SVEUČILIŠTE JOSIPA JURJA STROSSMAYERA U OSIJEKU

ODJEL ZA FIZIKU

SANJA LONČAREVIĆ

OPTOELEKTRONIKA

Diplomski rad

Osijek, 2011.

SVEUČILIŠTE JOSIPA JURJA STROSSMAYERA U OSIJEKU

ODJEL ZA FIZIKU

SANJA LONČAREVIĆ

OPTOELEKTRONIKA

Diplomski rad

predložen Odjelu za fiziku Sveučilišta J. J. Strossmayera u Osijeku

radi stjecanja zvanja magistra edukacije fizike i informatike

i

Sveučilište J. J. Strossmayera u Osijeku Diplomski rad

Odjel za fiziku

OPTOELEKTRONIKA

SANJA LONČAREVIĆ

Sažetak

Tema ovog diplomskog rada je optoelektronika, vrlo zanimljiva grana elektronike koja

objedinjuje elektroniku i optiku. U uvodnom dijelu navode se neki općeniti podaci o

optoelektronici. Zatim se navode najvažniji optoelektronički elementi kao što su fotodiode,

fototranzistori, fototiristori, fotootpori, itd. Detaljnije se objašnjava princip rada svjetlosnih

detektora, svjetlosno-emitirajućih dioda i infracrvenih detektora. Također se detaljnije

raspravlja o elektro-optičkim, fotorefraktivnim i nelinearnim materijalima. Govori se o

holografiji, točnije rečeno posebnoj grani holografije, holografiji volumena te o

najzanimljivijem efektu koji može izazvati svjetlost u fotorefraktivnoj sredini, optičkoj faznoj

konjugaciji. Spominje se akustičko-optička interakcija te integrirana optika gdje se detaljnije

govori o valovodima, pomicatelju faze i optičkom sprežniku. Na kraju se spominju prostorni

svjetlosni modulatori te gdje bi se u nastavni plan i program srednje škole mogla uklopiti

optoelektronika.

Rad je pohranjen u knjižnici Odjela za fiziku Ključne riječi:[Fotodiode/Fotootpor/Fototranzistor/Holografija/Optoelektronika/Optoelektronički elementi] Mentor: [prof. dr. sc. Ramir Rastić] Ocjenjivači: [doc.dr.sc. Denis Stanić, prof. dr. sc. Ramir Ristić, mr. sc. Slavko Petrinšak] Rad prihvaćen: [08.07.2011]

ii

J. J. Strossmayer University in Osijek Bachelor of Science Thesis

Department of Physics

OPTOELEKTRONIKA

SANJA LONČAREVIĆ

Abstract This thesis deals with the topic of optoelectronics, very interesting branch of electronics

which combines electronics and optics. In the introductory part there are given some general

information on optoelectonics. There are mentioned the most important optoelectronic

components such as photodiodes, phototransistors, photothyristors, photoresistances, etc. The

principle of light detectors, light-emitting diodes and infrared detectors is explained. There is

also more detailed discuss of electro-optical, photorefractive and non-linear materials.

Holography is mantioned also, rather the special branch of holography, volume holography,

and about the most interesting effect that can cause the light in the photorefractive middle,

optical phase conjugation. Futher the acousto-optic interaction and integrated optics is

discussed, with detailed explanation of the waveguide, phase shifter and optical coupler. At

the end of the thesis spatial light modulators are mentioned, and suggestion where to integrate

the optoelectronics in secondary schools curriculum.

Thesis deposited in Department of Physics library Keywords: [Photodiodes/Photoresistance/Phototransistors/Holography/Optoelectronics/Optoelectronic components] Supervisor: [prof. dr. sc. Ramir Ristić] Reviewers: [doc. dr. sc. Denis Stanić, prof. dr.sc. Ramir Ristić, mr. sc. Slavko Petrinšak] Thesis accepted: [08.07.2011]

iii

Sadržaj 1. Uvod .................................................................................................................................................... 1

2. Optoelektroničke komponente ............................................................................................................. 2

3. Svjetlosni detektori i svjetlosno – emitirajuće diode ........................................................................... 4

4. Infracrveni detektori ............................................................................................................................ 8

5. Elektro-optički, fotorefraktivni i nelinearni materijali ......................................................................... 9

6. Holografija volumena i fazna konjugacija ......................................................................................... 11

7. Akustičko – optička interakcija ......................................................................................................... 17

8. Integrirana optika ............................................................................................................................... 20

8.1. Valovodi ..................................................................................................................................... 20

8.2. Pomicatelj faze ............................................................................................................................ 21

8. 3. Optički sprežnik ......................................................................................................................... 22

9. Prostorni svjetlosni modulatori .......................................................................................................... 24

10. Obrada optoelektronike u srednjoj školi .......................................................................................... 25

11. Zaključak ......................................................................................................................................... 30

12. Literatura.......................................................................................................................................... 31

13. Životopis ........................................................................................................................................... 32

1

1. Uvod

Danas nema prihvaćene definicije što su to optoelektronički uređaji i nije lako odgovoriti na

to pitanje. Optoelektroniku bi trebalo definirati kao širu disciplinu koja pokriva

fotoelektroniku i elektro-optiku. Jedno važno pitanje koje bi se ovdje trebalo postaviti je što je

sa interakcijom svjetla i akustičkih valova ili nelinearnih optika, možemo li i njih promatrati

kao dio elektronike. Ovaj novi predmet je nastao kada su znanstvenici dobivali vrlo malo

novaca za daljnja istraživanja starih predmeta kao što su fotoelektronika, elektro-

optika,zvučna optika, itd. Znanstvenici su tada zbog nedostatka novca za istraživanja bili

prisiljeni pisati zahtjeve kako bi si osigurali bespovratna sredstva za daljnja istraživanja i tako

su stvorili novi predmet sa briljantnom budućnošću.

Optoelektronika je područje elektronike u kojem se informacija prenosi i obrađuje i

elektronički i s pomoću svjetlosti te bliskoga infracrvenog i ultraljubičastog zračenja; za to se

upotrebljavaju optoelektronički elementi kao što su svjetleće diode, fotodiode, fototranzistori,

laseri, svjetlovodi i dr.

2

2. Optoelektroničke komponente

Fizikalnu suštinu optoelektronike predstavlja proces transformacije električnih signala u

optičke i obratno. Ovaj proces se može ostvariti na različite načine. Svjetlost se može

pretvoriti u električni signal putem fotodiode, fototranzistora, fototiristora ili fotootpora.

Električni signal se može pretvoriti u svjetlosni signal putem obične sijalice, svjetleće diode

ili lasera.

Osnovni elementi optoelektroničkih uređaja su fotopredajnici i fotoprijemnici.

Na slici 1. Prikazane su oznake koje se koriste u optoelektronici:

Slika 1. Oznake u optoelektronici: a) svjetlosni signal, b) električni signal, c) fotopredajnik,

d) fotoprijemnik, e) fotodetektor, f) fotogenerator, g) optička sprega između komponenti

optoelektroničkih shema. [7]

Na slici 2. je prikazana blok shema optičkog prijenosa informacija. Kao što se sa slike vidi,

ulazni element (predajnik) predstavlja izvor svjetlosti, a izlazni element (prijemnik)

predstavlja pretvarač�optičkog signala u električni. Prijenosni put signala predstavlja optičko

vlakno.

