Grundlagen der Photonik

Bahaa E. A. Saleh und Malvin Carl Teich
Grundlagen der Photonik
®
WILEYVCH
WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA
ix
Inhaltsverzeichnis
1
Strahlenoptik
1.1
1.1.1
1.2
1.2.1
1.2.2
1.2.3
1.2.4
1.2.5
1.2.6
1.2.7
1.2.8
1.3
1.3.1
1.3.2
1.3.3
1.4
1.4.1
1.4.2
1.4.3
Postulate der Strahlenoptik 3
Ausbreitung in einem homogenen Medium 4
Einfache optische Komponenten 7
Spiegel 7
Parabolspiegel 7
Elliptische Spiegel 7
Sphärische Spiegel 8
Reflexion von paraxialen Strahlen an sphärischen Spiegeln
Ebene Grenzflächen 10
Sphärische Grenzflächen und Linsen 13
Lichtleiter 17
Gradientenindexoptik 19
Die Strahlengleichung 19
Optische Komponenten mit variablem Brechungsindex 21
Die Eikonalgleichung 25
Matrixoptik 26
Die Strahltransfermatrix 27
Matrizen einfacher optischer Komponenten 29
Matrizen von hintereinander geschalteten optischen
Komponenten 30
Periodische optische Systeme 30
Aufgaben 37
Weiterführende Literatur 40
IAA
1
2
Wellenoptik
2.1
2.1.1
2.2
2.2.1
2.2.2
2.2.3
Die Postulate der Wellenoptik 45
Die Wellengleichung 45
Monochromatische Wellen 46
Komplexe Darstellung und die Helmholtzgleichung
Einfache Wellen 49
Paraxiale Wellen 53
43
Grundlagen der Photonik. Bahaa E. A. Saleh, Malvin Carl Teich.
Copyright ©2008 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim
ISBN: 978-3-527-40677-7
47
x
Inhaltsverzeichnis
2.3
2.3.1
2.4
2.4.1
2.4.2
•2.4.3
2.5
2.5.1
2.5.2
2.6
2.6.1
2.6.2
Die Beziehung zwischen Wellenoptik und Strahlenoptik 55
Die Eikonalgleichung 56
Einfache optische Komponenten 56
Reflexion und Brechung 56
Durchgang durch optische Komponenten 58
Optische Komponenten mit variablem Brechungsindex 64
Interferenz 65
Interferenz zweier Wellen 65
Vielwelleninterferenz 71
Polychromatisches und gepulstes Licht 75
Zeitliche und spektrale Beschreibung 75
Lichtschwebung 79
Aufgaben 81
Weiterführende Literatur 83
3
Optik von Strahlbündeln
3.1
3.1.1
3.1.2
3.1.3
3.2
3.2.1
3.2.2
3.2.3
3.2.4
3.3
3.3.1
3.3.2
3.4
3.4.1
Der Gaußstrahl 86
Die komplexe Amplitude eines Gaußstrahls 86
Eigenschaften von Gaußstrahlen 88
Die Qualität eines Strahlbündels 96
Durchgang durch optische Komponenten 97
Durchgang durch eine dünne Linse 98
Formung eines Strahlbündels 100
Reflexion an einem sphärischen Spiegel 203
Durchgang durch ein beliebiges optisches System
Hermite-Gauß-Strahlen 207
Die komplexe Amplitude 209
Intensitätsverteilung 220
Laguerre-Gauß- und Besselstrahlen 222
Laguerre-Gauß-Strahlen 222
Aufgaben 224
Weiterführende Literatur 225
85
204
4
Fourieroptik
4.1
4.1.1
4.1.2
4.1.3
4.1.4
4.2
4.2.1
4.2.2
Lichtausbreitung im Vakuum 229
Räumliche harmonische Funktionen und ebene Wellen
Die Übertragungsfunktion des Vakuums 227
Die Impulsantwortfunktion des Vakuums 232
Huygens-Fresnel-Prinzip 232
Die optische Fouriertransformation 233
Fouriertransformation im Fernfeld 233
