Was ist Optoelektronik?

Optoelektronik (auch als Optronik bekannt) ist viel mehr als lediglich eine Untergruppe der Photonik. Es handelt sich um eine Schlüsseldisziplin zwischen Optik und Elektronik, die Innovationen in den Bereichen Kommunikation, Bildgebung, Sensorik und Energie vorantreibt. Optoelektronik bildet die Schnittstelle der beiden Gebiete, bildet aber eine eigene Klasse von Geräten, die entweder zur Emission oder Erkennung von Licht dienen.

Optoelektronische Geräte arbeiten in zwei Richtungen: Sie formen elektronische Signale in Lichtsignale um oder wandeln Lichtsignale in elektronische Signale um. Optoelektronische Geräte können daher auch als Umformer klassifiziert werden, da sie eine Energieart in eine andere umformen.

Optoelektronische Geräte sind für eine Reihe von High-Tech-Branchen von entscheidender Bedeutung, darunter die Automobil-, Rüstungs- und Verteidigungsindustrie, Luft- und Raumfahrt, Energiewesen, Medizin, Unterhaltungselektronik und Telekommunikation. Einige der wichtigsten optoelektronischen Komponenten, die heute verwendet werden, sind:

• Photodioden
• Laserdioden
• Leuchtdioden (LEDs) und Mikro-LEDs
• Photowiderstände
• Solarzellen (Photovoltaik)
• Glasfaserkabel
• Phototransistoren
• Fotodetektoren

In diesen Branchen werden optoelektronische Geräte in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, darunter:

• Kameras
• medizinische Bildgebung/medizinische Sensoren (Endoskope usw.)
• medizinische Diagnostik (Herzfrequenzmesser usw.)
• Lidar- und andere Fahrzeugsensoren
• Displays
• Fernleitsysteme
• Laser
• Alltagselektronik, von Smartphones und Smartwatches bis hin zu LED-Beleuchtung, Kaffeemaschinen und modernen Haushaltsgeräten
• lichtempfindliche Schaltgeräte
• Laserdrucker

Herkömmliche Halbleiterelektronik und -optik übertragen elektromagnetische Informationssignale mithilfe von Elektronen. Optoelektronik unterscheidet sich von konventioneller Elektronik dahingehend, dass sie auch Informationen enthält, die vom Licht stammen (wie UV-, sichtbare Licht- und Infrarot-Wellenlängen).

Im Gegensatz zu rein optischen Systemen (wie Spiegeln, Linsen oder Filtern), die Licht passiv formen, wandeln optoelektronische Geräte Licht und elektrische Signale aktiv um und unterstützen Technologien wie Kameras, Faseroptik, Laser und Photodetektoren. Diese Geräte interagieren direkter mit dem elektromagnetischen Feld der Lichtwellen, die optische Komponenten wie die Polarisation passieren.

Optoelektronik ist zwar mit elektrooptischen Geräten verwandt, dennoch unterscheiden sich die beiden hybriden optisch-elektronischen Geräteklassen.

Sowohl optoelektronische als auch elektrooptische Geräte interagieren mit Lichtwellen und elektrischen Feldern, wie diese Wechselwirkungen stattfinden, ist jedoch unterschiedlich. Optoelektronische Geräte wandeln elektrische Signale in optische Signale um und umgekehrt, während bei elektrooptischen Geräten der Schwerpunkt darauf liegt, wie elektrische Felder Licht mithilfe der optischen Eigenschaften der Materialien im Gerät steuern, modulieren und manipulieren können. Beispiele für elektrooptische Geräte sind optische Schalter, Modulatoren und Hochfrequenzverstärker.

Mehrere grundlegende Mechanismen liegen optoelektronischen Geräten zugrunde: der photoelektrische Effekt, der photovoltaische Effekt, Elektrolumineszenz und stimulierte Emission.

Photoelektrischer Effekt

Der photoelektrische Effekt bezeichnet das Herauslösen von Elektronen aus einem Material infolge der Bestrahlung mit Licht. Die Energie des Photons hängt direkt mit seiner Frequenz zusammen. Überschreitet diese Energie die Austrittsarbeit des Materials, ist die übertragene Energie ausreichend, um die Elektronen aus dem Material herauszulösen.

Zahlreiche optoelektronische Geräte sind auf den photoelektrischen Effekt angewiesen. Bei Photodioden dient er zur Erkennung und Umwandlung von Licht in ein elektrisches Signal, Phototransistoren nutzen den photoelektrischen Effekt, um Lichtsignale in Sensoren und Schaltern zu verstärken, und bei Solarzellen ist dieser Effekt an der direkten Umwandlung von Sonnenlicht in Elektrizität beteiligt.