Slika 2. Blok shema optičkog prijenosa informacija. [7]

Optoelektroničke ili fotoelektroničke poluvodičke komponente pretvaraju svjetlosnu energiju

u električnu, ili električnu u svjetlosnu. Svjetlost je elektromagnetno zračenje koje se može

3

opisati valnom i korpuskularnom prirodom. Opseg valnih duljina svjetlosti je od 10 nm

(ultraljubičasti spektar) do 106 nm (infracrveni spektar). Opseg vidljive svjetlosti (za čovjeka)

proteže se od 380 nm ( ljubičasta boja) do 750 nm (crvena boja).

Fotoni (čestice svjetlosti) imaju energiju određenu relacijom:

� � �� � � ����������������

gdje je h Planckova konstanta, f frekvencija, λ valna duljina, a c brzina svjetlosti.

Rad optoelektroničkih poluvodičkih komponenti, zasnovan je na prelasku elektrona iz

valentnog u vodljivi pojas (apsorpcija svjetlosti) i nazad (emisija svjetlosti).

Pri apsorpciji svjetlosti, poluvodič se izlaže djelovanju fotona koji mu predaju energiju. Ako

je energija fotona manja od širine zabranjene zone, ona se pretvara u toplinu, a ako je veća od

širine zabranjene zone, generira se par elektron-šupljina. Postoje dvije vrste apsorpcijskih

poluvodičkih elemenata na bazi kvantnog efekta:

a) fotovodljivi elementi, kod kojih se pod djelovanjem svjetlosti mijenja koncentracija

slobodnih nosilaca, odnosno električna vodljivost elementa, i

b) fotonaponski elementi, kod kojih se pod djelovanjem svjetlosti, generira veliki broj

slobodnih nosilaca elektriciteta (ovi elementi daju struju na račun energije svjetlosti).

Pri emisiji svjetlosti iz poluvodiča dolazi do rekombinacije parova elektron-šupljina.

Rekombinacija se postiže direktnom polarizacijom p-n spoja (kada većinski nosioci mijenjaju

stranu i povećavaju vjerojatnost popunjavanja valentnih veza). Pri tome slobodni elektroni

prelaze iz vodljive u valentnu zonu, emitirajući svjetlost (foton), čija je valna duljina jednaka

ili manja od hc/EG, gdje je EG energija zabranjene zone poluvodiča. Emisijski poluvodički

optoelektronički elementi mogu imati nekoherentno i koherentno zračenje. [7]

Izvori nekoherentnog zračenja, daju svjetlost različite valne duljine, faze, polarizacije i pravca

prostiranja i nose naziv svjetleće diode (LED-Light-Emitting Diodes).

Izvori koherentnog zračenja, daju svjetlost iste valne duljine, faze, polarizacije i pravca

prostiranja i poznati su pod nazivom laseri (Light Amplification by Stimulated Emission of

Radiation).

4

3. Svjetlosni detektori i svjetlosno – emitirajuće diode

Koncepcijski najjednostavnija metoda otkrivanja svjetla je fotovodljivost. Fotovodljivost je

pojava povećanja električne vodljivosti pod utjecajem svjetlosti.

Kada je poluvodič osvijetljen, ulazni fotoni na dijelovima poluvodiča mogu stvoriti dodatne

nosioce naboja (gustoća nastalih nosilaca je obično proporcionalna ulaznom svjetlu). Za

primijenjeni napon, ovo povećanje gustoće pokretnih nosilaca dovodi do povećanja struje, što

se može lako izmjeriti. Ovo je način kako rade CdS ćelije. Prednost korištenja ovakvih

fotovodiča je ta da su oni jeftini zato što su lagani za konstruiranje i mogu biti proizvedeni od

polikristalnih materijala. S druge strane, oni su relativno spori i zahtijevaju vanjski izvor

napona.

Sada ćemo prikazati osnovni princip rada svjetlosnih detektora.

Fotodetektor stvara električnu struju proporcionalnu ulaznoj optičkoj snazi.

Slika 3.1. prikazuje osnovni princip rada fotodetektora. Fotodetektori su izgrađeni od

poluvodičkog materijala. Fotone koji dolaze na poluvodič apsorbiraju elektroni u valentnom

pojasu, dobivajući dovoljno energije za prijelaz u vodljivi pojas i ostavljajući šupljinu u

valentnom pojasu. Pod utjecajem vanjskog napona ovaj par elektron–šupljina proizvodi

fotostruju.

Slika 3.1. Princip rada fotodetektora. [2]

Da bi elektron prešao iz valentnog u vodljivi pojas apsorbirani foton mora imati energiju koja

je jednaka ili veća od razlike energetskih razina u vodljivom i valentnom pojasu, što daje

ograničenje

�� � ��� � ��

pri čemu je fc frekvencija fotona, λ valna duljina fotona, a Eg energetski procjep koji dijeli

vodljivi i valentni pojas. Najveća vrijednost valne duljine za koju je gornji izraz zadovoljen

naziva se graničnom valnom duljinom.

5

U praksi se običan sloj poluvodiča ne koristi kao fotodetektor zbog male efikasnosti, jer se

puno stvorenih elektrona iz vodljivog pojasa rekombinira sa šupljinama u valentnom pojasu

prije nego što stignu do vanjskog kruga. Zbog toga je poželjno te elektrone što prije usmjeriti

iz poluvodiča, što se postiže stvaranjem električnog polja u području gdje elektroni nastaju.

To je najlakše ostvariti korištenjem nepropusno polariziranog p-n spoja

(slika 3.2. (a) – (d)). Takva se struktura naziva fotodiodom.

Slika 3.2. Princip rada p-n fotodiode. [2]

Osiromašeno područje stvara električno polje koje se može pojačati primjenom napona

nepropusnog polariziranja. U tom će slučaju elektroni koji su stvoreni u blizini ili u

osiromašenom području biti usmjereni u n- tip poluvodiča prije nego što se rekombiniraju sa

šupljinama iz p- tipa. Analogno šupljine bivaju usmjerene u p- tip poluvodiča. Ovaj proces se

naziva drift. Parovi elektron-šupljina stvoreni daleko od osiromašenog područja putuju

uglavnom pod utjecajem difuzije i mogu se rekombinirati pri čemu ne daju doprinos struji u

vanjskom krugu. Kako je difuzija puno sporiji proces od drifta, difuzijska struja neće brzo

reagirati na promjene ulazne optičke snage, što povećava vrijeme odgovora fotodiode.

Kako bi se povećala efikasnost fotodetektora, između n- i p- tipa poluvodiča unosi se blago

dopirani intrinsični sloj, a takve fotodiode se nazivaju p-i-n fotodiodama. Osiromašeno

područje se u ovom slučaju podudara s intrinsičnim slojem. Širina intrinsičnog sloja je veća

od širine n- i p- sloja, što povećava efikasnost i vrijeme odgovora fotodiode. Efikasniji način

za postizanje istog cilja je korištenje poluvodičkog materijala koji je transparentan za željenu

valnu duljinu. U tom slučaju je ta valna duljina veća od granične valne duljine tog poluvodiča,

što znači da nema apsorpcije. Na slici 3.3. prikazana je takva dvostruka heterostruktura koja

se sastoji od poluvodiča InP i InGaAs.

