Integrierte Optoelektronik: Wellenleiteroptik, Photonik, Halbleiter
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| Format: | Book |
| Language: | German |
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Berlin ; Heidelberg ; New York ; London ; Paris ; Tokyo ; Hong Kong ; Barcelona ; Budapest
Springer
1992
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INHALTSUEBERSICHT
1
HALBLEITERKRISTALLE L
1.1 MATERIALIEN
1
1.2 KRISTALLSTRUKTUR 2
1.3 KUBISCHE GITTER
4
1.4 KRISTALLRICHTUNGEN UND KRISTALLEBENEN 5
1.5 DIAMANT- UND ZINKBLENDESTRUKTUR 7
1.6 ENERGIEBAENDER 10
1.7 MISCHUNGSHALBLEITER 12
2
AUSBREITUNG ELEKTROMAGNETISCHER WELLEN 19
2.1 MAXWELLSCHE GLEICHUNGEN
19
2.2 WELLENGLEICHUNG 22
2.3 ENERGIEFLUSS IN ELEKTROMAGNETISCHEN FELDERN 24
2.4 EBENE WELLEN 26
2.5 RANDBEDINGUNGEN 30
2.6 REFLEXION BEI SENKRECHTEM EINFALL 32
2.7 SCHRAEGER EINFALL: TE-WELLEN 34
2.8 TOTALREFLEXION: TE-WELLEN 36
2.9 SCHRAEGER EINFALL: TM-WELLEN
39
2.10 TOTALREFLEXION: TM-WELLEN 41
2.11 ABSORPTION IN ALGAAS UND INGAASP 42
2.12 BRECHUNGSINDEX IN ALGAAS UND INGAASP 45
3
PLANARE FILMWELLENLEITER 49
3.1 WELLENLEITERSTRUKTUR 49
3.2 DISKRETE NATUR GEFUEHRTER WELLEN 50
3.3 AUSBREITUNGSKONSTANTEN VON FILMWELLEN 53
3.4 FELDVERTEILUNG IM PLANAREN WELLENLEITER 56
3.4.1 GEFUEHRTE TE-FILMWELLEN 58
3.4.2 SUBSTRATMODEN 60
3.4.3 RAUMWELLEN 61
3.5 GRENZFLAECHENDEFORMATIONEN 62
3.5.1 BEUGUNG AN EINER DEFORMIERTEN GRENZFLAECHE 63
3.5.2 WELLENLEITER MIT SINUSFOERMIG GEWELLTER GRENZFLAECHE 66
3.5.3 DAEMPFUNG DURCH STREUUNG AN GRENZFLAECHEN 68
3.5.4 DAEMPFUNG DURCH WELLENLEITERKRUEMMUNGEN 69
3.6 GRADIENTENFILME
71
BIBLIOGRAFISCHE INFORMATIONEN
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VI N
4 STREIFENWELLENLEITER
75
4.1 RECHTECKFOERMIGE WELLENLEITER 76
4.1.1 WELLENFUEHRUNG IM ZICK-ZACK-MODELL 76
4.1.2 FELDVERTEILUNG IM RECHTECKFOERMIGEN WELLENLEITER 77
4.1.3 BEISPIELE FUER RECHTECKFOERMIGE STREIFENWELLENLEITER 80
4.2 WELLENFUEHRUNG DURCH HOEHENPROFILE 83
4.2.1 REFLEXION UND BRECHUNG VON FILMWELLEN 83
4.2.2 RIPPENWELLENLEITER UND EFFEKTIV-INDEX-METHODE 84
4.2.3 STREIFENBELASTETE FILMWELLENLEITER 86
