Table Of ContentSende- ond
Empfangsdioden
fiir die Optische
Na chrichtentechnik
Von Professor Dr. rer. nat. Wolfgang Harth
und Akad. Direktor Dr.-Ing. Helmut Grothe
Technische UniversiUit MUnchen
2., vollsUindig neubearbeitete und erweiterte Auflage
Mit 82 Bildem
Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH
o.
Fachnochschule
Rhein-Sieg
Hochschulbibliothek
Die Deutsche Bibliothek - CIP-Einheitsaufnahme
Harth, Wolfgang:
Sende-und Empfangsdioden flir die optische Nachrichtentechnik I
von Wolfgang Harth und Helmut Grothe. - 2., vollst. neubearb. und
erw. Autl. - Springer Fachmedien Wiesbaden, 1998
ISBN 978-3-519-06257-8 ISBN 978-3-322-92779-8 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-322-92779-8
Das Werk einschlie6lich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschiitzt. Iede Verwertung au6erhaIb
der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes i~t ohne Zustimmung des VerJages unzuUissig und straf
bar. Das gilt besonders flir Vervielfliltigungen, Ubersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeiche
rung und Verarbeitung in elektronischen Systemen.
© 1998 Springer Fachmedien Wiesbaden
Urspriinglich erschienen bei B. G. Teubner Stuttgart· Leipzig 1998
Einbandgestaltung: Peter Pfitz, Stuttgart
Vorwort
Die erste Auflage dieses Buches entstand 1984, also vor vierzehn Jahren, aus
der an der Technischen Universitiit Mlinchen gehaltenen Vorlesung "Optoelek
tronik". Wiihrend dieser Zeitspanne hat die optische Nachrichtentechnik eine
stlirmische Entwicklung durchgemacht. Damit einhergehend - und vor all em
durch die enorme Eigendynamik der Systementwicklung zu immer hOheren Bit
raten - wurden auch die einzelnen Komponenten dieses Gebiets, insbesondere
Strahlungsquellen und Detektoren weiterentwickelt und wesentlich verbessert.
Mit der nun vorliegenden zweiten Auflage wurde in einer vollig neuen Fassung
versucht, den Stoff auf den aktuellen technischen Stand zu bringen, und neue
Schwerpunkte (z.B. Methode der effektiven Brechzahl, verspannte Schichten)
zu setzen. Wie in der ersten Auflage, so beschriinkt sich der Inhalt wieder auf
die Sende- und Empfangsdioden der optischen Nachrichtentechnik. Auch die
Form und Darstellung des Stoffes, die es dem Leser ermoglichen sollen, schnell
und doch grlindlich zum Verstiindnis der aufgefuhrten optoelektronischen Bau
elemente vorzudringen, wurden beibehalten.
Da diese Bauelemente natlirlich auch weiterhin einem steten Wandel unterwor
fen sind, wurde den gleichbleibenden, beschreibenden Methoden besondere Auf
merksamkeit gewidmet. An Hand von ausgesuchten Beispielen werden Aufbau,
Herstellungstechnologie und die wichtigsten Eigenschaften dieser Komponen
ten beschrieben.
Gedankt sei an dieser Stelle Herrn Akad. Direktor Dr. J. Freyer fur die graph i
sche Darstellung zahlreicher Abbildungen. Besonderer Dank gilt Frau W. Zirm
fUr die sorgfaltige Reinschrift des Textes.
Mlinchen, im Miirz 1998 W. Harth
H. Grothe
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung ................................................................................ .
