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1989 | Buch

Integrierte Optoelektronik

Wellenleiteroptik Photonik Halbleiter

verfasst von: Prof. Dr. Karl Joachim Ebeling

Verlag: Springer Berlin Heidelberg

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Über dieses Buch

Aufgrund der zunehmenden Miniaturisierung optischer und elektronischer Bauelemente bemüht man sich verstärkt, diese Elemente zu integrieren. Analog zur raschen Entwicklung integrierter Schaltkreise in der Mikroelektronik, zeichnet sich eine ähnliche Entwicklung in der Integrierten Optoelektronik ab. Das Werk ist eine umfassende Darstellung der Wellenleiteroptik und Photonik in den Halbleitersystemen AlGaAs und InGaAsP. Die Grundlagen der Wellenausbreitung und der optisch-elektrischen Wandlung in Laserdioden und Photodioden werden ausführlich behandelt. Der eingeführte einheitliche Formalismus wird benutzt, um aktuelle Entwicklungen eingehend zu diskutieren. Beispiele hierfür sind Halbleiterlaser mit Quantenstruktur, durchstimmbare Laserdioden, Photodioden mit innerer Verstärkung oder die monolithische Integration optischer und elektrischer Komponenten. Das Buch richtet sich an Studenten und in der Praxis stehende Ingenieure und Physiker, die sich mit integrierter Optik, optischer Nachrichtentechnik oder optischer Informationsverarbeitung befassen.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter
1. Halbleiterkristalle
Zusammenfassung
Halbleiter sind eine Klasse von Materialien, deren elektrische Leitfähigkeit zwischen denen von Metallen und Isolatoren liegt. Die elektrische Leitfähigkeit von Halbleitern ist abhängig von der Temperatur. Sie kann durch optische Anregung oder das Einbringen von Störstellenatomen über viele Größenordnungen verändert werden. Optische Eigenschaften wie Absorption und Brechungsindex lassen sich durch Änderung der Zusammensetzung der Kristalle gezielt variieren. Die Wechselwirkung von Photonen und Elektronen sorgt außerdem dafür, daß Halbleiter in idealer Weise zur Umwandlung von elektrischen und optischen Signalen geeignet sind.
Karl Joachim Ebeling
2. Ausbreitung elektromagnetischer Wellen
Zusammenfassung
In diesem Kapitel behandeln wir die Grundlagen der Wellenausbreitung. Obwohl die abgeleiteten Beziehungen nicht für spezielle Materialien gelten, richten wir unser Hauptinteresse auf III-V-Halbleitermaterialien. Von besonderer Bedeutung sind Frequenzen in der Nähe der Bandlücke, also bei AlGaAs Wellenlängen vom gelb-roten bis zum nahen infraroten Spektralbereich und bei InGaAsP entsprechend auch im infraroten Bereich. Wir bezeichnen die optischen Wellen auch als Lichtwellen.
Karl Joachim Ebeling
3. Planare Filmwellenleiter
Zusammenfassung
In dielektrischen Wellenleitern werden elektromagnetische Wellen durch Totalreflexion geführt. In diesem Kapitel untersuchen wir eindimensionale Wellenführung in Filmen.
Karl Joachim Ebeling
4. Streifenwellenleiter
Zusammenfassung
Streifenwellenleiter entstehen aus planaren Wellenleitern, wenn in der Filmebene für eine zusätzliche seitliche Wellenführung gesorgt wird. Dies erreicht man etwa dadurch, daß nach Bild 4.1 der Brechungsindex des Films nicht homogen ist. Ein zentraler Streifen mit hohem Index n f ist von Material mit kleinerem Index n l ,n r eingerahmt (n f > n l , n r ). Dies hat zur Folge, daß auch an den seitlichen Grenzflächen (zwischen n f und n l , n r ) Totalreflexion erfolgen kann und sich geführte Moden ausbilden. Die analytische Berechnung der Modenfelder und Ausbreitungskonstanten ist von wenigen Ausnahmen abgesehen (z.B. runder Wellenleiter in homogener Umgebung) nicht möglich. Man ist deshalb auf Näherungsverfahren angewiesen.
Karl Joachim Ebeling
5. Kopplung von Moden
Zusammenfassung
In Wellenleitern, deren Brechungsindexprofile unabhängig von der z-Koordinate sind, bleibt die Energie einer Mode über die gesamte Länge konstant.
Karl Joachim Ebeling
6. Richtkoppler
Zusammenfassung
Richtkoppler bestehen aus eng benachbarten Wellenleitern, zwischen denen ein Energieaustausch stattfinden kann. Richtkoppler lassen sich einsetzen zur Leistungsteilung, zur Modulation oder zum Schalten von Lichtsignalen, aber auch als Wellenlängenfilter oder als Polarisationsselektor. Die Behandlung von Richtkopplern erfolgt mit der Theorie gekoppelter Moden.
Karl Joachim Ebeling
7. Elektronen im Halbleiter
Zusammenfassung
Bislang haben wir die Bewegung der Elektronen pauschal durch den komplexen Brechungsindex erfaßt. Diese Beschreibung reicht nicht mehr aus, wenn z. B. die Emission von Licht in III-V-Halbleitern für Laser oder photoinduzierte Erzeugung freier Ladungsträger für Photodioden diskutiert werden sollen. Im folgenden werden Grundlagen der Quantentheorie vorgestellt, soweit sie für das Verhalten von Elektronen im Festkörper von Bedeutung sind. Besprochen werden dabei auch die Bandstruktur, Zustandsdichten und Beset zungswahrscheinlichkeiten.
Karl Joachim Ebeling
8. Emission und Absorption
Zusammenfassung
In diesem Kapitel untersuchen wir Übergänge der Elektronen zwischen Valenz- und Leitungsband und die damit verbundenen Strahlungsprozesse genauer. Besonders interessant erweisen sich stimulierte Emissionsprozesse. Hierbei werden durch Strahlung Elektronenübergänge von einem hohen Energieniveau auf ein um die Photonenenergie tiefer liegendes Niveau induziert. Das dabei abgestrahlte Photon ist mit der anregenden Strahlung in Phase, und es kann zu einer Verstärkung der Welle kommen. Wir behandeln die Wechselwirkung zwischen Licht und Materie zunächst auf der Basis von Generations- und Rekombinationsprozessen. Hierbei ergeben sich bereits wichtige Beziehungen zwischen Absorption und Lumineszenz sowie Bedingungen für Lichtverstärkung. Eine quantenmechanische Analyse erlaubt dann die Vorhersage der spektralen Form der Absorption oder Verstärkung. Neben massivem Material werden auch Quantenstrukturen diskutiert.
Karl Joachim Ebeling
9. Heteroübergänge
Zusammenfassung
Heteroübergänge werden von zwei aneinandergrenzenden Halbleiterkristallen mit verschiedenen Bandlückenenergien gebildet. Man unterscheidet Übergänge vom selben Leitungstyp (n-n, p-p) oder Übergänge von verschiedenem Typ (p-n). Im Idealfall handelt es sich um einen abrupten Übergang zwischen den Materialien. In der Praxis kann man Übergänge innerhalb weniger (2 bis 3) Atomlagen realisieren. Bei Gitterfehlanpassung (> 0.1%) der beiden Halbleiter bilden sich Defektstellen an der Grenzfläche aus, die zu maßgeblichen Abweichungen vom idealen Verhalten eines Heteroüberganges führen.
Karl Joachim Ebeling
10. Laserdioden
Zusammenfassung
In den vorangehenden Kapiteln haben wir gesehen, wie stimulierte Emission in Halbleitern zu beschreiben ist, wie man Wellenführung erreicht und wie Ladungsträgeranhäufung mit Doppelheterostruktur-pn-Übergängen zu erzielen ist. Alle diese Effekte spielen beim Aufbau von Laserdioden mit. Wir behandeln zunächst allgemeine Eigenschaften von Lasern, gehen dann auf spezielle Bauformen von Laserdioden ein und diskutieren einige charakteristische Eigenschaften.
Karl Joachim Ebeling
11. Photodetektoren
Zusammenfassung
Zur Detektion optischer Strahlung wandelt man die Strahlungsenergie in elektrische Signale und zeigt deren Amplitude mit konventionellen Techniken an. Man kann verschiedene Mechanismen ausnutzen, wie die Erzeugung freier, beweglicher Ladungsträger in Halbleitern, thermische Änderung der Spannung über einem pn-Übergang durch Strahlungsabsorption oder das Freisetzen von Ladungsträgern durch den photoelektrischen Effekt, also Photoemission. Wir werden Photodioden, Lawinenphotodioden und Photoleiter behandeln.
Karl Joachim Ebeling
12. Optoelektronische Modulatoren
Zusammenfassung
In den Kapiteln 5 und 6 wurden bereits Phasenmodulatoren und Richtkoppler- modulatoren vorgestellt, denen der lineare elektrooptische Effekt zugrundeliegt. In Halbleitern lassen sich noch andere Effekte zur Modulation ausnutzen. Hierzu zählen Elektroabsorption und Elektrorefraktion sowie absorptive und refraktive Effekte durch Änderung der Elektronendichte oder durch Bandauffüllung. Neben elektrischer Ansteuerung ist eine optische Anregung der Modulatoren möglich. Man kann auch Selbststeuerung des Lichtsignals beobachten, wenn beispielsweise das Licht selbst Ladungsträger erzeugt und damit die Transmission verändert oder wenn in einem pn-Übergang durch Ladungsträgergeneration eine Änderung der elektrischen Feldstärke hervorgerufen wird. Schließlich können in niedrig dotierten Halbleitern mit Quantenfilmstruktur exzitonische Effekte zur Modulation beitragen. Optisch gesteuerte Modulatoren finden zunehmend Interesse für eine rein optische Signalverarbeitung.
Karl Joachim Ebeling
13. Optoelektronische Integration
Zusammenfassung
Die monolithische Integration von Lasern und Photodioden mit Transistoren, Widerständen oder Kondensatoren erweist sich als äußerst kompliziert. Die Optimierung der Einzelbauelemente verlangt technologische Maßnahmen gegenläufiger Art, die mit einer Integration sehr unterschiedlicher Strukturen nur schwer zu vereinbaren ist. Dennoch erwartet man letztlich Vorteile von optoelektronisch integrierten Schaltkreisen, weil parasitäre Kapazitäten und Induktivitäten auf ein Minimum zu begrenzen sind. Die Integration fördert sicherlich auch eine Massenproduktion.
Karl Joachim Ebeling
Backmatter
Metadaten
Titel
Integrierte Optoelektronik
verfasst von
Prof. Dr. Karl Joachim Ebeling
Copyright-Jahr
1989
Verlag
Springer Berlin Heidelberg
Electronic ISBN
978-3-662-07946-1
Print ISBN
978-3-540-51300-1
DOI
https://doi.org/10.1007/978-3-662-07946-1