OPTOELEKTRONIK,
PHOTONIK UND
SENSOREN
SANTIAGO SILVESTRE
Ti el de A bei : Op oelek onik, Pho onik und Senso en
Au ho : San iago Sil es e
Übe se z ( on): Alena D ořáko á
Ve ö en lich ( on): České ysoké učení echnické P aze
Fakul a elek o echnická
Kon ak ad esse: Technicka 2, P ague 6, Czech Republic
Tel.: +420 224352084
D ucken: (nu elek onisch)
Anzahl de Sei en: 43
Ausgabe: 1. Ausgabe, 2017
ISBN 978-80-01-06263-0
TechPedia
Eu opean Vi ual Lea ning Pla o m o
Elec ical and In o ma ion Enginee ing
h p://www. echpedia.eu
Dieses P ojek wu de mi Un e s ü zung de
Eu opäischen Kommission inanzie . Die
Ve an wo ung ü den Inhal diese Ve ö en lichung
(Mi eilung) äg allein de Ve asse ; die
Kommission ha e nich ü die wei e e Ve wendung
de da in en hal enen Angaben.
ERLÄUTERUNG
De ini ion(en)
In e essan hei (In e essan es)
Beme kung
Beispiel
Zusammen assung
Vo eile
Nach eile
E=m·c
2
i
ZUSAMMENFASSUNG
Diese Ku s s ell eine Ein üh ung in das Gebie de Op oelek onik da . In den
Einlei ungskapi eln we den die g undlegenden Beg i e o ges ell , die die Lich ansmission
be e en. Die physikalischen Mechanismen, die einen Bezug zu den op oelek onischen
Bauelemen en besi zen, sind im ie en Kapi el besch ieben. Die wich igs en
op oelek onischen Bauelemen e we den im ün en Kapi el behandel . Kapi el 6. und 7.
besch eiben die P inzipien de op ischen Kommunika ion und die g undlegenden
Anwendungen de Op oelek onik.
ZIELE
Nach dem Du cha bei en dieses Ku ses sollen S uden en ims ande sein, die G undlagen de
Op oelek onik und die wich igen F agen be e end Lich ansmission zu e s ehen,
op oelek onische Elemen e zu un e scheiden und ih e Anwendung zu e kennen.
LITERATUR
[1] No iko , M. A. in Ahead o he Time Ch. 1, 7–31 (N. I. Lobache sky S a e Uni . o
Nizhniy No go od Publishing, 2006).
[2] Hech , Eugene (2002). Op ics. Addison-Wesley. ISBN 0-321-18878-0.
[3] Cli o d R. Pollock. Fundamen als o Op oelec onics. I win, 1995. ISBN 0256101043,
9780256101041
[4] F ench, A.P., Taylo , E.F. (1978). An In oduc ion o Quan um Physics, Van Nos and
Reinhold, London, ISBN 0-442-30770-5.
[5] Kasap S.O. Op oelec oncis and Pho onics, p inciples and p ac ices. Pea son 2013.
ISBN 978-0-273-77417-4
[6] DeWe d, L. A.; Mo an, P. R. (1978). „Solid-s a e elec opho og aphy wi h Al2O3“.
Medical Physics 5 (1): 23–26.
[7] Buck, John A. Fundamen als o Op ical Fibe s, second edi ion. John Wiley and Sons,
2004. ISBN 0-471-22191-0.
Inhal s e zeichnis
1 Einlei ung in Op oelek onik: Geschich e und G undlagen ............................................ 6
2 Op isches Spek um: Re ak ion, Re lexion, Dämp ung und Dispe sion ....................... 7
2.1 Einlei ung ................................................................................................................... 8
2.2 Op isches Spek um .................................................................................................. 10
2.3 Re ak ion, Re lexion, Dämp ung und Dispe sion ................................................... 11
3 Lich ansmission, -quellen und -de ek o en ................................................................... 14
3.1 Einlei ung ................................................................................................................. 15
3.2 Lich quellen und -de ek o en .................................................................................... 16
4 Physikalische Mechanismen: Abso p ion, Pho olei ähigkei , Pho onenemission ....... 19
4.1 Lich abso p ion ......................................................................................................... 20
4.2 Pho olei ähigkei und pho oelek ische E ek ....................................................... 22
5 Op oelek onische Bauelemen e und Senso en ............................................................... 24
5.1 Einlei ung ................................................................................................................. 25
5.2 LED .......................................................................................................................... 27
5.3 LD, Lase dioden ....................................................................................................... 30
5.4 Pho odioden .............................................................................................................. 32
5.5 Sola zellen ................................................................................................................ 33
5.6 Op ische Ve s ä ke .................................................................................................. 34
6 Fase op ik: P inzip und Klassi ika ion; Moden de op ischen S ahlung. Pho onische
K is alle ................................................................................................................................... 36
6.1 Lich wellenlei e ....................................................................................................... 37
7 Anwendungen: op ische Kommunika ion, Biopho onik, op ische Senso en,
Beleuch ung, Ene giequellen ................................................................................................. 42
7.1 Anwendungen de Op oelek onik ........................................................................... 43

6
1 Einlei ung in Op oelek onik: Geschich e
und G undlagen
Das e s e Kapi el besch eib die En wicklung de Op oelek onik und lis e
wesen liche Anwendungen, die mi diesem Be eich de Physik e bunden sind.
