Bahaa E. A. Saleh und Malvin Carl Teich

Optik und Photonik Dritte Auflage

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Optik und Photonik

Optik und Photonik

Bahaa E. A. Saleh und Malvin C. Teich

Dritte, vollständig überarbeitete und erweiterte Auflage

Autoren

Prof. Dr. Bahaa E. A. SalehUniversity of Central FloridaBoston UniversityUSA

Prof. Dr. Malvin C. TeichBoston UniversityColumbia UniversityUSA

ÜbersetzerDr. Michael Bär, Wiesloch

TitelbildX-Cube Prism with Multi-colored Light Beams Spectrum,©2015 Sunyixun/Getty Images

Originalwerke

Bahaa E. A. Saleh, Malvin C. Teich: Fundamentals of Photonics,Third Edition, Volume 1 and Volume 2.© 2019 by John Wiley & Sons, Inc.All Rights Reserved. This translation published under licensewith the original publisher John Wiley & Sons, Inc.

3. Auflage 2020

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Print ISBN 978-3-527-34723-0ePDF ISBN 978-3-527-82591-2ePub ISBN 978-3-527-82592-9oBook ISBN 978-3-527-82593-6

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Gedruckt auf säurefreiem Papier.

V

Inhaltsverzeichnis

Vorwort zur dritten Auflage XIX

Vorwort zur zweiten Auflage XXIII

Teil I Optik 1

1 Strahlenoptik 31.1 Postulate der Strahlenoptik 41.1.1 Ausbreitung in einem homogenen Medium 51.2 Einfache optische Komponenten 61.2.1 Spiegel 61.2.2 Ebene Grenzflächen 81.2.3 Sphärische Grenzflächen und Linsen 101.2.4 Lichtleiter 131.3 Gradientenindexoptik 141.3.1 Die Strahlengleichung 141.3.2 Optische Komponenten mit variablem Brechungsindex 151.3.3 Die Eikonalgleichung 181.4 Matrizenoptik 191.4.1 Die Strahltransfermatrix 191.4.2 Matrizen einfacher optischer Komponenten 201.4.3 Matrizen von hintereinander geschalteten optischen Komponenten 211.4.4 Periodische optische Systeme 23

2 Wellenoptik 292.1 Die Postulate der Wellenoptik 302.1.1 Die Wellengleichung 302.2 Monochromatische Wellen 312.2.1 Komplexe Darstellung und die Helmholtzgleichung 312.2.2 Einfache Wellen 322.2.3 Paraxiale Wellen 342.3 Die Beziehung zwischen Wellenoptik und Strahlenoptik 352.3.1 Die Eikonalgleichung 362.4 Einfache optische Komponenten 362.4.1 Reflexion und Brechung 362.4.2 Durchgang durch optische Komponenten 372.4.3 Optische Komponenten mit variablem Brechungsindex 41

VI Inhaltsverzeichnis

2.5 Interferenz 422.5.1 Interferenz zweier Wellen 422.5.2 Vielwelleninterferenz 452.6 Polychromatisches und gepulstes Licht 492.6.1 Zeitliche und spektrale Beschreibung 492.6.2 Lichtschwebung 51

3 Optik von Strahlbündeln 573.1 Der Gaußstrahl 573.1.1 Die komplexe Amplitude eines Gaußstrahls 573.1.2 Eigenschaften von Gaußstrahlen 583.1.3 Die Qualität eines Strahlbündels 643.2 Durchgang durch optische Komponenten 643.2.1 Durchgang durch eine dünne Linse 643.2.2 Formung eines Strahlbündels 663.2.3 Reflexion an einem Kugelspiegel 673.2.4 Durchgang durch ein beliebiges optisches System 683.3 Hermite-Gauß-Strahlen 703.3.1 Die komplexe Amplitude 713.3.2 Intensitätsverteilung 713.4 Laguerre-Gauß-Strahlen 723.4.1 Laguerre-Gauß-Strahlen 723.4.2 Optische Wirbel 733.4.3 Ince-Gauß-Strahlen 733.5 Nichtbeugende Strahlen 743.5.1 Besselstrahlen 743.5.2 Airystrahlen 75

4 Fourieroptik 794.1 Lichtausbreitung im Vakuum 804.1.1 Räumliche harmonische Funktionen und ebene Wellen 804.1.2 Die Übertragungsfunktion des Vakuums 854.1.3 Die Impulsantwortfunktion des Vakuums 874.1.4 Huygens-Fresnel-Prinzip 884.2 Die optische Fouriertransformation 884.2.1 Fouriertransformation im Fernfeld 884.2.2 Fouriertransformation mithilfe einer Linse 894.3 Lichtbeugung 914.3.1 Fraunhoferbeugung 924.3.2 Fresnelbeugung 944.3.3 Nichtbeugende Wellen 974.4 Bildentstehung 984.4.1 Strahlenoptische Beschreibung eines einlinsigen abbildenden Systems 984.4.2 Wellenoptische Beschreibung eines 4f -Systems 994.4.3 Wellenoptische Beschreibung eines einlinsigen abbildenden Systems 1014.4.4 Abbildung im Nahfeld 1044.5 Holographie 1054.5.1 Die holographische Codierung 1064.5.2 Holographie außerhalb der optischen Achse 1074.5.3 Fouriertransformations-Holographie 1084.5.4 Holographische Ortsfilter 1094.5.5 Die holographische Apparatur 1094.5.6 Volumenholographie 110

VIIInhaltsverzeichnis

5 Elektromagnetische Optik 1175.1 Die elektromagnetische Theorie des Lichts 1185.1.1 Die maxwellschen Gleichungen im Vakuum 1185.1.2 Die Wellengleichung 1185.1.3 Die maxwellschen Gleichungen in Medien 1195.1.4 Randbedingungen 1205.1.5 Intensität, Leistung und Energie 1205.1.6 Impuls 1205.2 Elektromagnetische Wellen in Dielektrika 1215.2.1 Definitionen 1215.2.2 Lineare, nichtdispersive, homogene und isotrope Medien 1215.2.3 Nichtlineare, dispersive, inhomogene oder anisotrope Medien 1225.3 Monochromatische elektromagnetische Wellen 1245.3.1 Die maxwellschen Gleichungen in einem Medium 1255.3.2 Intensität und Leistung 1255.3.3 Lineare, nichtdispersive, homogene und isotrope Medien 1255.3.4 Inhomogene Medien 1255.3.5 Dispersive Medien 1255.4 Einfache elektromagnetische Wellen 1265.4.1 Ebene, Dipol- und gaußsche elektromagnetische Wellen 1265.4.2 Die Beziehung zwischen elektromagnetischer Optik und skalarer Wellenoptik 1295.4.3 Vektor-Strahlbündel 1305.5 Absorption und Dispersion 1305.5.1 Absorption 1305.5.2 Dispersion 1325.5.3 Resonante Medien 1345.6 Die Streuung elektromagnetischer Wellen 1375.6.1 Die bornsche Näherung 1385.6.2 Rayleighstreuung 1385.6.3 Miestreuung 1415.6.4 Dämpfung in einem streuenden Medium 1425.7 Pulsausbreitung in dispersiven Medien 1435.7.1 Die Gruppengeschwindigkeit 1435.7.2 Die Dispersion der Gruppengeschwindigkeit 144

6 Polarisationsoptik 1516.1 Die Polarisation des Lichts 1526.1.1 Die Polarisation 1526.1.2 Die Matrixdarstellung der Polarisation 1556.2 Reflexion und Brechung 1596.2.1 TE-Polarisation 1606.2.2 TM-Polarisation 1616.3 Die Optik anisotroper Medien 1636.3.1 Der Brechungsindex 1636.3.2 Ausbreitung entlang einer Hauptachse 1656.3.3 Ausbreitung entlang beliebiger Richtungen 1666.3.4 Die Dispersionsrelation, Strahlen, Wellenfronten und Energietransport 1686.3.5 Doppelbrechung 1706.4 Optische Aktivität und Magnetooptik 1726.4.1 Optische Aktivität 1726.4.2 Magnetooptik: Der Faradayeffekt 174