4.3 THEORIE ALLGEMEINER DIELEKTRISCHER WELLENLEITER 88
4.3.1 TRANSVERSALE UND LONGITUDINALE FELDER 89
4.3.2 PHASENBEZIEHUNGEN ZWISCHEN DEN FELDKOMPONENTEN 90
4.3.3 LEISTUNGSFLUFI, ENERGIE UND GRUPPENGESCHWINDIGKEIT 91
4.3.4 PHASENGESCHWINDIGKEIT 93
4.3.5 PHASENMODULATION 94
4.4 MODEN GRJ
4.4.1 REZIPROZITAETSTHEOREM 9G
4.4.2 ORTHOGONALITAET 97
4.4.3 NORMIERUNG GG
4.4.4 FELDENTWICKLUNG NACH EIGENWELLEN 99
4.4.5 ORTSABHAENGIGKEIT DER ENTWICKLUNGSKOEFFIZIENTEN 101
4.4.6 LEISTUNG 202
4.5 UEBERGAENGE 202
4.5.1 STIRNSEITIGE EINKOPPLUNG 493
4.5.2 WELLENLEITERKNICKE UND RUNDUNGEN 104
4.5.3 QUERSCHNITTSAENDERUNGEN UND TAPER 106
5 KOPPLUNG VON MODEN
109
5.1 BEHANDLUNG GEKOPPELTER MODEN 209
5.1.1 KODIREKTIONALE KOPPLUNG 210
5.1.2 KONTRADIREKTIONALE KOPPLUNG 211
5.1.3 FILTER U2
5.2 THEORIE DER MODENKOPPLUNG 214
5.2.1 REZIPROZITAET BEI VORHANDENSEIN VON QUELLEN 115
5.2.2 DIFFERENTIALGLEICHUNGEN FUER DIE ENTWICKLUNGSKOEFFIZIENTEN 115
5.2.3 QUELLENVERTEILUNGEN
5.2.4 KOPPELKOEFFIZIENTEN FUER SKALARE STOERUNGEN H7
5.2.5 SYNCHRONISATION
5.2.6 STREUUNG AN PERIODISCHEN STOERUNGEN 221
5.2.7 STREUUNG AN ULTRASCHALLWELLEN 223
5.3 MODENKOPPLUNG IN ANISOTROPEN MEDIEN 225
5.3.1 LICHTAUSJBREITUNG UND INDIKATRIX 226
5.3.2 DER LINEARE ELEKTROOPTISCHE EFFEKT 227
5.3.3 SPEZIALFAELLE ELEKTROOPTISCH INDUZIERTER ANISOTROPIE 129
IX
5.3.4 ELEKTROOPTISCHER UND DIELEKTRISCHER TENSOR 133
5.3.5 STOERPOLARISATION IN PRAKTISCH WICHTIGEN KOORDINATEN 135
5.3.6 TE-TM-MODENKONVERSION 137
5.3.7 PHASENANPASSUNG FUER TE-TM-KONVERSION 138
6
RICHTKOPPLER
141
6.1 FUNKTIONSWEISE 141
6.1.1 THEORETISCHES MODELL 141
6.1.2 DIFFERENTIALGLEICHUNGEN FUER DIE FELDAMPLITUDEN 142
6.1.3 AMPLITUDCNVERLAUF IM SYMMETRISCHEN KOPPLER 145
6.1.4 ABSCHAETZUNG DES KOPPELFAKTORS 146
6.1.5 LEISTUNGSTEILCR 147
6.1.6 DURCHSCHALTUNG UND UMSCHALTUNG 149
6.1.7 RICHTKOPPLCRFILTER 151
6.2 ELEKTROOPTISCHE STEUERUNG 152
6.2.1 GESCHALTETER RICHTKOPPLER 152
6.2.2 GESCHALTETER RICHTKOPPLER MIT PHASENUMKEHR 153
6.2.3 ABSTIMMBARES WELLENLAENGENFILTER 156
6.2.4 DYNAMIK GESCHALTETER RICHTKOPPLER 157
6.2.5 STCUERLEISTUNG GESCHALTETER RICHTKOPPLER 159