Op oelek onik is ein Teil des Wissenscha sbe eichs Pho onik, de sich au das
S udium und die Anwendungen de elek onischen Ge ä e bezieh , die mi Lich
in e agie en. Dazu gehö en auch Sys eme, in denen Pho onen und Elek onen
koexis ie en. Op oelek onische Bauelemen e a bei en als elek isch-op ische und
op isch-elek ische Wandle .
Nach olgend we den ausgewähl e cha ak e is ische Me kmale de En wicklung des
Be eichs Op oelek onik ange üh :
• Übe die e s e Beobach ungen de Elek oluminiszenz on SiC-K is allen ha
1907 Hen y Joseph Round (G oßb i annien) be ich e .
• Zwei Jah zehn e spä e , 1927, beobach e e Oleg Wladimi owi sch Lossew
(Russisches Kaise eich) Lich emission on in Radioemp änge n eingese z en
Zinkoxid- und Siliziumka bidk is all-Gleich ich e dioden beim
S omdu chgang [1].
• 1961 e and Ali Ja an (Bell-Labo s) den e s en Gas- ode Helium-Neon-Lase .
Ein Jah spä e e and Robe Hall Halblei e injek ionslase .
• 1962 e and Nick Holonyak (USA) die e s e p ak isch e wendba e sich ba e
LED (lich emi ie ende Diode, engl. ligh -emi ing diode).
• Die e s e Übe agungs e bindung du ch Glas ase wu de on Co ning Glass
e unden und on AT&T 1983 on New Yo k nach Washing on, D.C. mi 45
Megabi s p o Sekunde ealisie .
De zei is die Op oelek onik eine neue Zukun s echnologie. De Ma k mi
Op oelek onik s eig wel wei sei 1992 jedes Jah mi eine Zuwachs a e on 30
P ozen .
Die Op oelek onik e möglich die E zeugung, den T anspo und die Ve a bei ung
on Da en mi hohe Geschwindigkei . Die wich igs en Anwendungen de
Op oelek onik inde man im Be eich on Kommunika ion, einschließlich de
Kommunika ion mi els Lich wellenlei e n und Lase sys emen.
Op oelek onik wi d alle dings auch im All agleben angewende :
Da en e a bei ung, Kommunika ion, Un e hal ung, op ische In o ma ionssys eme,
Ausbildung, elek onische Handel, Umwel übe wachung, Gesundhei swesen und
Ve keh .
Anwendungen im mili ä ischen Sek o sind z.B. In a o bildanzeigen,
Rada sys eme, Senso en ü die Lu ah und op isch ge üh e Wa en.
E=m·c2
7
2 Op isches Spek um: Re ak ion,
Re lexion, Dämp ung und Dispe sion
In diesem Kapi el sind einige g undlegende Gleichungen ü das Ve s ändnis
wich ige Op oelek onikkonzep e da ges ell . Danach sind einige wesen liche
Mechanismen de Lich übe agung wie Re ak ion (Lich b echung), Re lexion,
Dämp ung und Dispe sion e läu e . In diesem Kapi el is auch ein wich iges
Konzep on TIR (To al e lexion, engl. o al in e nal e lec ion) de inie , das in
op ische Kommunika ion e wende wi d.
8
2.1 Einlei ung
Lich als eine elek omagne ische Welle kann mi eine Kombina ion on
zei abhängigen Vek o en E (elek isches Feld) und H (magne isches Feld)
cha ak e isie we den, die sich im Raum gemäß den on James Cle k Maxwell in
de zwei en Häl e 19. Jah hunde s einge üh en Maxwell-Gleichungen ausb ei e .
Lich kann mi els meh e e spek ale G ößen gekennzeichne we den, wie z. B.
F equenz υ:
2
ω
υπ
=, wobei ω die K eis equenz is ;
ode Wellenlänge λ: c
λυ
=, wobei c die Lich geschwindigkei im Vakuum is .
c is eine uni e sale physikalische Kons an e de Lich geschwindigkei im Vakuum
und be äg genau 299 792 458 m/s.
Übliche weise wi d de We on c = 3·108 m/s als eine gu e App oxima ion
e wende .
In jedem Medium auße Vakuum häng die Lich phasengeschwindigkei
(Geschwindigkei , bei de sich Wellengip el ode -phase beweg ) om
B echungsindex n des Übe agungsmediums wie olg ab [2]:
c
n
=, wobei n mi de olgenden Gleichung de inie we den kann:
n
ε
μ
=, wobei ε die ela i e elek ische Pe mi i i ä und μ die magne ische
Du chlässigkei des Mediums sind [3]. De B echungsindex is eine Funk ion de
Wellenlänge.
Die Beziehung zwischen Elek izi ä , Magne ismus und Lich geschwindigkei in
einem Medium we den in de olgenden Gleichung zusammenge ass :
c
ε
μ
=
Welle-Teilchen-Dualismus: Jedes elemen a e Teilchen weis Eigenscha en nich
nu on Teilchen, sonde n auch on Wellen au . Elek omagne ische S ahlung
b ei e sich im Einklang mi linea en Wellengleichungen aus, abe kann nu als
disk e e Elemen e - Pho onen - emi ie ode abso bie we den und dahe e häl
sich das Lich gleichzei ig wie eine Welle und ein Teilchen.
