Optoelektronik

Grundidee und Bedeutung

Optoelektronik, manchmal auch Optronik oder Optotronik, verbindet Optik mit Halbleiterelektronik. Sie umfasst Produkte und Verfahren, die elektronisch erzeugte Daten und Energien in Licht umwandeln oder Licht wieder in elektrische Signale beziehungsweise Energie überführen.

Wichtig ist sie vor allem, weil sie elektronische Datenverarbeitung mit den Eigenschaften von Licht verbindet: Licht kann Informationen schnell, breitbandig sowie elektromagnetisch und elektrostatisch unstörbar übertragen. Es kann sich dabei frei im Raum oder in lichtdurchlässigen festen Medien ausbreiten, etwa in Lichtwellenleitern wie Glasfaserkabeln. Außerdem kann Licht zur Speicherung elektronisch erzeugter Daten eingesetzt werden. Optoelektronik ist Teil des Alltags, beispielsweise durch Laser, Bildschirme, Rechner sowie optische Speicher und Datenträger.

Bauteile und ihre Aufgaben

Optoelektronische Bauteile bilden Schnittstellen zwischen elektrischen und optischen Komponenten. Meist, aber nicht ausschließlich, sind es mikroelektronische Halbleiterbauteile. Man unterscheidet Aktoren als Sender und Detektoren als Empfänger.

Aktoren erzeugen aus elektrischem Strom Licht. Dazu zählen Laser- und Leuchtdioden. Ihr Emissionsspektrum, also der Bereich der ausgesendeten Wellenlängen, kann sichtbar sein oder im unsichtbaren UV- beziehungsweise Infrarotbereich liegen. Detektoren wirken umgekehrt: Sie reagieren auf Licht. Beispiele sind Fotowiderstand, Photodiode, Solarzelle und Fototransistor. Lichtsensoren können auch als integrierte Schaltung aufgebaut sein, zum Beispiel als CCD-Sensor. Auch Photomultiplier zählen zur Optoelektronik.

Werden Aktor und Detektor gemeinsam als System betrieben, entsteht ein optischer Sensor, kurz Optosensor; das Fachgebiet heißt Optosensorik. Die einfache Kombination von Aktor und Detektor in einem einzigen Bauteil heißt Optokoppler.

Signalübertragung und Bearbeitung

Für die Übertragung, Verstärkung oder Modulation optischer Signale werden weitere Bauteile benötigt. Die Übertragung kann durch freien Raum oder mit Wellenleitern und optischen Schaltkreisen erfolgen; letztere gehören zur integrierten Optik.

Optische Modulatoren prägen Licht gezielt eine Eigenschaft auf. Sie können zum Beispiel die Amplitude oder Phase des Lichtes zeitlich oder räumlich verändern. Zu den genannten Bauteilen gehören optische Verstärker, optoelektronische Multiplexer und magnetorestriktive optische Mikroreflektoren. Ein Systemvorschlag für optoelektronische Nachrichtenübertragung mit Laserdiode, Glasfaser und Photodiode stammt von Manfred Börner aus dem Jahr 1965.

Materialien und direkte Bandlücke

In der Optoelektronik kommen viele Materialien infrage: Element-, III/V- und II/VI-Halbleiter, organische Halbleiter sowie organische und anorganische Leiter, Nichtleiter und Gläser.

Silizium, das in der Halbleitertechnik besonders häufig verwendet wird, besitzt wegen seiner indirekten Bandlücke schlechte optoelektronische Eigenschaften. Eine Bandlücke beschreibt den Energiebereich, der für elektronische Vorgänge im Halbleiter entscheidend ist. Bei einer indirekten Bandlücke lassen sich elektrische Signale nicht direkt oder nur sehr ineffizient in optische Signale umwandeln; Solarzellen benötigen deshalb zum Beispiel sehr dicke Siliziumschichten. Für optoelektronische Zwecke sind direkte Halbleiter wie Galliumarsenid oder Indiumphosphid geeignet, sie lassen sich jedoch schwer in Siliziumtechnologie integrieren. Die Diamantgitterstruktur von Silizium und Germanium ist der Grund für deren indirekte Bandlücke.

1973 wurde theoretisch vorhergesagt, dass Germanium mit hexagonaler Kristallstruktur ein direkter Halbleiter ist. 2020 stellte ein Team um Erik Bakkers von der TU Eindhoven Germanium- und Silizium-basierte Halbleiter mit hexagonaler Kristallstruktur und direkter Bandlücke her. Dafür wurde Germanium beziehungsweise Silizium auf Templaten aus hexagonalen Galliumarsenid-Nanodrähten aufgedampft. Die Nanodrähte hatten rund 35 Nanometer Durchmesser; das aufgedampfte Material bildete einen Mantel mit etwa dem zehnfachen Durchmesser. Ein ähnliches Verfahren war bereits 2015 eingesetzt worden, erreichte damals aber nicht die für Lichtemission nötige Reinheit. Durch das Verhältnis von Germanium zu Silizium lässt sich die Wellenlänge einstellen: Sie liegt im für Glasfaserkommunikation genutzten Infrarotbereich von 1,5 bis 3,5 Mikrometer. Die nanodrahtbasierten Strukturen müssen noch an planare Silizium-Chip-Technologien angepasst und integriert werden.

Optoelektronik studieren

Optoelektronik ist ein Teilgebiet der Ingenieurwissenschaften. Sie kann als eigener Studiengang oder als Vertiefung studiert werden, etwa in Laser- und Optotechnologien, Technischer Informatik, Technischer Physik, Elektrotechnik, Mechatronik, Optomechatronik, NanoEngineering beziehungsweise Nanostrukturwissenschaft oder Mikrosystemtechnik.

Zu den Studienzielen gehören der Entwurf und die Optimierung komplexer optischer Systeme mit Design-Software, das Verständnis der Wechselwirkung optischer Wellen mit anorganischer und organischer Materie sowie das Verständnis von Entstehung und Erzeugung von Licht mit spezifischen Eigenschaften. Hinzu kommen die Entwicklung und Herstellung neuartiger Lichtquellen, adaptive Lichttechnik sowie physiologische und ergonomische Kenntnisse für neue Konzepte der Beleuchtungstechnik.