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Photonik: Grundlagen, Komponenten und Systeme

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Bibliographic Details
Main Author:	Jahns, Jürgen 1953- (Author)
Format:	Book
Language:	German
Published:	München [u.a.] Oldenbourg 2001
Subjects:	Photonik
Online Access:	Inhaltsverzeichnis
Physical Description:	VIII, 429 S. Ill., graph. Darst.
ISBN:	3486254251

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adam_text	INHALTSVERZEICHNIS EINLEITUNG 1 1 WAS IST LICHT? 5 1.1 BLICK IN DIE GESCHICHTE . 5 1.2 DIE WELLENGLEICHUNG . 10 1.3 LOESUNGEN DER WELLENGLEICHUNG . 12 1.3.1 EBENE WELLE . 12 1.3.2 KUGELWELLE . 15 1.3.3 ZYLINDERWELLE . 18 1.4 DARSTELLUNG VON PHOTONEN IM WELLENBILD . 19 1.4.1 UNENDLICH AUSGEDEHNTE EBENE WELLE . 20 1.4.2 GAUSS ' SCHES WELLENPAKET . 20 1.4.3 PHOTON ALS GAUSS ' SCHES WELLENPAKET . 21 1.5 WAS IST EIN LICHTSTRAHL? . 22 1.6 WIE BEOBACHTET MAN LICHT? . 25 2 INTERFERENZ, KOHAERENZ UND POLARISATION 27 2.1 INTERFERENZ . 27 2.1.1 MATHEMATISCHE BESCHREIBUNG . 28 2.1.2 INTERFEROMETERTYPEN . 30 2.2 KOHAERENZ UND LICHTQUELLEN . 32 2.2.1 ZEITLICHE KOHAERENZ . 34 2.2.2 RAEUMLICHE KOHAERENZ . 40 2.3 POLARISATION . 43 3 STREUUNG UND BEUGUNG 49 3.1 DIPOLSTRAHLUNG . 49 3.2 STREUUNG . 51 3.3 BEUGUNG - EINE PHYSIKALISCHE DARSTELLUNG . 54 3.3.1 SPALTBEUGUNG . 56 3.3.2 GITTERBEUGUNG . 58 3.4 INKOHAERENTE ABSTRAHLUNG: LAMBERT ' SCHES STRAHLUNGSGESETZ . 60 II INHALTSVERZEICHNIS 4 BRECHUNG UND ABSORPTION 63 4.1 DIELEKTRIKA . 63 4.2 POLARISIERBARKEIT . 64 4.3 OPTISCHE EIGENSCHAFTEN ATOMARER OSZILLATOREN . 68 4.4 BRECHUNGSINDEX, ABSORPTIONSKOEFFIZIENT UND AUSBREITUNGSKONSTANTE . 69 4.5 DISPERSION . 70 4.6 BRECHUNG . 72 4.6.1 BRECHUNGSINDEX UND LICHTGESCHWINDIGKEIT . 72 4.6.2 SNELLIUS ' SCHES BRECHUNGSGESETZ . 73 4.7 TOTALREFLEXION . 75 4.8 REFLEXIONS UND TRANSMISSIONSGRAD . 77 5 LICHTAUSBREITUNG IM FREIEN RAUM 81 5.1 HELMHOLTZ-GLEICHUNG . 82 5.2 GAUSS ' SCHER STRAHL . 83 5.3 WINKELSPEKTRUM . 86 5.4 LICHTAUSBREITUNG UND WINKELSPEKTRUM . 88 5.5 KIRCHHOFF-NAEHERUNG . 91 5.6 NAHFELD UND FEMFELDBEUGUNG . 94 5.6.1 KIRCHHOFF ' SCHES BEUGUNGSINTEGRAL . 94 5.6.2 FRESNEL-BEUGUNG . 95 5.6.3 FRAUNHOFER-BEUGUNG . 