6.2.6 RICHTKOPPLER ALS LAUFTELDMODULATOR 160
6.3 SUPERMODEN 163
6.3.1 ZWEIARMIGE RICHTKOPPLER 163
6.3.2 MEHRARMIGE RICHTKOPPLER 167
7 ELEKTRONEN IM HALBLEITER
171
7.1 GRUNDLAGEN DER QUANTENTHEORIE 171
7.1.1 WCLLENFUNKTION UND OPERATOREN 171
7.1.2 DIE SCHROEDINGER-GLEICHUNG 173
7.1.3 EINDIMENSIONALES KASTENPOTENTIAL 175
7.1.4 POLENTIALTOPF UNENDLICHER HOEHE 178
7.1.5 DAS FREIE ELEKTRON 179
7.1.6 EINDIMENSIONALES KRISTALLGITTERMODELL 180
7.2 DIE BANDSTRUKTUR VON HALBLEITERN 183
7.2.1 WELLENFUNKTIONEN IN DREIDIMENSIONALEN KRISTALLEN 183
7.2.2 DIE ENERGIEBANDSTRUKTUR VON GAAS 185
7.2.3 DIE BANDSTRUKTUR VON INP 188
7.2.4 DIE BANDSTRUKTUR VON SI 189
7.3 BEWEGUNG FREIER LADUNGSTRAEGER 191
7.3.1 ELEKTRONEN 191
7.3.2 LOECHER 194
7.4 ZUSTANDSDICHTEN 196
7.4.1 DIE ZUSTANDSDICHTE IM K-RAUM 196
X
7.4.2 DIE ZUSTANDSDICHTE AUF DER ENERGIESKALA 197
7.4.3 ZUSTANDSDICHTEN FUER EIN PARABOLISCHES BAND 198
7.4.4 ZUSTAENDE VON FREMDATOMEN 200
7.5 BESETZUNGSWAHRSCHEINLICHKEITEN 202
7.5.1 BANDBESETZUNG IM THERMODYNAMISCHEN GLEICHGEWICHT 203
7.5.2 BESETZUNG BEI VORHANDENSEIN VON STOERSTELLEN 206
7.5.3 STOERUNG DES GLEICHGEWICHTS 209
7.5.4 UBERSCHUSSDICHTE UND LAGE DER QUASIFERMI-NIVEAUS 214
7.6 SYSTEME MIT EINGESCHRAENKTER TEILCHENBEWEGUNG 215
7.6.1 QUANTENFILME 215
7.6.2 QUANTENDRAEHTE 219
7.6.3 QUANTENTOEPFE 220
8 EMISSION UND ABSORPTION
223
8.1 UBERGANGSRATEN 223
8.1.1 WECHSELWIRKUNG VON STRAHLUNG MIT HALBLEITERELEKTRONEN 223
8.1.2 STRAHLUNG IM THERMODYNAMISCHEN GLEICHGEWICHT 227
8.1.3 RELATIONEN FUER DIE EINSTEIN-KOEFFIZIENTEN 228
8.1.4 DER ABSORPTIONSKOEFFIZIENT 229
8.1.5 ZUSAMMENHANG ZWISCHEN ABSORPTION UND LUMINESZENZ 230
8.1.6 VERSTAERKUNG 231
8.1.7 ABSCHAETZUNG DER EINSTEIN-KOEFFIZIENTEN 232
8.1.8 DIE GRENZEN DES MODELLS 233
8.2 QUANTENMECHANIK STRAHLENDER UEBERGAENGE 235
8.2.1 RRISTALLELEKTRON IM FELD EINER ELEKTROMAGNETISCHEN WELLE 235
8.2.2 ZEITABHAENGIGE STOERUNGSTHEORIE 237
8.2.3 HARMONISCHE STOERUNG 239
8.2.4 WECHSELWIRKUNG MIT EINER EBENEN WELLE 242
8.3 DIREKTE BAND-BAND-UEBERGAENGE 242
8.3.1 KRISTALLIMPULSERHALTUNG 243
8.3.2 ABSORPTION BEI PARABOLISCHEM BANDVERLAUF 244