Fouriertransformation mithilfe einer Linse 236
117
229
Inhaltsverzeichnis
4.3
4.3.1
4.3.2
4.4
4.4.1
4.4.2
4.4.3
4.4.4
4.5
4.5.1
4.5.2
4.5.3
4.5.4
4.5.5
4.5.6
Lichtbeugung 139
Fraunhoferbeugung 242
Fresnelbeugung 143
Bildentstehung 147
Strahlenoptische Beschreibung eines einlinsigen abbildenden
Systems 147
Wellenoptische Beschreibung eines 4/-Systems 249
Wellenoptische Beschreibung eines einlinsigen abbildenden
Systems 252
Abbildung im Nahfeld 256
Holographie 258
Die holographische Codierung 259
Holographie außerhalb der optischen Achse 262
Fouriertransformations-Holographie 263
Holographische Ortsfilter 263
Die holographische Apparatur 265
Volumenholographie 266
Aufgaben 269
Weiterführende Literatur 272
5
Elektromagnetische Optik
5.1
5.1.1
5.1.2
5.1.3
5.1.4
5.1.5
5.1.6
5.2
5.2.1
5.2.2
5.2.3
5.3
5.3.1
5.3.2
5.3.3
5.3.4
5.3.5
5.4
5.4.1
5.4.2
Die elektromagnetische Theorie des Lichts 277
Die maxwellschen Gleichungen im Vakuum 277
Die Wellengleichung 278
Die maxwellschen Gleichungen in Medien 279
Randbedingungen 279
Intensität, Leistung und Energie 280
Impuls 282
Elektromagnetische Wellen in Dielektrika 282
Definitionen 282
Lineare, nichtdispersive, homogene und isotrope Medien 282
Nichtlineare, dispersive, inhomogene oder anisotrope Medien 284
Monochromatische elektromagnetische Wellen 288
Die maxwellschen Gleichungen in einem Medium 289
Intensität und Leistung 289
Lineare, nichtdispersive, homogene und isotrope Medien 290
Inhomogene Medien 290
Dispersive Medien 290
Einfache elektromagnetische Wellen 292
Ebene, sphärische und gaußsche elektromagnetische Wellen 292
Die Beziehung zwischen elektromagnetischer Optik und skalarer
Wellenoptik 296
175
xi
Inhaltsverzeichnis
5.4.3
5.5
5.5.1
5.5.2
5.5.3
5.5.4
5.6
5.6.1
5.6.2
5.7
5.7.1
5.7.2
Vektor-Strahlbündel 297
Absorption und Dispersion 198
Absorption 198
Dispersion 201
Resonante Medien 204
Optik leitfähiger Medien 211
Pulsausbreitung in dispersiven Medien 214
Die Gruppengeschwindigkeit 215
Die Gruppengeschwindigkeitsdispersion 216
Optik von magnetischen und Metamaterialien 222
Doppeltnegative Metamaterialien 223
Optik von Materialien mit negativen Brechungsindex
Aufgaben 227
Weiterführende Literatur 228
6
6.1
6.1.1
6.1.2
6.2
6.2.1
6.2.2
6.3
6.3.1
6.3.2
6.3.3
6.3.4
Polarisationsoptik 231
Die Polarisation des Lichts 233
Die Polarisation 233
Die Matrixdarstellung der Polarisation 237
Reflexion und Brechung 244
TE-Polarisation 246
TM-Polarisation 247
Die Optik anisotroper Medien 251
Der Brechungsindex 252
Ausbreitung entlang einer Hauptachse 255
Ausbreitung entlang beliebiger Richtungen 257
Die Dispersionsrelation, Strahlen, Wellenfronten und
Energietransport 259
Doppelbrechung 264
Optische Aktivität und Magnetooptik 267
Optische Aktivität 267
Magnetooptik: Der Faradayeffekt 270
Optik von Flüssigkristallen 272
Die Struktur von Flüssigkristallen 272