VIII Inhaltsverzeichnis

6.5 Optik von Flüssigkristallen 1756.5.1 Die Struktur von Flüssigkristallen 1756.5.2 Optische Eigenschaften von verdrillten nematischen Flüssigkristallen 1766.6 Polarisierende Bauelemente 1776.6.1 Polarisatoren 1776.6.2 Retarder 1786.6.3 Polarisationsrotatoren 1796.6.4 Nichtreziproke polarisierende Bauelemente 179

7 Optik photonischer Kristalle 1857.1 Optik von dielektrischen Schichtmedien 1877.1.1 Matrixtheorie der Optik von Schichtmedien 1877.1.2 Das Fabry-Pérot-Etalon 1927.1.3 Das Bragggitter 1947.2 Eindimensionale photonische Kristalle 2007.2.1 Blochmoden 2017.2.2 Matrizenoptik periodischer Medien 2037.2.3 Fourieroptik periodischer Medien 2087.2.4 Grenzflächen zwischen periodischen und homogenen Medien 2107.3 Zwei- und dreidimensionale photonische Kristalle 2117.3.1 Zweidimensionale photonische Kristalle 2127.3.2 Dreidimensionale photonische Kristalle 213

8 Optik von Metallen und Metamaterialien 2218.1 Einfach- und doppelt-negative Medien 2238.1.1 Wellenausbreitung in einfach- und doppelt-negativen Medien 2248.1.2 Wellen an Grenzflächen zwischen DP-, EN- und DP-Medien 2268.1.3 Hyperbolische Medien 2328.2 Optik von Metallen: Plasmonik 2348.2.1 Die optischen Eigenschaften von Metallen 2348.2.2 Die Grenzfläche zwischen Metall und Dielektrikum: Oberflächenplasmonpolaritonen 2398.2.3 Metallische Nanokugeln: Lokalisierte Oberflächenplasmonen 2418.2.4 Optische Antennen 2448.3 Optik von Metamaterialien 2458.3.1 Metamaterialien 2468.3.2 Metaoberflächen 2518.4 Transformationsoptik 2538.4.1 Transformationsoptik 2538.4.2 Tarnumhänge 255

9 Wellenleiteroptik 2619.1 Wellenleiter aus ebenen Spiegeln 2629.1.1 Wellenleitermoden 2629.1.2 Ausbreitungskonstanten 2639.1.3 Feldverteilungen 2649.1.4 Die Zahl der Moden 2659.1.5 Die Dispersionsrelation 2659.1.6 Gruppengeschwindigkeiten 2659.1.7 TM-Moden 2669.1.8 Vielmodenfelder 2679.2 Ebene dielektrische Wellenleiter 2679.2.1 Wellenleitermoden 268

IXInhaltsverzeichnis

9.2.2 Feldverteilungen 2709.2.3 Dispersionsrelation und Gruppengeschwindigkeiten 2719.3 Zweidimensionale Wellenleiter 2739.3.1 Der rechteckige Spiegelwellenleiter 2739.3.2 Der rechteckige dielektrische Wellenleiter 2749.3.3 Die Geometrie von Kanalwellenleitern 2749.3.4 Materialien 2759.4 Optische Kopplung in Wellenleitern 2769.4.1 Einkopplung 2769.4.2 Gekoppelte Wellenleiter 2779.4.3 Wellenleiterarrays 2819.5 Photonische Kristalle als Wellenleiter 2829.5.1 Bragggitter als Wellenleiter 2829.5.2 Bragg-Gitterwellenleiter als photonischer Kristall mit einer Defektschicht 2839.5.3 Zweidimensionale Wellenleiter aus photonischen Kristallen 2839.6 Plasmonische Wellenleiter 283

10 Faseroptik 28910.1 Geführte Strahlen 29010.1.1 Stufenindexfasern 29010.1.2 Gradientenindexfasern 29210.2 Geführte Wellen 29310.2.1 Helmholtzgleichung 29310.2.2 Stufenindexfasern 29410.2.3 Einmodenfasern 29810.2.4 Quasi-ebene Wellen in Stufen- und Gradientenindexfasern 30010.2.5 Mehrkernfasern und Faserkoppler 30410.3 Dämpfung und Dispersion 30610.3.1 Dämpfung 30610.3.2 Dispersion 30710.4 Hohlkernfasern und Fasern aus photonischen Kristallen 31410.4.1 Führung durch effektiven Brechungsindex 31410.4.2 Führung durch photonische Bandlücke 31510.4.3 Anwendungen 31510.5 Materialien für optische Fasern 31610.5.1 Fasern für das mittlere Infrarot 31610.5.2 Hybrid- und Multifunktionsfasern 317

11 Resonatoroptik 32111.1 Resonatoren aus ebenen Spiegeln 32311.1.1 Resonatormoden 32311.1.2 Schief einfallende Resonatormoden 32911.2 Kugelspiegelresonatoren 33011.2.1 Strahleingrenzung 33011.2.2 Gaußmoden 33211.2.3 Resonanzfrequenzen 33411.2.4 Hermite-Gauß-Moden 33511.2.5 Endliche Blenden und Beugungsverluste 33611.3 Zwei- und dreidimensionale Resonatoren 33711.3.1 Zweidimensionale rechteckige Resonatoren 33711.3.2 Kreisförmige Resonatoren und Flüstergaleriemoden 33811.3.3 Dreidimensionale rechteckige Hohlraumresonatoren 339

X Inhaltsverzeichnis

11.4 Mikro- und Nanoresonatoren 34011.4.1 Rechteckige Mikroresonatoren 34111.4.2 Mikrosäulen-, Mikrodisk- und Mikroringresonatoren 34211.4.3 Mikrokugeln 34311.4.4 Mikroresonatoren aus photonischen Kristallen 34411.4.5 Plasmonische Resonatoren: Metallische Nanodisks und Nanokugeln 345

12 Statistische Optik 34912.1 Statistische Eigenschaften von stochastischem Licht 35012.1.1 Optische Intensität 35012.1.2 Zeitliche Kohärenz und Spektrum 35112.1.3 Räumliche Kohärenz 35512.1.4 Longitudinale Kohärenz 35812.2 Interferenz von partiell kohärentem Licht 35912.2.1 Interferenz zweier partiell kohärenter Wellen 35912.2.2 Interferometrie und zeitliche Kohärenz 36012.2.3 Interferometrie und räumliche Kohärenz 36212.3 Transmission von partiell kohärentem Licht durch optische Systeme 36412.3.1 Ausbreitung von partiell kohärentem Licht 36412.3.2 Bildentstehung mit inkohärentem Licht 36512.3.3 Verstärkung der räumlichen Kohärenz durch Ausbreitung 36712.4 Partielle Polarisation 37012.4.1 Die Kohärenzmatrix 37112.4.2 Stokesparameter und Poincarékugeldarstellung 37112.4.3 Unpolarisiertes Licht 37212.4.4 Polarisiertes Licht 372