8.3.3 VERSTAERKUNG DURCH UEBERGAENGE ZWISCHEN PARABOLISCHEN BAENDERN 246
8.3.4 ABSCHAETZUNG DES MATRIXELEMENTS 248
8.3.5 INTRABANDRELAXATION 250
8.3.6 ABSORPTION UND VERSTAERKUNG IN QUANTENFILMEN 253
8.3.7 VERSTAERKUNG IN QUANTENDRAEHTEN UND QUANTENTOEPFEN 259
8.3.8 ENERGIEABHAENGIGES MATRIXELEMENT 261
8.3.9 ABHAENGIGKEIT DER VERSTAERKUNG VON DER ANREGUNG 261
8.4 EINFLUSS VON STOERSTELLEN 264
8.4.1 BAND-STOERSTELLEN-UEBERGAENGE 264
8.4.2 BANDAUSLAEUFER 268
8.4.3 DICHTEABHAENGIGE LAGE DER STOERSTELLENNIVEAUS 270
XI
9 HETEROUEBERGAENGE 275
9.1 ENERGIEBANDDIAGRAMME 275
9.1.1 LEITUNGS- UND VALENZBANDDISKONTINUITAETEN 275
9.1.2 DIFFUSIONSSPANNUNG 277
9.2 ABRUPTER UEBERGANG IM GLEICHGEWICHT 278
9.2.1 STROMDICHTEN 278
9.2.2 POTENTIALVERLAUF AM ABRUPTEN HETEROUEBERGANG 280
9.2.3 BANDVERLAUF IM THERMODYNAMISCHEN GLEICHGEWICHT 283
9.3 STROMFLUSS UEBER DEN PN-HETEROUEBERGANG 283
9.3.1 POTENTIAL-UND BANDVERLAUF BEI STROMFLUSS 284
9.3.2 LADUNGSTRAEGERDICHTEN IN DER SPERRSCHICHT 287
9.3.3 LADUNGSTRAEGERDICHTEN IM BAHNGEBIET 289
9.3.4 ELEKTRONEN- UND LOECHERSTROMDICHTEN 290
9.3.5 QUASIFERMI-NIVEAUS 292
9.3.6 KAPAZITAET DES HETEROUEBERGANGS 293
9.4 DOPPELHETEROSTRUKTUREN 294
9.4.1 ISOTYPE HETEROUEBERGAENGE 294
9.4.2 GAAS-ALGAAS-DOPPELHETEROSTRUKTUREN 295
9.4.3 LADUNGSTRAEGEREINSCHLUSS 297
10
LASERDIODEN 301
10.1 MODEN UND BILANZGLEICHUNGEN 301
10.1.1 FABRY-PEROT-RESONATOR 301
10.1.2 SCHWELLVERSTAERKUNG UND RESONATORMODEN 302
10.1.3 BILANZGLEICHUNGEN 305
10.1.4 FUELLFAKTOR 307
10.1.5 BILANZGLEICHUNGEN MIT FUELLFAKTOR 309
10.2 STATIONAERES VERHALTEN EINMODIGER LASERDIODEN 310
10.2.1 LOESUNGEN DER BILANZGLEICHUNGEN 310
10.2.2 SCHWELLVERSTAERKUNG MIT FUELLFAKTOR 312
10.2.3 SCHWELLSTROMDICHTE 312
10.2.4 AUSGANGSLEISTUNG 314
10.2.5 AXIALER INTENSITAETSVERLAUF 316
10.3 LASERSTRUKTUREN 317
10.3.1 INDEXGEFUEHRTE LASERSTRUKTUREN 318
10.3.2 OXIDSTREIFENLASER UND GEWINNFUEHRUNG 322
10.4 EMISSIONSSPEKTRUM 326
10.4.1 EXPERIMENTELLE ERGEBNISSE 326
10.4.2 MEHRMODENRATENGLEICHUNGEN 327
10.4.3 SPONTANER EMISSIONSFAKTOR 330
10.5 MODULATIONSVERHALTEN 332
10.5.1 KLEINSIGNALNAEHERUNGEN FUER DIE BILANZGLEICHUNGEN 332
