Optik ve elektroniğin birleşimi olan optoelektronik, ışık enerjisi ile elektrik enerjisinin birbirine dönüşümünü inceleyen bilim dalıdır. Özellikle son yıllarda sıçrama yaşayan optoelektronik teknolojileriyle iletişim, aydınlatma, enerji üretimi gibi birçok sektörde hızla büyüme yaşanmıştır. Optoelektronik teknolojilerini ve uygulama alanlarının detaylarını yazımızda bulabilirsiniz.
Optoelektronik Nedir?
Optoelektronikte, ışık enerjisi ile etkileşim kurabilen bir alıcı veya verici yardımıyla, ışık enerjisiyle elektrik enerjisinin birbirine dönüşümü sağlanır. Bu nedenle optoelektroniğin temelini yarı iletken ışın verici - alıcı ve ışın taşıyıcılar oluşturur.
►Yarı iletken Işın Verici: Üzerine uygulanan akıma karşılık, yapısında kullanılan malzemeye bağlı olarak belirli bir spektrumda ışınım yayar. En önemli örnekleri LED’ler ve lazerlerdir.
►Yarı İletken Işın Alıcı: Üzerine kızıl ötesi veya mor ötesi bölgede bulunan bir ışın geldiğinde, ışının enerjisini gerilim veya akıma dönüştürürler.
►Işın Taşıyıcılar: Optoelektronik teknolojisinde taşıyıcı olarak, genellikle camdan veya özel plastik karışımlardan yapılan fiber optik bağlantılar kullanılır.
Şekil 1: Optoelektronikte ışığın spektrumu, elektromanyetik spektrum çizelgesinde morötesi, görünür ve kızılötesi bölgelerini kapsamaktadır.
Optoelektronik Teknolojisinin Uygulama Alanları
Foton ile elektron arasındaki dönüşümleri inceleyen optoelektronik bilimi, gümüzde çok hızlı bir şekilde gelişerek hayatın her alanına girmeye devam etmektedir. Optoelektroniğin kullanıldığı bazı alanlar;
►Aydınlatma; Son yıllarda, LED'li aydınlatma sistemlerinin kullanımında büyük bir artış yaşanmaktadır. Cep telefonlarından televizyonlara, trafik ışıklarından ev ve ofis aydınlatmasına kadar çok geniş bir kullanım yelpazesine sahip olan LED'ler, p-n jonksiyonlu bir yarı iletkendir. Eğer LED iletim yönünde kutuplanırsa, serbest elektronların bir kısmı n bölgesinden p bölgesine geçer, bir kısmı ise valans bandları arasında bulunan deliklerle birleşir. Bu birleşme sonucunda eğer 'hv' kuantum enerjisi, eşik gerilimini geçiyorsa ışıma gerçekleşir.
LED'lerin yaydığı ışığın rengi ise yarı iletkenin yapısına katılan mazlemeye göre değişmektedir. Alüminyum, fosfat, galyum gibi kimyasal malzemeler, farklı renklerde ışık oluşumu için LED'lerin yapısına eklenir. Örneğin; mavi renk oluşumu için galyum ve nitritten oluşan (GaN) kimyasal birleşimi, LED'in yapısına eklenmelidir.
Şekil 2: LED'ler yarı iletken katkı maddesine göre farklı renk seçenekleri sunarlar. Yeşil bir ışık elde edebilmek için yarı iletken malzemeye galyum fosfat (Gap) katkısı yapılmalıdır.
LED'lerin aydınlatma sistemlerinde kullanılmasının temel nedenleri ise uzun ömürlü olmaları, güç tasarrufu sağlamaları, farklı renk seçenekleri ile şık bir tasarım sunmalarıdır.
►Enerji Üretimi; Optoelektronik, güneş enerjisinden elektrik enerjisi üretiminde de söz sahbidir. Aynı LED aydınlatmada olduğu gibi güneş pillerinin temelini de p-n jonksiyon prensibi oluşturur. Elektrik enerjisinin ışık enerjisine dönüştürüldüğü aydınlatmadan tersinir olarak ise ışık enerjisinden elektrik enerjisi üretilir.
p ve n eklemli farklı iki malzemenin ortak temas bölgesi foton radyasyonuna maruz kaldığında, fotonlar arada bulunan deliklere tutunur. Elektron n yüzeyine, delikler p yüzeyine itilir. Devre iletkenlerle bağlandığında, elektronlar n yüzeyini terk eder.