13 Photonenoptik 37713.1 Das Photon 37813.1.1 Licht in einem Resonator 37813.1.2 Die Energie eines Photons 37913.1.3 Die Polarisation von Photonen 38013.1.4 Der Ort eines Photons 38213.1.5 Der Impuls eines Photons 38313.1.6 Die Interferenz von Photonen 38413.1.7 Die Zeit eines Photons 38513.2 Photonenströme 38713.2.1 Der Photonenstrom 38713.2.2 Stochastische Eigenschaften des Photonenflusses 38913.2.3 Photonenzahlstatistik 39013.2.4 Die zufällige Aufteilung von Photonenströmen 39413.3 Quantenzustände des Lichts 39613.3.1 Quantentheorie des harmonischen Oszillators 39613.3.2 Die Analogie zwischen einer optischen Mode und einem harmonischen Oszillator 39713.3.3 Kohärente Zustände 39713.3.4 Quadraturgequetschtes Licht 39813.3.5 Photonenzahlgequetschtes Licht 39913.3.6 Zweiphotonenlicht 400

XIInhaltsverzeichnis

Teil II Photonik 411

14 Licht und Materie 41314.1 Energieniveaus 41314.1.1 Atome 41414.1.2 Ionen und dotierte Dielektrika 41814.1.3 Moleküle 42214.1.4 Festkörper 42414.2 Die Besetzung von Energieniveaus 42814.2.1 Die Boltzmannverteilung 42814.2.2 Die Fermi-Dirac-Verteilung 42914.3 Die Wechselwirkung von Photonen mit Atomen 43014.3.1 Die Wechselwirkung von Einmodenlicht mit einem Atom 43014.3.2 Spontane Emission 43214.3.3 Induzierte Emission und Absorption 43314.3.4 Linienverbreiterung 43614.3.5 Verstärkte spontane Emission 43914.3.6 Laserkühlung, Einschluss von Atomen und Atomoptik 44014.4 Thermisches Licht 44314.4.1 Das thermische Gleichgewicht zwischen Photonen und Atomen 44314.4.2 Das Spektrum des schwarzen Strahlers 44414.5 Lumineszenz und Lichtstreuung 44614.5.1 Formen der Lumineszenz 44714.5.2 Photolumineszenz 44814.5.3 Lichtstreuung 451

15 Laserverstärker 45715.1 Theorie der Laserverstärkung 45915.1.1 Gewinn und Bandbreite 45915.1.2 Phasenverschiebung 46015.2 Pumpen des Verstärkers 46115.2.1 Geschwindigkeitsgleichungen 46215.2.2 Pumpschemata 46415.3 Verbreitete Laserverstärker 46815.3.1 Rubin 46915.3.2 Neodymdotiertes Glas 47015.3.3 Erbiumdotierte Quarzglasfasern 47215.3.4 Raman-Faserverstärker 47415.3.5 Die Eigenschaften ausgewählter Laserübergänge 47515.4 Die Nichtlinearität von Verstärkern 47615.4.1 Der Gewinn bei Sättigung in homogen verbreiterten Medien 47615.4.2 Gewinn bei Sättigung in inhomogen verbreiterten Medien 47815.5 Verstärkerrauschen 48015.5.1 Photonenstatistik nach Verstärkung 481

16 Laser 48516.1 Theorie der Laseroszillation 48616.1.1 Optische Verstärkung und Rückkopplung 48616.1.2 Bedingungen für die Laseroszillation 48816.2 Die Eigenschaften der Laserstrahlung 49016.2.1 Leistung 49016.2.2 Die spektrale Verteilung 493

XII Inhaltsverzeichnis

16.2.3 Räumliche Verteilung und Polarisation 49716.2.4 Modenselektion 49816.3 Bauarten von Lasern 50016.3.1 Festkörperlaser 50116.3.2 Faserlaser 50616.3.3 Raman-Faserlaser 51016.3.4 Chaotische Laser 51216.3.5 Gas- und Farbstofflaser 51316.3.6 Röntgen- und Freie-Elektronen-Laser 51516.3.7 Tabelle ausgewählter Eigenschaften 52316.4 Gepulste Laser 52316.4.1 Methoden zur Erzeugung von Laserpulsen 52516.4.2 Die Analyse von Einschwingvorgängen 52616.4.3 Die Gütemodulation 52816.4.4 Modenkopplung 53116.4.5 Optische Frequenzkämme 535

17 Halbleiteroptik 54317.1 Halbleiter 54417.1.1 Energiebänder und Ladungsträger 54417.1.2 Halbleitermaterialien 54717.1.3 Die Konzentrationen von Elektronen und Löchern 55417.1.4 Erzeugung, Rekombination und Injektion 55917.1.5 Halbleiterübergänge 56117.1.6 Heteroübergänge 56417.1.7 Quantenbeschränkte Strukturen 56517.2 Wechselwirkungen von Photonen mit Ladungsträgern 56917.2.1 Photonenwechselwirkungen in Volumenhalbleitern 57017.2.2 Interbandübergänge in Volumenhalbleitern 57117.2.3 Absorption, Emission und Gewinn in Volumenhalbleitern 57417.2.4 Photonenwechselwirkungen in quantenbeschränkten Strukturen 57817.2.5 Quantenpunkt-Einzelphotonenemitter 57917.2.6 Der Brechungsindex 580

18 LED und Laserdioden 58518.1 Lichtemittierende Dioden (LED) 58618.1.1 Injektionselektrolumineszenz 58618.1.2 Die Eigenschaften von LED 59018.1.3 Materialien und Aufbau von Bauelementen 59618.1.4 Siliciumphotonik 60018.1.5 Organische LED 60118.1.6 LED-Beleuchtungen 60318.2 Optische Halbleiterverstärker 60718.2.1 Gewinn und Bandbreite 60818.2.2 Der Pumpvorgang 61218.2.3 Heterostrukturen 61318.2.4 Quantenschichtstrukturen 61418.2.5 Superlumineszenzdioden 61718.3 Laserdioden 61818.3.1 Verstärkung, Rückkopplung und Schwingung 61818.3.2 Leistung und Wirkungsgrad 62118.3.3 Spektrale und räumliche Eigenschaften von Laserdioden 624

XIIIInhaltsverzeichnis

18.4 Quanteneinschlusslaser 62718.4.1 Einfach- und Mehrfachquantenschichtlaser 62818.4.2 Quantendraht- und Mehrfachquantendrahtlaser 63118.4.3 Quantenpunkt- und Mehrfachquantenpunktlaser 63218.4.4 Quantenkaskadenlaser 63318.5 Mikroresonatorlaser 63618.5.1 Oberflächenemitter 63718.5.2 Mikrodisk- und Mikroringlaser 64018.5.3 Mikroresonatorlaser aus photonischen Kristallen 64118.6 Nanoresonatorlaser 642

19 Photodetektoren 65119.1 Photodetektoren 65219.1.1 Äußerer und innerer Photoeffekt 65219.1.2 Allgemeine Eigenschaften 65519.2 Photoleiter 66019.2.1 Intrinsische Materialien 66019.2.2 Dotierte Materialien 66119.2.3 Heterostrukturen 66219.3 Photodioden 66319.3.1 Die pn-Photodiode 66319.3.2 Die pin-Photodiode 66519.3.3 Heterostrukturen 66619.4 Lawinenphotodioden 66919.4.1 Konventionelle Lawinenphotodioden 66919.4.2 Dioden mit positions- und verlaufsabhängigen Parametern 67519.4.3 Einzelphotonen- und photonenzahlauflösende Detektoren 67619.5 Arraydetektoren 67919.5.1 Photodetektoren 67919.5.2 Ausleseelektronik 68019.6 Rauschen in Photodetektoren 68119.6.1 Photoelektronenrauschen 68219.6.2 Gewinnrauschen 68519.6.3 Schaltungsrauschen 69019.6.4 Signal/Rausch-Verhältnis und Empfindlichkeit analoger Empfänger 69219.6.5 Bitfehlerrate und Empfindlichkeit digitaler Empfänger 696