6

Slika. 3.3. Dvostruka heterostruktura p-i-n diode. [2]

Osjetljivost fotodiode ograničena je činjenicom da jedan apsorbirani foton može stvoriti samo

jedan elektron. Ukoliko je elektron pod utjecajem jakog električnog polja, on može skupiti

dovoljno energije da potakne druge elektrone na prijelaz u vodljivi pojas. Ovi sekundarni

parovi elektron-šupljina mogu stvoriti druge nove parove ukoliko su dovoljno ubrzani, što

dovodi do lavinske multiplikacije, a odgovarajuća fotodioda zove se lavinskom fotodiodom

(APD - Avalanche PhotoDiode).[2]

Učinkovitost metoda detekcije svjetla može se poboljšati ako se povećava fotostruja. To se

može ostvariti osim pomoću lavinske fotodiode i pomoću fototranzistora.

Fototranzistor je tranzistor čija se kolektorska struja mijenja pod utjecajem svjetlosti koja

pada na njega. Zbog te osobine, nalazi primjenu kao elektronski senzor (osjetilo) i pojačalo.

Bitna osobina fototranzistora je da on osim detekcije, vrši i ulogu pojačala

U fototranzisotru baza nije spojena. Baza je otvorena za ulaz svjetlosti. Ako upadni fotoni

imaju dovoljnu energiju stvorit će struju baze. Struja baze je tada pojačana na uobičajen

način.

Svi dosada spomenuti detektori moraju imati primijenjen napon. No u ovom slučaju to nije

potrebno. Svjetlo u p-n spoju može biti detektirano, jednostavno prolaskom struje pomoću

mikro ampermetra vrlo male otpornosti, koji služi kao opterećenje. Elektroni i šupljine

proizvedeni svjetlom u spoju će se kretati pod utjecajem primijenjenog napona i upravljat će

strujom kroz ampermetar. Proizlazi da je izmjerena struja proporcionalna intenzitetu ulaznog

svjetla. Ovaj postupak se obično odnosi na fotonaponsku izvedbu spoja.

Fotonaponska ćelija napunjena suncem postaje solarna baterija.

Kada smo se obično bojali energetske krize nadali smo se da će velike količine solarnih

baterija zamijeniti loše, prljave električne centrale. Ovo još nije isključeno, uglavnom zbog

ekonomskih razloga. Jednostavna računica pokazuje da čak i sa velikodušnom procjenom

vijeka trajanja solarne ćelije, ukupna energija koju će stvoriti je manja od one koja je potrebna

za čišćenje i proizvodnju jednog kristalnog dijela od kojeg je i napravljena. Dakle,

monokristali se definitivno ne koriste za izradu uređaja, osim kada novac nije problem – kao

što je u svemirskim vozilima. Amorfni materijali ipak mogu biti korišteni kada su ekonomske

prilike pogodnije. Amorfni poluvodič sa najnaprednijom tehnologijom je silicij. Moguće ga je

7

proizvesti na različite načine tako da njegova tekstura vrlo dobro apsorbira svjetlo i stvarni

apsorpcijski rub može biti pomaknut kako bi dao bolju podudarnost sunčevoj snazi nego što

se dobije od jasno definiranog pojedinačnog kristala. Amorfni silicij je obično taložen u

vakuumu ili smanjenom tlaku plina kao tanak film. To omogućuje optimiziranje debljine

filma – da bude dovoljno debeo da upije svijetlo, ali opet ne tako masivan da puno kraći

životni vijek nosilaca i duljina difuzije dovode do gubitka nosilaca prije nego što sudjeluju u

korisnoj struji. Tipične solarne ćelije se sastoje od uzastopnih n- i p- slojeva raspršenih na

metaliziranoj podlozi i smještenih iznad prozirnog metalnog vrha elektrode. Postoji puno

varijacija i ustvari, varijable su toliko brojne da su solarne ćelije stvorile puno doktorskih teza,

ali nisu još uvijek riješile problem energije. Međutim, jedna svakidašnja komercijalna

realizacija je kalkulator na solarnu bateriju.

Diode poluvodiča mogu se dakako koristiti i za emitiranje svjetla. No ne postoji posebna

prednost u koherentnom svjetlu koje izlazi iz diode. Za svrhu prikaza, ne trebamo veliki

intenzitet svjetla i ne brinemo je li svjetlo koherentno ili nekoherentno. Ako ne uspijemo

napraviti laser, na primjer zato što rezonator nije dovoljno dobar, ali postoji dovoljna količina

rekombinacije u spoju da se proizvede izlazno svjetlo, tada imamo svjetlosno emitirajuće

diode ili LED. Sve što kažemo za lasere odnosi se i na LED diode također: potreban je

direktan procjep poluvodiča, pomaže ograničavanje nosioca raznolikim spojevima, a niz

kvantnih bunara je čak i bolji. Jedina velika razlika je ta gdje se svjetlo emitira. Kod lasera

emisija je iz uskog aktivnog područja. Kod LED dioda uobičajenija je površinska emisija, da

svjetlo izlazi van u smjeru okomitom na ravninu slojeva.

Crvene LED diode su među nama već neko vrijeme, napravljene od GaAs – GaP legura.

Procjep se povećava kada P zauzme mjesto As ( P je iznad As u periodnom sustavu

elemenata). LED diode u plavom i zelenom su većinom napravljene od Zn (S,Se) struktura

koje pripadaju II-VI grupi. Tehnika izrade tih dioda p- i n- tipa usavršena je pojavom metode

epitaksije molekularnog snopa. Ako bude bilo moguće smanjenje cijene vidjet ćemo ih puno

više.

8

4. Infracrveni detektori

Infracrveno zračenje je dio elektromagnetskog spektra pored vidljive svjetlosti pa su principi

detekcije isti kao i za vidljivu svjetlost. Iako su principi detekcije isti, oni se po tradiciji

tretiraju odvojeno zato što infracrveni dio predstavlja široko područje (od 0,7 mikrometara do

recimo 1 mm).

Glavni oblik detekcije je promjena vodljivosti materijala sa ulaznim infracrvenim zračenjem.

Materijali od kojih se prave detektori su ponovno poluvodiči. Uređaji se oslanjaju na prijelaz

vrpca-vrpca do 10 µm, zahtijevajući mali energetski procjep poluvodiča. Mogu se pronaći

poluvodiči još manjeg energetskog procjepa, pa se prijenos iz područja u područje može

koristiti čak i za veće valne duljine, ali u praksi je raspon od 10 do 100 µm pokriven nečistim

poluvodičima u kojima je povećana vodljivost dobivena pobuđivanjem elektrona od

donorskog nivoa u vodljivom području ( ili iz područja valentnosti u akceptorski nivo).

Infracrveno zračenje između 100 µm i 1 mm (često nazivano submilimetarsko područje) se u

glavnom detektira uz pomoć tzv. apsorpcije slobodnih nosilaca. To je uključeno sa

pobuđivanjem elektrona iz nižeg u viši energetski nivo u vodljivom području. Broj elektrona

dostupan za vođenje se ne mijenja, ali se mijenja pokretljivost zbog podijeljene energije

pobuđenih elektrona. Promjena u vodljivosti može tada biti povezana sa snagom ulaznog

infracrvenog zračenja. Budući da elektroni mogu biti pobuđeni do većeg energetskog nivoa sa

titranjem rešetke (tako skrivajući efekt ulaznog infracrvenog zračenja), kristal je uglavnom

hlađen do temperatura tekućeg helija.