98 5.7 OPTISCHE ABBILDUNG . 101 5.7.1 KOHAERENTE ABBILDUNG . 102 5.7.2 INKOHAERENTE ABBILDUNG . 103 5.7.3 ABERRATIONEN . 104 5.8 HOLOGRAPHIE . 105 5.9 QUERGEDAEMPFTE WELLEN . 106 6 LICHTAUSBREITUNG IN DIELEKTRISCHEN PLANAREN WELLENLEITERN 109 6.1 GEOMETRISCH-OPTISCHE BESCHREIBUNG . 109 6.2 BEUGUNGSOPTISCHE BESCHREIBUNG EINES PLANAREN WELLENLEITERS . 111 6.3 MODEN IN EINEM WELLENLEITER . 113 6.4 FELDVERTEILUNGEN DER MODEN IM SYMMETRISCHEN WELLENLEITER . 114 7 LICHTAUSBREITUNG IN GLASFASERN 121 7.1 EINKOPPLUNG IN EINE GLASFASER . 122 7.2 GLASFASERN MIT STUFENINDEXPROFIL . 124 7.3 GRADIENTENINDEXFASEM . 132 7.3.1 FASERN MIT KONTINUIERLICHEM BRECHZAHLVERLAUF . 132 7.3.2 OPTISCHE WEGE IN EINER GRADIENTENINDEXFASER . 133 INHALTSVERZEICHNIS III 8 GLASFASERN FUER DIE OPTISCHE UEBERTRAGUNGSTECHNIK 139 8.1 ENTWICKLUNG DER GLASFASERTECHNIK . 139 8.2 HERSTELLUNG VON GLASFASERN . 141 8.3 DAEMPFUNG . 141 8.3.1 MATERIALABSORPTION . 143 8.3.2 STREUVERLUSTE . 144 8.3.3 STRAHLUNGSVERLUSTE DURCH KRUEMMUNG DER FASER . 146 8.4 BANDBREITE FASEROPTISCHER UEBERTRAGUNGSSTRECKEN . 148 8.5 DISPERSION . 151 8.5.1 MODENDISPERSION . 152 8.5.2 MATERIALDISPERSION . 154 8.5.3 WELLENLEITERDISPERSION . 158 8.5.4 POLARISATIONSMODENDISPERSION . 158 9 MIKROOPTIK UND INTEGRIERTE OPTIK 159 9.1 VON DER MAKRO-ZUR MIKROOPTIK . 159 9.2 KLASSIFIZIERUNG MIKROOPTISCHER ELEMENTE . 160 9.3 LITHOGRAPHISCHE HERSTELLUNGSVERFAHREN . 161 9.4 RAEUMLICHE MIKROOPTIK . 162 9.4.1 REFRAKTIVE MIKROOPTIK . 162 9.4.2 DIFFRAKTIVE MIKROOPTIK . 165 9.4.3 INTEGRIERTE FREIRAUMOPTIK . 170 9.5 INTEGRIERTE WELLENLEITEROPTIK . 172 9.5.1 WELLENLEITERSTRUKTUREN . 172 9.5.2 MATERIALIEN . 173 9.5.3 GEKOPPELTE WELLENLEITER . 173 9.5.4 ELEKTROOPTISCHE MODULATOREN ALS INTEGRIERTE WELLENLEITER . . . 177 9.5.5 ANKOPPLUNG AN WELLENLEITER . 179 9.5.6 LINSEN IN WELLENLEITERN . 182 9.6 WELLENLEITER IN PHOTONISCHEN KRISTALLEN . 183 10 NICHTLINEARE OPTIK 185 10.1 PHYSIKALISCHE GRUNDLAGEN . 185 10.2 NICHTLINEARE WELLENGLEICHUNG . 186 10.3 NICHTLINEARITAET ZWEITER ORDNUNG . 188 10.3.1 FREQUENZVERDOPPELUNG . 188 10.3.2 ELEKTROOPTISCHER EFFEKT . 189 10.4 NICHTLINEARITAET DRITTER ORDNUNG . 191 10.4.1 ERZEUGUNG DER DRITTEN HARMONISCHEN . 