20 Akustooptik 70520.1 Die Wechselwirkung von Licht und Schall 70620.1.1 Braggsche Beugung 70620.1.2 Die Theorie gekoppelter Wellen 71120.1.3 Braggsche Beugung von Strahlen 71220.2 Akustooptische Bauelemente 71420.2.1 Modulatoren 71520.2.2 Scanner 71620.2.3 Räumliche Schalter 71820.2.4 Filter, Frequenzschieber und Isolatoren 72020.3 Akustooptik von anisotropen Medien 72120.3.1 Akustische Wellen in anisotropen Materialien 721

XIV Inhaltsverzeichnis

21 Elektrooptik 72721.1 Grundlagen der Elektrooptik 72821.1.1 Pockels- und Kerreffekt 72821.1.2 Elektrooptische Modulatoren und Schalter 72921.1.3 Scanner 73221.1.4 Richtkoppler 73321.1.5 Räumliche Lichtmodulatoren 73521.2 Elektrooptik anisotroper Medien 73721.2.1 Kristalloptik: Eine kurze Wiederholung 73721.2.2 Pockels- und Kerreffekt 73721.2.3 Modulatoren 74121.3 Elektrooptik von Flüssigkristallen 74221.3.1 Phasenschieber und Modulatoren 74221.3.2 Räumliche Lichtmodulatoren und Displays 74621.4 Photorefraktivität 74921.4.1 Vereinfachte Theorie der Photorefraktion 75021.5 Elektroabsorption 753

22 Nichtlineare Optik 75922.1 Nichtlineare optische Medien 76022.1.1 Die nichtlineare Wellengleichung 76222.2 Nichtlineare Optik zweiter Ordnung 76322.2.1 Frequenzverdopplung und Gleichrichtung 76322.2.2 Der elektrooptische Effekt 76522.2.3 Dreiwellenmischung 76622.2.4 Phasenbedingung und Abstimmungskurven 76922.2.5 Quasi-Phasenanpassung 77322.3 Nichtlineare Optik dritter Ordnung 77522.3.1 Die Erzeugung der dritten Harmonischen und der optische Kerreffekt 77522.3.2 Selbstphasenmodulation, Selbstfokussierung und räumliche Solitonen 77622.3.3 Kreuzphasenmodulation 77822.3.4 Vierwellenmischung 77822.3.5 Optische Phasenkonjugation 78022.4 Nichtlineare Optik zweiter Ordnung: Die Theorie gekoppelter Wellen 78222.4.1 Die Gleichungen gekoppelter Wellen 78222.4.2 Frequenzverdopplung 78422.4.3 Optische Frequenzkonversion 78622.4.4 Optische parametrische Verstärkung und Oszillation 78722.5 Nichtlineare Optik dritter Ordnung: Die Theorie gekoppelter Wellen 78922.5.1 Vierwellenmischung 78922.5.2 Dreiwellenmischung und Erzeugung der dritten Harmonischen 79122.5.3 Optische Phasenkonjugation 79222.6 Anisotrope nichtlineare Medien 79422.6.1 Dreiwellenmischung in anisotropen nichtlinearen Medien zweiter Ordnung 79522.7 Dispersive nichtlineare Medien 79622.7.1 Beschreibung dispersiver nichtlinearer Medien durch eine Integraltransformation 79622.7.2 Beschreibung dispersiver nichtlinearer Medien durch eine Differentialgleichung 797

XVInhaltsverzeichnis

23 Ultraschnelle Optik 80323.1 Eigenschaften von Pulsen 80423.1.1 Zeitliche und spektrale Eigenschaften 80423.1.2 Gaußpulse und gechirpte Gaußpulse 80723.1.3 Räumliche Eigenschaften 80823.2 Pulsformung und Kompression 81023.2.1 Chirpfilter 81023.2.2 Ausführungen von Chirpfiltern 81623.2.3 Pulskompression 81923.2.4 Pulsformung 81923.3 Pulsausbreitung in optischen Fasern 82123.3.1 Die optische Faser als Chirpfilter 82123.3.2 Ausbreitung eines Gaußpulses in einer optischen Faser 82323.3.3 Diffusionsgleichung für langsam variierende Einhüllende 82723.3.4 Analogie zwischen Dispersion und Beugung 82823.4 Ultraschnelle lineare Optik 83123.4.1 Strahlenoptik 83123.4.2 Wellen- und Fourieroptik 83223.4.3 Optik von Strahlbündeln 83423.5 Ultraschnelle nichtlineare Optik 83823.5.1 Gepulste parametrische Prozesse 83823.5.2 Optische Solitonen 84223.5.3 Superkontinuumslicht 84823.5.4 Die Erzeugung höherer Harmonischer und Attosekundenoptik 85023.6 Pulsdetektion 85423.6.1 Die Messung der Intensität 85423.6.2 Die Messung der spektralen Intensität 85823.6.3 Die Messung der Phase 85923.6.4 Messung des Spektrogramms 861

24 Optische Verbindungen und Schalter 86924.1 Optische Verbindungen 87124.1.1 Die Verbindungsmatrix 87124.1.2 Nichtreziproke Verbindungen: Isolatoren und Zirkulatoren 87224.1.3 Brechende und beugende Verbindungen im freien Raum 87324.1.4 Wellenleiterverbindungen 87524.1.5 Nichtreziproke optische Verbindungen 87624.1.6 Optische Verbindungen in Mikroelektronik und Computertechnik 87624.2 Passive optische Router 88124.2.1 Wellenlängenbasierte Router 88124.2.2 Polarisations-, phasen- und intensitätsbasierte Router 88524.3 Photonische Schalter 88724.3.1 Ausführungen von räumlichen Schaltern 88724.3.2 Realisierungen von photonischen räumlichen Schaltern 88924.3.3 Volloptische räumliche Schalter 89524.3.4 Wellenlängenempfindliche Schalter 90224.3.5 Zeitbereichsschalter 90424.3.6 Code- oder Paketschalter 90624.4 Photonische Logikgatter 90824.4.1 Bistabile Systeme 90824.4.2 Das Prinzip der optischen Bistabilität 91024.4.3 Bistabile optische Bauelemente 912

XVI Inhaltsverzeichnis

25 Faseroptische Kommunikation 91925.1 Faseroptische Komponenten 92025.1.1 Optische Fasern 92025.1.2 Quellen für optische Sender 92525.1.3 Optische Verstärker 92625.1.4 Detektoren für optische Empfänger 92825.1.5 Integriert-photonische Schaltkreise 93025.2 Faseroptische Nachrichtensysteme 93125.2.1 Entwicklungsgeschichte faseroptischer Nachrichtensysteme 93225.2.2 Die Leistungsfähigkeit von faseroptischen Systemen 93525.2.3 Dämpfungs- und dispersionsbegrenzte Systeme 93725.2.4 Kompensation und Management von Dämpfung und Dispersion 94225.2.5 Solitonoptische Kommunikation 94425.3 Modulation und Multiplexing 94525.3.1 Modulation 94525.3.2 Multiplexing 94725.3.3 Wellenlängenmultiplexing 94825.3.4 Raummultiplexing 95025.4 Kohärente optische Kommunikation 95225.4.1 Der Heterodyndetektor 95325.4.2 Der symmetrische Homodyndetektor 95425.4.3 Kohärente Systeme 95525.5 Faseroptische Netze 95825.5.1 Netztopologien und Vielfachzugriff 95825.5.2 Wellenlängenmultiplexnetze 961

Anhang A Die Fouriertransformation 969A.1 Die eindimensionale Fouriertransformation 969A.1.1 Eigenschaften der Fouriertransformation 969A.1.2 Beispiele 970A.2 Zeitliche und spektrale Breite 970A.2.1 Die quadratisch gemittelte Breite 970A.2.2 Die leistungsäquivalente Breite 972A.2.3 1/e-, Halbwerts- und 3-dB-Breite 973A.3 Die zweidimensionale Fouriertransformation 973A.3.1 Eigenschaften 974