Photovoltaischer Effekt

Der photovoltaische Effekt tritt auf, wenn Elektronen im Material zwar gebunden bleiben, aber nach Bestrahlung mit Licht einen höheren Energiezustand erreichen. Die Lichtenergie bewirkt die Bewegung von Elektronen- und Lochladungsträgern über eine Halbleiterverbindung, was zur Erzeugung eines elektrischen Stroms führt, der auf einen externen Stromkreis übertragen wird. Dieser Effekt dient in Solarzellen zur Erzeugung von Spannung und Strom aus Sonnenlicht, wird aber auch in Photodioden und Phototransistoren verwendet.

Elektrolumineszenz

Elektrolumineszenz ist ein optisches Phänomen, das auftritt, wenn ein festes Material mit einem elektrischen Feld oder einem elektrischen Strom interagiert und dies zur Abgabe von Licht führt. Dieses Phänomen bewirkt, dass Elektronen angeregt werden und ihre Energie während Strahlungsrekombination von Elektronen und Lochladungsträgern freisetzen, wobei die Elektronen ihre Energie als Licht freisetzen. Elektrolumineszenz ist in Halbleitermaterialien zu beobachten und wird für Display-Technologien eingesetzt.

Stimulierte Emission

Stimulierte Emission ist ein optischer Prozess, der dazu führt, dass die Elektronen eines angeregten Atoms mit Photonen bei bestimmten Frequenzen interagieren. Das angeregte Elektron senkt sein Energieniveau und überträgt seine Energie auf das lokale elektromagnetische Feld. Dadurch entsteht ein neues Photon mit derselben Polarisation und Frequenz wie die einfallende Lichtwelle, wodurch beide Photonen kohärent sind. Dieser Prozess verstärkt optische Signale und wird häufig zur Erzeugung von Laserlicht verwendet.

Es gibt viele Anwendungen für optoelektronische Geräte, z. B. in Alltagselektronik im Haushalt oder in der Hightech-Industrie. Sehen wir uns einige Beispiele etwas genauer an.

Fahrzeugsensoren

Viele Sensoren werden heute in Fahrzeugen integriert, die optoelektronische Komponenten benötigen, darunter:

• CMOS-Sensoren (Complementary Metal Oxide Semiconductor, komplementärer Metall-Oxid-Halbleiter): werden in autonomen Fahrzeugen und Fahrerassistenzsystemen zur Wahrnehmung der direkten Umgebung eingesetzt
• CCD-Kameras (Charge-Coupled Device, ladungsgekoppeltes Bauteil): eine weitere bildgebende Kamera für autonome Operationen, insbesondere bei lichtarmen Bedingungen
• Lidar: erfasst Hindernisse und Fahrzeuge, um eine 3D-Karte der Umgebung des Fahrzeugs zu erstellen – wird häufig in autonomen Fahrzeugen sowie in Fahrerassistenzsystemen eingesetzt

Immer mehr fortschrittliche optische Sensoren werden in Fahrzeuge eingebaut, die zunehmend autonome Funktionen wie Fahrerassistenzsysteme, Rückfahrkameras und Autopiloten bieten. Einige dieser Sensoren arbeiten mit sichtbarem Licht, andere senden und empfangen Infrarotsignale. Sowohl passive als auch aktive Sensoren werden heute in Fahrzeugen eingesetzt, um die Umgebung des Fahrzeugs besser zu erfassen. Da die Automobilindustrie auf noch autonomere Fahrzeuge hinarbeitet, werden mehr Sensoren auf Grundlage von Optoelektronik integriert, um eine fortschrittlichere Wahrnehmung der direkten Umgebung von Fahrzeugen zu ermöglichen.

Telekommunikation

Optoelektronik ist für moderne Telekommunikation entscheidend, nicht nur durch Glasfasern, sondern auch durch Laser und photonische integrierte Schaltungen (PIC, photonic integrated circuit).

In diesen Systemen wandeln Halbleiter-Laserdioden elektronische Daten in Licht um, das als Puls in die Glasfaser eingeleitet wird und über große Entfernungen wandert. Die Signale werden durch den Unterschied im Brechungsindex zwischen Kern und Mantel der Glasfaser durch diese als Wellenleiter geleitet. Am anderen Ende wandelt ein Transceiver aus Photodetektoren das Licht wieder in elektrische Signale um. Dieser Prozess ermöglicht die Übertragung elektronischer Daten von einem Ort zum anderen mithilfe von Licht, da Licht viel schneller über große Distanzen transportiert werden kann als Elektronen.

Immer häufiger werden diese Komponenten – Laser, Modulatoren und Detektoren – auf winzigen Chips kombiniert, den sogenannten PICs, wodurch Netzwerke schneller, kleiner und effizienter werden. Dieser Aufbau ermöglicht es dem Internet und Mobilfunknetzen, riesige Datenmengen mit hoher Geschwindigkeit zu verarbeiten.

