Optisch gesteuerte DBR-Filter auf Bildleitungen im W-Band

URN urn:nbn:de:gbv:705-opus-4876
URL
Dokumentart: Dissertation
Institut: Lehrstuhl: Hochfrequenztechnik
Fakultät: Fakultät Elektrotechnik
Hauptberichter: Platte, Walter (Prof. Dr.-Ing.)
Sprache: Deutsch
Tag der mündlichen Prüfung: 29.04.2005
Erstellungsjahr: 2005
Publikationsdatum:
Freie Schlagwörter (Deutsch): DBR, Filter, W-Band, Optoelektronik, Photonik
DDC-Sachgruppe: Ingenieurwissenschaften

Kurzfassung auf Deutsch:

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der theoretischen und experimentellen Untersuchungen von optoelektronisch gesteuerten DBR-Filtern auf Silizium-Quarz-Bildleitungen im MMW-Bereich. Nach der Einleitung erfolgt eine Erklärung der Funktionsweise optisch induzierter und damit optisch steuerbarer DBR-Filter auf Basis einer dielektrischen Bildleitung, die entweder vollständig oder nur teilweise aus optoelektronisch steuerbarem Halbleitermaterial besteht. Die Erläuterung findet anhand eines Modells lichtinduzierter Wellenleitergitter statt. Die in diesem Zusammenhang notwendige Diskussion über den Einfluss der Ladungsträgerdiffusion im Halbleitermaterial wird zunächst für vertikale Beleuchtung geführt. Die stark inhomogene, von Diffusionseffekten geprägte stationäre transversale, optisch induzierte Photoladungsträgerverteilung im Halbleitermaterial wird durch die ambipolare dreidimensionale Diffusionsgleichung beschrieben. Dabei ist die x-gerichtete Diffusion vernachlässigbar. Im Gegensatz hierzu müssen die Diffusionen in y- und z-Richtung berücksichtigt werden. Für die Diffusion in y-Richtung, die für geschichtete Bildleitungen und auch Vollsubstratbildleitungen untersucht wird, ist unter bestimmten Voraussetzungen die Verwendung eines homogenen Modells erlaubt. Auf Basis des diffusionskontrollierten Impedanz-Stufenprofilmodells, welches erstmalig in die Theorie der Bildleitung implementiert wird, findet die Berücksichtigung der Ladungsträgerdiffusion in z-Richtung statt. Im nächsten Schritt behandelt der Autor mit Hilfe des Drude-Modells die Auswirkung der Veränderung der Photoladungsträgerdichte auf die Permittivität des Halbleitermaterials und damit auf die Ausbreitungseigenschaften einer sich auf einer Bildleitung ausbreitenden Welle. Anschließend beschreibt die Arbeit einige wichtige Filterkenngrößen. Dazu erfolgt die Vorstellung eines neuen und im Gegensatz zu ALPHONES verbesserten Ansatzes zur Berechnung der Reflexionsfaktors über das Kettenparametermodell. Ebenfalls wird aufgezeigt, welche Änderungen für eine horizontale optische Anregung vorzunehmen sind. Im nächsten Kapitel wird - ausgehend von den Maxwellschen Gleichungen - die Wellenausbreitung auf dielektrischen Bildleitungen diskutiert. Dazu fließt zunächst das homogene Modell zur Beschreibung der Ladungsträgerdichteverteilung und danach auch zum ersten Mal das in y-Richtung inhomogene Profil in die Leitungstheorie der Bildleitung ein, wobei modellabhängig die homogenen bzw. inhomogene Wellengleichung zu lösen ist. Zur Berechnung der Ausbreitungseigenschaften findet die EDC-Methode Berücksichtigung, bei der die Reihenfolge der zu betrachtenden Plattenleiter an die Richtung der Beleuchtung gebunden ist. Erstmalig wird ein optisch gesteuertes DBR-Filter auf Bildleitungsbasis vorgestellt, das im unbeleuchteten Zustand ohne jegliche periodische Struktur auskommt. Das sich anschließende Kapitel beinhaltet die Theorie der Abstrahlung