9

5. Elektro-optički, fotorefraktivni i nelinearni materijali

U elektro-optičkim materijalima primjena električnog polja će utjecati na indeks loma koji

optički val „vidi“. Valovi sa različitim električnim polarizacijama su različito pogođeni.

Dielektrični tenzor (koji povezuje tri komponente električnog polja sa tri komponente

dielektričnog pomaka) ima devet komponenti i svaki od tih komponenti može ovisiti o tri

komponente električnog polja. Tako, sve zajedno, elektro-optički tenzor ima 27 komponenti

(samo 18 ako se simetrija dielektričnog tenzora uzima u obzir). U praksi, uglavnom, samo

jedna od puno komponenti je potrebna i efekt se može prezentirati u obliku:

� � ���

� � �����������(5.1),

gdje je r – elektro–optički koeficijent.

Kako je ��= n2, promjena indeksa loma može se napisati kao,

�� � �������������

Hoće li r biti pozitivan ili negativan ovisi o orijentaciji kristala.

Ako uzmemo LiNbO3 kao primjer, n = 2,29 i za određenu orijentaciju kristala imamo r = 3,8

* 10-11 mV-1. Sa razumnim naponima može se dobiti električno polje otprilike 106 mV-1,

uzrokujući promjenu indeksa loma od ∆n=1,86 * 10-4. To se ne čini puno, ali je više nego

dovoljno za brojne aplikacije. Popis indeksa loma i elektro-optičkih koeficijenata za neke

često korištene materijale je dan u tablici 1. Ključna stvar za zapamtiti je ta da u elektro-

optičkim kristalima indeks loma i prema tome širenje vala, može biti promijenjen

primjenjujući električno polje.

10

Materijal Valna duljina

(µm)

Elektro-optički

koeficijent

(10-12mV-1)

Indeks loma

Statička

dielektrična

konstanta

Bi12SiO20 0.514 2.3 2.22 56

BaTiO3 0.514 820 2.49 4300

CdTe 1.0 4.5 2.84 9.4

GaAs 1.15 1.43 3.43 12.3

KNbO3 0.633 380 2.33 50

LiNbO3 0.633 32.6 2.29 78

ZnO 0.633 2.6 2.01 8.15

Tablica 1. Svojstva elektro-optičkih materijala.

Svojstva elektro-optičkih materijala su ovisna, naravno, o smjeru, ali budući da je cilj dati

opću ideju obuhvaćenih područja, samo su najveće komponente nabrojane za svaki materijal.

Valne duljine u kojima su ove vrijednosti izmjerene su isto naznačene.

Fotorefraktivni materijali predstavljaju poseban razred kristala koji su i elektro–optički i

fotovodljivi. Neki predstavnici ovih materijala su LiNbO3, Bi12SiO20, BaTiO3.

Nelinearni materijali su obično karakterizirani vezom dielektrične polarizacije, P, i

električnog polja:

� � �� !����� " !�#���# " !������$����������%�& gdje je !��� linearna susceptibilnost, a !�#� i !��� su kvadratna i kubna susceptibilnost.

U nekim materijalima nelinearnost može biti izražena pomoću indeksa loma kao:

� � ��� "��#I (5.4),

gdje je I intenzitet, n0 je indeks loma pod linearnim uvjetima, a n2 je mjera nelinearnosti.

11

6. Holografija volumena i fazna konjugacija

Holografija je proces rekonstrukcije valne fronte elektromagnetskog vala (svjetlosti)

raspršenog na nekom predmetu.

Ovdje ćemo promatrati posebnu granu holografije, poznatu kao holografija volumena i vidjeti

što se događa u najjednostavnijim mogućim slučajevima, kada su referentna i predmetna

zraka ravni valovi (slika 6.1.). Posebnost holografije volumena je ta da proces snimanja

zauzima mjesto u volumenu fotoosjetljivog materijala.

Slika 6.1. Dva ulazna ravna vala na fotoosjetljivom mediju. [1]

12

Amplitude dva vala mogu se napisati u obliku:

'�() � '��*+,-./�+�012 " 31.�2�4����������5��

'678 � '#�*+,��-./�+�012 � 31.�2�4���������������5�������� dovodeći do interferentnog uzorka(intenzitet I je proporcionalan kvadratu amplitude):

9 � :'�() " ;'678:;# � '��# " '#�

# " '��'#� <=>�/31.�2�������5%�

Iz gornje jednadžbe vidimo da intenzitet varira periodično u y smjeru sa periodom

? � @/1.�2 � �

�1.�2 ��������������5A�

što predstavlja Braggovu relaciju. Simbol Λ obično upućuje na razmak rešetke.

Nakon snimanja dolazi do obrade sa rezultatom da je interferentni uzorak pretvoren u

modulaciju dielektrične konstante, odnosno da je krajnji rezultat dielektrična konstanta koja

se mijenja kao

�� � ���B��� <=>�/31.�2��������������5��,

gdje je �� amplituda modulacije.

Zanima nas što se događa kada osvjetlimo hologram sa referentnim valom1. Prema pravilima

holografije, slika postaje stvarna. Do jednakog zaključka se može doći ako uzmemo u obzir

Braggovu difrakciju. Ako je upadni val na materijalu sa periodičnom strukturom pod kutom i

valnom duljinom koje zadovoljava jednadžbu (6.4), pojavit će se difrakcijska zraka značajne

amplitude. U stvari, pod nekim određenim okolnostima moguće je prenijeti svu snagu ulaznog

referentnog vala u difraktirani predmetni val2.

Fotoosjetljivi medij koji se često uzima je srebrna emulzija halida i dikromatna želatina. U

prvom slučaju modulacija indeksa loma je određena varijacijom gustoće srebrnog halida u

geliranoj sredini. U drugom slučaju mehanizam još uvijek nije pouzdano identificiran. Lako je

moguće da je modulacija indeksa loma uzrokovana ponovno varijacijom gustoće djelovanjem

kroma. Nažalost, teško je doznati što se događa unutar materijala kada dođe do kemijske

reakcije.

Fotorefraktivni materijal je i fotovodljiv i elektro-optičan. Pretpostavimo da dva ulazna ravna

vala padaju na fotorefraktivni materijal, ali je sada napon priključen kao što je prikazano na

slici 6.2.

1 Referentni val – ravni elektromagnetski val 2 Predmetni val – val raspršen na predmetu nosi podatke o površini predmeta

13

Slika 6.2. Dva ulazna ravna vala na fotorefraktivnom kristalu sa primijenjenim naponom. [1]

Distribucija svjetlosnog intenziteta (dobivena jednadžbom 6.3) iscrtana je na slici 6.3. (a).

Zanima nas kako će materijal reagirati.