2 Halbleitereigenschaften ....................................................... . 7
2.1 Heteroiibergange ........................................................................ . 7
2.2 Mischkristalle ............................................................................ . 8
2.2.1 Gal_xAlxAs/GaAs ....................................................................... . 10
2.2.2 Inl_xGaxAsYPl_/lnP ..................................................................... . 10
2.2.3 Inl_x_yGaxAlyAs/lnP .................................................................... . 11
3 Rekombinationsprozesse ..................................................... . 13
3.1 Strahlende Rekombination ......................................................... . 14
3.2 Nichtstrahlende Rekombination ................................................ . 16
4 Lumineszenz-Dioden (LED) ............................................... . 19
4.1 Modell und stationare Losung .................................................. .. 19
4.2 Modulationsverhalten ................................................................ . 23
4.3 Ausftihrungsformen ................................................................... . 25
5 Fabry-Perot Injektionslaser ................................................ . 29
5.1 Spontane Emission, stimulierte Emission und Absorption ........ . 29
5.1.1 Spontane Emission ..................................................................... . 29
5.1.2 Stimulierte Emission und Absorption ........................................ . 32
5.2 Schwellenbedingung und Bilanzgleichungen ............................ . 34
5.3 Transversale Wellenftihrung ..................................................... . 45
5.4 Laserstrukturen .......................................................................... . 54
5.4.1 Laterale Wellenftihrung ............................................................. . 54
5.4.2 Laser mit vergrabener aktiver Zone .......................................... .. 55
5.4.3 Laser mit Rippenwellenleiter .................................................... . 57
5.5 Modulationsverhalten ................................................................ . 59
5.6 Emissionseigenschaften ............................................................. . 63
5.6.1 Longitudinales Modenspektrum ................................................ . 63
5.6.2 Nah- und Fernfelder ................................................................... . 68
Inha1t
VI
6 Laser mit Bragg-Reflexion ................................................... 71
6.1 Bragg-Reflexion ............ ................... .............................. ............. 71
6.2 Verteilte Rlickkopplung .............................................................. 73
6.3 DFB-Laser mit Gewinn- bzw. Verlust-Kopplung ...................... 80
6.4 Frequenzmodulation und dynamische Linienverbreiterung ....... 81
7 Potentialtopf-Laser ................................................................ 87
7.1 Grundlagen .................................................................................. 87
7.2 Bestimmung der Transparenzdichte und der Lage der Quasi- 90
Ferminiveaus .............................................................................. .
7.3 AusfUhrungsformen .................................................................... 93
7.4 Verspannte Schichten fUr Potentialtopf-Laser ............................ 97
7.5 Oberflachenemittierende Laser (OE-Laser) ............................... 102
8 Empfangsdioden ..................................................................... 107
8.1 Pin-Photodioden.......................................................................... 107
8.1.1 Wirkungsweise ........................................................................... 107
8.1.2 Frequenzverhalten...................................................................... 112
8.1.3 Rauschen ..................................................................................... 117
8.1.4 Diodenstrukturen ........................................................................ 119
8.2 MSM-Photodioden ..................................................................... 122
8.3 Lawinenphotodioden .................................................................. 124
8.3.1 Autbau und Wirkungsweise ....................................................... 124
8.3.2 Frequenzverhalten ...................................................................... 127
8.3.3 Rauschen ..................................................................................... 128
8.3.4 Diodenstrukturen ........................................................................ 131
Literaturverzeichnis .............................................................. 133
Stichwortverzeichnis ............................................................. 143
1 Einleitung
Optische Nachrichtenubertragungssysterne, wie sie bereits 1966 unabhangig
von Borner [1.1] sowie von Kao u. Hockharn [l.2] konzipiert wurden, bestehen
aus drei Schliisselkornponenten (Bild 1.1):
Glasfilser
optisches Signal
Sendediode Photo-
~
Laser detektor
.-
Ubertragungslinge L --.
elektrisches elektrisches
Signal Signal
Bild 1.1: Schema eines optischen Obertragungssystems
der Glasfaser als Ubertragungsmedium, den Sendedioden (rneist Lasern) und
den Ernpfangsdioden (Photodetektoren). Diese optischen Systerne besitzen
gegenuber herkommlichen Nachrichtenubertragungssysternen eine Reihe von
Vorteilen: bedeutend groBere Bandbreite, geringere Leistungsdampfung und
keine Wechselwirkung zwischen der Strahlung in der Glasfaser und auBeren
elektrornagnetischen Feldern.
Die praktische Realisierung optischer Ubertragungssysterne begann urn 1970,
als sowohl ein passender GaAs-Laser bei der Wellenlange urn 0,8 J.Lrn als auch
W. Harth et al., Sende- und Empfangsdioden für die Optische Nachrichtentechnik
© Springer Fachmedien Wiesbaden 1998
2 1 Einleitung
erstmals Glasfasern mit geringer Dampfung (Bild 1.2) zur Verftigung standen
(damals 10 dB/km, heute 2-3 dB/km).
Gal_x Al x As/GaAs
:. -:... "'l:ZZJ
jGe
10
OH -Resonanzen
5 ••
"I ps
II II om·kID
1 ", • I
01, 5 I • 1" '/I ,\ ,, 100
...