Polarisierende Bauelemente 275
Polarisatoren 276
Retarder 277
Polarisationsrotatoren 279
Nichtreziproke polarisierende Bauelemente 279
Aufgaben 281
Weiterführende Literatur 284
6.3.5
6.4
6.4.1
6.4.2
6.5
6.5.1
6.6
6.6.1
6.6.2
6.6.3
6.6.4
Inhaltsverzeichnis
7
Optik photonischer Kristalle
7.1
7.1.1
7.1.2
7.1.3
7.2
7.2.1
7.2.2
7.2.3
7.2.4
7.3
7.3.1
7.3.2
Optik von dielektrischen Schichtmedien 290
Matrixtheorie der Optik von Schichtmedien 290
Das Fabry-Perot-Etalon 300
Das Bragggitter 304
Eindimensionale photonische Kristalle 313
Blochmoden 314
Matrixoptik periodischer Medien 318
Fourieroptik periodischer Medien 326
Grenzflächen zwischen periodischen und homogenen Medien 330
Zwei- und dreidimensionale photonische Kristalle 332
Zweidimensionale photonische Kristalle 333
Dreidimensionale photonische Kristalle 337
Aufgaben 342
Weiterführende Literatur 343
287
8
Wellenleiteroptik
8.1
8.1.1
8.1.2
8.1.3
8.1.4
8.1.5
8.1.6
8.1.7
8.1.8
8.2
8.2.1
8.2.2
8.2.3
8.3
8.3.1
8.3.2
8.3.3
8.3.4
8.4
8.4.1
8.4.2
Wellenleiter aus ebenen Spiegeln 347
Wellenleitermoden 347
Ausbreitungskonstanten 349
Feldverteilungen 349
Die Zahl der Moden 351
Die Dispersionsrelation 352
Gruppengeschwindigkeiten 353
TM-Moden 353
Vielmodenfelder 355
Ebene dielektrische Wellenleiter 356
Wellenleitermoden 357
Feldverteilungen 361
Dispersionsrelation und Gruppengeschwindigkeiten 363
Zweidimensionale Wellenleiter 366
Der rechteckige Spiegelwellenleiter 366
Der rechteckige dielektrische Wellenleiter 367
Die Geometrie von Kanalwellenleitern 368
Materialien 369
Photonische Kristalle als Wellenleiter 370
Bragggitter als Wellenleiter 370
Bragg-Gitterwellenleiter als photonischer Kristall mit einer
Defektschicht 371
Zweidimensionale Wellenleiter aus photonischen Kristallen 371
Optische Kopplung in Wellenleitern 372
Einkopplung 372
8.4.3
8.5
8.5.1
345
xiv
Inhaltsverzeichnis
8.5.2
8.5.3
8.6
Gekoppelte Wellenleiter 375
Periodische Wellenleiter 381
Metallische Subwellenlängen-Wellenleiter (Plasmonen) 382
Aufgaben 384
Weiterführende Literatur 385
9
Faseroptik
9.1
9.1.1
9.1.2
9.2
9.2.1
9.2.2
9.2.3
9.2.4
9.3
9.3.1
9.3.2
9.4
9.4.1
9.4.2
Geführte Strahlen 389
Stufenindexfasern 389
Gradientenindexfasern 392
Geführte Wellen 394
Helmholtzgleichung 394
Stufenindexfasern 395
Einmodenfasern 404
Quasiebene Wellen in Stufen- und Gradientenindexfasern
Dämpfung und Dispersion 413
Dämpfung 413
Dispersion 417
Mikrostrukturierte Fasern 428
Führung durch effektiven Index 428
Führung durch photonische Bandlücke 430
Aufgaben 430
Weiterführende Literatur 432
387
10
Resonatoroptik
10.1
10.1.1
10.1.2
10.2
10.2.1
10.2.2
10.2.3
10.2.4
10.2.5
10.3
10.3.1
10.3.2
10.3.3
10.4
10.4.1
10.4.2
10.4.3
Resonatoren aus ebenen Spiegeln 437
Resonatormoden 437
Schief einfallende Resonatormoden 448
Kugelspiegelresonatoren 449
Strahleingrenzung 449
Gaußmoden 453
