OPTİK HABERLEŞMEDE YARIİLETKEN TABANLI AYGIT...

OPTİK HABERLEŞMEDE YARIİLETKEN

TABANLI AYGIT TEKNOLOJİSİ

AYŞE EROL

İSTANBUL ÜNİVERSİTESİ FEN FAKÜLTESİ

FİZİK BÖLÜMÜ

[email protected]

Nano- ve Optoelektronik Araştırma Grubu

• Nano ve Optoelektronik ArLab

• İleri Litografik Yöntemler Laboratuvarı

• Yüksek Manyetik Alan & Düşük Sıcaklık Laboratuvarı

V. Fizik Çalıştayı - 19 Şubat 2015 2

http://nano-optoelectronics.org/

http://nano-optoelectronics.org/

İçerik

• Optik Haberleşme Sistemi ve Bileşenleri

• Optik Fiber

• Verici – Yarıiletken ışık kaynakları – LED / LASER

• Alıcı - Yarıiletken fotodedektörler

• Optik Yükselteç – EDFA/Yarıiletken Optik Yükselteç


Optik Haberleşme Nedir?

• Optik haberleşme sistemleri bilginin taşınması için ışığı

kullanır

• Işık fiber boyunca kılavuzlanır

• Çok yüksek miktarda bilgi (ses, veri) uzun mesafeler

boyunca güvenli ve hızlı olarak aktarılır


Optik haberleşme sistemi bileşenleri

Bilgi

Kaynağı

Elektriksel

verici

e

o

Optik

Kaynak

Optik fiber

kablo

Elektriksel

algılama

e

o

Optik

Alıcı

Hedef

Optik Haberleşmenin Tarihçesi – 19.yy


• 1870 – John Tyndall – Işığın kılavuzlanması

• 1880 – William Wheeling – ışığın içi parlatılmış borularla

kılavuzlanarak taşınması

• 1880 – Alexander Graham Bell & Charles Sumner Tainter: Işıkla ses

aktarım sistemi – Fotofon

SORUNLAR

- Uygun ışık kaynağının olmaması

- Atmosferin etkileri sonucunda düşük kapasiteli veri transferi

20.yy Optik Çağın dönüm noktaları

1962 İlk yarıiletken laser –pulslı @77K

1966 Charles K. Kao (Standard Telecommunications Laboratories, UK)

Optik fiberin taşıyıcı ortam olarak kullanılmasının önerilmesi – 2009 Nobel ödülü

1970 İlk cw RT yarıiletken laser (Alferov) – 2000 Nobel ödülü

1975 İlk ticari cw laser

1976 0.47dB/km @ 1.2m

1976 InGaAsP laser (1.25m)

1977 Telefon trafiği optik fiberlerden gönderildi

1977 850nm AlGaAs laser ile 45Mbit/s veri aktarımı

1978 1.3m’de 53km 32Mb/s

1978 1.55m 0.2dB/km

1980 SMF 1.3m ilk optik fiber kablo döşenme çalışmaları başladı - TAT-8

1985 SMF Amerika’ya yayıldı – uzun erimli telefon sinyalleri için @ 400 Mb/s

1987 Erbium katkılı fiber @1.55m

1988 TAT-8 servise başladı (1.3m laser, SMF) , 20Mbit/s trafik- aynı anda 40000 konuşma


Optik Haberleşmenin Gelişimi


Optik Haberleşmenin Gelişimi - II


WDM teknolojisi


• Farklı dalgaboylu sinyaller tek bir fiber üzerinden taşınır.

4 kanallı ise her kanalda veri hızı 10Gb/s ise fiberde 40Gb/s veri taşınır.

• Yeniden optik fiber döşenmesini gerektirmez, elektrik enerjisi gerektirmez.

• CWDM- = 20nm 18 dalgaboyu

• DWDM - = 0.4nm > 80 dalgaboyu


Tek dalgaboyuyla farklı fiberlerde – 10Gb/s

WDM teknolojisi

4 fibers, 32 regenerators

1 fiber, 4 Optical Amplifier

Optik Fiber Nedir?