Energetski procjep je obično velik, tako da tamo neće biti prijenosa iz područja u područje,

međutim nosioci naboja (elektroni) biti će pobuđeni od donora atoma, broj pobuđenih

nosilaca će biti proporcionalan ulaznom intenzitetu svjetla. Distribucija elektrona (ne) i

ionizirani donora atoma (nD+) su prikazani na slici 6.3. (b) i (c). Ako su elektroni pokretni,

pod utjecajem sila difuzije (prema nagibu u gustoći nosioca) i električnog polja (prema

primijenjenom naponu) elektroni će se pomaknuti u kristalu. Neki od njih će se rekombinirati

sa donorima atoma dok će neki novi elektroni biti podignuti u vodljivo područje. Ravnoteža

će biti uspostavljena kada u svakoj točki prostora, brzina stvaranja bude jednaka brzini

rekombinacije. Nacrt dobivenog elektrona i gustoće donora je prikazan na slici 6.3. (d). Kako

se prostorne distribucije elektrona i ionizirani donori više ne podudaraju, dobije se mreža

prostornih naboja, kao što je prikazano na slici 6.3. (e). Mreža prostornih naboja će dovesti do

pojave električnog polja (slika 6.3.(f)). Sada imamo električno polje koje je konstantno u

vremenu i periodično u prostoru. Sada pobuđujemo električno – optičko svojstvo kristala koje

uzrokuje da se dielektrička konstanta mijenja proporcionalno sa električnim poljem. Uzimamo

da je r, električno – optički koeficijent pozitivan, tako da dielektrička konstanta nije u fazi sa

električnim poljem. Došli smo do kraja procesa. Ulazni interferentni model je sada

promijenjen u varijaciju dielektričke konstante (slika 6.3. (g)).

14

Slika 6.3. Varijacija broja fizikalnih veličina u fotorefraktivnom materijalu u y-smjeru:

a)intenzitet, b) gustoća elektrona, c) ionizirana gustoća donora, d) elektronska i ionizirana

donorska gustoća u stacionarnom stanju, e) gustoća naboja, f) rezultantno električno polje, g)

rezultantna dielektrična konstanta. [1]

Osnovna primjena fotorefraktivnih materijala nije za holografiju u stvarnom vremenu nego za

valnu interakciju. Fenomen kojim ulazno svjetlo uzrokuje modulacije dielektričke konstante i

način na koji modulacija reagira difrakcijom valova prema svjetlosnim zrakama, dovodi do

niza zanimljivih efekata. Najzanimljiviji efekt koji može izazvati svjetlost u fotorefraktivnoj

sredini je optička fazna konjugacija, kod koje se pomoću nelinearnih optičkih efekata u nekim

kristalima omogućava istovremeno obrtanje i faze i smjera prostiranja svjetlosti. Fizikalna

konfiguracija prikazana je na slici 6.4. Fazna konjugacija predstavlja vremensku promjenu

svjetlosnih signala, tj. svjetlosna zraka se vraća istim putem kojim je i došla.

15

Fotorefraktivni oscilatori su najznačajniji uređaji u fotorefraktivnoj optici. Zanimaju nas

fotorefraktivni oscilatori koji rade na principu četverovalnog miješanja laserskih zraka.[5]

Za vrijeme procesa materijal je osvijetljen sa tri zrake, tj. dvije paralelno polarizirane (zrake 1

i 2) i suprotno usmjerene pumpne zrake i upadnim signalom (zraka 4). Dolazi do nelinearne

interakcije ovih polja, zrake jedan i četiri stvaraju dielektričnu rešetku (slika 6.4. (b)).

Druga zraka koja je ulazna na rešetku tada je difraktirana kako bi proizvela treću zraku, tzv.

zraku fazne konjugacije (slika 6.4. (c))

Slika 6.4. Shematski prikaz fazne konjugacije. (a) upadne zrake 1, 2 i 4 stvaraju zraku fazne

konjugacije, (b) Zrake 1 i 4 stvaraju rešetku, (c) Zraka 2 je difraktirana u zraku 3. [1]

Treća zraka je zanimljiva zato što ima suprotan smjer u odnosu na četvrtu zraku, ali nije

zanimljiva samo zbog toga. Ako se četvrta zraka sastoji od raspona ravnih valova, svaki

odvojeni ravni val se reversira i stvara zraku fazne konjugacije. Cijeli uređaj se naziva

ogledalo fazne konjugacije.

Zanima nas zašto je ogledalo fazne konjugacije različito od običnog ogledala. Postoje dva

dobra primjera koja to objašnjavaju. Na slici 6.5. (a) izolator se nalazi na putu ulaznog ravnog

vala. Valna fronta ravnih valova koja se pomiče prema desno prikazana je neprekidnim

linijama: valna fronta1 je od ulaznog vala, a 2 je valna fronta poslije djelomičnog prolaza kroz

16

izolator. Nakon refleksije od običnog ogledala, zaostali dio valne fronte je još uvijek zaostao

kao što je prikazano isprekidanom linijom 3. Nakon još jednog prolaza kroz izolator, dolazi

do daljnjeg zaostajanja valne fronte, kao što je prikazano isprekidanom linijom 4.

Na slici 6.5. (b) valne fronte 1 i 2 su iste kao i prethodne. Ogledalo fazne konjugacije,

preokreće ulazni val. Valna fronta koja je bila zaostala sada će biti promaknuta u frontu kao

što je prikazano sa isprekidanom linijom 3. Nakon prolaženja kroz izolator po drugi puta,

valna fronta 4 će opet biti ravna. Zaključak je taj da ogledalo fazne konjugacije popravlja

distorziju valne fronte koja je nastala prolaskom kroz izolator. Ovo također vrijedi i za ostale

vrste smetnji. Ogledalo fazne konjugacije reflektira ulazni val sa suprotnom fazom i

suprotnim smjerom.

Slika 6.5. Ravni valovi prolaze kroz izolator i reflektiraju se od (a) običnog ogledala, (b)

ogledala fazne konjugacije. [1]

Drugi primjer je zraka koja divergira prema ogledalu. Nakon refleksije obično ogledalo će

stvoriti zraku koja i dalje divergira (slika 6.6. (a)), dok će ogledalo fazne konjugacije stvoriti

konvergentni val (slika 6.6. (b)). Ovo je fenomen koji fascinira, ali je još uvijek u

laboratorijskom stadiju. [1]

17

Slika 6.6. Divergirana zraka reflektirana od (a) običnog ogledala, (b) ogledala fazne

konjugacije. [1]

7. Akustičko – optička interakcija

Ranije smo vidjeli da periodička varijacija dielektrične konstante u volumenu materijala

pomaže stvoriti difraktiranu zraku i to mehanizmom Braggove interakcije. Periodička

varijacija može se postići korištenjem fotoosjetljivih i fotorefraktivnih materijala. Postoji još

jedna očita mogućnost postizanja periodičke varijacije dielektrične konstante. Akustički val

koji se širi u materijalu uzrokovati će deformaciju. Ta deformacija može uzrokovati

promjenu u dielektričnoj konstanti (indeks loma). Veza između promjene dielektrične

konstante i deformacije je dana sa tzv. deformacijsko–optičkim tenzorom. U

najjednostavnijem slučaju kada se samo jedan koeficijent treba uzeti u obzir, to se može

napisati u obliku:

� � ���

� � ,C�������������D��,

gdje je malo p fotoelastični koeficijent, a S je deformacija. Jednostavnim slanjem akustičkog

vala možemo stvoriti volumni hologram.

No zanima nas je li volumni hologram dobar ako se giba. Za nas sve što se giba brzinom

zvuka čini se brzo, ali za elektromagnetski val koji se širi približno 5 redova magnitude brže

nego akustički val, hologram se čini praktično stacionarnim. Postoji efekt karakterističan za

premještanje rešetki koji se naziva Dopplerov pomak. Frekvencija elektromagnetskog vala je

pomaknuta frekvencijom akustičnog vala. Ovaj efekt je ponekad koristan u analizi signala.