Resonanzfrequenzen 457
Hermite-Gauß-Moden 458
Endliche Blenden und Beugungsverluste 460
Zwei- und dreidimensionale Resonatoren 462
Zweidimensionale rechteckige Resonatoren 462
Kreisförmige Resonatoren und Flüstergaleriemoden 464
Dreidimensionale rechteckige Hohlraumresonatoren 465
Mikroresonatoren 468
Rechteckige Mikroresonatoren 469
Mikrosäulen-, Mikroscheiben- und Mikroringresonatoren 470
Mikrokugelresonatoren 472
406
435
Inhaltsverzeichnis
10.4.4
Mikrohohlräume aus photonischen Kristallen 474
Aufgaben 475
Weiterführende Literatur 477
11
Statistische Optik
11.1
11.1.1
11.1.2
11.1.3
11.1.4
11.2
11.2.1
11.2.2
11.2.3
11.3
Statistische Eigenschaften von stochastischem Licht 481
Optische Intensität 481
Zeitliche Kohärenz und Spektrum 482
Räumliche Kohärenz 489
Longitudinale Kohärenz 494
Interferenz von partiell kohärentem Licht 496
Interferenz von zwei partiell kohärenten Wellen 496
Interferenz und zeitliche Kohärenz 498
Interferenz und räumliche Kohärenz 501
Transmission von partiell kohärentem Licht durch optische
Systeme 505
Ausbreitung von partiell kohärentem Licht 505
Bildentstehung mit inkohärentem Licht 507
Verstärkung der räumlichen Kohärenz durch Ausbreitung 511
Partielle Polarisation 526
Die Kohärenzmatrix 527
Stokesparameter und Poincarekugeldarstellung 527
Unpolarisiertes Licht 528
Polarisiertes Licht 529
Aufgaben 522
Weiterführende Literatur 523
11.3.1
11.3.2
11.3.3
11.4
11.4.1
11.4.2
11.4.3
11.4.4
479
12
Photonenoptik
12.1
12.1.1
12.1.2
12.1.3
12.1.4
12.1.5
12.1.6
12.1.7
12.1.8
12.2
12.2.1
12.2.2
12.2.3
12.2.4
Das Photon 527
Licht in einem Resonator: elektromagnetische Theorie 527
Licht in einem Resonator: photonenoptische Theorie 528
Die Energie eines Photons 529
Die Polarisation von Photonen 530
Die Position eines Photons 533
Der Impuls eines Photons 534
Die Interferenz von Photonen 537
Die Zeit eines Photons 538
Photonenströme 542
Der mittlere Photonenfluss 543
Stochastische Eigenschaften des Photonenflusses 546
Photonenstatistik 547
Die zufällige Aufteilung von Photonenströmen 554
525
xv
xvi
Inhaltsverzeichnis
12.3
12.3.1
12.3.2
12.3.3
12.3.4
13
13.1
13.1.1
13.1.2
13.1.3
13.2
13.2.1
13.2.2
13.3
13.3.1
13.3.2
13.3.3
13.3.4
13.3.5
13.3.6
13.4
13.4.1
13.4.2
13.5
13.5.1
13.5.2
13.5.3
14
14.1
14.1.1
14.1.2
14.2
14.2.1
14.2.2
Quantenzustände des Lichts 556
Quantentheorie des harmonischen Oszillators 558
Die Analogie zwischen einer optischen Mode und einem
harmonischen Oszillator 559
Licht in einem kohärenten Zustand 560
Licht in gequetschten Zuständen 561
Aufgaben 563
Weiterführende Literatur 567
Photonen und Atome 571
Energieniveaus 572
Atome 573
Moleküle 579
Festkörper 582
Die Besetzung von Energieniveaus 593
Die Boltzmannverteilung 593
Die Fermi-Dirac-Verteilung 595
Die Wechselwirkung von Photonen mit Atomen 596
Die Wechselwirkung von Einmodenlicht mit einem Atom 596