Şekil 3: Fotonlar p-n bölgesinin orta kısmına tutunarak bir gerilim oluşmasını sağlar. (Mavi bölge n, kırmızı bölge p, gri bölge iletken)
Güneş pillerinin düşük verimli, pahalı ve büyük boyutlu olmalasına rağmen kullanımlar her geçen gün yaygınlaşmaktadır.
►Haberleşme; Klasik haberleşme sistemlerinde, veri transferi için bakır teller veya yüksek frekanslı elektromanyetik dalgalar kullanılmaktadır. Bakır telle yapılan haberleşmede, uzun mesafelerde kayıplar çok fazladır ve iletilen veriye kolaylıkla ulaşılması nedeniyle güvenli değildir.
Fiber optik hatlarla iletilecek olan analog ve sayısal sinyal öncelikle bir kodlama işlemine tabi tutulur. Sonrasında bu kod, periyodik sinyalin üzerine bindirilir ve fiber optik kablolar boyunca taşınır. Taşınan sinyal, bir algılayıcı tarafından algılandığında iletim işlemi tamamlanmış olur ve kod çözülür.
Şekil 4: Fiber optik teknolojisiyle yapılan haberleşmede kullanılan fiber optik kablodan bir kesit.
Fiber optik hatlar üzerinden yapılan haberleşmede dışarıya elektromanyetik yayılım söz konusu değildir ve kayıplar çok azdır. Bu özelliği sayesinde bankacılık ve askeriyede güvenli bir şekilde kullanılabilektedirler.
►Devrelerin Yalıtılması; Özellikle elektronikte, devreler arasındaki istenmeyen sıçramaları engellemek için yalıtım yapmak gerekmektedir. Son yıllarda, bu amaçla optoelektronik devre elemanı olan optokuplörler çok sık bir şekilde kullanılmaktadır. Optokuplörler, elektriksel olarak birbirinden yalıtımla ayrılmış, en az bir tane LED ve fotoalıcıdan oluşmaktadır. Giriş ile çıkış arasındaki bağlantı optik bağlantıyla yapılmaktadır.
Şekil 5: Yalıtımdan görevli optokuplörler
Optokuplörler görevları bakımından yalıtkan transformatörlere benzetebiliriz. Tek giriş - iki çıkışı olan transformatörler, tek ışın verici - iki foto alıcılı optokuplörlere benzer. Optokuplörlerin boyutları küçük ve maliyeti az olduğu için transformatörlere göre daha avantajlıdır.
►Sensörler; Optoelektronik teknoloji, özellikle ihbar ve uyarı sistemlerinde kolaylıkla kullanılır. Optik sensörler yardımıyla fiziksel değişiklik algılanabilmekte ve veriler işlemciler tarafından işlenerek gerekli ihbar ve uyarı verilebilmektedir. Özellikle, hırsız alarm sistemlerinde kullanılmaktadır.
Optik Sinyaller
Optoelektronikte, gerek taşıyıcı gerekse giriş veya çıkış verisi olması nedeniyle optik sinyaller kritik bir rol üstlenmektedir. Bu sinyaller sinüs, kare, üçgen dalga şeklinde olabileceği gibi farklı fonksiyonel şekillerde de olabilir.
Sinyal seçimi sistemin çalışma frekansı, hızı, ortam özellikleri, iletim mesafesi gibi etkenler göz önünde bulundurularak yapılmalıdır. Optoelektronik sistemlerde genellikle osilatörler yardımıyla elde edilen kare sinyaller kullanılmaktadır. Örneğin bir kare dalgada boşluk süresi çok küçükse, bu sinyal ‘iğne’ darbesi olarak ifade edilir. Bu tip iğne sinyaller genellikle sayısal optoelektronikte kullanılır.
Şelil 1: t2 aralığının çok küçük olduğu sinyaller, 'iğne sinyal' olarak kabul edilir.
Sinyali, foto sinyale çevirebilmek için genlik, frekans, faz gibi parametrelerini değiştirme işlemine modülasyon denir. Modüle işlemi sonucunda oluşan sinyal, dış etkilerden etkilenmez. Optik sinyalin modülasyonu;
► Genlik modülasyonu,
► Frekans modülasyonu,
► Darbe-kod modülasyonu ile olabilir.