Die Ene gie eines Pho ons E is p opo ional zu seine F equenz υ und kann mi els
de Planck-Eins ein-Beziehung ode Planck-Gleichung be echne we den [4]:
E=m·c2
E=m·c
2
9
c
E
hh
υλ
==
wobei h die Planck-Kons an e is , h = 6,62·10–34 Js ode 4,1356·10–15 eVs.
Kons an e: hc = 1,24 eVμm.
Die ela i e Pe mi i i ä on Siliziumdioxid SiO2 be äg ε = 3,9 und die ela i e
magne ische Du chlässigkei on SiO2 be äg μ = 0,53. Be echnen Sie den
B echungsindex on SiO2.
LÖSUNG(EN)
De B echungsindex on Siliziumdioxid SiO2 is : 1.4377
n
εμ
==
16
3.2 Lich quellen und -de ek o en
LED: lich emi ie ende Diode, ligh -emi ing diode.
Lich quellen we den zum Gene ie en on Eingangssignalen de Sys eme de
op ischen Kommunika ion e wende . Die op ischen Kommunika ionssys eme
e wenden o Halblei e -Lich quellen, wie z. B. LED (lich emi ie ende Dioden,
engl. ligh -emi ing diode) und Halblei e -LD (Lase dioden, engl. lase diode).
LASER: Lich -Ve s ä kung du ch s imulie e Emission on S ahlung, engl. Ligh
Ampli ica ion by S imula ed Emission o Radia ion
Diese op ischen Halblei e bauelemen e bie en hohe E izienz und Zu e lässigkei .
Übe dies e möglichen sie eine genaue Auswahl des Wellenlängenbe eichs und de
auss ahlenden Regionen, die mi den Abmessungen de Lich wellenlei e ke ne
kompa ibel sind. Die olgende Tabelle ass die wesen lichen Cha ak e is iken und
S uk u en on LED und LD zusammen, die in op ischen
Kommunika ionssys emen mi Lich wellenlei e n eingese z we den.
Op ische
Halblei e quellen Cha ak e is ik S uk u en
LED
Die in de op ischen
Kommunika ion
e wende en LED
müssen hohe
S ahldich e (spezi ische
In ensi ä ), schnelle
Reak ionszei und hohe
Quan enausbeu e (QE)
haben.
Ebene, kuppel ö mige,
kan en- ode
obe lächenemi ie ende
LED.
LD
Die in de op ischen
Kommunika ion
e wende en LD sollen
ein kohä en es Lich ,
schmale S ahlb ei e und
hohe Ausgangsleis ung
haben.
Spon ane Emission.
S imulie e Emission.
Au dem Ende des op ischen Kommunika ionssys ems we den op ische Senso en
(Lich de ek o en) e wende , um die übe agene In o ma ion wiede he zus ellen
und in ein elek isches Signal mi els des pho oelek ischen E ek es wiede
umzuwandeln. Die Rolle des Pho ode ek o s is die Wiede he s ellung on Da en,
die mi els des Lich wellenlei e -Kommunika ionssys ems übe agen wu den.
E=m·c2
E=m·c2

17
Pho ode ek o en sind op oelek onische Bauelemen e, die die Ein alls ahlung
(Lich ) in ein elek isches Signal umwandeln, wie z. B. Spannung ode S om.
Lich de ek o en ode Pho ode ek o en bes ehen übliche weise aus PD
(Pho odiode), pho olei enden De ek o en und Pho o ansis o en. Die
pho olei enden De ek o en haben die ein achs e S uk u on Lich de ek o en und
en s ehen du ch Ve bindung on zwei Me allelek oden und einem
Halblei e ma e ial. Die Lei ähigkei des Halblei e s s eig , wenn einige
Ein allpho onen in den Halblei e abso bie we den. In olgedessen s eig de
ex e ne S om, wenn Spannung an Elek oden anlieg . Ein spezi ische Typ on
Pho ode ek o en sind Sola zellen, die in pho o ol aischen
Sola ene giegewinnungssys emen, nich in Kommunika ionssys emen e wende
we den.
Pho odioden sind Halblei e dioden, die als ein Pho ode ek o unk ionie en. Es
handel sich um einen p-n-Übe gang ode eine p-i-n-S uk u . Wenn ein Pho on mi
eine aus eichenden Ene gie au die Diode au i , wi d ein Elek on ange eg , de
zu einem mobilen Elek on wi d, und zugleich en s eh eine posi i geladene
Elek onen ehls elle.
Pho o ansis o en sind Bipola ansis o en (BJT, engl. bipola junc ion ansis o ),
die als Pho ode ek o en a bei en und auch Pho os om e s ä kung bie en. Diese
Bauelemen e sind Halblei e -Lich senso en und we den on einem G und ansis o
mi einem anspa en en Deckel gebilde .
E=m·c
2
E=m·c
2
E=m·c2
18
Op ische
Halblei e de ek o en Cha ak e is ik Beispiele on S uk u en
Pho odioden Au p-n-Übe gang
basie .
p-n- ode p-i-n-Dioden.
