Optoelektronik, Photonik und Sensoren

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.