Genlik ve frekans modülasyonları, taşıyıcı dalganın genliğinin ve frekansının bilgi sinyaline göre orantılı değişimidir.
Optik Elemanlar
Optik sinyaller üzerinde işlemlerin yapılabilmesi kadar bu sinyallerin odaklanması ve dağıtılması da önemlidir. Bu işlemler için çeşitli optik elemanlar kullanılmaktadır.
► Mercekler; Optik sistemlerde ışığı toplamak veya tek bir noktada odaklamak için kullanılırlar. Sistemdeki ışının dalga boyuna göre cam, kuvars veya plastikten yapılmış mercekler seçilir.
Şekil 2: Kalın kenarlı ve ince kenarlı mercekler. (soldan sağa)
Mercekler ince ve kalın kenarlı olmak üzere 2 çeşittir. İnce kenarlı mercekte asal eksene paralel gelen ışın odak noktasından geçerken, kalın kenarlı mercekte çıkan ışının uzantısı odak noktasından geçer.
► Yansıtıcılar; Gelen ışının doğrultusunu veya açısını değiştirmek için kullanılırlar. Işının tamamını ve yarısını yansıtan olarak iki tiptedir. Yarı yansıtıcılar, ışının yarısını geçirirler ve ışını ikiye bölmek için kullanılırlar.
Şekil 3: Tam yansıtıcı, gelen ışının doğrultusunu veya yönünü değiştirmek için kullanılır.
► Refraktörler; Çok yüzeyli yansıtıcılardır. Sensörlerde yansıtıcı eleman olarak kullanılır. Çukur şeklindeki yansıtıcılar, refraktörlere iyi bir örnektir.
► Optik Filtreler; Sistemin belirli bir dalga boyunda çalışmasını sağlayabilmek için filtreler kullanılır. Bunlar; belirli boyunu geçiren ve belirli dalga boyunu kesen olmak üzere iki türdür. Kesici filtreler genellikle ışın verici üzerine kurulur. Geniş spektrumlu kaynaklardan sadece istenilen bölge alınabilir. Bazı filtreler;
► İnterferans filtreleri, dalga boyu tek olan ışık elde etmek için kullanılır. Filtre çıkışında elde edilen ışığın spektrum genişliği 1,5-2 nm arasındadır.
► Yansımalı filtreler; Yansıtıcı yüzeyden farklı olarak, gelen ışının sadece istenen spektrumunu yansıtır. Cam üzerine ince metal tabaka oluşturulmasıyla elde edilirler. Yansıtıcı tabaka yüzeyine istenen dalga boyuna göre K, Na, Ag, Li gibi katkılar yapılır.
► Dispersiyon filtreler; 2-10 nm aralığında spektrum genişliğine sahip plan bu filtreler su, benzin, gliserin gibi sıvılardan yapılır.
Bu başlıkta belli başlı optik elemanları tanıtmaya çalıştık. Diğer optik elemanlar, temel olarak bunlardan türetilmişlerdir.
Işın Taşıyıcılar
Optoelektronikte ışın taşıyıcı olarka genellikle cam, plastik veya bu ikisinin karışımı olan kuvarstan yapılan optik bağlantılar kullanılır. Veri taşınmasında görevli fiber optik bağlantıların, kullanım alanlarına göre bikaç çeşidi vardır.
Şekil 4: Fiber optik kablolar merkez kısmı olan çekirdek, ışının çekirdekten ayrılmaması için camdan yapılmış kılıf ve darbelerden korumada görevli kaplama olmak üzere üç tabakadan oluşur.
► Haberleşme sistemi,
► Görüntü taşıma sistemi,
► Algılama ve duyarlılık sistemi,
► Aydınlatma sistemi için kullanılan bağlantılar bunlara örnektir.
Fiber optik bağlantıların çalışması tamamen yansıma temeline dayanır. Zırhlanmış fiber optik bağlantılar, cam veya plastik zırhlar kapatıldıkları için iletimde kayıplar yaşanmaz. Ucuz, hafif, kayıpsız ve geniş çalışma bandına sahip oldukları için çok yaygın olarak kullanılırlar.
