Optoelektronik ile Işık Hızında Teknoloji

Optoelektronik, iletişim sektörü basta olmak üzere hızla büyüyen ve her geçen gün hayatımızdaki önemi artan bir teknolojidir. Barkod okuyucular, manyetik kayıt ortamı (CD, VCD, DVD), takip sistemleri , gece görüş cihazları , bakır tel , Optik fiberler, modülatörler , elektro-optik modülatörler , neşter lazerler ve lazer ile soğutma teknikleri optoelektroniğin hayatımıza girerek yaşam şeklimizi değiştirdiği bazı  uygulama alanları olarak sıralanabilir.


TANIMLAR

Elektro-Optik (Electro-Optics) : Elektrik alan uygulanarak malzemelerin optik bazı özelliklerinin değiştirerek üretilen teknolojiye elektrooptik teknolojisi denir. Örneğin sıvı kristaller (gerilim altında polarizasyon etkisini değiştiren kristaller) elektro-optik ilkeye göre çalışan bileşenlerdir. Ancak bir yarıiletken lazeri bu kategoriye koyamayız !
Bir malzemenin optik özelliği (kırılma indisi, n) uygulanan dış elektrik alan ile değişikliğe uğrayabilir.

Optoelektronik (Optoelectronics) : Optoelektronik (OE), ışıkla etkilesen elektronik aygıtları inceleyen ve bu aygıtların pratiğe uygulanmasını konu alan bilim dalıdır. Bu tanımda kastedilen ışık, elektromanyetik dalga spektrumun görünür bölge de dahil olmak üzere, kızılaltı ve morötesi bölgesini kapsamaktadır.
 

 

Alternatif bir tanım ise; elektrik enerjisini ışık enerjisine (elektron > foton) veya ışık enerjisini elektrik enerjisine (foton > elektron) dönüştürme işlevini konu alan, aygıtların tasarım, üretim ve testlerini yapan bilim dalıdır.

Fotonik (Photonics) : Morötesi ve kızılaltı bölgeler arasındaki dalga boylarındaki ışığı kapsayan elektronik teknolojisine verilen isimdir. Optoelektronik ile es anlamlı kullanılmaktadır.
 

 

Fotonik, isim olarak, iletimin elektronlarla gerçekleştirildiği elektronik teknolojisinin fotonlarla (ışık ile) gerçekleştirildiği teknolojiye benzetilmesidir.


 
İLETİŞİM TEKNOLOJİSİ

 

İletişim, A noktasındaki bir bilginin (sayısal, analog) başka bir B noktasına taşınmasıdır. Taşıma işleminde mesafeler cm (elektronik yongalar) mertebesinden binlerce km’ye kadar (kıtalararası iletişim) uzanabilir.
 
Bilgi taşınırken yapılması gereken, bilgiyi ortam koşullarından etkilenmeden en doğru bir şekilde (kayıpsız) iletmektir. Bunun için bilgi, farklı işlemlerden geçirilerek değişik sinyal formuna dönüştürülür (modüle edilir).
 
İletilecek bilgi (sayısal veya analog olabilir) öncelikle bir kodlama işlemine tabi tutulur. Kodlanan bilgi daha sonra bu bilgiyi uzak mesafelere kadar taşıyacak olan periyodik bir sinyalin (taşıyıcı dalga) üzerine bindirilerek (modülasyon) taşıyıcı ortam boyunca (örneğin bos uzay, fiber kablo) iletimi sağlanır. Taşıyıcı ortam boyunca iletilen (bilgiyi içeren) sinyal uygun alıcı tarafından algılanır (anten, ışık detektörü).
 

 

Algılanan sinyal, bindirme işleminin tersi bir işlemle (demodülasyon) bilgi ve taşıyıcı sinyale ayrıştırılır. Kodlanmış bilgi çözülür. Bu aşamalar neredeyse her türlü iletişim teknolojisinde (dumanla haberleşmede, telgraf, RF, optik vs..) için aynıdır.


MODÜLASYON

Modülasyon (iletişimde), bir dalganın değişik parametrelerini (örneğin genlik, frekans, faz gibi) kontrollü olarak (bilgi ile orantılı) değiştirerek bilgi yükleme işlemine denir.
Zayıf olan bilgi sinyalinin uzak mesafelere iletilmesi, güçlü olan bir taşıyıcı dalganın belli parametrelerini bilgi sinyali ile orantılı olarak değiştirilip (modülasyon) gönderilmesi ile mümkündür.
 

 

Örnek olarak, yukarıda verilen modülasyon semasında, sabit parametreleri olan (frekans, genlik ve faz) güçlü bir taşıyıcı dalganın diğer parametreleri sabit tutularak sadece frekansı bilgi sinyali ile orantılı olarak değiştirilmiştir. Bu sayede bilgi, üstüne bilgi bindirilmiş güçlü sinyal aracılığı ile uzun mesafelere ortam şartlarından etkilenmeden iletilebilmektedir.

Taşıyıcı dalganın hangi parametresi bilgi sinyali ile orantılı olarak değiştiriliyorsa modülasyon işlemine farklı isimler verilir.

Modülasyon işlemi eğer dalganın;

• Genliği değiştirilerek yapılıyor ise Genlik Modülasyonu (Amplitude Modulation-AM)
• Frekansı değiştirilerek yapılıyor ise Frekans Modülasyonu (Frequency Modulation-FM)
• Faz açısı değiştirilerek yapılıyor ise Faz Modülasyonu (Phase Modulation-PM) denir.