Anhang B Lineare Systeme 977B.1 Eindimensionale lineare Systeme 977B.1.1 Lineare Systeme 977B.2 Zweidimensionale lineare Systeme 979

Anhang C Die Moden linearer Systeme 981C.1 Die Moden eines diskreten linearen Systems 982C.2 Die Moden eines kontinuierlichen durch einen Integraloperator beschriebenen Systems 982C.2.1 Translationssymmetrie und harmonische Moden 983C.3 Die Moden eines durch gewöhnliche Differentialgleichungen beschriebenen Systems 983C.4 Die Moden eines durch eine partielle Differentialgleichung beschriebenen Systems 984C.4.1 Die Moden des Feldes/der Welle in einem homogenen Medium mit Randbedingungen 984C.4.2 Moden von Feldern/Wellen in einem periodischen Medium 985

XVIIInhaltsverzeichnis

Lösungen zu den Übungen 9871 Strahlenoptik 9872 Wellenoptik 9923 Optik von Strahlbündeln 9944 Fourieroptik 9965 Elektromagnetische Optik 9986 Polarisationsoptik 9987 Optik photonischer Kristalle 9999 Wellenleiteroptik 99910 Faseroptik 100011 Resonatoroptik 100212 Statistische Optik 100313 Photonenoptik 100414 Licht und Materie 100515 Laserverstärker 100616 Laser 100817 Halbleiteroptik 101018 LED und Laserdioden 101219 Photodetektoren 101420 Akustooptik 101521 Elektrooptik 101622 Nichtlineare Optik 101623 Ultraschnelle Optik 102024 Optische Verbindungen und Schalter 1020

Stichwortverzeichnis 1023

XIX

Vorwort zur dritten Auflage

Seit der Veröffentlichung der zweiten Auflage im Jahr2007 haben die Fundamentals of Photonics ihren welt-weiten Stellenwert als modernes und in sich abgeschlos-senes einführendes Lehrbuch mit einer ausgewogenenMischung aus Theorie und Anwendungen behauptet.Das Buch wurde mehrfach nachgedruckt und ins Deut-sche, Chinesische, Tschechische und Japanische über-setzt. Die vorliegende dritte Auflage berücksichtigt zahl-reiche wissenschaftliche und technische Entwicklungender vergangenen zehn Jahre.

Optik und Photonik

Bevor sich der Begriff Photonik durchgesetzt hatte – inetwa zeitgleich mit der Veröffentlichung der ersten Auf-lage der Fundamentals of Photonics im Jahr 1991 – warenzahlreiche, nicht immer klar voneinander abgegrenz-te Begriffe wie beispielsweise Quantenelektronik, Op-toelektronik, Elektrooptik oder Lichtwellentechnik inVerwendung. Obwohl es keine klare Übereinkunft überdie genaue Bedeutung der verschiedenen Begriffe gab,existierte doch ein weitgehender Konsens hinsichtlichihrer Benutzung. Viele dieser Begriffe sind inzwischenwieder aus dem Sprachgebrauch verschwunden, docheinige leben in den Titeln wissenschaftlicher Zeitschrif-ten, Institute und Lehrveranstaltungen fort.

Nach nunmehr über 25 Jahren haben sich die Termi-ni Optik und Photonik sowohl einzeln als auch in derKombination Optik und Photonik durchgesetzt. Die Un-terscheidung bleibt jedoch etwas vage, und es gibt viel-fach Überlappungen zwischen beiden. Dennoch habenwir uns entschieden, die ersten 13 Kapitel dieses Bu-ches unter Optik zusammenzufassen und die folgenden12 Kapitel unter Photonik. Grob gesagt verstehen wir un-ter Optik die freie und geführte Ausbreitung von Lichtund ordnen diesem Gebiet auch Themen wie Interfe-renz, Beugung, statistische Optik und Photonenoptik zu.Unter Photonik hingegen verstehen wir Themen, die dieWechselwirkung zwischen Licht und Materie berühren,

sowie optische Bauteile und Systeme. Da die Miniaturi-sierung von Bauteilen und Systemen immer weiter vor-anschreitet und zur Entwicklung neuer Gebiete wie Na-nophotonik und Biophotonik geführt hat, nimmt auchdie Bedeutung der Photonik immer weiter zu.

Inhalt

Die wesentlichste Neuerung ist das neue Kapitel Optikvon Metallen und Metamaterialien, ein Thema, das einenerheblichen Einfluss auf die Photonik hatte. Das neueKapitel umfasst Theorie und Anwendungen für einfach-und doppelt-negative Medien, Metalloptik, Plasmaphy-sik, Optik von Metamaterialien und Transformationsop-tik.

Alle Kapitel aus der zweiten Auflage wurden gründ-lich überprüft und aktualisiert; siehe die folgende ka-pitelweise Aufführung der Änderungen und Ergänzun-gen.

• Kapitel 1 (Strahlenoptik). Strahlenoptische Beschrei-bungen optischer Komponenten wie Biprismen, Axi-cons, LED-Kollimatoren und Fresnellinsen wurdenhinzugefügt. Die Verbindung zwischen der Cha-rakterisierung eines beliebigen paraxialen optischenSystems durch seine Strahltransfermatrix und seineBrennpunkte wird erläutert. Weiterhin wurde einematrixoptische Analyse der Bildgebung mit einem be-liebigen paraxialen optischen System aufgenommen.

• Kapitel 2 (Wellenoptik). Eine wellenoptische Analy-se des Durchgangs von Licht durch Biprismen undAxicons wurde hinzugefügt. Die Fresnelzonenplattewird aus dem Blickwinkel der Interferenz diskutiert,und eine Analyse des Michelson-Fabry-Pérot (LIGO)-Interferometers zum Nachweis von Gravitationswel-len im fernen Universum wurde integriert.

• Kapitel 3 (Optik von Strahlbündeln). Die Beschrei-bung der Laguerre-Gauß-Strahlen wurde gegenüberder Vorauflage verbessert. Die grundlegenden Merk-

XX Vorwort zur dritten Auflage

male einiger weiterer Strahlbündel werden diskutiert,z. B. von optischen Wirbeln, Ince-Gauß-Strahlen, Bes-selstrahlen, Bessel-Gauß-Strahlen und Airystrahlen.

• Kapitel 4 (Fourieroptik). Eine Analyse der Fresnel-beugung an einer periodischen Öffnung (Talbotef-fekt) wurde aufgenommen. Nichtbeugende Wellenund Besselstrahlen werden aus der Perspektive derFourieroptik diskutiert. Eine Diskussion der com-putergenerierten Holographie wurde neu aufgenom-men.

• Kapitel 5 (Elektromagnetische Optik). Ein neuer Ab-schnitt über Dipolwellen, die Basis der Nahfeldop-tik, wurde aufgenommen. Ebenso wurde ein neuerAbschnitt zur Rayleigh- und Miestreuung sowie zurDämpfung in einem Medium mit Streuzentren hinzu-gefügt.

• Kapitel 6 (Polarisationsoptik). Die Darstellung derDispersionsrelationen in anisotropen Medien wurdeüberarbeitet.

• Kapitel 7 (Optik photonischer Kristalle). Die Darstel-lung des Verhaltens dielektrischer Strahlteiler wurdevereinfacht. Eine Diskussion von Herstellungsverfah-ren für dreidimensionale photonische Kristalle wurdeaufgenommen.