191 10.4.2 OPTISCHER KERR-EFFEKT . 191 IV INHALTSVERZEICHNIS 10.5 ^-EFFEKTE . 192 10.5.1 SELBSTPHASENMODULATION, SELBSTFOKUSSIERUNG UND RAEUMLICHE SOLI TONEN . 192 10.5.2 ZEITLICHE SOLITONEN . 194 10.5.3 OPTISCHE BISTABILITAET . 195 10.5.4 NICHTLINEARE OPTISCHE LOGIKGATTER . 196 11 ELEKTROOPTIK UND AKUSTOOPTIK 199 11.1 GRUNDLAGEN DER ELEKTROOPTIK . 199 11.2 ELEKTROOPTISCHE BAUELEMENTE . 200 11.2.1 PHASENMODULATOREN . 201 11.2.2 INTENSITAETSMODULATOREN . 202 11.2.3 RAEUMLICHE LICHTMODULATOREN . 202 11.3 PHOTOREFRAKTIVE MATERIALIEN . 206 11.4 GRUNDLAGEN DER AKUSTOOPTIK . 209 11.5 AKUSTOOPTISCHE BAUELEMENTE . 211 11.5.1 AKUSTOOPTISCHE MODULATOREN . 211 11.5.2 AKUSTOOPTISCHE SCANNER . 213 12 LASER 215 12.1 OPTISCHE VERSTAERKUNG UND RUECKKOPPLUNG . 215 12.1.1 LASERPRINZIP . 216 12.1.2 EIGENSCHAFTEN VON LASERVERSTAERKEM . 218 12.1.3 BEISPIELE FUER LASERVERSTAERKER . . 220 12.1.4 ERBIUM-DOTIERTE FASERVERSTAERKER . .YY . 220 12.2 LASERRESONATOR . 222 12.3 LASERBETRIEB . 225 12.4 SPEKTRUM DER LASERSTRAHLUNG . 225 12.5 RAEUMLICHE VERTEILUNG DER LASERMODEN . 227 12.6 MODENSELEKTION . 228 12.6.1 TRANSVERSALE MODEN . 229 12.6.2 LONGITUDINALE MODEN . 229 12.6.3 POLARISATION . 229 12.6.4 WELLENLAENGE . 231 12.7 GEPULSTE LASER . 231 12.7.1 GEWINNSCHALTEN (GAIN SWITCHING) . 232 12.7.2 GUETESCHALTEN (Q SWITCHING) . 232 12.7.3 MODENKOPPLUNG . 233 INHALTSVERZEICHNIS V 13 HALBLEITER 237 13.1 HALBLEITERMATERIALIEN . 237 13.2 LEITUNGSMECHANISMEN . 240 13.2.1 EIGENLEITUNG . 240 13.2.2 N UND P-LEITUNG . 241 13.3 DIE BANDSTRUKTUR DER ENERGIENIVEAUS IN HALBLEITERN . 242 13.4 ENERGIEZUSTAENDE IM HALBLEITER . 247 13.5 ELEKTRON-LOCH-PAARE . 249 13.6 KONZENTRATION VON ELEKTRONEN UND LOECHERN . 249 13.7 UEBERGAENGE . 252 14 WECHSELWIRKUNG VON LICHT MIT HALBLEITERN 255 14.1 ERZEUGUNG UND REKOMBINATION VON ELEKTRON-LOCH-PAAREN . 255 14.1.1 REKOMBINATIONSPROZESSE . 256 14.1.2 REKOMBINATIONSRATEN, MASSENWIRKUNGSGESETZ . 257 14.2 INJEKTION VON LADUNGSTRAEGERN . 259 14.3 ABSORPTIONS UND EMISSIONSPROZESSE . 260 14.4 DIREKTE UND INDIREKTE HALBLEITER . 261 14.5 INTERNER QUANTENWIRKUNGSGRAD . 265 14.6 SPONTANE EMISSION, STIMULIERTE EMISSION UND ABSORPTION . 