Medizinische Bildgebung/Kameras

Im Gesundheitswesen werden optoelektronische Geräte in Endoskopen eingesetzt. Optoelektronik macht Endoskope kleiner, wodurch die Verfahren weniger invasiv werden, da die Technologien ständig miniaturisiert werden.

Neben traditionellen Endoskopie-Verfahren hilft die Optoelektronik auch bei der Entwicklung neuer, fortschrittlicherer Ansätze. Ein Beispiel sind Pillenkameras, die von Patienten verschluckt werden. Sie machen auf dem Weg durch das Magen-Darm-System Bilder und sind weniger unangenehm als klassische Endoskopie.

Unterhaltungselektronik

Optoelektronik findet sich in vielen Unterhaltungselektronikgeräten. Fast jede moderne Maschine mit integrierten Lichtern und Displays nutzt Optoelektronik, um Licht zu erzeugen. Beispiel:

• LEDs: LEDs werden in einer Vielzahl alltäglicher Produkte mit Beleuchtung eingesetzt – als Lichtquellen in Konsumgütern mit ästhetischer Beleuchtung sowie in Fernsehern mit LEDs oder organischen Leuchtdioden (OLED), Smartphones, Laptops und Computerbildschirmen, wo sie durch ihre hohe Bildqualität und ihren geringen Energieverbrauch überzeugen.
• Bildsensoren (CCDs, CMOS-Sensoren): Diese Sensoren werden in vielen bildgebenden und Video-Gebrauchsgütern eingesetzt, wie zum Beispiel in Digitalkameras und Webcams.
• Andere Sensoren: Es gibt eine Vielzahl weiterer optoelektronischer Sensoren, die in der Unterhaltungselektronik zum Einsatz kommen. Zu den wichtigsten Beispielen zählen Infrarotsensoren für Fernbedienungen, Tiefensensoren für AR/VR-Headsets sowie optische Bewegungssensoren für die Smart-Home-Automatisierung.
• Laserdioden: Diese werden in Kommunikationstechnologien, optischen Speichertechnologien und Barcode-Scannern eingesetzt.
• Optokoppler (Optoisolatoren): Diese optischen Koppler übertragen elektronische Signale mittels Licht zwischen integrierten Schaltkreisen, während sie gleichzeitig elektronisch voneinander isoliert bleiben. Sie werden häufig in Netzteilen, Motoren, Datenerfassungssystemen und Kommunikationsschnittstellen eingesetzt.

Solarzellen

Solarzellen sind an sich bereits optoelektronische Geräte, aber auch ein sehr großer Anwendungsbereich, insbesondere heute, da viele Solarpaneele installiert und ans Stromnetz angeschlossen werden, um den Anteil erneuerbarer Energie zu erhöhen. Solarpaneele können in Privathaushalten, Unternehmen und großen Solarparks als Solarfelder installiert werden.

Es gibt viele Arten von Solarzellen, von klassischen Silizium-Solarzellen über Graphen-verstärkte, Perowskit-, organische, flexible und transparente Solarzellen bis hin zu Farbstoffsolarzellen (DSSC, dye-sensitized solar cell). Solarzellen nutzen entweder einen einzelnen p-n-Übergang oder mehrere Übergänge und sind kommerziell als Einzelpaneele oder bifaciale Module erhältlich.

Da es viele verschiedene optoelektronische Geräte gibt, hängen die Vorteile sowohl vom jeweiligen Gerät als auch von der Anwendung ab. Beispiele für Vorteile von Optoelektronik sind:

• Kameras können Objekte vor sich deutlich erkennen und identifizieren, während rein elektronische Systeme wie Radar Objekte lediglich erfassen, jedoch nicht identifizieren können.
• Hinsichtlich Energieeffizienz, Helligkeit und Bildqualität gibt es keine Konkurrenz zu LEDs für Beleuchtungsanwendungen.
• Optoelektronik bietet eine höhere Bandbreite für Kommunikationstechnologien.
• Optoelektronik verbraucht weniger Energie als viele elektronische Geräte.
• Optoelektronik kann Informationen und Daten über wesentlich größere Entfernungen übertragen als rein elektronische Systeme.
• Optoelektronik ist kosteneffizienter als viele elektronische Geräte.