Lawinenpho odioden (APD,
A alanche-Pho odioden, engl.
a alanche pho odiode). He e oübe gang-
Pho odioden.
Scho ky-Übe gang
Du ch Ve bindung
eines n-Halblei e s mi
einem Me all ges al e .
Scho ky-Kon ak e.
Sola zellen
Sola zellen wandeln
die Ene gie de
ein allenden
Auss ahlung in
elek ische Ene gie.
cSi (k is allinisches Silizium) und a-Si:H
(amo phes Silizium). HiT (Sola zelle mi
eine in insischen He e oübe gang-
Dünnschich ). GaAs.
Pho o ansis o en
Lich emp indliche
T ansis o en. Sie
e s ä ken die
Ve ände ungen des
ein allenden Lich s.
n-p-n-BJT
p-n-p-BJT
Pho olei ende
De ek o en
Ve ände nde
Lei ähigkei wegen
Lich abso p ion.
Pho owide s and (LDR, engl. ligh -
dependen esis o ). PbS IR (in a o e
De ek o en mi Bleisul id). PbSe IR
(in a o e De ek o en mi Bleiselenid).
19
4 Physikalische Mechanismen: Abso p ion,
Pho olei ähigkei , Pho onenemission
In diesem Kapi el we den die g undlegenden physikalischen Mechanismen, die die
E ek e de Ene gieumwandlung in Halblei e ma e ialien be e en, o ges ell .
20
4.1 Lich abso p ion
Wenn sich Lich du ch ein Ma e ial ausb ei e , wi d ein Teil de Pho onenene gie
in ande e Ene gie o men (z. B. Wä me) umgewandel . Diese e lo ene Ene gie
wi d in dem Ma e ial abso bie . Die Elek onen on A omen können in einen
höhe en ene ge ischen Zus and übe gehen und om VB (Valenzband) in
Lei ungsband du ch Abso p ion de Pho onenene gie ange eg we den. Dabei
we den Paa e e–-h+ (Elek on-Loch) e zeug .
De wich igs e P ozess de Lich abso p ion in einem Halblei e is das En s ehen
on diesen Paa en e–-h+. Jedes abso bie e Pho on e u sach einen Übe gang om
Valenzband in Lei ungsband. Ein Pho on wi d om Halblei e abso bie , alls die
Ene gie des Pho ons höhe als Bandlücke des Ma e ials Eg is .
Die Bandlücke Eg bezieh sich au den Un e schied de Ene gie in eV
(Elek onen ol ) zwischen dem obe en Teil des Valenzbands und dem un e en Teil
des Lei ungsbands in Isola o en und Halblei e n. Die Elek onena ini ä eines
Halblei e s χ is die B ei e des Lei ungsbands eV. Die Fe mi-Ene gie EF gib die
höchs e Ene gie an, die bei 0 K bese z we den kann. Die Ene gien obe halb EF sind
lee bis zu Vakuumebene.
Eg = Ec – E
wo Ec und E die Ene gien des obe en Teils des Valenzbands und des un e en Teils
des Lei ungsbands sind. Das Bild 6 zeig den Abso p ionsmechanismus und das
Schema des Ene giebands.
Bild 6: Schema des Ene giebands und Abso p ionsmechanismus.
E=m·c
2
21
Typische Eigenscha en einige Halblei e bei 300 K
Halblei e Eg (eV) χ(eV)
Silizium: Si 1,11 4,05
Galliuma senid: GaAs 1,42 4,07
Ge manium: Ge 0,66 4,13
Indiumphosphid: InP 1,35 4,5
Galliumphosphid: GaP 2,26 3,8
Fü jede Wellenlänge λ eines ein allenden Lich s ahls Io, de du ch ein Ma e ial
du chgeh , wi d die In ensi ä des Lich s ahls I mi els S euungs- und
Abso p ionsmechanismen gedämp . Das Lambe sche Gese z de inie die
Übe agung und Abso p ion wie olg :
I = Io·e–αL
wobei α Abso p ionskoe izien is ; α (m-1) is eine Funk ion on λ.

22
4.2 Pho olei ähigkei und pho oelek ische
E ek
Pho olei ähigkei is ein op oelek onisches E eignis, in dem ein Ma e ial wegen
de Abso p ion de elek omagne ischen S ahlung, wie Lich , elek isch lei ähige
wi d.
Pho oelek ische E ek : Viele Me alle emi ie en Elek onen, wenn Lich au sie
au äll . Falls bei de Pho oemission ein Elek on in einem Ma e ial die Ene gie
eines Pho ons abso bie und meh Ene gie als Aus i sa bei des Ma e ials e wi b ,
wi d es he ausgelös .
Albe Eins ein e hiel 1921 den Nobelp eis ü seine Fo schung im Be eich des
pho oelek ischen E ek s. Die ü das Auslösen eines Elek ons on einem Ma e ial
benö ig e Ene gie wi d Aus i sa bei des Me alls ϕ genann .
Pho onenemission: Wenn ein Elek on au eine nied ige e Ene gieebene äll und
ein Loch i , se z es Ene gie in de Fo m eines Pho ons ei. Die Wellenlänge des
Lich s häng on de Bandlücke des Halblei e ma e ials ab. Das Lich wi d als das
Viel ache eine gewissen Mindes ene gieeinhei emi ie . Die G öße diese Einhei
is die Pho onenene gie.
