Optoelektronik

Lichtgestützte Informations- und Energietechnik

Den Informations- und Energieträger Licht (alternativ zu Strom/Spannung) untersucht die Photonik. Optische Technologien nutzen den lichtelektrischen Effekt, entweder wird Licht in ein elektrisches Signal oder umgekehrt transformiert.

Innovative Fassadenform (LITHO Photovoltaic) mit solarer Stromerzeugung eines Mehrfamilienhauses in Bremen (www.lithodecor.de).

Die Materialisierung in Gestalt der Optoelektronik besitzt für die Digitalisierung eine der Mikroelektronik vergleichbar große Bedeutung. Ihre umweltfreundlichen Vorzüge zeigen sich in höherer Geschwindigkeit bei Datenübertragung DÜ und Wandlung von Signalen/Daten mit geringerem Energieaufwand beziehungsweise -verlusten bei gleichzeitiger Potenzial- sowie Störungsfreiheit. Optoelektronische Komponenten kommen deshalb in allen Bereichen von IT, Energietechnik (Prozesse, Antriebe etc.) zum Einsatz. Der Erfolg mit Licht, seine Manipulation mittels Modulatoren, Laserdioden u. a. begann im vorigen Jahrhundert bei der Telekommunikation.

Basismaterial
Lichtenergie beeinflusst die Leitfähigkeit von Halbleitern. Für optoelektronische Bauelemente werden der konventionellen Mikroelektronik verwandte beziehungsweise gleiche Materialien und Technologien genutzt (Si, Ge, CdS, Se, Pb, In u. a.). Elektronischphotonisch integrierte Schaltungen (zum Beispiel ePIC, ASPIC) lassen sich ebenso erzeugen. Darüber hinaus kommen Quarz, Glas-, Kunststofffasern, selbst organische Stoffe (OLED) zum Einsatz.

Bauelemente und Anwendungen – Überblick
Dazu gehören

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  • Fotowiderstände, -dioden, -elemente (Solarzellen), -transistoren, Flüssigkristalle, Luminiszensdioden, LED/OLED, abstimmbare Laser-Infrarotdioden, Modulatoren, Anzeigeeinheiten, optoelektronische Wandler, Optokoppler (Bild),
  • faseroptische Lichtwellenleiter LWL
  • Sensor-, CCD-, CCS-, Array-, Scan-, Radar-Technik

Solche leistungsfähige, flexible Vielfalt erklärt die Applikationsbreite der Photonik:

  • Anzeige-/Display-, Lichttechnik, Bildsensoren (LCD, TFT, LED, OLED, CCD)
  • Diagnosemeldungen
  • Foto-, Film-, Projektionstechnik
  • Speichertechnik
  • terrestrische LWL-DÜ mit sichtbarem und infrarotem Licht
  • Freiraumkommunikation mit moduliertem Laserstrahl
  • Internet/WLAN aus der LED-Raumbeleuchtung (VLC)
  • LiFi (bidrektionaler Mobilfunk - Pendant zu WiFi) für alle Entfernungen
  • Photovoltaik auch für trübes und Regen-Wetter (erneuerbare Energietechnik, an-/organische, transparente, flexibel einsetzbare Solarzellen Bild)
  • Sensor-, Scannertechnik
  • Schaltgeräte (Kontaktlosigkeit, hybride Geräte als ertüchtigte Elektromechanik)
  • Medizintechnik (Diagnostik, Analyse)
  • E-Mobilität
  • Logistik
  • Safety (funktionale Sicherheit mit Lichtschranken, Endschaltern, Bewegungsmeldern u. ä.), Security u. a.
Optoelektronische Bauelemente.

Optische Übertragung
Optische Netze (auch redundant ringförmig) funktionieren leitungsgebunden wie -los. Sie sind Cu-Lösungen überlegen. In LWL übernehmen Lichtteilchen (Photonen) die abhörsichere DÜ (Bild). Verstärkerlosigkeit, hohe Bandbreite über große Entfernungen empfehlen sie in terrestrischen Bereichen (Tabelle). Wegen der absoluten EM-Störsicherheit können sie mit Leistungskabeln verlegt werden. Der Weitverkehr erreicht ≥ 40 Gigabit/sec (Single- oder Multimode-Fasern aus Quarzglas). Im Labor werden bereits Spitzenwerte von ca. 70 Terabit/sec getestet. Distanzen von wenigen 100 m überwinden LWL aus Kunststoff, Polymer Optical Fiber (POF), Glas mit Raten bis zu 1 Gbit/sec. Die leitungslose Freistrahlübertragung LiFi findet sich sowohl im Nahbereich (zum Beispiel Zugangsnetze, Sensortechnik) als auch im Weltraum in Satellitennetzen mittels eines Laser-Terminals für extrem hohe Datenraten.

