Optoelektronik

Der Begriff Optoelektronik (manchmal auch Optronik oder Optotronik genannt) entstand aus der Kombination von Optik und Halbleiterelektronik und umfasst im weitesten Sinne alle Produkte und Verfahren, die die Umwandlung von elektronisch erzeugten Daten und Energien in Lichtemission ermöglichen und umgekehrt. Hintergrund ist z. B. der Versuch, die Vorteile der elektronischen Datenaufbereitung und Verarbeitung mit den Vorteilen der schnellen und elektromagnetisch und elektrostatisch unstörbaren breitbandigen Übertragungseigenschaft des Lichtes zu kombinieren. Gleichzeitig fällt hierunter auch die Wandlung von elektrischer Energie in Licht und umgekehrt auf der Basis der elektronischen Halbleitertechnik, wobei das erzeugte Licht sich entweder im Freiraum oder in festen lichtdurchlässigen Medien (Lichtwellenleiter wie z. B. Glasfaserkabel) ausbreiten kann oder wie in der optischen Speichertechnik auch zur Speicherung elektronisch erzeugter Daten dienen kann. Die Optoelektronik ist dabei fester Bestandteil unseres täglichen Lebens geworden, da sie Komponenten wie z. B. Laser, Bildschirme, Rechner, optische Speicher und Datenträger umfasst.

Optoelektronische Bauteile

Verschiedene Leuchtdioden

Laserdiode

Erster und bis heute gültiger Systemvorschlag zur optoelektronischen Nachrichtenübertragung mittels Laserdiode, Glasfaser und Photodiode von Manfred Börner, 1965^[1]

Optoelektronische Bauteile sind Bauteile, die als Schnittstelle zwischen elektrischen und optischen Komponenten wirken oder auch Geräte, die solche Bauteile enthalten. Damit sind meist (aber nicht ausschließlich) mikroelektronische Bauteile gemeint, die auf der Basis von Halbleitern funktionieren.

Die Bauelemente der Optoelektronik lassen sich in Aktoren (Sender) und Detektoren (Empfänger) unterteilen. Optoelektronische Aktoren sind Halbleiterbauelemente, die aus Strom Licht erzeugen, also Laser- und Leuchtdioden. Das Emissionsspektrum kann sich dabei sowohl im sichtbaren als auch im unsichtbaren (UV oder Infrarot) Spektralbereich befinden. Optoelektronische Detektoren sind die Umkehrbauelemente der Aktoren, also Fotowiderstand, Photodiode (auch Solarzelle) und Fototransistor. Lichtsensoren können auch als integrierte Schaltung aufgebaut werden, z. B. als CCD-Sensor. Auch Photomultiplier werden zur Optoelektronik gezählt. Werden Aktor und Detektor als System betrieben, resultiert daraus ein optischer Sensor, ein sogenannter Optosensor. Das Fachgebiet wird analog dazu als Optosensorik bezeichnet. Die einfache Kombination aus einem Aktor und Detektor in einem Bauteil wird als Optokoppler bezeichnet.

Neben diesen gibt es noch weitere Bauteile die bei der Übertragung, Verstärkung oder Modulation von Signalen benötigt werden. Die Übertragung von optischen Signalen kann durch den freien Raum oder in Verbindung mit Wellenleiter und optischen Schaltkreise (vgl. integrierte Optik) erfolgen. Optische Modulatoren sind Bauelemente, die Licht eine definierte Charakteristik aufprägen (modulieren). Dies kann beispielsweise eine zeitliche oder räumliche Amplituden- oder Phasenvariation sein. Dazu gehören zum Beispiel optische Verstärker oder optoelektronische Multiplexer.

Studiengang

Optoelektronik ist ein Teilgebiet der Ingenieurwissenschaften, das man entweder als eigenständigen Studiengang oder als Vertiefungsrichtung eines anderen Studienganges (Technische Informatik, Technische Physik, Elektrotechnik, NanoEngineering/Nanostrukturwissenschaft, Mikrosystemtechnik) an Hochschulen studieren kann.

Studienziele:

• Entwurf und Optimierung von komplexen optischen Systemen z. B. mit Hilfe einschlägiger Design-Software
• Verständnis der Wechselwirkung optischer Wellen mit anorganischer und organischer Materie
• Verständnis der Entstehung und Erzeugung von Licht mit spezifischen Eigenschaften, Entwicklung und Herstellung neuartiger Lichtquellen, adaptive Lichttechnik
• Erwerb von guten physiologischen und ergonomischen Kenntnissen zur Entwicklung und Umsetzung neuer Konzepte in der Beleuchtungstechnik

Literatur

• Manfred Börner, Reinhard Müller, Roland Schiek : Elemente der integrierten Optik. Teubner, 1990, ISBN 3-519-06130-9.
• Marius Grundmann: Nano-optoelectronics - concepts, physics and devices. Springer, Berlin 2002, ISBN 3-540-43394-5.
• Safa O. Kasap: Optoelectronics and photonics - principles and practices. Prentice Hall, Upper Saddle River 2001, ISBN 0-201-61087-6.
• Michael A. Parker: Physics of optoelectronics. Taylor & Francis, Boca Raton 2005, ISBN 0-8247-5385-2.
• Thomas Petruzzellis: Optoelectronics, fiber optics, and laser cookbook - more than 150 projects and experiments. McGraw-Hill, New York 1997, ISBN 0-07-049839-3.
• Kiyomi Sakai: Terahertz optoelectronics. Springer, Berlin 2005, ISBN 3-540-20013-4.

Einzelnachweise

1. ↑ Patent DE1254513: Mehrstufiges Übertragungssystem für Pulscodemodulation dargestellte Nachrichten.. Veröffentlicht am 16. November 1967, Erfinder: Manfred Börner.