durch periodische Wellenleiterstrukturen. Hier wird im Gegensatz zur herkömmlichen Literatur ein anschaulicher Überblick über das Phänomen der Leckwellenabstrahlung gegeben. Für periodische Strukturen wird gezeigt, wie aus Oberflächenwellen Leckwellen entstehen können. Zusätzlich erfolgt in Hinsicht auf die praktische Untersuchung der Abstrahlung die Herleitung der Richtdiagramme. Das nachfolgende Kapitel startet mit der Diskussion der Ausbreitungseigenschaften einer sich auf der unbeleuchteten Bildleitung ausbreitenden Welle, an die sich eine Diskussion für das Verhalten der beleuchteten Leitung anschließt. Hierbei zeigt sich erstmals, dass Vollsubstrat-Bildleitungen zur optischen Steuerung nicht geeignet sind. Vielmehr bieten sich dazu geschichtete Bildleitung an, die über eine nur dünne Halbleiterschicht (aus Silizium) verfügen. Der Vergleich der Ausbreitungseigenschaften einer sich auf der geschichteten Bildleitung fortschreitenden Welle bei inhomogenem und homogenem Ladungsträgerprofil zeigt, unter welchen Bedingungen die Verwendung des homogenen (approximierten) Modells zu relativ ähnlichen Ergebnissen führt. Ferner folgt eine theoretische Analyse der optisch steuerbaren Filter durch die Variation und Diskussion verschiedener Parameter. Auch hier ergibt sich eine gute Übereinstimmung der Resultate aus homogenem und inhomogenem Modell. Bei der Auswertung findet sich zum ersten Mal eine diffusionslängen- und gitter-dimensionsabhängige optimale Ladungsträgerdichte, die in einem maximalen Reflexionsfaktorbetrag und damit in einer hohen optischen Steuereffizienz resultiert. Diese optimale Trägerdichte folgt aus der erstmaligen Berücksichtigung des Stufenprofilmodell-Einflusses auf die Wellenausbreitung auf der Bildleitung. Parallel hierzu wird die theoretische Untersuchung der Abstrahlung vollzogen, die für solche Strukturen im W-Band nur schwache, verschwindend geringe Abstrahlung aufzeigt - was bislang in der Literatur noch nicht dokumentiert ist. Merkliche Abstrahlung stellt sich erst bei deutlich höheren Frequenzen weit oberhalb des W-Bandes ein. Daran anschließend wird die Messtechnik erläutert. Die Auswertung der Messergebnisse verifiziert die simulativ ermittelten Resultate sowohl für die optisch induzierte Bildleitung als auch erstmalig für das optisch induzierte Filter mit relativ guter Übereinstimmung. Bei der optischen Anregung zeigt sich die vertikale Beleuchtung zur Steuerung der Bildleitung effektiver als die horizontale Anregung. Die Leitungsanalyse liefert eine bisher noch nicht bekannte Absorption im Halbleitermaterial bei einer bestimmten Frequenz und Ladungsträgerdichte, bei der sich auch eine kleine Abstrahlung einstellt. Auch dieses Phänomen wurde bislang im Schrifttum noch nicht dokumentiert. Des Weiteren wird die Existenz der optimalen Ladungsträgerdichte, die entdeckt wurde, beim Filter messtechnisch bestätigt - analog zu den Simulationsergebnissen. Genauso decken sich die für die Filter theoretisch gewonnen Erkenntnisse mit den Messergebnissen bezüglich einer nur schwachen Abstrahlung im W-Band, die zum ersten Mal messtechnisch dokumentiert werden. Das Ziel dieser Arbeit, eine ausschließlich optisch induzierte Filterwirkung im W-Band auf der Grundlage von Bragg-Reflexionen messtechnisch nachzuweisen, ohne dabei andere als optisch angeregte periodische Strukturen zu benutzen, wird erstmalig erreicht.

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