Bild 7: Pho onenemission.
E=m·c
2
E=m·c
2
E=m·c
2
23
Die Pho onenene gie gleich
λ
υ
c
hhE == , wobei c die Lich geschwindigkei im
Vakuum is .
Be echnen Sie den Be eich de Wellenlängen, die on Ge manium (Ge) nich
abso bie we den, un e Be ücksich igung de Bandlücke on Ge = 0,66 eV.
LÖSUNG(EN)
Die Lich abso p ion in einem Halblei e bilde Paa e e–-h+, wenn die Ene gie de
ein allenden Pho onen g öße als die Bandlücke des Ma e ials Eg is . Fü die
Abso p ion on Pho onen be äg die Mindes ene gie ü Ge:
Eg(Ge) 0,66 eV
c
Eh
λ
=> = . Dahe we den die Pho onen mi den Wellenlängen
Eg(Ge)
c
h
λ
< om Halblei e abso bie .
Un e Be ücksich igung on hc = 1,24 eVμm, be äg de Höchs we de
Pho onen-Wellenlänge ü s Gene ie en on Paa en e–-h+ in Ge λ < 1878 nm.
Alle physikalischen E ek e, die in diesem Kapi el besch ieben sind, haben eine
spezi ische Anwendung in op oelek onischen Technologien sowie in wei e en
e wand en physikalischen Wissenscha en.
24
5 Op oelek onische Bauelemen e und
Senso en
Dieses Kapi el besch eib die wich igs en op oelek onischen Bauelemen e und
Senso en in den Anwendungen de Pho onik. Es sind auch einige g undlegende
Konzep e de Halblei e physik e läu e , so dass die in e nen Cha ak e is iken und
das Ve hal en diese Bauelemen e, o allem di ek e Umwandlung zwischen
Elek onen und Pho onen, ich ig e s anden we den können.
25
5.1 Einlei ung
Op oelek onische Bauelemen e und Lich senso en we den mi els
Halblei e ma e ialien he ges ell .
De We de elek ischen Lei ähigkei eines Halblei e ma e ials lieg zwischen
dem We eines Lei e s, wie Kup e , und eines Isola o s, wie Glas.
Die elek ische Lei ähigkei eines Halblei e ma e ials s eig mi de s eigenden
Tempe a u . Dahe e häl sie sich umgekeh im Ve gleich zum Me all. De zei is
Si (Silizium, engl. silicon) de in elek onischen Anwendungen meis angewand e
Halblei e . Eigenhalblei e , in insische Halblei e ode I-Halblei e sind eine
Halblei e ohne jede Do ie s o e da in (undo ie , engl. undoped). Die Anzahl on
Ladungs äge n, Elek onen und Löche , wi d dahe on den Eigenscha en des
Ma e ials an sich bes imm . In einem Eigenhalblei e be äg die Anzahl on
ange eg en Elek onen und die Anzahl on Löche n:
n = p = ni (T äge /cm3), de We on ni häng on de Lücke des Halblei e s Eg ab
und ände sich mi Tempe a u wie olg :
Eg
2
3/2 B
kT
i
nATe
−
=
wobei T die Tempe a u in K, kB die Bol zmann-Kons an e: kB = 8,62·10–5 eV/K
und A eine Kons an e sind.
Die Halblei e bauelemen e können eine Reihe on nü zlichen Eigenscha en haben,
wie zum Beispiel S om luss ein ache in eine Rich ung als in de ande en,
e ände liche Wide s and und Emp indlichkei gegen Lich ode Wä me. Wenn
man einen k is allischen Eigenhalblei e n spezi ische F emds o e beimisch ,
we den S ö s ellenhalblei e gescha en: Es handel sich um Halblei e , in denen die
Konzen a ion eines T äge yps, Elek on ode Loch, iel höhe als die
Konzen a ion des ande en Typs is . Wenn die Konzen a ion on Elek onen
g öße als die Konzen a ion on Löche n is , we den die Halblei e n-Halblei e
genann . Wenn im Gegensa z dazu die Dich e de Löche iel höhe als die Dich e
de Elek onen is , handel sich es um p-Halblei e .
Einige in diesem Kapi el besch iebene Senso en und Bauelemen e be uhen au
P inzipien eines p-n-Übe gangs.
Ein p-n-Übe gang is eine Schni s elle zwischen zwei Typen des
Halblei e ma e ials, p- und n-Halblei e , in einem einzigen Halblei e k is all.
Dioden sind Halblei e bauelemen e, die on einem Halblei e ma e ial mi dem p-n-
Übe gang zu zwei elek ischen Zulei ungen gescha en sind.
E=m·c2
E=m·c
2
32
5.4 Pho odioden
Pho odioden sind Halblei e bauelemen e, die Lich in elek ischen S om
umwandeln. De S om wi d gene ie , alls Pho onen in de Pho odiode abso bie
we den. Pho odioden we den als p-n-Übe gänge ode p-i-n-S uk u en kons uie .
Wenn ein Pho on mi eine aus eichenden Ene gie die Diode i , wi d ein
Elek on ange eg und dami ein mobiles Elek on und eine posi i geladene
Elek onde ek s elle gene ie .