18

Sada ćemo obraditi frekvenciju akustičkog vala potrebnu za skretanje optičkog vala od 633

nm vale duljine (najpopularnija linija He- Ne lasera) za 2°. Braggov kut je tada 1°.

I dalje promatramo LiNbO3 kao materijal u kojem valovi međudjeluju. Razmak rešetke je

? � ��1.�2 � 5%%E�FGH

EIE1.��J � DIKL&

gdje je ? tražena valna duljina akustičkog vala.

Ako pogledamo u tablicu 2. Vidimo da je brzina longitudinalnog vala u LiNbO3 je 6,57 * 103

ms-1. Iz toga možemo pronalazimo da je frekvencija akustičkog vala f = 8,30 * 108 Hz.

Materijal Valna duljina

(µm)

Gustoća

(103 kgm-3) Indeks loma

Brzina zvuka

(103 ms-1)

Voda 0.633 1 1.33 1.5

Kvarc 0.633 2.2 1.46 5.95

GaAs 1.15 5.34 3.43 5.15

LiNbO3 0.633 4.7 2.29 6.57

LiTaO3 0.633 7.45 2.18 6.19

PbMoO4 0.633 6.95 2.4 3.75

ZnS 0.633 4.10 2.35 5.51

Tablica 2. Svojstva materijala korištenih za akustičko-optičku interakciju.

Uređaj koji može skrenuti optičku zraku također se može koristiti i za modulaciju. Kada je

akustički val pokrenut, snaga u prijenosnoj zraci se smanjuje i pojavljuje se difraktirana zraka.

Variranjem amplitude akustičkog vala obje izlazne zrake su modulirane. Može biti prednost

koristiti difraktiranu zraku kao moduliranu zraku zbog toga što je snaga u njoj kompletno

odsječena kada akustičkog vala nema, dok je manje uobičajeno ugasiti prijenosnu zraku.

Zanima nas može li se koristiti akustički val za skeniranje optičke zrake unutar određenog

kutnog područja. To se može učiniti na više načina. Vidjet ćemo samo raspored koji je

najsmisleniji.

Recimo da imamo ulaznu optičku zraku pod kutom�2 prema horizontalnom smjeru. Ako ju

želimo skrenuti za 22, tada se akustički val treba širiti u vertikalnom smjeru (slika 7.1. (a)) i

imati valnu duljinu od λac = λop / 2nsin2. Kako možemo skrenuti zraku za dodatni ∆2? Kako

bismo imali Braggovu interakciju, moramo promijeniti (Tablica 2.) akustičku valnu duljinu

19

�M "���M �� �6N�1.��2 " �2����������D�

i dodatno nagib akustičkog vala (to se može učiniti koristeći primjerenu lansirnu opremu)

za �2O kao što je prikazano na slici 7.1. (b).

Slika 7.1. Braggova refleksija svjetlosne zrake akustičkim valom (a) Kut skretanja od 22 na

akustičkoj valnoj duljini � , kut skretanja od 22 "��2 na akustičkoj valnoj duljini � "��� [1]

Zadnji primjer je spektralni analizator. To je isti uređaj kao i skener zraka, ali korišten na

drugačiji način. Nepoznata ulazna frekvencija koja se treba utvrditi je stavljena u uređaj u

formi akustičkog vala sa akustičkim pretvornikom. Spektralni analizator će skrenuti ulaznu

optičku zraku za mjeru koja zavisi o frekvenciji akustičnog vala. Optička zraka koja skreće je

20

tada detektirana fotodetektorom (slika 7.2.). Pozicija fotodetektora prema ulaznoj zraci

utvrditi će nepoznatu frekvenciju.

Slika 12. Spektrometar akustičko-optičke interakcije. [1]

8. Integrirana optika

Osnovna ideja integrirane optike bila je „integrirati“, odnosno staviti sve poluvodičke uređaje

na jedan čip i na taj način postići kompaktnost, robusnost, ekonomičnost, itd. Ista ideja o

integraciji može se također primijeniti na optičke krugove sa svim odgovarajućim

prednostima. U principu bi se na istom čipu mogli imati laseri, valovodi i optički sklopovi za

obradu. No u praksi su rezultati prilično ograničeni zbog tehnoloških poteškoća. Ekonomski

imperativ koji je bio pokretačka snaga revolucije integriranog kruga jednostavno nije bio

tamo za njihove optičke kolege. Ovo je jako obećavajuća tehnika pa će se ovdje dati uvod u

osnovne principe.

8.1. Valovodi

Princip rada je vrlo jednostavan. Ako je materijal izložen određenom indeksu loma i okružen

materijalom nižeg indeksa loma, tada val može biti vođen u prijašnjem materijalu uzastopnom

totalnom unutarnjom refleksijom. Optička vlakna3 predstavljaju jednu takvu mogućnost za

vođenje valova, ali nisu pogodna za integriranu optiku.

GaAs je elektro–optički kristal, idealan je materijal za integriranu optiku, no također je

pogodan za proizvodnju spojnih lasera, mikrovalne oscilatore i tranzistore. GaAs je doista

3 Optičko vlakno je obično napravljeno od stakla ili plastike te služi za prenošenje informacija pomoću svjetlosti.

21

idealan materijal, ali problemi integracije još uvijek nisu riješeni. To je još uvijek u

laboratorijskom stadiju.

Bliže komercijalnoj primjeni su LiNbO3 uređaji. U tim uređajima valovodi su proizvedeni

difuzijom Ti u LiNbO3 supstrat kroz prikladno modeliranu masku gdje je Ti udifundiran i

imaju indeks loma koji raste dovoljno da stvara valovode.

8.2. Pomicatelj faze

LiNbO3 je elektro–optički kristal pa se može konstruirati jednostavan uređaj tako da se stave

dvije elektrode na površinu kristala s bilo koje strane valovoda i primijeni napon prema

njemu kao što je prikazano na slici 8.1.

Slika 8.1. Pomicatelj faze koji se oslanja na promjenu dielektrične konstante uzrokovanu

primijenjenim naponom

Sa naponom V0 , može se stvoriti električno polje otprilike jednako V0Id, gdje je d udaljenost

između elektroda, pa je ukupna fazna razlika koja se može stvoriti

�P � #QR�ST ��������U� �,

gdje je L duljina elektroda.

Napon od 5 V na udaljenosti 5 µm između elektroda daje električno polje 106 Vm-1, uz pomoć

kojeg za indeks loma nalazimo da je ∆n = 1,86 * 10-4. Ako želimo proizvesti faznu razliku @

na valnoj duljini otprilike od 1,5 µm trebamo elektrode duljine otprilike 4 mm. Tako sada

imamo pomicatelja faze, no ako se nastavi varirati naponom između 0V i 5V dobijemo fazni

modulator.