• Kapitel 8 (Optik von Metallen und Metamaterialien).Dieses neue Kapitel beleuchtet einfach- und doppelt-negative Medien, Metalloptik, Plasmonik, die Optikvon Metamaterialien sowie die Transformationsop-tik. Zu den behandelten Themen gehören evaneszenteWellen, Oberflächenplasmonpolaritonen, lokalisierteOberflächenplasmonen, Nanoantennen, Metaoberflä-chen, Abbildungen im Subwellenlängenbereich undTarnumhänge.

• Kapitel 9 (Wellenleiteroptik). Ein neuer Abschnittüber Wellenleiterarrays, der die Kopplung mehrererWellenleiter beschreibt und den Begriff der Super-moden erläutert, wurde eingefügt. Weiterhin wurdenAbschnitte über plasmonische Wellenleiter, Metall-Isolator-Metall- und Metallschicht-Wellenleiter sowieperiodische Metall/Dielektrikum-Arrays aufgenom-men.

• Kapitel 10 (Faseroptik). Eine Diskussion von Mehr-kernfasern, Faserkopplern und photonischen Later-nen wurde ebenso hinzugefügt wie ein kurzer Abrissder Anwendungen von Fasern aus photonischen Kris-tallen. Weiterhin wurden Abschnitte über Multimate-rialfasern (einschließlich konventioneller und hybri-der Fasern für das mittlere Infrarot) sowie Spezial-und Multifunktionsfasern eingeführt.

• Kapitel 11 (Resonatoroptik). Ein Abschnitt über plas-monische Resonatoren wurde hinzugefügt.

• Kapitel 12 (Statistische Optik). Die Abschnitte überoptische Kohärenztomographie und unpolarisiertesLicht wurden neu organisiert.

• Kapitel 13 (Photonenoptik). Eine kurze Beschreibungder Einzelphotonen-Bildgebung wurde hinzugefügt.Die Diskussion von quadratur- und photonenzahlge-quetschtem Licht wurde verbessert und Beispiele fürdie Erzeugung und Anwendung dieser Lichtformenwerden beschrieben. Ein Abschnitt über Zweiphoto-nenlicht, verschränkte Photonen und Zweiphotonen-optik wurde aufgenommen. Beispiele für die Polarisa-tionszustände und die räumliche Optik von Zweipho-tonenlicht und Zweistrahloptik wurden hinzugefügt.

• Kapitel 14 (Licht und Materie). Der Titel dieses Ka-pitels wurde von Photonen und Atome zu Licht undMaterie geändert. Kurze Beschreibungen des Zee-maneffekts, des Starkeffekts und der Ionisationsener-gie wurden hinzugefügt. Die Diskussion des Einflus-ses von Lanthanoidionen wurde verbessert. Der Ab-schnitt über Laserkühlung, Laserfallen und Atomop-tik wurde um Beschreibungen von Dopplerkühlung,optischer Melasse, optischen Pinzetten, optischen Git-tern, Atominterferometrie und Atomverstärkern er-weitert.

• Kapitel 15 (Laserverstärker). Beschreibungen vonQuasi-Dreiniveau- und Intrabandpumpen wurdenhinzugefügt. Die Diskussionen spezifischer Laserver-stärker wie z. B. denjenigen auf der Basis von Rubin,neodymdotiertem Glas, erbiumdotierten Quarzglasfa-sern sowie von Raman-Faserverstärkern wurden er-weitert und verbessert.

• Kapitel 16 (Laser). Eine Diskussion des Tandem-pumpens sowie Beschreibungen von übergangsme-talldotierten Zinkchalkogeniden, Silicium-Ramanla-sern und Masteroszillator-Leistungsverstärkern (MO-PA) wurden hinzugefügt. Auch das optische Pumpenvon inneren Schalen, der Freie-Elektronen-Röntgen-laser sowie optische Frequenzkämme werden nun be-handelt.

• Kapitel 17 (Halbleiteroptik). Der Abschnitt über or-ganische Halbleiter wurde erweitert. Eine Diskussionüber die Gruppe-IV-Photonik einschließlich Graphenund zweidimensionalen Materialien wie Übergangs-metall-Dichalkogeniden wurde hinzugefügt; ebensoeine kurze Diskussion von Quantenpunkt-Einzelpho-tonenemittern.

• Kapitel 18 (LED und Laserdioden). Der Titel die-ses Kapitels wurde von Halbleiter-Photonenquellenzu LED und Laserdioden geändert. Ein neuer Ab-schnitt über die Grundlagen der LED-Beleuchtungwurde aufgenommen. Auch kurze Diskussionen zuMikroresonator-LED, siliciumphotonischen Licht-

XXIVorwort zur dritten Auflage

quellen, Quantenpunkt-Halbleiterverstärkern, durch-stimmbaren Laserdioden, Breitband-Laserdioden so-wie Laserdiodenstapeln wurden eingefügt. Eine Dis-kussion des Linienverbreiterungsfaktors wurde hin-zugefügt und ein neuer Abschnitt über Nanoresona-torlaser wurde eingeführt.

• Kapitel 19 (Photodetektoren). Der Titel dieses Kapi-tels wurde von Halbleiter-Photodetektoren zu Photo-detektoren geändert. Kurze Diskussionen von orga-nischen, plasmonischen, Gruppe-IV- und graphenba-sierten Photodetektoren sowie von kanten- und flä-chenbeleuchteten Detektoren, von Mikrostrukturenzum Photonentrapping, Lawinenphotodioden mit se-paraten Absorptions-, Ladungs- und Verstärkungs-schichten, Übergitter-Lawinenphotodioden, Dunkel-stromverstärkung und 1∕𝑓-Rauschen wurden hin-zugefügt. Neu hinzugekommen sind auch Beispie-le für Tandemsolarzellen, Germanium-auf-Silicium-Photodioden, Schottky-Photodioden aus Graphen/Si,Lawinenphotodioden mit separater Absorption bzw.mit separater Absorptions-, Verstärkungs- und Multi-plikationsschicht sowie Stufen-Lawinenphotodioden.Ein neuer Abschnitt über Einzelphotonendetekto-ren und photonenzahlauflösenden Detektoren be-schreibt den Betrieb von Einzelphotonen-Lawinen-photodioden, Silicium-Photodetektoren und Transiti-on-Edge-Sensoren.

• Kapitel 20 (Akustooptik). Die identische Struktur derphotoelastischen Matrix in der Akustooptik und derKerreffektmatrix in der Elektrooptik für kubisch-iso-trope Medien wird betont.

• Kapitel 21 (Elektrooptik). Neue Abschnitte über Flüs-sigkristallanzeigen mit passiver und aktiver Matrixwurden eingeführt und deren Betriebsweise erläutert.Die Leistung von LCD mit aktiver Matrix (AMLCD)wird mit der von organischen LED mit aktiver Matrix(AMOLED) verglichen.

• Kapitel 22 (Nichtlineare Optik). Neue Inhalte im Zu-sammenhang mit der nichtlinearen Optik von geführ-ten Wellen wurden eingeführt. Die Quasi-Phasenan-passung in periodisch gepolten integrierten Lichtwel-lenleitern und die damit verbundene Verbesserungdes Wirkungsgrads der Wellenmischung wird nun be-rücksichtigt. Der Abschnitt über die Ramanverstär-kung wurde verbessert.

• Kapitel 23 (Ultraschnelle Optik). Es wurden neue Bei-spiele aufgenommen, die die Verstärkung von ge-chirpten Pulsen in einem Petawattlaser und die Erzeu-gung von energiereichen Solitonen in einem photoni-schen Kristall illustrieren. Ein neuer Abschnitt überdie Erzeugung höherer Harmonischer und die Attose-

kundenoptik wurde hinzugefügt. Der Abschnitt überdie Pulsdetektion wurde neu organisiert.