10.5.2 KLEINSIGNALAMPLITUDENMODULATION 333
10.5.3 GROSSSIGNALAMPLITUDENMODULATION 336
XII
10.5.4 MEHRMODENOSZILLATION BEI PUMPSTROMMODULATION 338
10.5.5 FREQUENZMODULATION 340
10.6 RAUSCHVERHALTEN EINMODIGER LASERDIODEN 342
10.6.1 SCHWANKUNGEN DURCH SPONTANE EMISSION 342
10.6.2 RAUSCHEINSTROEMUNGEN UND BILANZGLEICHUNGEN 345
10.6.3 KLEINSIGNALNAEHERUNGEN MIT RAUSCHEN 347
10.6.4 LEISTUNGSSPEKTREN VON RAUSCHSIGNALEN 349
10.6.5 INTENSITAETSRAUSCHEN 350
10.6.6 FREQUENZ- UND PHASENRAUSCHEN 351
10.6.7 MITTLERE QUADRATISCHE PHASENABWEICHUNG 353
10.6.8 FELDKORRELATION 354
10.6.9 EMISSIONSSPEKTRUM UND LINIENBREITE 355
10.7 SPEZIELLE LASERDIODEN 357
10.7.1 HALBLEITERLASER MIT INTEGRIERTEM BRAGG-REFLEKTOR (DBR-LASER) 358
10.7.2 HALBLEITERLASER MIT VERTEILTER RUECKKOPPLUNG (DFB-LASER) 359
10.7.3 HALBLEITERLASER MIT GEKOPPELTEN RESONATOREN 363
10.7.4 ELEKTRONISCH DURCHSTIMMBARE LASERDIODEN 366
10.7.5 LASERDIODENARRAYS UND ABSTRAHLUNGSCHARAKTERISTIK 368
10.7.6 OBERFLAECHENEMITTIERENDE LASERDIODEN UND SCHWELLSTROMANALYSE 374
10.7.7 QUANTENFILMLASER 377
10.7.8 QUANTENDRAHTLASER 381
11 PHOTODETEKTOREN
383
11.1 GRUNDLAGEN 383
11.1.1 PHOTOSTROM UND LICHTINTENSITAET 383
11.1.2 SPEKTRALE LEISTUNGSDICHTE DES PHOTOSTROMS 385
11.1.3 SPEKTRALE LEISTUNGSDICHTE ZUFAELLIGER IMPULSFOLGEN 386
11.1.4 SCHROTRAUSCHEN 387
11.1.5 THERMISCHES WIDERSTANDSRAUSCHEN 389
11.2 PHOTODIODEN 392
11.2.1 WIRKUNGSWEISE 392
11.2.2 QUANTENAUSBEUTE UND PIN-DIODE 394
11.2.3 EINFLUSS DER DRIFTZEIT 397
11.2.4 FREQUENZVERHALTEN 400
11.2.5 RAUSCHEN UND DETEKTIONSEMPFINDLICHKEIT 402
11.2.6 RECHTECKMODULATION UND QUANTENRAUSCHGRENZE 404
11.2.7 HETERODYNE DETEKTION 406
11.2.8 INGAAS-PIN-PHOTODIODEN 407
11.2.9 SCHOTTKY-PHOTODIODEN 412
11.3 LAWINENPHOTODIODEN 414
11.3.1 WIRKUNGSWEISE UND IONISIERUNGSKOEFFIZIENT 414
11.3.2 STROMMULTIPLIKATION 41G
11.3.3 GETRENNTE ABSORPTIONS- UND MULTIPLIKATIONSZONE 419
11.3.4 DYNAMIK DER LAWINENMULTIPLIKATION 420
11.3.5 ZUSATZRAUSCHEN DURCH LAWINENMULTIPLIKATION 424
XIII
11.3.6 SIGNAL-RAUSCH-VERHAELTNIS 426
11.3.7 BAUFORMEN VON INGAAS-INP-LAWINENDIODEN 428
11.4 PHOTODETEKTOREN MIT VIELSCHICHTSSTRUKTUR 431