Es gibt auch Nachteile optoelektronischer Geräte:

• Radar kann in vielen Umgebungen eingesetzt werden, einschließlich Nebel, während Kameras und Lidar-Systeme unter ungünstigen Umgebungsbedingungen zu Fehlalarmen neigen.
• Kameras sind teurer als Radar.
• Kleine Abweichungen oder Defekte bei der Produktion können erhebliche Auswirkungen auf die Leistungsfähigkeit von Geräten haben.
• Je nach Anwendung kann es schwierig sein, optoelektronische Geräte in bestehende Architekturen zu integrieren.
• Wärme kann in optoelektronischen Geräten ein erhebliches Problem darstellen. Da optoelektronische Bauteile immer kleiner werden und gleichzeitig höhere Leistungsanforderungen erfüllen müssen, sind neue Lösungen für das Wärmemanagement erforderlich, um eine Überhitzung und damit verbundene Ausfälle zu verhindern.

Die Herstellung optoelektronischer Geräte ist von entscheidender Bedeutung. Schon kleinste Staubpartikel auf den optischen Komponenten können dazu führen, dass Sensoren ihre Umgebung nicht mehr erfassen können. Ebenso können jegliche Imperfektionen bei Halbleiterelektronik zu Verarbeitungsfehlern bei der Umwandlung zwischen optischen und elektronischen Signalen führen.

Um zu vermeiden, ständig Prototypen erstellen zu müssen, können Simulationen dabei helfen,

• Produkte mit integrierten optoelektronischen Komponenten zu entwickeln und ihre Funktionen zu validieren
• das optimale Material zu bestimmen
• die Wechselwirkung von Lichtwellen und Gerät zu simulieren
• zu erkennen, wie die optischen Komponenten in das übergeordnete elektronische System integriert werden können
• optische Komponenten auszulegen und die mechanischen Effekte wie Doppelbrechung zu analysieren, die bei der Integration optischer Komponenten in mechanische Halterungen auftreten
• den Einfluss von Umwelteinflüssen wie Wärme, Luftströmung oder Flüssigkeitsfluss auf das optoelektronische Gerät zu beobachten
• Ingenieur*innen Zeit und Kosten bei der Konstruktion und Fertigung optoelektronischer Geräte zu sparen
• Verhaltensweisen zu entdecken, die allein mit experimentellen Methoden nicht herleitbar sind

Ansys bietet die folgenden Tools zur Simulation optoelektronischer Geräte:

Ansys Lumerical Software: Die Software Lumerical konzentriert sich auf das nanophotonische Verhalten optoelektronischer Geräte. Sie untersucht, wie die Wellenlängen des Lichts absorbiert werden und mit optischen Komponenten interagieren.

Ansys Zemax OpticStudio – Software zur Auslegung und Analyse optischer Systeme: Die Software OpticStudio wird zur Auslegung und Analyse optischer Systeme verwendet, darunter Linsen, Wellenleiter und photonische Schaltungen, um Licht zu steuern und zu lenken. Sie wird häufig für optische Kommunikation und PICs verwendet.

Ansys Speos – CAD-integrierte Software für optische und Beleuchtungssimulation: Die Software Speos simuliert das Verhalten von Licht in realen Umgebungen und ermöglicht die Bewertung der optischen Leistung auf Systemebene. Sie nutzt die Ergebnisse aus OpticStudio, um die Effekte und Verhaltensweisen optoelektronischer Geräte in komplexen Anwendungsszenarien zu untersuchen, etwa Kameras in Autos oder AR-Displays in Cockpits.

Ansys Mechanical – Software für strukturelle Finite-Elemente-Analyse (FEA): Die Software Mechanical analysiert die Materialeigenschaften der in optoelektronischen Geräten eingesetzten Werkstoffe, die thermischen Informationen des Systems sowie jegliche potenzielle mechanische Probleme.

Erstausrüster entwickeln ständig neue und fortschrittlichere optoelektronische Komponenten für verschiedene Branchen. Optoelektronik wird weiter miniaturisiert, und viele zukünftige Geräte werden wahrscheinlich 100 % photonische Systeme sein, die den Anforderungen moderner Technologie gerecht werden. Ein weiterer möglicher Entwicklungsbereich ist die Quantenoptoelektronik, die auf den Erfolgen der Quantenelektronik und Quantenoptik aufbaut.

Ein weiterer Bereich, der weiterentwickelt wird, ist verbesserte Nachhaltigkeit optoelektronischer Konstruktionen. Da viele Rohstoffe knapper werden, wird es immer wichtiger, umweltfreundlichere oder recycelte Materialien einzusetzen. Die Hauptaufgabe bleibt dabei, die gleiche Genauigkeit und/oder Leistung mit weniger Rohstoffen oder neuen, nachhaltigeren Materialien zu erzielen.

Wenn Sie erfahren möchten, wie simulationsbasierte Ansätze Ihnen helfen können, robustere und leistungsfähigere optoelektronische Geräte zu entwerfen, wenden Sie sich an unser technisches Team.

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