267 14.7 EINSTEIN-KOEFFIZIENTEN FUER EMISSION UND ABSORPTION . 268 14.7.1 SPONTANE EMISSION . 269 14.7.2 ABSORPTION UND STIMULIERTE EMISSION . 269 14.7.3 BEZIEHUNG ZWISCHEN DEN EINSTEIN-KOEFFIZIENTEN FUER ABSORP TION UND EMISSION . 269 14.8 EMISSION UND ABSORPTION IM HALBLEITER . 272 14.8.1 BESETZUNGSWAHRSCHEINLICHKEITEN . 272 14.8.2 DICHTE DER OPTISCHEN ZUSTAENDE . 273 14.8.3 UEBERGANGSWAHRSCHEINLICHKEITEN . 274 14.9 SPEKTRALE STRAHLUNGSCHARAKTERISTIK FUER DIE SPONTANE EMISSION . 274 15 SENDE UND EMPFANGSELEMENTE FUER DIE OPTISCHE UEBERTRAGUNGS TECHNIK 279 15.1 SENDEELEMENTE . 279 15.1.1 EMISSIONSSPEKTRUM UND AUSWAHL GEEIGNETER MATERIALIEN . . . 279 15.1.2 GRUNDLEGENDE BAUFORMEN: KANTENEMITTER UND OBERFLAECHEN EMITTER . 281 15.2 LEUCHTDIODEN . 282 15.2.1 OPTISCHE AUSGANGSLEISTUNG . 282 15.2.2 TEMPERATURVERHALTEN . 284 VI INHALTSVERZEICHNIS 15.2.3 ZEITLICHES VERHALTEN . 285 15.2.4 BAUFORMEN . 286 15.3 LASERDIODEN . 287 15.3.1 PRINZIP . 287 15.3.2 MODEN UND VERSTAERKUNG . 290 15.3.3 KENNLINIE EINER LASERDIODE . 293 15.3.4 TYPEN VON HALBLEITERLASERDIODEN . 294 15.4 EMPFANGSELEMENTE . 297 15.4.1 PHOTOLEITUNG . 297 15.4.2 PHOTODIODEN . 298 15.4.3 QUANTENWIRKUNGSGRAD UND SPEKTRALE EMPFINDLICHKEIT . 299 15.4.4 ANSPRECHZEIT . 300 15.4.5 STROM-SPANNUNGS-KENNLINIE . 301 15.4.6 P-I-N-PHOTODIODE . 302 15.4.7 AVALANCHE-PHOTODIODE . 303 15.4.8 MSM-PHOTODIODEN . 304 16 OPTISCHE UEBERTRAGUNGSTECHNIK 307 16.1 AUFBAU EINER OPTISCHEN UEBERTRAGUNGSSTRECKE . 308 16.2 SENDER . 309 16.2.1 KODIERUNG . ; . 309 16.2.2 LICHTQUELLEN . 311 16.2.3 KOPPLUNG LICHTQUELLE-FASER . 314 16.3 UEBERTRAGUNGSSTRECKE . 315 16.3.1 LEISTUNGSBILANZ FUER EINE UEBERTRAGUNGSSTRECKE . 315 16.3.2 FASER-FASER-KOPPLUNG . 319 16.4 EMPFAENGER . 322 16.4.1 DETEKTION DIGITALER SIGNALE, BITFEHLERRATE . 323 16.4.2 EMPFAENGEREMPFINDLICHKEIT . 324 16.4.3 FILTERUNG ZUR MINIMIERUNG DER INTERSYMBOL INTERFERENCE . . . 325 16.4.4 AUGENDIAGRAMM . 326 16.4.5 EINFLUSS DES RAUSCHENS AUF DIE FEHLERWAHRSCHEINLICHKEIT . . . 326 16.4.6 RAUSCHQUELLEN IN OPTISCHEN EMPFAENGERN . 329 16.5 OPTISCHER UEBERLAGERUNGSEMPFANG . 333 16.5.1 HETERODYN-EMPFANG MIT AMPLITUDENMODULATION . 335 16.5.2 HOMODYNEMPFANG MIT AMPLITUDENMODULATION . 