Spontane Emission 600
Induzierte Emission und Absorption 603
Linienverbreiterung 607
Verstärkte spontane Emission 612
Laserkühlung und Einschluss von Atomen 613
Thermisches Licht 615
Das thermische Gleichgewicht zwischen Photonen und
Atomen 625
Das Spektrum des schwarzen Strahlers 617
Lumineszenz und Lichtstreuung 622
Formen der Lumineszenz 622
Der Mechanismus der Photolumineszenz 623
Lichtstreuung 627
Aufgaben 629
Weiterführende Literatur 632
Laserverstärker 635
Theorie der Laserverstärkung 638
Gewinn und Bandbreite 638
Phasenverschiebung 642
Pumpen des Verstärkers 643
Geschwindigkeitsgleichungen 644
Pumpschemata 648
Inhaltsverzeichnis xvii
14.3
14.3.1
14.3.2
14.3.3
14.3.4
14.3.5
14.4
14.4.1
14.4.2
14.5
Verbreitete Laserverstärker 653
Rubin 654
Neodymdotiertes Glas 655
Erbiumdotierte Quarzfasern 658
Raman-Faserverstärker 660
Die Eigenschaften ausgewählter Laserübergänge 664
Die Nichtlinearität von Verstärkern 664
Der Gewinn bei Sättigung in homogen verbreiterten Medien 664
Gewinn bei Sättigung in inhomogen verbreiterten Medien 669
Verstärkerrauschen 671
Aufgaben 673
Weiterführende Literatur 676
15
Laser
15.1
15.1.1
15.1.2
15.2
15.2.1
15.2.2
15.2.3
15.2.4
15.3
15.3.1
15.3.2
15.3.3
15.3.4
15.4
15.4.1
15.4.2
15.4.3
15.4.4
Theorie der Laseroszillation 681
Optische Verstärkung und Rückkopplung 681
Bedingungen für die Laseroszillation 684
Die Eigenschaften der Laserstrahlung 688
Leistung 688
Die spektrale Verteilung 694
Räumliche Verteilung und Polarisation 699
Modenselektion 702
Häufige Lasertypen 706
Festkörperlaser 706
Gaslaser 720
Andere Laser 722
Tabellen ausgewählter Eigenschaften 727
Gepulste Laser 727
Methoden zur Erzeugung von Laserpulsen 727
Die Analyse von Einschwingvorgängen 731
Die Gütemodulation 734
Modenkopplung 739
Aufgaben 745
Weiterführende Literatur 749
679
16
16.1
16.1.1
16.1.2
16.1.3
16.1.4
16.1.5
Halbleiteroptik 753
Halbleiter 754
Energiebänder und Ladungsträger 755
Halbleitermaterialien 760
Die Konzentrationen von Elektronen und Löchern 768
Erzeugung, Rekombination und Injektion 776
Halbleiterübergänge 781
xviii
Inhaltsverzeichnis
16.1.6
16.1.7
16.2
16.2.1
16.2.2
16.2.3
16.2.4
16.2.5
HeteroÜbergänge 786
Quantenbeschränkte Strukturen 787
Wechselwirkungen von Photonen mit Ladungsträgern 794
Photonenwechselwirkungen in Volumenhalbleitern 795
Interbandübergänge in Volumenhalbleitern 796
Absorption, Emission und Gewinn in Volumenhalbleitern 802
Photonenwechselwirkungen in quantenbeschränkten
Strukturen 809
Der Brechungsindex 810
Aufgaben 811
Weiterführende Literatur 813
17
17.1
17.1.1
17.1.2
17.1.3
17.2
17.2.1
17.2.2
17.2.3
17.2.4
17.2.5
17.3
17.3.1
17.3.2
17.3.3
17 .4
17.4.1
17.4.2
17 A3
Halbleiter-Photonenquellen 817
Lichtemittierende Dioden 818
Injektionselektrolumineszenz 829
Die Eigenschaften von LED 823
Materialien und Aufbau von Bauelementen 835