• Işık formunda bilginin taşınabildiği esnek cam (silika: SiO2)


Tam iç yansıma

Optik fiber türleri


wikipedia.org

Çok modlu fiber

Tek modlu

fiber

50

m62.5

m

50-400 m core – 125-500 m cladding

5-10m core – 125 m cladding

Tek modlu- çok modlu fiber


Tek modlu fiber

- Kor çapı küçük

- Kuplaj zor

- Pahalı

- Modlar arası dispersiyon yok

- Uzun mesafe haberleşme, kayıplar az

Çok modlu fiber

- Kor çapı büyük

- Kuplaj çok kolay

- Ucuz

- Fiberde çok mod var, modlar arası

dispersiyon

- Kısa mesafe haberleşme

Neden optik fiber kullanıyoruz?

• Çok dar ışık darbeleri uzun mesafeler boyunca çok düşük kayıpla (0.2dB/km)

taşınabilir

• Veri aktarım hızı yüksektir

• Aktarılan bilgi kapasitesi yüksektir

• Üretimi ucuzdur (Silika ; SiO2)

• Bakır kablolara kıyasla, boyutları küçük ve hafiftir (En ince bakır telle aynı çap

içinde birçok fiber olabilir)

• Kabloların montajı daha kolaydır

• Fiber sistemler düşük güç tüketimine sahiptir (Sinyal optik fibere gönderildikten

sonra güce gerek yok)

• Bilgi güvenli bir şekilde uzun mesafelere taşınır

• Çevre şartlarından etkilenmez


Optik Fiber – Bakır kablo


Zorluklar

- Döşenmesi zor, pahalı

- Bu nedenlerle henüz eve kadar gelemiyor

Bakır Fiber

Maksimum

kablo uzunluğu

100m 2km (MMF)

> 2km (SMF)

Veri hızları 100Mb/s Cat5e 10Gb/s

1Gb/s Cat 6 1Tb/s – 100km

(WDM tech.)

Bakır kabloda ulaşılan en yüksek sınır 10Gb/s (30m) iken, optik fiberde henüz öngörülen bir sınır yok

Kayıp:

Bakır kablo: 30dB/km

Coaxial bakır kablo: 20dB/km

Fiber : < 0.2dB/km

Optik Fiberde Dispersiyon

• Dispersiyon fiber içinde ilerleyen ışık sinyalinin genişlemesidir. Sinyal

genişledikçe diğer sinyallerle (bitler) örtüşmeye başlar

• Dispersiyon bitlerarası uzaklığı sınırlar ve fiberdeki maksimum veri

aktarım hızını düşürür

• Dispersiyon fiberin malzemesine, ışığın dalgaboyuna bağlıdır

• Farklı fiberler farklı dispersiyon karakteristiğine sahiptir


Optik Fiberde Dispersiyon


Optik fiberde yayılan modlar

2/12

2

2

1

2nn

aV

V < 2.405 ise optik fiberde tek mod yayılır

Bir fiberde yayılabilecek mod sayısı yaklaşık olarak;

2

2VM V >> 2.405

Modlar arası Dispersiyon


Her mod dalga kılavuzu içinde farklı hızda ilerler

• Modlar arası dispersiyon:

maksgg

LL

vvmin

c

21 nn

L

n1 = 1.48 (kor) ve n2 = 1.46 (kılıf) /L 67ns/km

Çok modlu fiberlerde modlar arası dispersiyon kullanılabilir bant genişliğini sınırlar

Tek modlu fiber- Kromatik Dispersiyon


Modlar arası dispersiyon tek modlu fiber kullanılarak önlenebilir.

• Kromatik dispersiyon : Kromatik dispersiyon da ışık sinyalinin genişlemesine neden olur

Işık kaynağının çizgi genişliği daraldıkça kromatik dispersiyon azalır

Optik Fiberin Karakteristiği


I. Pencere : 850 nm – Kayıp: 1.2-2dB/km

II. Pencere: 1310 nm – Dispersiyon 0 – Kayıp: 0.2-0.5dB/km

III. Pencere: 1550 nm – Dispersiyon: 15-20ps/nm.km – Kayıp: 0.15-0.2dB/km

Optik fiberde kayıplar;