0- 1
•
0.1
10
dB
tc
kID
0.6 0.8 1.0 1,2 1.4 1.6 1,8 /Lm 2,0
•
A.
Bild 1.2: Streckend!impfung 0- und Materialdispersion tc von Ge-dotierten Glasfasem
und geeignete Halbleitennaterialien flir Sende-und Empfangsdioden
Bei dieser ersten Generation von optischen Obertragungssystemen (A. = 0,8 ~)
werden nach wie vor Si-Photodioden als Empfanger. eingesetzt. Bei diesen
Systemen hangt die Obertragungslange L wesentlich von der Streckendam
pfung der Faser, von der aus der Sendediode in die G1asfaser einkoppelbaren
(l
Leistung und von der Empfindlichkeit der Empfangsdiode abo
Mit zunehmender Wellen lange nimmt die Streckendampfung umgekehrt zur
vierten Potenz der WellenUinge ab, wenn Rayleigh Streuung Uberwiegt und
Resonanz-Absorption durch OH-Ionen vermieden werden kann.
Bald wurde auch entdeckt (1975), daB bei etwa 1,3 J-lm WellenUinge die
Materialdispersion 'tc einen Nulldurchgang aufweist [1.3]. Diese Materialdis
persion (chromatische Dispersion) 'tc ftihrt auf Grund der Wellenlangenabhan
gigkeit der Brechzahl der Faser (und damit der Ausbreitungsgeschwindigkeit
der Strahlung in der Faser) zu schadlichen Laufzeitdifferenzen zwischen den
verschiedenen Spektralanteilen der Ubertragenen Signale. Dieser Effekt hangt
somit stark von der spektralen Linienbreite !J.')... der Sendediode abo Bild 1.2
1 Einleitung 3
zeigt die durch Materialdispersion hervorgerufene Verbreiterung eines Strah
lungsimpulses in ps pro nm spektraler Linienbreite !J.'A und pro km Obertra
gungsUinge L in Abhangigkeit von der Wellenlange. Die Bandbreite einer Glas
faser ist somit
B= lI'tc.1A.L. (1.1)
Daraus folgt fur das Bandbreite-Obertragungslange-Produkt
BL=l/'tc.1A., (1.2)
welches urn so groBer ist, je kleiner die Materialdispersion und die spektrale
Linienbreite der Sendediode sind.
FUr diese zweite Generation von Systemen ('A = 1,3 J.Lm) wurde schon 1976 eine
Quarzfaser mit einer Dampfung von nur 0,47 dB/km entwickelt [1.4]. Ein paar
Jahre spater (1979) gelang schlieBlich fUr die dritte Generation optischer
Systeme die Realisierung von Glasfasern im Dampfungsminimum urn 0,2 dBlkm
bei 'A = 1,55 J.Lm [1.5] (ab 1,7 J.Lm setzt wieder starke Dampfung durch funda
mentale Infrarot-Absorption des Fasermaterials ein).
Die Vorteile der Obertragung im Dispersionsminimum ('A = 1,3 J.Lm) und im
Dampfungsminimum ('A = 1,55 J.Lm) waren eine groBe Herausforderung fur die
Entwicklung entsprechender Sen de- und Empfangsdioden, weil hierzu erst
geeignete Halbleiterverbindungen entwickeIt werden muBten. Die quarternare
Mischverbindung Inl_xGaxAsyPI-y, bei der durch passende Wahl der Mischungs
verhaltnisse (x. y) der erforderliche Wellenlangenbereich zwischen 0,92 J.Lm
und 1,65 J.Lm abgedeckt werden kann, scheint derzeit die geeignetste Material
verbindung sowohl fur die Sende- als auch fUr die Empfangsdioden zu sein.
Auf der Empfangerseite wird daneben auch Ge verwendet.
Bei den Glasfasern gibt es drei Ausfuhrungsformen (Bild 1.3): die Stufen
Index-Faser, die einwellige Faser und die Gradientenfaser. Da die Stufen
Index-Faser und (im geringeren MaBe) die Gradientenfaser neben der
Materialdispersion (unterschiedliche Laufzeiten fUr verschiedene Wellen lan
gen) auch Modendispersion (unterschiedliche Weglangen und damit Laufzeiten
fUr verschiedene Ausbreitungsmoden) aufweisen. setzt sich fUr die Breitband
Ubertragung immer mehr die einwellige Faser durch, bei der praktisch nur die
Materialdispersion zu berucksichtigen ist. Bei dieser Faser ist der Kerndurch
messer
(1.3)
4 1 Einleitung
so gering, daB fur WellenUingen oberhalb der GrenzwellenUinge Ac nur noch ein
einziger Ausbreitungsmodus auftreten kann [1.6]. Der Brechzahl-Unterschied
zwischen Faserkern (lil) und Mantel (li2) betragt dabei nur einige Zehntel.