• Kapitel 24 (Optische Verbindungen und Schalter). DieRolle optischer Verbindungen auf der Inter-Board-,Inter-Chip- und Intrachip-Ebene von Computersys-temen wird beschrieben. Der Abschnitt über das op-tische Schalten beinhaltet nun nichtparametrischeund parametrische photonische Schalter, die auf derGrundlage vielfältiger nichtlinear-optischer Effektearbeiten. Schalter auf der Basis von photonischenKristallen sowie plasmonische photonische Schalterwerden diskutiert. Die Behandlung photonischer Lo-gikgatter enthält nun eine Analyse eingebetteter bi-stabiler Systeme und Beispiele für die Bistabilität infaserbasierten interferometrischen und Mikroring-La-sersystemen.

• Kapitel 25 (Faseroptische Kommunikation). Die Be-schreibung faseroptischer Komponenten wurde ak-tualisiert und neu geschrieben, und die Rolle von pho-tonischen integrierten Schaltungen wird diskutiert.Ein neuer Abschnitt über räumliches Multiplexing inMehrkern- und Vielmodenfasern wurde hinzugefügt.Der Abschnitt über kohärente Detektion wurde erwei-tert und konzentriert sich nun auf digitale kohärenteEmpfänger mit spektral effizienter Kodierung.

Danksagungen

Wir sind vielen Kollegen für wertvolle Vorschläge zurVerbesserung der dritten Auflage zu Dank verpflichtet:Rodrigo Amezcua-Correa, Luca Argenti, Joe C. Camp-bell, Zenghu Chang, Demetrios Christodoulides, Peter J.Delfyett, Dirk Englund, Eric R. Fossum, Majeed M. Ha-yat, Pieter G. Kik, Akhlesh Lakhtakia, Guifang Li, Ste-ven B. Lowen, M. G. „Jim“ Moharam, Rüdiger Paschot-ta, Kosmas L. Tsakmakidis, Shin-Tsan Wu, Timothy M.Yarnall und Boris Y. Zeldovich. Wir sind auch vielen un-serer ehemaligen Studenten und Postdocs dankbar, dieausgezeichnete Fragen gestellt haben, die uns geholfenhaben, unsere Präsentation in der dritten Auflage zu ver-bessern, darunter John David Giese, Barry D. Jacobson,Samik Mukherjee, Adam Palmer und Jian Yin.

Unser besonderer Dank gilt Mark Feuer, Joseph W.Goodman und Mohammed F. Saleh, die uns dankens-werterweise detaillierte Kritikpunkte zu verschiedenenKapiteln nannten.

Amy Hendrickson leistete unschätzbare Hilfe im Zu-sammenhang mit LATEX und Formatierungsfragen. Wirsind unseren Lektoren bei John Wiley & Sons, Inc.,dankbar, die während der gesamten Produktion wert-

XXII Vorwort zur dritten Auflage

volle Anregungen und Unterstützung gaben: Brett Kurz-mann, Sarah Keegan, Nick Prindle und Melissa Yanuzzi.

Schließlich bedanken wir uns für die großzügige Un-terstützung durch CREOL, das College of Optics & Photo-nics an der University of Central Florida, das Boston Uni-versity Photonics Center und das Boston University Colle-ge of Engineering.

Orlando/Florida Bahaa E. A. Saleh,Boston/Massachusetts Malvin Carl Teich4. Juli 2018

XXIII

Vorwort zur zweiten Auflage

Seit der Veröffentlichung der ersten Ausgabe im Jahr1991 wurden die Fundamentals of Photonics ungefährzwanzigmal nachgedruckt, ins Tschechische und Japa-nische übersetzt und weltweit als Lehrbuch und Nach-schlagewerk verwendet. In dieser Zeit hat sich diePhotonik rasant entwickelt und hat zahlreiche Anwen-dungen in der Nachrichtentechnik oder der Medizin ge-funden. Diese zweite Ausgabe stellt einige dieser Ent-wicklungen vor, wobei wir versucht haben, den Umfangdes Buches trotzdem in erträglichen Grenzen zu halten.

Seine neue Gliederung unterstützt den Charakter desBuchs als abgeschlossenes und modernes einführendesLehrbuch; es enthält daher eine folgerichtige Mischungaus Theorie und Anwendungen. Viele Leser der erstenAusgabe haben die zahlreichen und klaren Abbildungengelobt; wir haben uns bemüht, diesem Lob auch in derzweiten Ausgabe gerecht zu werden.

Alle 22 Kapitel der ersten Auflage wurden gründlichüberarbeitet und aktualisiert. Zusätzlich kamen zweivöllig neue Kapitel hinzu: Eines über die Optik photoni-scher Kristalle und ein zweites über ultraschnelle Optik.Beide befassen sich mit Entwicklungen, die im letztenJahrzehnt einen bedeutenden und immer noch wach-senden Einfluss auf die Photonik hatten.

Das neue Kapitel über dieOptik photonischer Kris-talle liefert die Grundlage, um die Optik von Schicht-medien wie z. B. Bragggittern mithilfe eines Matrix-ansatzes zu beschreiben. Die Ausbreitung von Lichtin eindimensionalen periodischen Medien wird mitMatrix- und Fouriermethoden auf der Grundlage vonBlochmoden analysiert. Das Konzept der photonischenBandlücke wird eingeführt. Die Lichtausbreitung inzwei- und dreidimensionalen photonischen Kristallensowie die zugehörigen Dispersionsrelationen und Band-strukturen werden entwickelt. Abschnitte über Wellen-leiter aus photonischen Kristallen, mikrostrukturiertenFasern und Resonatoren aus photonischen Kristallenwurden an geeigneten Orten in anderen Kapiteln einge-fügt.

Das neue Kapitel über ultraschnelle Optik enthältAbschnitte über optische Pikosekunden- und Femtose-kundenpulse und ihre Charakterisierung, Formung undKompression, sowie ihre Ausbreitung in optischen Fa-sern im Rahmen der linearen Optik. Abschnitte über ul-traschnelle nichtlineare Optik beschreiben auch gepuls-te parametrische Wechselwirkungen und optische Soli-tonen. Weiterhin werden Methoden für die Detektionvon ultraschnellen optischen Pulsen mit den verfügba-ren relativ langsamen Detektoren erläutert.

Das Kapitel über optische Verbindungen undSchalter wurde vollständig umgeschrieben und umThemen wie Wellenlängen- und Zeitrouting, FBG,WGR, SOA, TOAD und Paketschalter ergänzt. DasKapitel über faseroptische Kommunikation wurdeebenfalls wesentlich aktualisiert und um Informatio-nen zu Wellenlängenmultiplexsystemen ergänzt; es ent-hält jetzt auch kurze Beschreibungen von Themen wieDispersionskompensation und -management, optischenVerstärkern und solitonoptischer Kommunikation.

Ständige Fortschritte bei der Herstellung von Bau-elementen haben zur Entstehung der Nanophotonikgeführt, die sich mit optischen Prozessen auf räumli-chen Skalen im Subwellenlängenbereich befasst. Zu na-nophotonischen Bauelementen und Systemen gehörenz. B. quantenbeschränkte Strukturen wie Quantenpunk-te oder Nanoteilchen sowie periodische Strukturen, diezur Herstellung von Metamaterialien mit exotischenoptischen Eigenschaften wie negativen Brechungsindi-zes dienen können. Außerdem gehören in diese Ab-teilung alle Anordnungen, in denen Licht (oder seineWechselwirkung mit Materie) auf nanometergroße Ge-biete in der Nähe von Grenzflächen eingegrenzt wird,wie z. B. in der Optik von Oberflächenplasmonen. Eva-neszente Felder, z. B. an Oberflächen, an denen innereTotalreflexion auftritt, zeigen ebenfalls eine solche Ein-grenzung. Evaneszente Felder kommen auch in der un-mittelbaren Umgebung von Blenden mit Subwellenlän-genabmessungen vor, wie z. B. den offenen Spitzen ei-ner optischen Faser. Mit ihrer Hilfe können Auflösun-

XXIV Vorwort zur zweiten Auflage

gen unterhalb der Beugungsgrenze erreicht werden; siesind die Grundlage der Optik im Nahfeld. Viele dieser inEntwicklung begriffenen Gebiete werden an geeignetenStellen in dieser Ausgabe beschrieben.