Bild 11: Pho odiode.
E=m·c2

33
5.5 Sola zellen
Eine Sola zelle is ein pho o ol aisches Ge ä , das die ein allende S ahlung in
elek ische Ene gie umwandel .
Halblei e basie e Sola zellen können p-n-, He e o- ode Mul iübe gänge besi zen.
Die wich igs en Halblei e , die bei de He s ellung on Sola zellen angewand
we den, sind Si und GaAs.
Die E izienz on Sola zellen wi d on de Beziehung zwischen de elek ischen
Höchs leis ung und de gesam en ein allenden Leis ung des Lich s gegeben.
Vm Im
GA
η
=
Dabei sind Vm und Im Koo dina en des Höchs leis ungspunk s (MPP, engl.
Maximum Powe Poin ) am Ausgang des Bau eiles, G Bes ahlung (W/m2) und A
ak i e Obe läche des Bau eiles.
Die Sola zellen au de Basis des k is allinischen Siliziums haben eine E izienz
on bis 25 % und die Sola zellen mi Mul iübe gängen, die mi einem
„konzen ie en“ Lich a bei en, können die E izienz on 43,5 % e zielen.
Die E izienz on Sola zellen sowie Haup pa ame e diese Ge ä e we den on
He s elle n als STC (s anda dmäßige A bei sbedingungen, s anda d condi ions o
wo k) ange üh : Spek um AM1.5, G = 1000 W/m2 und T = 25 ºC.
Um pho o ol aische Module zu scha en, we den Sola zellen in Se ien e bunden.
Ein pho o ol aisches Modul beinhal e eine ode meh pa allele Ve bindungen.
E=m·c2
34
5.6 Op ische Ve s ä ke
Um ein Signal übe g oße En e nungen (>100 km) zu übe agen, müssen die
Dämp ungs e lus e im Lich wellenlei e (im op ischen Übe agungskanal)
ausgeglichen we den. Diese Au gabe wi d on op ischen Ve s ä ke n e üll .
Ein ypische Lich wellenlei e ha au de Wellenlänge on 1,5 µm einen Ve lus
on e wa 0,2 dB/km. Es bes eh die Möglichkei , das op ische Signal in ein
elek isches umzuwandeln, kon en ionelle elek ische Ve s ä ke ü die
Kompensa ion de Übe agungs e lus e zu e wenden und nach olgend dieses
Signal zu ück in ein op isches Signal umzuwandeln. Diese Umwandlungen des
Signals o de n jedoch eine au wendige und seh schnelle Elek onik.
Ein op ische Ve s ä ke e s ä k di ek das op ische Signal, ohne dass es in ein
elek isches Signal zue s umgewandel we den muss.
Bild 12: Schema des op ischen Ve s ä ke s.
Die wesen lichen Cha ak e is iken de op ischen Ve s ä ke sind die Ve s ä kung
(dB), A bei s equenzbe eich ode Bandb ei e (BW, engl. bandwid h),
Ve s ä kungssä igung: Höchs ausgangsleis ung und Ausgangsge äuschpegel. Die
Ve s ä kung is mi de olgenden Gleichung de inie :
Po
GPi
=, wobei Po und Pi Aus- und Eingangsleis ung sind.
Es gib d ei Haup ypen on op ischen Ve s ä ke n: EDFA (E bium-do ie e
Fase e s ä ke , engl. e bium-doped ib e ampli ie ), SOA
(Halblei e lase e s ä ke , engl. semiconduc o op ical ampli ie ) und Raman-
E=m·c
2
35
Ve s ä ke . Bei EDFA is das e s ä kende Medium ein mi E biumionen do ie e
Glas-Lich wellenlei e , die in den Zus and de Bese zungsin e sion du ch einen
gesonde en op ischen Eingang op isch gepump we den. SOA we den mi dem
elek ischen S om gepump und das Ve s ä kungsmedium scha en nich do ie e
Halblei e . Diese op ischen Ve s ä ke sind wegen ih e nied igen P eise und ih e
be iedigenden Ve s ä kung übe ku ze En e nungen ü lokale Ne zwe ke seh
nü zlich.
In Raman-Ve s ä ke n is die Ve s ä kung au Raman-S euung (SRS, engl.
s imula ed Raman sca e ing) basie . Die Raman-S euung is ein P ozess, in dem
das Lich in Molekülen on eine nied ige en Wellenlänge in eine höhe e
Wellenlänge ges eu wi d.
Einige Typen on
op ischen Ve s ä ke n Cha ak e is ik Nach eile
SOA
(Halblei e e s ä ke )
400 – 2000 nm
Ähnlich wie
Halblei e lase .
B ei es
Übe agungsband und
hohe Ve s ä kung.
Hohes Ge äusch und
Nebensp echen.
Mi Sel enen E den
do ie e Fase e s ä ke
E bium – EDFA
1500 nm
P aseodym – PDFA
1300 nm
Die Ve s ä kung wi d
du ch eine s imulie e
Emission de S ahlung
e ziel .
Die Ve s ä kung häng
on de F equenz und
In ensi ä des S ahls ab.
Ziemlich g oße Ge ä e.
Nebensp echen und
Ve s ä kungssä igung.
Spon ane
Ge äuschemission.
