Elemente optischer Netze

Transkript

1 Vieweg+TeubnerPLUS Zusatzinformationen zu Medien des Vieweg+Teubner Verlags Elemente optischer Netze Grundlagen und Praxis der optischen Datenübertragung Erscheinungsjahr Auflage Kapitel 5 Bilder für den download Volkmar Brückner

2 Elektronenenergie (ev) Autor Buchtitel Vieweg+TeubnerPLUS Zusatzinformationen zu Medien des Vieweg+Teubner Verlags S1 Pumpe S2 Pumpe h f R 1 AM L z h f R 2 spontan induziert E 2 E 1 Abb. 5-1 Hauptelemente eines Lasers und Energieniveaus beim Laserübergang im aktiven Medium (AM) Energie E c-band E g Elektronen Abb. 5-2 Bändermodell in Halbleitern v-band 6 GaAs 6 Si 2 c-band a 2 a v-band k -2 3 a Abb. 5-3 Direkte und indirekte Halbleiter 2 a k 2,5 E g (ev) 2,0 1,5 1,0 0,5 GaP direkt AlAs GaAs indirekt InP In 0,52 Al 0,48 As 0,5 λ (µm) 0,7 1,0 1,5 In 0,53 Ga 0,47 As 2,0 3,0 InAs 0,55 GK (nm) 0,60 Abb. 5-4 Zur Auswahl von Mischkristallen (ternär bzw. quarternär) Vieweg+Teubner Verlag Wiesbaden 2010

3 Energie E E g X E g X X + hf + + E g c-band v-band (a) (b) (c) Abb. 5-5 Lineare (a), quadratische (b) und Auger-Rekombination (c) ΔE E P2 Z Δf F E g P1 Zahl der Z Zustände P1 Elektronen P2>P1 Elektronen Elektronend ichte Löcherdic hte (a) (b) ΔE (c) Abb. 5-6 Zur Entstehung der Linienbreite: Bandstruktur (a), Zustandsdichte und Elektronenzahl (b) und Elektronen- bzw. Löcherdichte (c) p-dotierung n-dotierung I F Fermi- Niveau I F Emission h. f Abb. 5-7 Emission im Halbleiterlaser mit p-n-übergang c-band Fermi-Niveau v-band

4 h. f AlGaAs GaAs AlGaAs n p p + h. f BZ W keine Absorption keine Absorption Abb. 5-8 Emission, Brechzahl (BZ) und Energiebandschema eines DH-Halbleiterlasers GaAs d AlGaAs D GaAs d Abb. 5-9 MQW-Struktur Stirnflächen DH-Struktur Licht Abb Fabry-Perot-Laser mit DH-Struktur

5 A 0 R 1 R 2 A 1 t A 1 r A 2 t r A 2 r A 3 Reflexion L A 3 t Transmission mit δ= 4 L Abb Zur Entstehung longitudinaler Moden, Transmissionsformel 1 T( ) 0, /nm Abb. 5-12a Transmissionsspektrum eines Resonators der Länge L = 1 mm T( ) Emissionsspektrum F = 42 nm longitudinale Moden Abb. 5-12b Transmissionsspektrum eines Fabry-Perot-Lasers der Länge L = 1 mm (nm) I F = 91 ma (a) (b) I F = 112 ma 50% der maximalen Leistung (nm) Abb Beispiel eines Spektrums eines Fabry-Perot-Lasers (nach [Ker 83])

6 DFB-Laser Brechzahlmodulation n H n L D stehende Wellen D Gitteraufbau: Gitterperiode D = /2n n high n low D Abb Verteilte Rückkopplung beim DSM-Laser Minispiegel DFB-Laser AM Brechzahl- Gitter AM DBR-Laser Abb. 5- Fehler! Kein Text mit angegebener Formatvorlage im Dokument.-1 DFB- und DBR-Laser P Emissionsspektrum (LED) F = 42 nm < 0.1 nm longitudinale Mode (nm) Abb Spektrum eines DSM-Lasers p 5.3 spontane Emission stimulierte Emission I th I F Abb P-I-Kennlinie

7 p p (a) I F (b) I F Abb Einfluss von Temperatur (a) und Alterung (b) auf die P-I-Kennlinie P 0 Abb Emissionsspektrum eines Lasers LWL (a) 5.8 LWL (b) Abb Abstrahlcharakteristik von Flächen- (a) und Kantenstrahler (b) gechirptes Gitter ungechirptes Gitter Abb Vergleich eines ungechirpten mit einem gechirpten Gitter

8 I B dreigeteilte Stromzufuhr I C gechirptes DFB-Gitter I S MQW z Abb Gechirptes Gitter DFB-Gitter y x gekrümmter Wellenleiter Gitter entlang des Wellenleiters (axiale Richtung z) Abb Gekrümmte Gitter I C I B Au Au SiO 2 Schichtaufbau Au-Kontakt p-ingaas-schicht p-inp-schicht I S Au 1,28 µm InAlGaAs mit Gitterstruktur InGaAs/ InAlGaAs-QW 1,28 µm InAlGaAs n-inp Au-Ge InP-Substrat Au-Ge-Kontakt Abb Struktur und Schichtaufbau eines MQW-Lasers mit gekrümmtem Gitter

9 Wellenlänge (µm) 1,530 1,528 I B = 65 ma I S = 50 ma I B = 20 ma I S = 10 ma 1,526 1,524 InGaAs/InAlGaAs MQW-Laser L = 300 µm I B = 25 ma I S = 85 ma Injektionsstrom I C (ma) Abb Durchstimmung des MQW-Lasers mit gekrümmter DFB-Gitterstruktur 5 p-dotierter DBR-Spiegel: 25 Perioden Al 0,3Ga 0,7As/AlAs { aktive Zone: 220 nm Al 0,3Ga 0,7As mit 3 QW Al 0,12Ga 0,88As n-dotierter DBR-Spiegel: 40 Perioden Al 0,3Ga 0,7As/AlAs Abb Prinzipaufbau eines Vertical Cavity Surface Emitting Laser Emission Optischer Chip Substrat (wafer) VCSEL kreisförmig Divergenz ca. 5 O LED kreisförmig Divergenz ca. 20 O Kantenstrahler elliptisch Divergenz ca. 10 O x40 O Abb Abstrahlcharakteristik von VCSEL, LED und Kantenstrahler

10