11.4.1 IONISIERUNG IN SCHICHTEN MIT VERAENDERLICHEM BANDABSTAND 431
11.4.2 VERVIELFACHUNG IN STRUKTUREN MIT UBERGITTERN 432
11.4.3 FESTKOERPER-PHOTOVERVIELFACHER 433
11.4.4 PERIODISCHE PN-STRUKTUREN 435
11.4.5 LAWINENMULTIPLIKATION IN PERIODISCHEN PN-STRUKTUREN 437
11.5 PHOTOLEITER 439
11.5.1 STOERSTELLENPHOTOLEITUNG 439
11.5.2 EIGENPHOTOLEITUNG 441
11.5.3 DYNAMIK 443
11.5.4 GENERATIONS-REKOMBINATIONSRAUSCHEN 444
11.5.5 SIGNAL-RAUSCH-VERHAELTNIS 446
12 OPTOELEKTRONISCHE MODULATOREN
447
12.1 ELEKTRISCH GESTEUERTE MODULATOREN 447
12.1.1 ELEKTROABSORPTION 447
12.1.2 ELEKTROREFRAKTION 452
12.1.3 LADUNGSTRAEGERINJEKTION 454
12.1.4 SPERRSCHICHTWEITENMODULATION 456
12.2 OPTISCH GESTEUERTE MODULATOREN 458
12.2.1 BANDAUFFUELLUNG 458
12.2.2 TRANSMISSIONSMODULATOREN IN INGAASP 460
12.2.3 BANDAUFFUELLUNG IN QUANTENFILMEN 464
12.2.4 EXZITONISCHE EFFEKTE 465
12.2.5 ALGAAS-GAAS-QUANTENFILM-REFLEXIONSMODULATOR 468
12.3 FELDINDUZIERTE MODULATION IN QUANTENFILMEN 471
12.3.1 STARK-EFFEKT 471
12.3.2 PIN-ABSORPTIONSMODULATOR 474
13.3.3 SELBSTSTEUERUNG IM SEED 476
12.3.4 MODULATION MIT DYNAMISCHEM STARK-EFFEKT 477
13
OPTOELEKTRONISCHE INTEGRATION
479
13.1 LASER-TRANSISTOR-INTEGRATION 479
13.1.1 MESFET AUF SEMIISOLIERENDEM GAAS 480
13.1.2 MESFET-LASER-INTEGRATION AUF GAAS 482
13.1.3 TVANSISTOR-LASER-INTEGRATION AUF INP 485
13.2 DETEKTOR-TRANSISTOR-INTEGRATION 486
13.2.1 RAUSCHEN EINER PHOTODIODE MIT FET-VORVERSTAERKER 486
13.2.2 DETEKTIONSEMPFINDLICHKEIT FUER DIGITALE SIGNALE 488
13.2.3 GAAS-PIN-DIODE MIT MESFET-VORVERSTAERKER 494
13.2.4 GAAS-SCHOTTKY-DIODE MIT MESFET-VORVERSTAERKER 495
XIV
13.2.5 INGAAS-PIN-DIODE MIT MESFET-VORVERSTAERKER 495
13.3 ANDERE INTEGRATIONSFORMEN 497
13.3.1 DFB-LASERDIODE MIT MODULATOR UND DETEKTOR 497
13.3.2 PIN-FET-SEED-KOMBINATION 498
13.3.3 INTEGRATION AUF SILIZIUM 499
ANHAENGE
501
A. PHYSIKALISCHE KONSTANTEN 501
B. DATEN EINIGER INDIREKTER HALBLEITER 502
C. DATEN EINIGER DIREKTER HALBLEITER 503
LITERATURVERZEICHNIS
504
VERZEICHNIS WICHTIGER FORMELZEICHEN
514
SACHVERZEICHNIS
521 |
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