22

8. 3. Optički sprežnik

Jedan od elementarnih uvjeta procesuiranja signala je mogućnost usmjeravanje signala na

različite lokacije. U najjednostavnijem obliku to znači (Slika 8.2.(a)) da bi signal koji dolazi

na priključak 1 trebao biti podijeljen između izlaznih priključaka 1´ i 2 ´u bilo kojem

željenom omjeru, uključujući mogućnost da se sva ulazna snaga može pojaviti na jednom

izlaznom otvoru, isto tako snaga koja dolazi na ulaz 2 mora biti podijeljena između istih

izlaznih priključaka. Realizacija u integriranoj optičkoj formi je prikazana na slici 8.2. (b). Za

duljinu L, dva valovoda su toliko blizu jedan drugome da dolazi do gubljenja snage od jednog

prema drugom. Moguće je promijeniti i relativnu brzinu širenja vala u dva valovoda tako da

se primijeni napon između dvije elektrode. Kao što je prikazano na slici 8.2. (c) okomita

komponenta električnog polja je suprotna smjeru za dva valovoda. Prema jednadžbi (5.1)

indeksi loma će varirati u suprotnom smjeru.

Slika 8.2. (a) Shematski prikaz optičkog sprežnika (b) Izvedba integrirane optike optičkog

sprežnika, (c) presjek uređaja koji pokazuje liniju električnog polja. [1]

Sada ćemo formulirati ovaj problem matematički. Valno širenje u pozitivnom z – smjeru sa

valnim brojem k1 je u obliku:

'� � '��*+,./�V�����������U�,

gdje je A10 amplituda vala za z=0.

Ovo može također biti opisano sa diferencijalnom jednadžbom,

23

W'�WV � ./�'������������������U%�

Još jedno širenje vala u istom smjeru sa valnim brojem k2, tada bi analogno bilo opisano

diferencijalnom jednadžbom

W'#WV � ./#'#������������UA�

Sada trebamo identificirati valove 1 i 2 koji se šire u valovodima 1 i 2. Trebat ćemo uzeti u

obzir spajanje između valovoda. Da bi to napravili tako, moramo unaprijediti sljedeće

argumente. Ako postoji spajanje između dva valovoda tada će brzina promjene amplitude

vala u valovodu 1 isto tako ovisiti o amplitudi vala u valovodu 2 i o visini spajanja. U

matematičkom obliku to izgleda ovako,

W'�WV � ./�'� " �.X'#������������U��

gjde je .X sprežnički koeficijent.

Brzina promjene amplitude vala 2 je

W'#WV � .X'� " ./#'#�����������U5�

Ako pretpostavimo da je je k1=k2=k i da se sva ulazna snaga pojavi na otvoru 1 sa

amplitudom A, tada za dva izlaza dobivamo:

'� � '�� YZ[�./V� �01XV���������UD�

i

'# � .'�� YZ[�./V� 1.�XV���������UU�

Količina prijenosa snage ovisi o duljini sprežničkog dijela. Kada je z = L=�@ /2k, sva snaga iz

valovoda 1 može se prenijeti u valovod 2. Za L = @ /k, snaga lansirana u valovodu 1 će prvo

prijeći u valovod 2, ali će se tada pravovremeno vratiti. Na izlazu, sva snaga je u valovodu 1.

Do ove zamjene snaga može doći kada je k1=k2 i događa se kada su brzine identične. Ako

primijenimo napon, brzina širenja se povećava na jednom valovodu, a na drugome se

smanjuje. U nedostatku sinkronizacije, količina snage koja se prenosi može se drugačije

24

prikazati kao da se smanjuje. Kada su brzine u dva valovoda radikalno različite, tada

jednostavno jedna drugu ignoriraju; nema prenošenja snage iz jedne u drugu bez obzira na

količinu spajanja.

Kao sprežnik se može uzeti prekidač. U nedostatku napona, sva snaga može biti prenijeta iz

valovoda 1 u valovod 2. Uništavajući sinkronizaciju, a primjenjujući napon, možemo svu

snagu skrenuti na valovod 1 ili obrnuto.

9. Prostorni svjetlosni modulatori

Svjetlosni modulatori moduliraju intenzitet zrake ulaznog svjetla. U tim uređajima postoji

samo jedna svjetlosna zraka i ona je svugdje u uređaju na isti način pod utjecajem modulatora.

Prostorni svjetlosni modulatori rade istu stvar, ali različiti dijelovi zrake su pod različitim

utjecajem. Jednostavna definicija prostornog svjetlosnog modulatora je ta da je prostorni

svjetlosni modulator uređaj koji daje željenu svjetlosnu distribuciju preko određenog

područja. U pravilu se svi uređaji programirani za prikaz mogu smatrati prostornim

svjetlosnim modulatorima, uključujući zaslon na željezničkoj stanici koji najavljuju dolazak i

odlazak vlakova, katodnu cijev u televizoru, monitoru ili zaslon s tekućim kristalima u

računalu.

Spomenut ćemo djelovanje samo jednog modernog prostorno svjetlosnog modulatora, koji

se naziva nekoherentno – koherentni svjetlosni pretvarač. Takav uređaj je potreban zbog toga

što je koherentno svjetlo prikladnije za daljnju obradu nego nekoherentno svjetlo. Shematski

dijagram takvog pretvarača je prikazan na slici 9.1.

25

Slika 9.1. Pretvarač nekoherentne svjetlosti u koherentnu. [1]

U nedostatku ulaznog nekoherentnog svjetla sa lijeve strane (pišuća zraka) fotovodič ne

provodi i zbog toga dolazi do visokog pada napona kroz fotovodič i niskog napona kroz

tekući kristal (u praksi je sloj tekućeg kristala puno tanji nego sloj fotovodiča). Uloga tekućeg

kristala je da emitira ili apsorbira koherentno svjetlo koje dolazi sa desne strane,tako da ovisi

o tome postoji li napon kroz njega ili ne. Modulacijski intenzitet pišuće zrake je pretvoren u

modulacijski intenzitet čitajuće zrake. Optički izolator je obično u obliku širokog područja

dielektričnog ogledala, koji razdvaja pišuću od čitajuće zrake.

10. Obrada optoelektronike u srednjoj školi

Proučavajući nastavni plan i program srednje škole, jedino bi se u četvrtom razredu srednje

škole mogla spomenuti optoelektronika. Opće i jezične gimnazije u četvrtom razredu se

upoznaju sa fizikom čvrstog stanja. U sklopu te cjeline obrađuju električnu vodljivost (metale,

metalnu vezu, vođenje struje u metalu), teoriju energetskih vrpci, poluvodiče, supravodljivost

(teoriju supravodljivosti i primjenu supravodljivosti). U ovo cjelini bi se jedino mogla

spomenuti optoelektronika, iako iz gore navedenih tema vidimo da je optoelektroniku jako

teško uklopiti u gradivo srednje škole. Možda bi ju bilo lakše uklopiti u nastavni plan i

program prirodoslovno – matematičke gimnazije, budući da se oni u četvrtom razredu (iako u

26

jako malom broju sati) upoznaju sa poluvodičima i fizikalnim osnovama mikroelektronike.

No obrada te cjeline se zadržava samo na osnovnim pojmovima, tako da bi se tu

optoelektronika eventualno samo mogla spomenuti kao grana koja postoji. Pošto

optoelektronika nije uključena u plan i program studija fizike, budući profesori fizike ne

dobiju znanje potrebo za predavanje optoelektronike u srednjim školama, pa je to samo još

jedan razlog zašto optoelektronika nije uključena u nastavni plan i program gimnazija.

Optoelektronika je jedino uključena u nastavni plan i program strukovnih elektrotehničkih

škola, u nekim školama kao zaseban predmet, a u nekima je u sklopu drugih predmeta.

U sklopu predmeta optoelektronike u srednjim školama najviše se vremena posvećuje obradi

optoelektroničkih komponenti.