LED/OLED
Weil Beleuchtung ca. 20 Prozent der gesamten Energie verbraucht, ersetzen Licht emittierende Halbleiterdioden (LED, OLED) thermische Quellen selbst auf Straßen, in Industrie- und Gewerbehallen (auch als Retrofit-Lampen) sowie herkömmliche Displays. Wegen ihres geringeren Streulichts mindern LED die Lichtverschmutzung. Zudem sind die nichtgiftigen Bauelemente umweltfreundlich entsorgbar. Die Sensorik greift gleichfalls auf diese Quellen zurück.

Prinzip der optischen Kommunikation/DÜ (de.wikipedia.org) (Aufbau LiFi vergleichbar).

Sowohl anorganische als auch organische Halbleiter nutzen zur Lichterzeugung die Elektrolumineszenz. In ihnen fließender Strom erzeugt Energie, die Licht emittiert. Solche Dioden haben eine ausgeprägte thermische Leitfähigkeit. Integrierte Kühlflächen, -körper sind notwendig. Insbesondere bei Leuchtmitteln haben Hilfsmaterialien wie Vergussmassen großen Einfluss. Sie schützen vor der Umwelt und verbessern über die Farbtemperatur auch ihre Umgebungsverträglichkeit.

Der Erfolg drückt sich im überdurchschnittlichen Wachstum der Optoelektronik (Rate 2014 3,2 Prozent ≈ zweifache BIP-Zunahme in D) sowie in der führenden Position Deutschlands aus. Das Internet mit Produktvernetzung IoT wäre ohne die Photonik nicht existent.

Tabelle: Optische Kommunikation – Anwendungsbereiche (LiFi in Entwicklung)

Ausblick
Photonische Technologien treiben die Digitalisierung. Neben der Optimierung etablierter LWL-Lösungen (Kapazitätssteigerung, Übertragungsverfahren ohne Photonenverlust auf sehr langen Wegen, softwaregestützte Vermittlungstechnik) bilden Methoden zum Koppeln von Datenzentren inklusive optischer Satellitenverbindung den Schwerpunkt. Deutliche Verbesserungen erzielten Chinas Quantensatelliten über extreme Entfernungen sicher organisieren. Wirksamen Einfluss übt die Weiterentwicklung schneller IC´s sowie von Mini-CSP-LED‘n aus. Das Überwachen von PN-Übergängen mittel Photo-Dioden steigert die Zuverlässigkeit der IE.

Digitale Trends wie Künstliche Intelligenz KI, Augmented Reality AR, Virtual Reality VR, Robotik im Gesundheitswesen. Cloud-Systeme, E-Mobility lassen sich nur mit „Licht“ vollständig umsetzen. Die normungsträchtige Optoelektronik befördert das Zusammenwachsen von Technologien sowie Energieeffizienz und Systemzuverlässigkeit.

Dr.-Ing. habil. Joachim Krause


Licht
Sichtbare, verschiedenfarbige Komponente der elektromagnetischen Strahlung. Sie besteht aus schwingenden Lichtquanten (Photonen), ihre Ausbreitung erfolgt in Wellenform (Wellenlänge ca. 380 - 780 nm, Frequenz im THz-Bereich) mit Lichtgeschwindigkeit.


Photo-  bzw. lichtelektrischer Effekt
Wandlung von Licht in Elektrizität, Umkehrung: Lichtemission durch Halbleiter.


Visible Light Communication VLC
Optische DÜ, die LED-Leuchten als Übertragungsmedium nutzt. VLC vereint Beleuchtung, ihre situationsabhängige Steuerung mittels DÜ. Die verfügbare Bandbreite steigt bei gleichzeitigem Sicherheitszuwachs, da Licht feste Objekte nicht durchdringen kann. Frequenzspektrum > gegenüber funkbasierten WLAN. 

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