Raman- und B illouin-
Ve s ä ke
Keine
Bese zungsin e sion
e o de lich.
Das gepump e und das
e s ä k e Signal
e olgen in
un e schiedlichen
Wellenlängen.
Hohe Au wand.
36
6 Fase op ik: P inzip und Klassi ika ion;
Moden de op ischen S ahlung.
Pho onische K is alle
Zu zei s ellen Lich wellenlei e den meis e wende en Kommunika ionskanal in
de op ischen Kommunika ion da . In diesem Kapi el sind die g undlegenden
Cha ak e is iken de Lich wellenlei e o ges ell , um die Vo eile de
Lich wellenlei e im Ve gleich zu kon en ionelle en Kommunika ionskanälen bei
Da enübe agung zu zeigen. Zu diesen Anwendungen gehö en zum Beispiel
Backbone-In as uk u en, E he ne -Sys eme, B ei band e eilung und
hochwe ige Da enne ze.
37
6.1 Lich wellenlei e
Ein Lich wellenlei e is eine lexible anspa en e Fase aus Glas (Silizium) ode
Kuns s o , ein bisschen dicke als ein Menschenhaa . Lich wellenlei e we den
meis ens als Lich übe agungsmedium e wende und o in Telekommunika ion
angewand .
Lich wellenlei e we den als op ische Kommunika ionskanäle wegen ih e g oßen
Bandb ei e, Da enübe agungs a en (Gbps) und hohen Übe agungskapazi ä en
e wende . Tausenden on In o ma ionskanälen können in einem Lich wellenlei e
zusammen mul iplex we den. Übe dies sind Lich wellenlei e du ch eine seh
nied ige Dämp ung on e wa 0,2 dB/km und einen ziemlich nied igen inanziellen
Au wand cha ak e isie . Diese Cha ak e is iken sind de G und eines hohen
In e esses im Be eich de op ischen Kommunika ion übe g oße En e nungen.
Au dem Bild 13 is die S uk u eines Lich wellenlei e s angezeig . Die dünne
Glasmi e de Fase , du ch die sich das Lich ausb ei e , wi d Ke n genann . Das
äuße e op ische Ma e ial um den Ke n, das das Lich zu ück in den Ke n e lek ie ,
wi d Man el genann . Die äuße e Schu zbeschich ung ode Hülle schü z die
op ische Obe läche.
Bild 13: Lich wellenlei e .
Ein Lich wellenlei e ha eine mi le e Schich (Ke n), die einen höhe en
B echungsindex n1 als B echungsindex n2 de umhüllenden Schich (Man el) ha .
Falls das Lich au die Schni s elle un e einem Winkel au äll , de g öße als de
E=m·c2

38
k i ische Winkel φ1c is (siehe Abschni 2.3), wi d es du ch das zwei e Medium
nich du chgehen und wi d zu ück in den Ke n wegen TIR-E ek es e lek ie .
Ein Lich wellenlei e ha einen Ke n aus einem Si mi B echungsindexen:
n = 5,57 ü die Wellenlänge on 0,4 µm und n = 3,78 ü die Wellenlänge on
0,7 µm.
Be echnen Sie die Zei , die das Lich de beiden Wellenlängen zum Zu ücklegen
on 2 km dieses Lich wellenlei e s b auch .
LÖSUNG(EN)
Die Geschwindigkei des Lich s on un e schiedlichen Wellenlängen im Ke n wi d
sich wegen un e schiedliche We e de B echungsindexe ü diese Wellenlängen
un e scheiden. Diese Geschwindigkei wi d wie olg de inie : c
n
=.
Im e s en Sch i müssen wi Geschwindigkei en ü jede Wellenlänge be echnen:
81
71
1
310ms
(0,4μm) 5,39 10 ms
(0,4 μm) 5,57
c
n
λ
−
−
⋅
== = =⋅
8
171
2
310
(0,7μm) ms 7,94 10 ms
(0,7 μm) 3,78
c
n
λ
−−
⋅
== = =⋅
Wei e be echnen wi die Zei des Zu ücklegens de op ischen S ecke on zwei
Kilome e n:
17
2000 37,1μs
5,39 10
x
s
== =
⋅
27
2000 s25,2μs
7,94 10
x
== =
⋅
Mul imode ase n sind Fase n, die meh als eine Mode de op ischen S ahlung ü
eine gewisse Wellenlänge übe agen können. Einige Fase n haben einen seh
kleinen Du chmesse des Ke ns und können nu eine Mode übe agen - dann
handel es sich um eine Monomode ase , in de das Signal ge adlinig in de Mi e
des Ke n ge üh wi d. Um die Welle du ch den Wellenlei e zu übe agen, muss
die kons uk i e In e e enz e wende we den. Dann in e e ie en alle S ahlen
mi einande . Nu einige Winkel sind zulässig. Jede zulässige Winkel s ell eine
Mode de op ischen S ahlung da .
De maximale Akzep anzwinkel eine Fase de inie den Kegel, de das in die
Fase eingehende Lich bes imm . Das Lich wi d sich in de Fase in e schiedenen
Moden ausb ei en. Eine Häl e des Winkels dieses Kegels is de Akzep anzwinkel
φmax, de nu on den B echungsindexen abgelei e wi d. De Pa ame e NA
(nume ische Ape u ) de Fase is on de olgenden Gleichung de inie :
22
12
sin( max)NA n n n
ϕ
=⋅ = −
wo n B echungsindex is , in dem sich das Lich ausb ei e , be o es in den
Lich wellenlei e eingeh .