Učenicima treba prije svega navesti da se optoelektroničke komponente dijele u sljedeće

skupine:

• poluvodičke svjetlosne detektore koji svjetlosnu energiju pretvaraju u električnu, a to

su: fotootpornici, fotodiode, fototranzistori, fototiristori i sunčane ćelije;

• svjetlosni izvori koji električnu energiju pretvaraju u svjetlosnu, a to su: LED diode i

poluvodički laseri;

• optički veznik/sprežnik je elektronička komponenta sastavljena od LED diode kao

izvora svjetlosti i fotodiode ili fototranzistora kao prijemnika svjetlosti

Fotootpornik

Fotootpornik je optoelektronička komponenta kojoj se djelovanjem svjetlosti mijenja

električni otpor. Otpor se smanjuje porastom jakosti svjetlosti.

Na slici 10. 1. prikazan je simbol i izvedba fotootpornika.

Slika 10. 1. Simbol i izvedba fotootpornika. [9]

Osvjetljavanjem fotootpornika stvaraju se parovi nosilaca naboja elektron-šupljina, a time se

povećava vodljivost materijala, tj. smanjuje se električni otpor.

27

Slika 10.2. Kućište fotootpornika. [10]

Za izradu fotootpornika primjenjuju se kadmijev sulfid (CdS), kadmijev selenid (CdSe),

gerrnanij (Ge), olovni sulfid (PbS), indijev antimonid (InSb) i olovni selenid (PbSe). Izrađuju

se tako da se kadmijev sulfid rasporedi u vijugavom obliku na keramičkoj podlozi kako bi se

postigla veća površina (slika 10.2.).

Fotootpornici se upotrebljavaju za mjerenje osvjetljenosti, osobito u fotografiji i kao sklopke

u uređajima za brojenje, automatsko zatvaranje vrata, automatsko osvjetljavanje i u alarmnim

uređajima.[9]

Fotodioda

Fotodioda je poluvodički svjetlosni senzor koji generira električni signal kad na njega djeluje

svjetlost.

Na slici 10.3. prikazan je presjek fotodiode i simbol. To je dioda kod koje je anodni kontakt

izveden samo na dijelu p- poluvodiča, tako da je samo mali dio površine zaklonjen

kontaktom. Katodni kontakt je na n- tipu poluvodiča.

Slika 10.3. Princip rada i simbol fotodiode. [9]

28

Fotodioda se u strujni krug spaja tako da je nepropusno polarizirana. Kad je fotodioda

neosvjetljena, njome teče vrlo mala tamna struja koju čini inverzna struja (struja manjinskih

nosilaca naboja).

Kada osvjetlimo površinu poluvodiča, u blizini p-n spoja fotoni stvaraju ioniziranje atome

kristala. Kao posljedica toga generiraju se novi parovi elektron-šupljina kao slobodni nosioci

naboja. Pod djelovanjem ugrađenog električnog polja, šupljine prelaze u p- područje, a

elektroni u n- područje. Nastaje gomilanje nosilaca pozitivnog naboja u poluvodiču p- tipa, a

negativnog naboja u poluvodiču n- tipa.

Između elektroda nastaje razlika potencijala, odnosno elektromotoma sila fotodiode koja za

posljedicu može imati struju fotodiode ako je u krug spojeno potrošač RT (slika 10.4.).

Kažemo da fotodioda radi u režimu fotogeneratora jer dioda daje električnu energiju bez

vanjskog izvora napona.

Slika 10.4. Fotodioda kao generator. [9]

Fotodiodu možemo spojiti i na vanjski izvor (slika 10.5.) tako da pozitivni pol preko

otpornika RT spojimo na katodu, a negativni pol na anodu. Na taj način je fotodioda inverzno

polarizirana i kada nije osvjetljena, kao što smo rekli, kroz nju teče samo mala, tzv. tamna

struja koja odgovara inverznoj struji. Kada fotodiodu osvjetlimo, naraste koncentracija

nosilaca naboja u diodi te struja u vanjskom krugu. Porast struje fotodiode proporcionalan je

jakosti svjetlosti. Jakost struje fotodiode ovisi i o valnoj duljini upadne svjetlosti.

29

Slika 10.5. Fotodioda kao detektor svjetlosti. [9]

Fotodioda se upotrebljava za detekciju svjetlosnog signala i njegovo pretvaranje u električni

signal. Fotodiode se primjenjuju u daljinskim upravljačima za televizor i video uređaje, u

optičkim komunikacijama, automatima, automatskom upravljanju, za daljinsku kontrolu za

različite uređaje, kod preciznih mjerenja jakosti svjetlosti u znanosti i industriji, itd.[9]

30

11. Zaključak

Vidimo da je optoelektronika grana elektronike koja se, osim električnim signalom u

električnom obliku bavi proučavanjem i primjenom signala u optičkom obliku svjetlosti i u

bliskom infracrvenom zračenju. Optoelektroničke komponente koriste fotoelektrične pojave u

poluvodičima, kao što su fotovodljivost i fotonaponski učinak. Osnovni materijali od kojih se

izrađuju optoelektroničke komponente su silicij, germanij, galijev arsdenid i kadmijev selenid.

Optoelektronika kao i sve optoelektroničke komponente imaju veliku primjenu u

svakodnevnom životu, a posebno veliku primjenu imaju LED diode, kao signalni i kontrolni

elementi te izvori svjetlosti u različitim uređajima (mobitelima, daljinskim upravljačima).

31

12. Literatura

[1] Solymar, L., Walsh, D. Electrical properties of materials. Sixth Edition: Oxford University Press, 1998.

[2] http://www.scribd.com/doc/53688379/6/Opti-ki-predajnici (25.06.2011)

[3] www.viser.edu.rs/download.php?id=5324 (26.06.2011)

[4] http://www.scribd.com/doc/43408356/Uvod-u-Opticke-Komunikacije (26.06.2011)

[5] www.infoteh.rs.ba/zbornik/2003/radovi/f/f-6.doc (26.06.2011)

[6] http://c2.etf.unsa.ba/mod/resource/view.php?inpopup=true&id=14843 (25.06.2011)

[7] http://bib.irb.hr/datoteka/168294.Diplomski.pdf (28.06.2011)

[8]http://student.fizika.org/~jsisko/Knjige/Fizicki%20Praktikum%20V/Karakteristicne%20kri

vulje.pdf (28.06.2011)

[9] http://www.etstuzla.edu.ba/biblioteka/elektronika/Elektron_III_2010.pdf (29.06.2011)

[10] http://hr.wikipedia.org/wiki/Fotootpornik (29.06.2011)

32

13. Životopis

Rođena sam 16.01.1987. godine u Vinkovcima. 2001. godine sam završila osnovnu školu

„August Cesarec“ u Ivankovu. 2005. godine sam završila srednju školu, I. Gimnaziju u

Osijeku. 2006. godine sam upisala preddiplomski studij fizike na Odjelu za fiziku i 2009.

godine stekla naziv sveučilišne prvostupnice fizike. Iste godine upisujem diplomski studij

fizike i informatike također na Odjelu za fiziku. Od prve godine studija primam državnu

stipendiju Ministarstva znanosti, obrazovanja i športa. Dobitnica sam rektorove nagrade koju

dodjeljuje Sveučilište J.J. Strossmayera u Osijeku.