Optische Halbleiterverstärker 843
Gewinn und Bandbreite 843
Der Pumpvorgang 849
Heterostrukturen 852
Quantenschichtstrukturen 854
Superlumineszenzdioden 859
Laserdioden 860
Verstärkung, Rückkopplung und Schwingung 860
Leistung und Wirkungsgrad 866
Spektrale und räumliche Eigenschaften von Laserdioden 870
Quantenbeschränkte und Mikrohohlraumlaser 875
Quantenbeschränkte Laser 875
Mikrohohlraumlaser 883
Materialien und Strukturen von Bauelementen 886
Aufgaben 893
Weiterführende Literatur 896
18
18.1
18.1.1
18.1.2
18.2
18.2.1
18.2.2
18.2.3
Halbleiter-Photodetektoren 901
Photodetektoren 902
Äußerer und innerer Photoeffekt
Allgemeine Eigenschaften 906
Photoleiter 913
Intrinsische Materialien 914
Dotierte Materialien 927
Heterostrukturen 928
902
Inhaltsverzeichnis
18.3
18.3.1
18.3.2
18.3.3
18.4
18.4.1
18.4.2
18.4.3
18.4.4
18.5
18.5.1
18.5.2
18.6
18.6.1
18.6.2
18.6.3
18.6.4
18.6.5
Photodioden 919
Die pn-Photodiode 929
Die pin-Photodiode 922
Heterostrukturen 924
Lawinenphotodioden 926
Grundlagen des Betriebs 926
Gewinn und Ansprechempfindlichkeit 929
Antwortzeit 932
Einphotonenlawinendioden 934
Arraydetektoren 935
Materialien und Strukturen 935
Ausleseelektronik 937
Rauschen in Photodetektoren 937
Photoelektronenrauschen 939
Gewinnrauschen 944
Schaltungsrauschen 949
Signal/Rausch-Verhältnis und Empfängerempfindlichkeit
Bitfehlerrate und Empfängerempfindlichkeit 959
Aufgaben 962
Weiterführende Literatur 967
19
19.1
19.1.1
19.1.2
19.1.3
19.2
19.2.1
19.2.2
19.2.3
19.2.4
19.3
19.3.1
Akustooptik 971
Die Wechselwirkung von Licht und Schall 973
Braggsche Beugung 973
Die Theorie gekoppelter Wellen 981
Braggsche Beugung von Strahlen 983
Akustooptische Bauelemente 988
Modulatoren 988
Scanner 990
Raumschalter 993
Filter, Frequenzschieber und Isolatoren 997
Akustooptik von anisotropen Medien 998
Akustische Wellen in anisotropen Materialien 998
Aufgaben 1003
Weiterführende Literatur 1004
20
Elektrooptik
20.1
20.1.1
20.1.2
20.1.3
20.1.4
Grundlagen der Elektrooptik 1009
Pockels- und Kerreffekt 1009
Elektrooptische Modulatoren und Schalter
Scanner 2026
Richtkoppler 1018
1007
2022
953
xix
xx
Inhaltsverzeichnis
20.1.5
20.2
20.2.1
20.2.2
20.2.3
20.3
20.3.1
20.3.2
20.4
20.4.1
20.5
Raumlichtmodulatoren 1020
Elektrooptik anisotroper Medien 2024
Kristalloptik: Eine kurze Wiederholung 2024
Pockels- und Kerreffekt 2025
Modulatoren 2032
Elektrooptik von Flüssigkristallen 2033
Phasenschieber und Modulatoren 2033
Raumlichtmodulatoren 2040
Photorefraktivität 2042
Vereinfachte Theorie der Photorefraktion 2044
Elektroabsorption 2048
Aufgaben 2050
Weiterführende Literatur 2052
21
Nichtlineare Optik
21.1
21.1.1
21.2
21.2.1
21.2.2
21.2.3
21.2.4
21.2.5
21.3
21.3.1
Nichtlineare optische Medien 2058
Die nichtlineare Wellengleichung 2060
Nichtlineare Optik zweiter Ordnung 2062
Frequenzverdopplung und Gleichrichtung 2062
Der elektrooptische Effekt 2065
Dreiwellenmischung 2067
Phasenbedingung und Abstimmungskurven 2072
Quasi-Phasenanpassung 2078
Nichtlineare Optik dritter Ordnung 2082
Die Erzeugung der dritten Harmonischen und der optische
Kerreffekt 2082
Selbstphasenmodulation, Selbstfokussierung und räumliche
Solitonen 2083
Kreuzphasenmodulation 2087
Vieiwellenmischung 2088
Optische Phasenkonjugation 2090
Nichtlineare Optik zweiter Ordnung: die Theorie gekoppelter
Wellen 2094
Die Gleichungen gekoppelter Wellen 2094
Frequenzverdopplung 2098
Optische Frequenzkonversion 2202
Optische parametrische Verstärkung und Oszillation 2203
Nichtlineare Optik dritter Ordnung: Theorie gekoppelter
Wellen 2207
Vierwellenmischung 2207
Dreiwellenmischung und Erzeugung der dritten
Harmonischen 2209
21.3.2
21.3.3
21.3.4
21.3.5
21.4
21.4.1
21.4.2
21.4.3
21.4.4
21.5
21.5.1
21.5.2
1055
Inhaltsverzeichnis
21.5.3
21.6
21.6.1
21.7
21.7.1
21.7.2
22
22.1
22.1.1
22.1.2
22.1.3
22.2
22.2.1
22.2.2
22.2.3
22.2.4
22.3
22.3.1
22.3.2
22.3.3
22.3.4
22.4
22.4.1
22.4.2
22.4.3
22.5
22.5.1
22.5.2
22.5.3
22.6
22.6.1
22.6.2
22.6.3
22.6.4
Optische Phasenkonjugation 1112
Anisotrope nichtlineare Medien 1114
Dreiwellenmischung in anisotropen nichtlinearen Medien zweiter
Ordnung 1116
Dispersive nichtlineare Medien 1118
Beschreibung dispersiver nichtlinearer Medien durch eine
Integraltransformation 1119
Beschreibung dispersiver nichtlinearer Medien durch eine
Differentialgleichung 1121
Aufgaben 1124
Weiterführende Literatur 1126
Ultraschnelle Optik 1129
Eigenschaften von Pulsen 1230
Zeitliche und spektrale Eigenschaften 2230
Gaußpulse und gechirpte Gaußpulse 2235
Räumliche Eigenschaften 2237
Pulsformung und Kompression 2240
Chirpfilter 2242
Ausführungen von Chirpfiltern 2249
Pulskompression 2254
Pulsformung 2256
Pulsausbreitung in optischen Fasern 2258
Die optische Faser als Chirpfilter 2259
Ausbreitung eines Gaußpulses in einer optischen Faser 2262
Diffusionsgleichung für langsam variierende Einhüllende 2268
Analogie zwischen Dispersion und Beugung 2270
Ultraschnelle lineare Optik 2273
Strahlenoptik 2274
Wellen- und Fourieroptik 2276
Optik von Strahlbündeln 2279
Ultraschnelle nichtlineare Optik 1186
Gepulste parametrische Prozesse 2287
Optische Solitonen 2293
Superkontinuumslicht 2204
Pulsdetektion 2206
Die Messung der Intensität 2206
Die Messung der spektralen Intensität 2222
Die Messung der Phase 2224
Messung des Spektrogramms 2228
Aufgaben 2222
Weiterführende Literatur 2224
xxi
xxii Inhaltsverzeichnis
23
Optische Verbindungen und Schalter
23.1
23.1.1
23.1.2
23.1.3
23.1.4
23.1.5
23.1.6
23.2
23.2.1
23.2.2
23.3
23.3.1
23.3.2
23.3.3
23.3.4
23.3.5
23.3.6
23.4
23.4.1
23.4.2
23.4.3
Optische Verbindungen 1229
Die Verbindungsmatrix 1229
Nichtreziproke Verbindungen: Isolatoren und Zirkulatoren 1231
Brechende und beugende Verbindungen im Vakuum 1232