Başta iletişim olmak üzere günümüz teknolojisinde kullanılan elektromanyetik bölge (RF, Mikrodalga) artan veri transferi talebini karşılayamamakta (özellikle internetin günlük hayatımızda daha da fazla girmesi ile) ve gerek bilgi islemede gerekse iletmede doyuma ulaşmıştır. Bu teknolojik çıkmazdan, daha yüksek frekanslara sahip elektromanyetik dalgalar (ışık) kullanarak çıkmak mümkündür. Bu anlamda ışık dalgasının elektronik teknolojisine nazaran sunduğu bir çok sayısız üstünlükleri vardır.

– Sinyal Kalitesi : Lazerlerle (tek renkli ışık) birlikte sinyalin bozulmadan ve parazit etkilerden etkilenmeden optik fiberler içeresinde uzun mesafeler boyunca iletilmesi mümkündür.

– Güvenli ve Ucuz Bilgi İletimi : Işık sayesinde bilgi daha güvenli ve ucuz iletilebilir. Optik fiberlerde ışık uzun mesafeler boyunca, az kayıpla ve güvenli olarak iletilebilmektedir.

– Yüksek Bant Genişliği : Optik fiber içinden ışık (yüksek frekans, 1014 Hz) ile, iletimin elektronlarla yapıldığı metal tellere göre birim zamanda çok daha fazla bilgi iletilebilir. Optik fiberler, yaklaşık GHz mertebesinde (yüksek bant aralığı) bilgi tasıma kapasitesine sahiptirler. Optik fiberler, metalik telefon hatlarına göre 100 milyon kez daha fazla bilgi taşıyabilmektedirler.

Işık, yüksek frekansından dolayı bilgi iletmede radyo dalgalarına göre çok daha fazla üstünlükler sunar. Optik iletişimde taşıyıcı dalga olarak uygun özellikte ışık (lazer) kullanılır. Işığı modüle etmek, yaymak ve algılamak için ise taşıyıcı dalganın dalga boyuna duyarlı optoelektronik devre elemanları (elektro-optik modülatör, fiber kablo, ışık detektörü) kullanılır.

 
VERİ İLETİMİ

Işığın, veri iletiminde de üstünlükleri vardır. Işık ile veri iletimi güvenli, hızlı ve düşük maliyetlidir. Işık ile veriler, uzun mesafeler arasındaki az kayıplı optik fiber kablolarla, kısa mesafelerde de optik telsizlerle yapılır.

Geleneksel bakır tellerdeki (elektron) frekans sınırlamasından dolayı oluşan kapasitif etkiler nedeniyle bant genişliği düşüktür, fiber kablolarda (iletim fotonlarla yapıldığı için) ise bu tür etkiler yoktur.

• Optik fiberlerde yüksek bant genişliğinden dolayı metal tellere göre daha fazla bilgi iletilir. Optik fiberler, metalik telefon hatları ile karşılaştırıldığında 100 milyon kez daha fazla bilgi tasıma kapasitesine sahiptir.

• Değişik modülasyon teknikleri ile bu kapasite daha da arttırılabilir. Örneğin, yoğun dalga boyu kaydırmalı modülasyon tekniği (Wavelength-Division Multiplexing-WDW) ile yaklaşık 100 optik sinyal, her birinin kapasitesi 10 Gb/s ve sinyal güçlendirme mesafesi 400 km olan fiberlerde saniyede terabit (TB/s) mertebesinde bilgi iletmek mümkündür.


OPTOELEKTRONİK TÜMLEŞİK DEVRELER

Optoelektronik devre elemanları, elektronik teknolojisinde olduğu gibi türleştirilerek sistemin performans ve güvenirliği arttırılabilir ve maliyet düşürülebilir.
 

 
Yukarıdaki düzenek, frekans ayrıştırma işlemi yapan bir optoelektronik tümleşik devreyi göstermektedir. Devre, farklı frekansları içeren bir sinyali analiz ederek her frekansa ait şiddet dağılımını bulur. Bu işlem (savunma sanayinde) dost veya düşman sinyalleri ayırt etmek için oldukça kullanışlıdır.

Bu işlem, elektronik olarak da yapılabilir fakat optoelektronik tümleşik devre kullanılarak yapıldığı zaman hem çok daha hızlı bir şekilde analiz yapılabilir hem de kullanılan devre elemanı miktarı azaltılabilir.

Elektronun kontrolüne dayanan elektronik teknolojisinde olduğu gibi optoelektronik teknolojisinde taşıyıcı olarak foton (ışık) kullanılır. İletişim teknolojisinde yaygın olarak kullanılan düşük frekanslı elektromanyetik dalgalar (radyo dalga, mikrodalga) yerine daha yüksek frekanslara sahip dalgalar (ışık) kullanmak birim zamanda iletilecek bilgi kapasitesinin artmasına (bant genişliği) ve güvenli veri akısına olanak sağlar; (uzun vadede) düşük maliyetlidir.

Işığı kullanabilmek için ışığın özelliklerini ve bu özelliklerin hangi etkilerle ve hangi durumlarda değiştirilebileceğinin bilinmesi gerekmektedir, Optoelektronik yazı dizisi kapsamında önce ışığın özelliklerden bahsettik, daha sonra ki teknik yazılarımda ise ışığın bazı parametrelerinin kontrollü olarak nasıl değiştirileceği ve teknolojik uygulamalarda nasıl kullanılabileceği anlatmaya çalışacağım.