Bei der Aktualisierung der Kapitel wurden viele neueAbschnitte hinzugefügt. Neu eingeführte Themen inden ersten Kapiteln sind z. B. Laguerre-Gauß-Strahlen,Abbildung im Nahfeld, die Sellmeiergleichung, schnel-les und langsames Licht, Optik von leitenden Medienund Plasmonik, doppeltnegative Metamaterialien, diePoincarékugel und Stokesparameter, Polarisationsmo-dendispersion, Flüstergaleriemoden, Mikroresonatoren,optische Kohärenztomographie und der Bahndrehim-puls von Photonen.

In den Kapiteln über Laseroptik wurden ebenfallsviele neue Themen aufgenommen, z. B. seltenerddo-tierte, Raman-Faserverstärker und -Faserlaser, Laserim extremen UV und Röntgenbereich, Freie-Elektro-nen-Laser sowie chemische und chaotische Laser. Aufdem Gebiet der Optoelektronik wurden Abschnitte überGaN-basierte Strukturen und Bauelemente, Superlumi-neszenzdioden, organische und Weißlicht-LED, quan-tenbeschränkte Laser, Quantenkaskadenlaser, Mikro-hohlraumlaser, Laser aus photonischen Kristallen, Ar-raydetektoren und rauscharme Lawinenphotodiodenhinzugefügt.

Das Kapitel über nichtlineare Optik wurde um Ma-terial über Abstimmkurven für parametrische Wechsel-wirkungen erweitert; außerdem wurden Themen wieQuasi-Phasenanpassung, Zweiwellenmischung und dieKreuzphasenmodulation, THz-Erzeugung und anderenichtlineare optische Phänomene im Zusammenhangmit kurzen optischen Pulsen aufgenommen. Das Kapi-tel über Elektrooptik enthält jetzt auch eine Diskussionvon Elektroabsorptionsmodulatoren.

Anhang C über die Moden linearer Systeme wurde er-weitert und gibt nun eine Übersicht über das Konzeptvon Moden, wie es an zahlreichen Orten innerhalb desBuchs verwendet wird. Schließlich wurden zusätzlicheÜbungen und Aufgaben aufgenommen.

Gliederung

Das Buch besteht nun aus 24 Kapiteln. Es ist modu-lar aufgebaut, sodass es von Lesern mit unterschiedli-chen Bedürfnissen verwendet werden kann; Lehrendengibt es Gelegenheit, Themen zu unterschiedlichen Kur-sen zusammenzustellen. Die wesentlichen Ergebnisseeines Kapitels werden häufig an anderen Stellen noch-mals kurz zusammengefasst, um jedes Kapitel in sichabgeschlossen zu machen. So wird zu Beginn von Kapi-

tel 24 (Faseroptische Kommunikation) der aus früherenKapiteln benötigte Stoff über Fasern, Lichtquellen, De-tektoren und Verstärker in wenigen Worten wiederholt.Das gibt dem Leser die notwendigen Werkzeuge an dieHand, bevor das Kapitel mit einer Diskussion des De-signs und der Leistungsfähigkeit der Nachrichtensyste-me fortfährt, die diese Komponenten verwenden.

Mit Blick auf die unterschiedlichen mathematischenVorkenntnisse des avisierten Leserkreises waren wir be-strebt, schwierige Konzepte in zwei Schritten zu präsen-tieren: Auf einem einführenden Niveau, das physika-lischen Einblick und Motivation bietet, gefolgt von ei-ner fortgeschritteneren und mathematischeren Analyse.Ein Beispiel ist die Behandlung in Kapitel 20 (Elektroop-tik), wo das Thema zuerst in skalarer Notation präsen-tiert wird, bevor dann die genauere Analyse in Tensor-notation folgt.

Jedes Kapitel enthält Übungen, Beispiele, Aufgabenund eine aktualisierte Liste an weiterführender Litera-tur. Zahlreiche Beispiele von realen Systemen werdenvorgestellt, um zu zeigen, wie die beschriebenen Kon-zepte in aktuellen Anwendungen umgesetzt werden.Anhänge fassen die Eigenschaften der ein- und zweidi-mensionalen Fouriertransformation, die Theorie linea-rer Systeme und die Eigenschaften der Moden von linea-ren Systemen zusammen.

Danksagungen

Wir sind vielen Kollegen zu Dank verpflichtet, die unswertvolle Anmerkungen zu Vorabversionen der zweitenAusgabe gegeben und unsere Aufmerksamkeit auf Feh-ler in der ersten Ausgabe gelenkt haben: Mete Atatüre,Michael Bär, Silvia Carrasco, Thomas Daly, Gianni DiGiuseppe, Adel El-Nadi, John Fourkas, Majeed Hayat,Tony Heinz, Erich Ippen, Martin Jaspan, Gerd Keiser, Jo-nathan Kane, Paul Kelley, Ted Moustakas, Magued Nasr,Roy Olivier, Roberto Paiella, Alexander Sergienko, Pe-ter W. E. Smith, Stephen P. Smith, Kenneth Suslick undTommaso Toffoli.

Ganz besonders danken wir auch den Kollegen, dieuns mit detaillierten Kommentaren zu verschiedenenKapiteln unterstützt haben: Ayman Abou-raddy, LucaDal Negro und Paul Prucnal.

Großen Dank schulden wir den unzähligen Studentenund Postdoktoranden, die viele scharfsinnige Fragen ge-stellt und uns damit geholfen haben, unsere Darstellungdes Stoffs verbessern. Insbesondere wurden viele Ver-besserungen durch Vorschläge von Mark Booth, JasperCabalu, Michael Cunha, Darryl Goode, Chris LaFratta,Rui Li, Eric Lynch, Nan Ma, Nishant Mohan, Julie Prai-

XXVVorwort zur zweiten Auflage

no, Yunjie Tong und Ranjith Zachariah angestoßen. Einbesonderer Dank geht an Mohammed Saleh, der uner-müdlich große Teile des Manuskripts las und fundier-te Vorschläge für seine Verbesserung machte. Wai Yan(Eliza) Wong unterstützte uns logistisch und war einegroße Hilfe beim Anfertigen von Diagrammen und Ab-bildungen. Viele Personen bei Wiley, allen voran RachelWitmers und unser Lektor George Telecki, waren au-ßerordentlich hilfsbereit, geduldig und ermutigend. Wirdanken Melissa Yanuzzi für ihre Aufmerksamkeit undGründlichkeit bei der Herstellung des Buchs. Don De-Land von der Integre Technical Publishing Companywar uns bei der Erstellung der LATEX-Styles eine un-schätzbare Hilfe.

Wir danken für die finanzielle Unterstützung durchdie National Science Foundation, insbesondere das Cen-ter for Subsurface Sensing and Imaging Systems, ein NSF-unterstütztes Forschungszentrum, die Defense Advan-ced Research Projects Agency, das Defense ReconnaissanceOffice; das US Army Research Office, die David & LucilePackard Foundation, das Boston University College of En-gineering und das Boston University Photonics Center.

Boston, Massachusetts Bahaa E. A. Saleh19. Dezember 2006 Malvin Carl Teich

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Teil I

Optik

Optik und Photonik, Dritte Auflage. Bahaa E. A. Saleh und Malvin C. Teich.© 2020 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA. Published 2020 by WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA.