ln
2
Ln

v

aralığı
olarak2 Ln
hesaplanır.
1
(vm  vm1 )  ve frekans
v
c
c
v 
 eşitlik ilişkisini
 kullanabiliriz ve ,
için
v

 
2
elde ederiz.
2 Ln
Kazanca karşı frekansın tipik krokisi şekildeki gibidir.Modların tam
sayıları , onların yükseklikleri ve aralıkları lazerin yapısına bağlıdır.
şekil. 4-21: Kazanç kılavuzlu GaAlAs/GaAs diyotun tipik spektrumu.
n  3.7
m
Örnek:850 nm de çalıştırılan, Bir GaAs lazer 500 uzunluğunda
  0
ve kırılma indisi
Frekans ve dalgaboyu aralıkları
nedir?

Eğer yarı güç noktası
=2 nm ise kazancın spektral
genişliği ne olur?
c =81 GHz
v
v 
2 Ln
 (   0 ) 2 
g ( )  g (0) exp 

2
2



2

=0.2
  nm
2 Ln

g ( )=1.70
 0.5gnm
(0)

Lazer Diyot Yapıları ve Işınım Modelleri
Lazer diyotların verimli çalışabilmesi için heterojen katlar arasındaki taşıyıcı
sınırlaması ve enine optik önemlidir. Akım akışı lazerin uzunluğu boyunca
dar bir çizgi ile sınırlandırılmalıdır.
Şekillerde üç temel optik sınırlama metotları gösterilmiştir.1 yapıda dar
elektrot çizgisi ( bunun yapısı 8 den
m daha ) diyot uzunluğu buyuncadır.
Fiberin içindeki delikler ve elektronların injeksiyonu aktif bölgedeki kırılma
indisini değiştirir.Bu tür aygıtlar kazanç kılavuzlu lazerler olarak
adlandırılır.
1. Yapıda optik güç 100 mV’ aştığında çok dengesizdirler 2. ve 3. yapılar
çok daha dengeli yapılardır.
optik dalgalar için üç temel yapı: a) Kazanç kılavuzluda metalik çizgi teması
yoluyla enjekte edilen elektronlar , aktif bölgenin kırılma indisini değiştirir
b) pozitif indeks dalga kılavuzu, aktif bölgenin
merkezi kısmında
yüksek
kırılma indisine sahip olur c) negatif indeks dalga kılavuzu, aktif bölgenin
merkezi
kısmında
düşük
kırılma
indisine
sahip
olur
.
2. ve 3. yapılarda farklı malzemelerin gerçek kırılma indislerindeki değişiklikler
Lazerde yanal modlarda kontrol edilebilir. Bunlar kırılma kılavuzlu lazerler olarak
adlandırılır. Bu yapılarda çeşitli materyalların gerçek kırıcı indeksinde değişimler ,
laser-de yanal modları kontrol ederler . Eğer özel indis kılavuzlu lazer sadece temel
Enine ve temel boyuna mode dayanırsa bu tek modlu laser olarak bilinir. Yogunluk
profilli çan biçiminde gaussian eğrili bu yöntem iyi ışınım yapar. İndis kılavuzlu
lazerler dalga sınırlı yapılarda ya pozitif indise yada negatif indise sahiptir.
Pozitif indis dalga kılavuzunda merkezi bölgesi daha yüksek bir kırılma indisine
sahiptir. Böylece bütün kılavuzlanmış dalgalar dielektrik sınırında yansıtılır.
Negatif indis dalga kılavuzunda , aktif katmanın merkezi bölgesi, dış bölgeden
düşük kırıcı indeksine sahip olur. Dielektrik sınırlarında , ışığın parçası yansıtılır ve
bundan sonrası , çevre materyal içinde kırılır ve kaybolur .
İndeks kılavuzlu lazerler dört temel yapının herhangi birinde kullanılabilirler.
Bunlar gizlenmiş heterojen yapılardır. Dar yassı ve yanları dik tepe . yüksek dirençli
Kafes benzeri n tipi malzemenin içine ayrık band boşluğu ve düşük kırılma indisiyle
gömülür. Bu durum yanal yüzeyde güçlü ışıkları doğurur. Bu temel yapının değişim
miktarı yüksek performanslı lazer diyotların yapımında kullanılır.
a) kısa dalga boyu (800-900 nm) GaAlAs
b) uzun dalga boyu (1300-1600 nm) InGaAsP gömülü heterojen yapılı
lazer diyot
Seçici difüzyon konsantrasyonu şekil 4.24a’ da gösterilmiştir.Burada kimyasal
dopant aktif plakalar arasına difüz edilmiştir.Dopant kırılma indisiyle
değişir.Şekil 4.24b’de değişken kalınlıklı bir kanal yapı içine substrateler
yapıştırılmıştır.Şekil 4.24c’de eğri tabaka yapısı gösterilmiştir.
Akım sınırlama metotları.
TEK MODLU LAZERLER
Yüksek hızlı uzun mesafe iletim için sadece bit tek boyuna mod ve bir tek enine
modu kapsayan tek modlu lazere ihtiyaç vardır. Bir uzunlamasına mod lazere sahip
olmak için
’cde uzunluk L ‘ yi azaltmalıyız. L’nin 250 ’den 25
m ’ye m
v 
2 Ln
düşürülmesiyle mod aralıkları 1 nm’den 10nm’ye yükselir. VCSEL veya VCL dik
oyuklu yüzey yalıtımlı lazerdir. VCSEL’ de ayna sistemi kullanılmıştır.
Şekil 4-28 ‘ de ise yerleşik bir frekans seçici reflektörün kullanıldığı üç
çeşit lazer düzeni gösterilmiştir. Her bir durumda frekans seçici
reflaktör aktif bölgeye bitişik pasif bir dalga kılavuzu tabaka olan oluklu
bir ızgaradır. Optik dalga bu ızgaraya paralel olarak yayılır. Bir faz ızgarası
aslında periyodik olarak değişen kırılma indisine ait bir bölgededir ki
bu da karşılıklı yayılan ve dolaşan iki dalganın birleşmesine sebep olur.
‘ ye yakın olan dalga boyları için bu birleşme en üst noktadadır.
 B olukların periyodu ile ilgilidir.
Buda