Mit Ac = 1,3 /J.m und li~ - lii = 0,01 (li = 1,5) wird der Kerndurchmesser kleiner
l
als 10 /J.m. Der Gesamtdurchmesser mit Mantel Iiegt typischerweise bei 125 /J.m.
r[3-n
oJ)
t:Ell
a)
r&-n
@
~
b)
r&n
oJ)
~I
c)
BUd 1.3: Autbau, Brechzahlprofil und Strahlungsausbreitung bei Glasfasem:
a) Stufen-Index-Faser, b) Einwellige Faser, c) Gradienten-Index-Faser
Die Materialdispersion einer einwelligen Faser ist im Dampfungsminimum
etwa 20 ps/nm·km. Gewohnliche Fabry-Perot Injektionslaser erleiden bei ra
scher und kraftiger Intensitatsmodulation eine dynamische Linienverbreiterung
bis zu L\A = 3 nm (s. Abschnitt 5.6.1). Das BL-Produkt (1.2) liegt dann nur bei
BL = 16,6 GHz·km. Eine ObertragungsUinge von L = 100km beschrankt somit
die Bandbreite auf 160 MHz.
FUr Weitverkehrssysteme mUssen daher die starker modenselektiven Laser mit
verteilter RUckkopplung DBR (gistributed ~ragg reflector)- und DFB (gistri
buted feed hack)- Laser eingesetzt werden (s. Kapitel 6). Diese Laser bleiben
auch bei kraftiger Modulation noch einmodig und wei sen nur mehr eine dyna
mische Linienverbreiterung von etwa L\A = 0,1 nm auf (s. Abschnitt 6.4). Das
B·L Produkt vergroBert sich dann aufetwa 500 GHz·km.
1 Einleitung 5
In der optischen Verbindungstechnik (z.B. zwischen Rechnern) sind nur kurze
FaserUingen bis zu etwa hundert Metern notwendig. Als Strahlungsquellen eig
nen sich hierfur auch die im Aufbau viel einfacheren LEDs mit ihren Iinearen
und daher einfacher auszusteuernden Licht-Stromkennlinien (s. Kapitel 4).
Bild 1.4 zeigt die Entwicklung der digitalen Obertragungskapazitat (Gbit·km/s)
von 1974 bis 1996 [1.7]. So konnte z.B. mit DFB-Lasern bei A= 1,55 f.lm (dritte
Generation) die Obertragungskapazitat von 410 Gbit'km/s (1985, [1.8]) auf
1100 Gbit·km/s (1996, [1.9], nicht eingezeichnet in Bild 1.4) gesteigert werden.
5. CJeneadon •
r: Fz-dot. Faser-~
~
3.Gonnt!m
JnGaAaP 1,55,an
'-A~""-;;;i'~
100
-+
1. Oenention
GaAs O,87,an
~1+---~--~--r---r--'--~--~---r---r--~--'-~
1974 1976 1978 1980 1982 19841986 1988 1990 1992 1994 1996
Jahr
~
Bild 1.4: Zeitliche Entwicklung der digitalen optischen Obertragungskapazitat
Neben den bereits angesprochenen drei Generationen von optischen Obertra
gungssystemen sind hier noch zwei moderne Versionen angegeben, die in
diesem Buch allerdings nicht weiter behandelt werden. Die vierte Generation
verwendet den optischen Oberlagerungs-Empfang. Wie bei Rundfunkempfan
gern wird auch hier mit einem optischen Lokaloszillator das am Empfanger an
kommende optische Signal am Photodetektor rauscharm auf eine elektrische
Zwischenfrequenz herabgemischt. Hier erwartet man Obertragungskapazitaten
bis zu 1000 Gbit·km/s.
Die ftinfte Generation benutzt Erbium-dotierte Faserverstarker. Dieses neu
artige Prinzip ist sehr vielversprechend fur den optischen Weitverkehr. Dabei