39
Bild 14: Moden de op ischen S ahlung und Akzep anzwinkel.
Die Anzahl de Moden de op ischen S ahlung M häng on den Pa ame e n
des Lich wellenlei e s wie olg ab:
2
2
V
M=, wobei V die no mie e F equenz ode die V-Numme is , die du ch die
olgende Gleichung de inie is :
22
12
2a
Vnn
π
λ
=−, wobei 2a de Ke ndu chmesse is .
Falls V < 2,495, b ei e sich im Lich wellenlei e nu eine g undlegende Mode
(Monomode ase , engl. single-mode ib e) aus. Die We e V > 2,495
cha ak e isie en Mul imode ase n.
Die g öß en Übe agungs e lus e im Lich wellenlei e sind mi Abso p ion und
S euung e bunden. Die Rayleigh-S euung wegen mik oskopische
Un egelmäßigkei en im Lich wellenlei e is eine in insische Quelle de Ve lus e.
Die Abso p ion wi d du ch Anwesenhei on Un einhei en im Ma e ial des
Lich wellenlei e s e u sach . In Lich wellenlei e n aus Silizium (SiO2) gib es d ei
g undlegende Dämp ungsspi zen wegen Abso p ion, die on OH--Ionen in de
Wellenlänge on 1050 nm, 1250 nm und 1380 nm e u sach wi d.
Eine ande e Quelle de Ve lus e is die Biegung des Lich wellenlei e s. Ein Teil de
S ahlung wi d do e lo en, wo de Lich wellenlei e gebogen is . Die Höhe des
Ve lus es häng on dem Biege adius ab. Falls de Biege adius ähnlich wie de
Du chmesse D des Lich wellenlei e s einschließlich des Man els is , handel es
sich um Mik obiegung, wobei Biegungen mi einem Biege adius höhe als D
Mak obiegung genann we den. Typische weise en s ehen Mak obiegungen, wenn
ein Lich wellenlei e bei de Ins alla ion de Fase e bindung gebogen wi d, wie
zum Beispiel beim K ümmen de Fase n um die Ecke. Im Gegen eil dazu we den
Mik obiegungen du ch He s ellungs ehle e u sach , die zu Ve ände ungen de
Geome ie des Lich wellenlei e s au kleine En e nungen üh en können.
E=m·c2
40
Typen on Lich wellenlei e n Cha ak e is ik
Kuns s o lei e Ve lus e on e wa 102 dB/km
Seh lexibel, billig, leich
Wei e e Glas ase n
Ma e ialien: Chalkogenide,
Fluo oalumina e
In Kommunika ion au lange
Wellenlängen anwendba
Silizium (SiO2)
Sie können ex em ein sein und
danach do ie we den, um die
e wünsch e T äge konzen a ion zu
e zielen.
Nied ige Ve lus e und Dispe sion bei
λ = 1,55 μm
Zwei Fase n können kombinie we den, alls sie eines kompa iblen Typs sind. Die
Fase n müssen genau mi einande ausge ich e sein, passende NA haben und die
Enden de Fase n müssen in nächs e Nähe sein.
Ve gleich de Lich wellenlei e , Koaxialkabel und Kabel mi e d ill en Ade npaa en.
Vo eile Nach eile
Von de elek omagne ischen
In e e enz nich be o en. Hohe Ins alla ionskos en.
Nied ige e Dämp ung als bei
Koaxialkabeln und Kabeln mi
e d ill en Ade npaa en. Sende mi
eine nied ige en Leis ung können
e wende we den.
Punk -zu-Punk -
Kommunika ionssys eme.
Kein Schu z ü E dung und Spannung
e o de lich.
Ve bindung und Spleißen de Fase n
is nich ein ach. Zu ügen on
wei e en Kno en is p oblema isch.
Hohe Siche hei des Signals, weil
keine Ene gie ausges ahl wi d, die
on eine An enne ode De ek o
e kann we den kann.
Ze b echliche als Koaxialkabel.
Hohe Bandb ei e. Teu e Repa a u en und Wa ung.
Pho onische K is alle sind küns liche meh dimensionale pe iodische S uk u en,
wobei die En e nung zwischen den pe iodischen Wiede holungen in de
G ößeno dnung de op ischen Wellenlängen is . Diese Ma e ialien haben eine
gewisse S uk u , um eine pe iodische Modula ion des B echungsindexes zu haben.
Man kann auch Lich wellenlei e mi els pho onische K is alle he s ellen. In diesen
Lei e n sind sowohl de Ke n als auch de Man el aus demselben Ma e ial
E=m·c
2
41
gescha en, übliche weise aus Silizium. Ein de Be eiche (Ke n ode Man el) ha
Lu löche und de ande e is aus einem Fes s o . Die Anwesenhei de Lu löche
in einem Be eich, z. B. Man el, üh zu einem e izien en B echungsindex, de
kleine als de Index im es en Ke n is .
Mi els pho onische K is alle kann auch die spon ane Emission gedämp we den.