2n 
B  e
Burada k modun etkili kırılma indisidir ve k’ da ızgaranın dizilişidir.Birinci
sıradaki ızgaralar
(k=1) en güçlü birleşmeyi sağlar . Yayılmış geribeslemeli
ne
lazerlerde (DFB) dalga boyu seçicisi için olan ızgara tamamıyla aktif olan
bölge üzerine kurulur. Şekil 4-29’ da gösterildiği gibi ideal bir DFB lazerinde
boylamsal modlar simetrik olarak
etrafında dalga boylarında
yerleştirilmiştir ki buda ;
B
  B 
2B
1
(m  )
2ne Le
2
olarak verilmiştir.Burada m=0,1,2,3,……… mod sırasıdır ve Lise
e
etkili ızgara uzunluğudur. Yayılmış Bragg reflektörü (DBR) lazeri için
ızgara lazerin normal aktif tabakasının uçlarına yerleştirilir ki buda
Fabry-Perot optik rezanatör içinde kullanılan bölünmüş uç aynalarının
yerini alır. Yayılmış reflektör lazeri aktif ve pasif yayılmış reflektörler
içerir. ( Şekil 4 28c) . Bu yapı geleneksel DFB ve DBR lasing özelliklerini
geliştirir ve yüksek bir randıman ve yüksek üretim yeterliliği sağlar.
Frekans seçici reflektörün
kullanıldığı fiber yapıları
a) DFB Yayılmış geribeslemeli
lazer
b) DBR Yayılmış-Bragg reflektör.
c) DR Yayılmış reflektör
LAZER DİYOT MODÜLASYONU
Işık dalgası üzerine bilgilerin yüklenme süreci modulasyon olarak
adlandırılır. Bu durum ya direk olarak lazer akımını bilgi dalgası ile
değiştirerek değişken optik bir çıkış gücü üretmek suretiyle yada harici
bir modülatör kullanarak lazerle yayılan sabit optik güç sınırını
düzenlemek suretiyle gerçekleştirilir. Harici modülasyon yüksek hızdaki
sistemlerde cızırtı gibi istenilmeyen ve doğrusal olmayan etkileri en aza
indirmek için gereklidir CD-ROM doğrudan ve harici modulasyonu çeşitli
parça oranları açısından karşılaştıran bir similasyon modülü içerir. Lazer
diyotların doğrudan modülasyon oranı üzerindeki ana limit
kendiliğinden ve uyarılmış taşıyıcı ömrüne ve foton ömrüne bağlıdır. Bir
Fabry-Perot boşluk içinde ,foton ömrü;
şeklindedir.

1
ph
c  1
1
c
 ( 
In
)  g th
n
2 L R1 R2
n
Bir lazer diyotu kolaylıkla darbe modülasyonlu olabilir çünkü foton
ömrü taşıyıcı ömründen çok daha küçüktür. Her darbeden sonra eğer
lazer tamamıyla kapatılırsa kendiliğinden oluşan taşıyıcı ömür
modülasyon oranını sınırlayacaktır. Bunun nedeni ;
’nin genliğinin
I p süreci;
akım darbesinin başlangıcı aşağıdaki gibi verilen zaman dilimi
t d  In
Ip
: Bias akımıdır
I  (I  I )
IB
B
: Toplam akımp
’the yakın olduğunda ortalama
birleşme bölgesindekiI taşıyıcıların
 I B  I p Iömürleridir.
th
Direk olarak modüle edilmiş bir lazer diyotunu yüksek hızdaki iletim
sistemleri için kullanırken modülasyon frekansı lazer alanının
osilasyonlarının sıklığından daha fazla olamaz. Osilasyon hem
kendiliğinden oluşan ömre hemde foton ömrüne bağlıdır. Osilasyon
yaklaşık olarak
1
1
1
I
f 
(  1) 2
1/ 2
2 ( sp ph )
I th
3 GHz ‘ de osilasyon tepe
değerine sahip bir lazer
örneği şekil’ de
gösterilmistir.300 m
‘lik lazer için  sp
2 phps
yaklaşık 1 ns ve
‘nin üzerinde olduğu için
injeksiyon akımı eşik
akımının yaklaşık iki katıdır
ve maksimum modülasyon
frekansı birkaç GHz’ dir.
SICAKLIK ETKİLERİ
Lazer diyotların uygulamasında en önemli etken
olmasıdır. Isı değişimi deneysel olarak;
:sabit
I th
‘ın ısıya bağlı
:Oransal ısı hassaslığının
Ölçüsü
Şekilde
I th (T )  I Z e
T
TO
T0
Iz
I th

Download Report