- Soğurulmalar

- Saçılmalar

- Geometrik etkiler

- UV bölgede Rayleigh saçılması

- IR bölgede soğurulması

73.7 Tbit/s photonic crystal fiber

(Southampton Üniversitesi, 2013)

Verici, Alıcı ve Optik Yükselteç

Optik Vericiler

• Işık Yayan Diyot (Light Emitting Diode-LED)

• Fabry Perot Laser

• DFB Laser

• VCSEL


VERİCİ

ALICI

Optik Alıcılar• Fotodiyot – pn

• Fotodiyot – pin

• Fotodiyot- Çığ dedektörleri

• Fotodiyot – Rezonans kaviteli pin

dedektör

Optik Yükselteçler• EDFA

• Yarıiletken optik yükselteç

LED• Yarıiletkenlere dayalı aygıtlardan LED ileri yönde beslenen bir p-n eklemidir. Işıma

dalgaboyu yarıiletkenin bant aralığına bağlıdır


hcEg

EC

EV

np

Eg

h

hEFn

EFp

LED Malzemeleri


AlGaAs – 850nm LED

InGaAsP – 1300 ya da 1550 nm LED

Fabry Perot yarıiletken laser


r2r1

L

qnL

c

2

n

qL

2

L = 200m, = 900nm – Bant genişliği: 6nm

Mod sayısı: 1645

= 0.547 nm

Kazanç eğrisindeki mod sayısı:10

L = 20 m

Mod sayısı: 1645

= 5.47 nm

Kazanç eğrisindeki mod sayısı:1

Yarıiletken laser


Dağıtılmış Geri Beslemeli Laser

(Distributed Feedback Laser, DFB)

• Tek modlu laser, dalgaboyu seçici bir kaviteyle elde

edilebilir


Dikey kaviteli Yüzey Işıması Yapan laser (Vertical

Cavity Surface Emitting Laser - VCSEL)


2/2211 dndn

VCSEL


2

2

2

1

2

2

1

0

1

1

N

o

s

N

s

n

n

n

n

n

n

n

n

R

Inte

nsity

VCSEL


VCSEL @ 1.3m

• Tek modlu optik çıkışa sahip

olmalarından dolayı, tek modlu fiber

optik sisteminde kullanıma uygundur.

• Geniş bir yüzeyden ışıma yaparlar

• Üretimleri çok kolaydır. Bütün yapı, tek

süreçte üretilebilmektedir.

• Yoğun iki boyutlu dizin

konfigürasyonuna uygundurlar

• Küçük aktif bölge hacmi eşik akımının

da düşük olmasını sağlamaktadır.

Optik Alıcı- Yarıiletken fotodedektör

• Fotodedektör (optik alıcı) optik sinyali elektrik sinyaline çeviren geri beslemede

çalışan bir p-n eklemidir.

• Temel gereksinimler

• İstenen dalgaboyunda duyarlılık

• Yüksek verim: etkin foton-elektron dönüşümü

• Hızlı yanıt süresi ve düşük kapasitans için küçük alan

• Düşük gürültü seviyesi

• Optik fiber kuplajı için yeterli dedektör alanı

• Düşük maliyet


d

p eh

PeI

10

dpe

hP

eI

1

/

/

0

dP eh

e

hc

e

h

e

P

IR

10

Yarıiletken fotodedektör• Geri besleme ile arınmış bölgede elektrik alan

artar, kapasitans azalır, dolayısıyla dedektör hızı

artar

• Dedektörün algılayacağı dalgaboyu yarıiletkenin

bant aralığına bağlıdır

• Soğurma katsayısı düşük olan bir yarıiletken

kullanılırsa soğurma bölgesi kalın olmalıdır.


Yansımayı önleyici kaplama

Arınmış bölge

Elektrot

ElektrotVçıkış

pin Diyot

• pin diyod yapısı foton absorpsiyonunun i-tabakasında

olmasını sağlayacak şekilde tasarlanmıştır.

• Arınmış bölge daha büyüktür.

• Arınmış bölge artarsa daha fazla foton soğurulur ve

kuantum verimi artar.

• Yanıt zamanı;

• RC zaman sabiti büyükse, dedektör hızlı pulslara yanıt

veremeyeceğinden bilginin bir kısmı kaybolur.

