Bölüm 4 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. Enerji-Seviyesi Diyagramları Katkısız yarı iletken içindeki eşit elektron ve hol yoğunlukları

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

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. Bir n-tipi malzeme içindeki verici (donör) düzeyi (b) Donör katkılarının iyonlaşmasıyla arttırılmış elektron yoğunluğu dağılımı

P-tipi katkılanmış yarıiletken Şekil 3. 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. 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 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 ve pn eklemine dik doğrultuda yüksek oranda yönlüdür.

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 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 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.

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 dalgaboyu λ = 0.82 μm

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

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 : 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 J = akım yoğunluğu (A/cm2) q = Elektron yükü (C) d = Birleşme bölgesinin kalınlığı (cm) n/  = Termal üretim oranı Denklem 7.

Denge durumunda :   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) Rr = Işınımlı birleşme oranı (birleşme/s) Rnr = Işınımsız birleşme oranı (birleşme/s) Denklem 9.

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

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

Eğer LED sürücü akımı I ise, toplam yeniden birleşme oranı : Denklem 12. LED içerisinde üretilen optik güç : 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 :   Denklem 13’de yerine konulursa

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. Denklem 14. T(Φ) = Fresnel iletim katsayısı (Fresnel transmissivity)  

= 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.

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

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 : 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 : 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.

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; Denklem 22.

z uzaklığı boyunca içinden geçen lasing boşluğuyla eksponensiyel olarak artan bir foton enerjisindeki radyasyon yoğunluğu; Denklem 23.

Gidiş dönüş sırasında, sadece optik radyasyonun R1 ve R2 oranları iki lazer sonundan (sırasıyla1 ve 2) yansıyandır. R1 ve R2; Aynaların yansıtmaları veya Fresnel yansıma katsayılarıdır. İki madde arasındaki bir arayüzeyde ışığın yansıtması için n1 ve n2 kırılma indisine sahip. Denklem 24.

Denklem 23. den gelen Lasing durumu;

Lasing eşiğinde, bir durgun-durum salınımı yer alır, ve geri dönen dalganın genlik ve fazı orijinal dalganınkiyle eşit olmalıdır. Bu koşul genlik için, Denklem 26. Ve faz için, 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, 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, β, yapılan aygıta özel bir sabittir Denklem 29.

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. (4-30) =uyarılmış emisyon + kendiliğinden oluşan emisyon + foton kayıpları (4-31) =injeksiyon+ kendiliğinden oluşmuş yeniden birleşim +uyarılmış emisyon

n elektron sayısını verir. Burada c bir katsayıdır n elektron sayısını verir.Burada c bir katsayıdır.Optik soğurum ve emisyonun etkileşimlerinin güç tanımlaması olarak kullanılır. lasing moddaki kendiliğinden oluşan emisyon oranı (toplam kendiliğinden oluşan emisyon oranından daha küçük) , foton ömrü, kendiliğinden oluşan yeniden birleşim ömrü ve J injeksiyon akım 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. 4-30 ve 4-31 denklemlerini sıfıra eşitleriz. Pozitif olduğunda ( bu durumda küçüktür) yi’ ihmal edebiliriz.

Bu bize ‘yi yükseltmek için ’nin bir başlangıç değeri ‘ı aşması gerektiğini gösterir. =0 fotonun sayısı olduğu zaman kararlı durumda başlangıç akımı ’ın ihtiyaç duyduğu ters yüzey = ifade edilebilir. Bu açıklamalar bozulma mekanizmaları içindir ve aşırı elektron yoğunluğunu sürdürebilmek için gerekli akımı tanımlar.Kararlı durumda foton ve elektron oran denklemlerini hesaba katarsak. için kararlı durum foton yoğunluğunu da hesaba katar ‘ i çözersek birim hacimdeki herbir fotonun sayısal verisi: İlk terim uyarı emisyonuyla sonuçlanan fotonların sayısıdır.İkinci terim kendiliğinden oluşan fotonları verir.

Harici Quantum Verimi Harici diferansiyel quantum verim orandır. Eşik değerlerini sabitlediğimizde kazanç katsayısını elde ederiz. = iç quantum verim oranıdır.oda sıcaklığında yaklaşık değeri sürüş akımına karşılık gelen optik güç yayılımının eğrisinin kısmi doğrularından hesaplanır. elektron gerilimlerindeki band aralığı enerjisi. sürüş akımındaki adımsal değişiklik için mW’lar seviyesinde yayılan optik güç cinsinden dalga boyudur.Standart yarı iletkenler için quantum verimi% 15-20,yüksek kalitelilerde % 30-40 arasındadır.

olduğu zaman sağlanır. Burada m bir katsayıdır. Yayılma Rezonans Frekansları olduğu zaman sağlanır. Burada m bir katsayıdır. Yayılma sabiti için için ‘ kullanırsak.Elde edilen frekansların bir oranı olarak elde ederiz.Burada = Frekansın ve kazancın arasındaki ilişkiyi gausyan dağılım formunda almak zorundayız. spektrum merkezindeki dalga boyu. kazancın spektral genişliği. maxsimum kazançtır ve populasyonun tersiyle orantılıdır. Burada sadece boyuna modları dikkate alınmış bunun yanında birkaç enine mod da bulunabilir. Frekans aralıklarını bulmak için m ve m-1 tamsayıları tarafından elde edilen ve frekanslarının ardışık modları dikkate alınır.

Frekans aralıklarını bulmak için ; eşitliklerinin farkını alırız.Bu durumda ve frekans aralığı olarak hesaplanır. eşitlik ilişkisini için kullanabiliriz ve , elde ederiz. 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. Örnek:850 nm de çalıştırılan, Bir GaAs lazer 500 uzunluğunda ve kırılma indisi Frekans ve dalgaboyu aralıkları nedir? Eğer yarı güç noktası =2 nm ise kazancın spektral genişliği ne olur?

Lazer Diyot Yapıları ve Işınım Modelleri =81 GHz =0.2 nm =1.70 nm 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 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 .

bundan sonrası , çevre materyal içinde kırılır ve kaybolur . 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 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 ’ de uzunluk L ‘ yi azaltmalıyız. L’nin 250 ’den 25 ’ye 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. Buda olukların periyodu ile ilgilidir. Burada modun etkili kırılma indisidir ve k’ da ızgaranın dizilişidir.Birinci sıradaki ızgaralar (k=1) en güçlü birleşmeyi sağlar . Yayılmış geribeslemeli 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 ;

olarak verilmiştir.Burada m=0,1,2,3,……… mod sırasıdır ve ise 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 DFB Yayılmış geribeslemeli lazer DBR Yayılmış-Bragg reflektör. 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.

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 akım darbesinin başlangıcı aşağıdaki gibi verilen zaman dilimi süreci; : Bias akımıdır : Toplam akım ’ e yakın olduğunda ortalama birleşme bölgesindeki taşıyıcıların ömürleridir. 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

3 GHz ‘ de osilasyon tepe değerine sahip bir lazer örneği şekil’ de gösterilmistir.300 ‘lik lazer için yaklaşık 1 ns ve 2 ps ‘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 ‘ın ısıya bağlı olmasıdır. Isı değişimi deneysel olarak; :sabit :Oransal ısı hassaslığının Ölçüsü Şekilde