337 16.5.3 SIGNAL-ZU-RAUSCH-VERHAELTNIS FUER HOMODYNEMPFANG UND PSK . 337 16.6 UEBERTRAGUNG MIT ERBIUM-DOTIERTEN FASERVERSTAERKEM . 338 16.6.1 SYSTEMANWENDUNGEN . 338 16.6.2 RAUSCHVERHALTEN OPTISCHER VERSTAERKER . 339 INHALTSVERZEICHNIS VII 17 OPTISCHE NETZE 343 17.1 GRUNDBEGRIFFE FUER KOMMUNIKATIONSSYSTEME . 344 17.1.1 KOMMUNIKATIONSTOPOLOGIEN . 344 17.1.2 MULTIPLEXVERFAHREN . 347 17.1.3 ZEITMULTIPLEX UND RAEUMLICHES MULTIPLEX . 348 17.1.4 WELLENLAENGENMULTIPLEX . 349 17.1.5 KODEMULTIPLEX . 350 17.2 WDM-SYSTEME . 351 17.2.1 VON BREITBAND-WDM ZU DWDM . 351 17.2.2 WDM-NETZWERKE . 351 17.2.3 WDM-KOMPONENTEN . 352 17.3 CROSSCONNECTS . 356 17.4 SIGNALREGENERATION IN OPTISCHEN NETZEN . 358 18 OPTISCHE VERBINDUNGSTECHNIK UND OPTISCHE INFORMATIONSVER ARBEITUNG 361 18.1 OPTISCHE VERBINDUNGSTECHNIK . 361 18.1.1 GRENZEN ELEKTRISCHER VERBINDUNGEN . 361 18.1.2 HIERARCHIE DER OPTISCHEN VERBINDUNGSTECHNIK . 362 18.1.3 BOARD-TO-BOARD VERBINDUNGEN . 363 18.1.4 C/ZZP-RO-C/ZZP-VERBINDUNGEN . 364 18.2 OPTISCHEINFORMATIONSVERARBEITUNG . 365 18.2.1 ANALOG-OPTISCHE INFORMATIONSVERARBEITUNG . 365 18.2.2 DIGITALE OPTISCHE INFORMATIONSVERARBEITUNG . 367 18.2.3 OPTOELEKTRONISCHE BAUELEMENTE FUER DIE OPTISCHE INFORMATIONSVER ARBEITUNG . 369 19 OPTISCHE SPEICHERTECHNIK 373 19.1 SPEICHERTECHNIK IN COMPUTERN UND BEGRIFFSBESTIMMUNGEN . 374 19.2 KLASSIFIZIERUNG OPTISCHER SPEICHER . 375 19.3 ZWEIDIMENSIONALE OPTISCHE SPEICHER . 376 19.3.1 COMPACT DISK ALS READ-ONLY SPEICHERMEDIUM . 376 19.3.2 DIGITAL VERSATILE DISK . 380 19.3.3 EINMAL BESCHREIBBARE OPTISCHE SPEICHER . . . 380 19.3.4 LOESCHBARE OPTISCHE SPEICHER . 382 19.4 MAGNETOOPTISCHE SPEICHERUNG . 383 19.5 DREIDIMENSIONALE OPTISCHE SPEICHERTECHNIK . 386 19.5.1 GRUNDLEGENDE BETRACHTUNGEN . 386 19.5.2 ZWEI-PHOTON-ABSORPTION . 387 19.5.3 HOLOGRAPHISCHE 3-D SPEICHERUNG . 387 VIII INHALTSVERZEICHNIS ANHANG 391 A FOURIER-TRANSFORMATION . 391 B LINEARE SYSTEME . 393 C METHODE DER STATIONAEREN PHASE . 395 D ZENTRALER GRENZWERTSATZ . 396 E WIENER-KHINTCHIN-THEOREM . 396 F LEISTUNGSDICHTESPEKTRUM EINER ZUFALLSFOLGE VON BINAEREN PULSEN . 397 GLOSSAR 399 SYMBOLE UND ABKUERZUNGEN 411 LITERATUR 419 INDEX 423
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