• Taşıyıcıların difüzyon hızı da dedektörün hızını etkiler

• pin diyotta arınmış bölge genişliği, p-n eklemindekinden

daha geniş olduğundan eklem kapasitansı daha

küçüktür, bu nedenle pin diyot daha hızlı çalışır. Ancak

soğurma bölgesi büyük olduğundan, direnci büyük ve

transit zamanı uzundur.


))(9(ln trRCR

Çığ Fotodiyotlar

• Çığ fotodiyot iç kazancı olan bir dedektördür.

• Dedektöre uygulanan yüksek geri besleme voltajı impakt iyonizasyon

mekanismasıyla kazanç elde edilir.


850nm penceresi için Si APD

n

B

r

V

VM

1

1

Mh

ePI p

0

h

eM

P

IR P

0

Rezonans kaviteli fotodedektör


Çok ince aktif tabakaları olmasına karşın, verimleri

yüksektir

Dalgaboyu seçicilikleri yüksektir

Daha hızlıdır – Yüksek hızlı veri transferi için uygun

Bir pin diyot soğurma tabakası soğurmayıcı üst ve alt

DBR kavite içindedir. Kaviteye giren ışık kavitenin

yüksek yansıtıcılarından yansıtılır. Böylece optik kavite

içinde soğurulan foton sayısı artar.

Üst

DBR

Alt

DBR

InGaAs pin dedektör

Optik Yükselteç

• Optik fiber içinde yol alırken zayıflayan sinyalin

yükseltilmesinde kullanılmaktadır.


(a) Laser, (b) optik yükseltici

EDFA


1550 nm optik penceresinde kullanılabilir


Yarıiletkende elektrik akımıyla uyarılmış

elektronlar optik sinyalden gelen ışıkla

temel enerji seviyelerine dönmek için

uyarılırlar. Uyarılmış durumdaki seviyeden

temel duruma dönen bir elektronun verdiği

foton ışımaya neden olan foton ile aynı

dalgaboyundadır. Bu nedenle sinyal artık

öncekinden daha şiddetlidir yani

yükseltilmiştir.

Boyutları küçük, 1310 ve 1550 nm için kullanılabilir, kuplaj kayıpları var.

Yarıiletken optik yükselteç

Dikey kaviteli yarıiletken optik yükselteç (Vertical

Cavity Semiconductor Optical Amplifier – VCSOA)• VCSEL’in eşik yoğunluğu altında çalıştırılan ve daha az sayıda üst ayna içeren halidir

• Kavite uzunluğu çok incedir, bu nedenle kazanç yüksek yanısıtıcılıkta aynalar

kullanılarak sağlanır

• Fiber ile kuplajları yüksektir, güç tüketimi düşüktür.

• FP SOA daha büyük boyutlardadır, güç tüketimi yüksektir.

• Kavite tabakalara diktir bu nedenle ışıma yüzeydendir.


Kaynaklar• J.M. Senior, Optical Fiber Communications, Prentice Halll, 1992

• A. Erol, N. Balkan, Yarıiletkenler ve Optoelektronik Uygulamaları, Seçkin Yayıncılık, 2013

• N. Balkan, A. Erol, Çevremizdeki Fizik, III. Baskı, TÜBİTAK, 2013

• S. O. Kasap, Optoelectronics and Photonics, Pearson, 2nd Edition, 2013

• S. Özsoy, Fiber Optik, Birsen Yayınevi, 1998

• Erol, A. Balkan, N., Arikan, M.C., Serpenguzel, A., Roberts, J., Temperature dependence of

the threshold electric field in a HELLISH-VCSEL, IEE Optoelectronics, 150, 535, 2013

• Cisco Systems, cisco.com

• Exfo Systems, exfo.com

• GateawayforIndia, gatewayforindia.com

• Fiber-Optics.Info, fiber-optics.info

• Gruber communication products, gruber.com

• RP Photonics Encyclopedia, rp-photonics.com


OPTİK HABERLEŞMEDE YARIİLETKEN TABANLI AYGIT...

Documents

Transcript of OPTİK HABERLEŞMEDE YARIİLETKEN TABANLI AYGIT...