Wellenleiterverbindungen 1237
Nichtreziproke optische Verbindungen 1238
Optische Verbindungen in der Mikroelektronik 1239
Passive optische Router 1244
Wellenlängenbasierte Router 1245
Polarisations-, phasen- und intensitätsbasierte Router 1251
Photonische Schalter 1255
Ausführungen von Raumschaltern 1255
Realisierungen von optischen Raumschaltern 1257
Volloptische Raumschalter 1266
Wellenlängenbereichsschalter 1272
Zeitbereichsschalter 1276
Paketschalter 1280
Optische Gatter 1282
Bistabile Systeme 1282
Das Prinzip der optischen Bistabilität 1285
Bistabile optische Bauelemente 1287
Aufgaben 1295
Weiterführende Literatur 1296
1227
24
Faseroptische Kommunikation
24.1
24.1.1
24.1.2
24.1.3
24.1.4
24.2
24.2.1
24.2.2
24.2.3
24.2.4
Faseroptische Komponenten 1301
Optische Fasern 1301
Quellen für optische Sender 1308
Optische Verstärker 1309
Detektoren für optische Empfänger 1313
Faseroptische Nachrichtensysteme 1315
Entwicklungsgeschichte faseroptischer Nachrichtensysteme 1316
Die Leistungsfähigkeit von faseroptischen Systemen 1320
Dämpfungs- und dispersionsbegrenzte Systeme 1324
Kompensation und Management von Dämpfung und
Dispersion 1333
Optische Kommunikation durch Solitonen 1335
Modulation und Multiplexing 1337
Modulation 1337
Multiplexing 1340
Wellenlängenmultiplexing 1342
24.2.5
24.3
24.3.1
24.3.2
24.3.3
1299
Inhaltsverzeichnis xxiii
24.4
24.4.1
24.4.2
24.5
24.5.1
24.5.2
Faseroptische Netze 2344
Netztopologien und Vielfachzugriff 1344
Wellenlängenmultiplexnetze 2347
Kohärente optische Kommunikation 2352
Homodyn- und Heterodynempfänger 2352
Kohärente Systeme 2355
Aufgaben 2360
Weiterführende Literatur 2362
A
Die Fouriertransformation
A.l
A.l.l
A.l.2
A.2
A.2.1
A.2.2
A.2.3
A.3
A.3.1
Die eindimensionale Fouriertransformation 2365
Eigenschaften der Fouriertransformation 2366
Beispiele 2367
Zeitliche und spektrale Breite 2367
Die quadratisch gemittelte Breite 2368
Die leistungsäquivalente Breite 2370
1/e-, Halbwerts- und 3-dB-Breite 2372
Die zweidimensionale Fouriertransformation 2372
Eigenschaften 2373
Weiterführende Literatur 2374
1365
B
B.l
B.l.l
B.2
Lineare Systeme 1375
Eindimensionale lineare Systeme 2375
Lineare Systeme 2375
Zweidimensionale Lineare Systeme 2379
Weiterführende Literatur 2380
C
Die Moden linearer Systeme
C.l
C.2
Die Moden eines diskreten linearen Systems 2382
Die Moden eines kontinuierlichen durch einen Integraloperator
beschriebenen Systems 2384
Translationssymmetrie und harmonische Moden 2385
Die Moden eines durch gewöhnliche Differentialgleichungen
beschriebenen Systems 2386
Die Moden eines durch eine partielle Differentialgleichung
beschriebenen Systems 2386
Die Moden des Felds/der Welle in einem homogenen Medium mit
Randbedingungen 2387
Moden von Feldern/Wellen in einem periodischen Medium 2388
C.2.1
C.3
C.4
C.4.1
C.4.2
Index
1389
1381