imported>Hybridrix: /* Fachbücher */Link Grundmann

2025-10-10T08:46:57Z

Fachbücher: Link Grundmann

Neue Seite

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 [[Licht]]es 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 des täglichen Lebens geworden, da sie Komponenten wie z. B. [[Laser]], [[Bildschirm]]e, Rechner, [[Optischer Datenspeicher|optische Speicher]] und [[Datenspeicher|Datenträger]] umfasst.

== Optoelektronische Bauteile ==
[[Datei:Verschiedene LEDs.jpg|mini|Verschiedene Leuchtdioden]]
[[Datei:Diode laser.jpg|mini|Laserdiode]]
[[Datei:Patentantrag - Manfred Börner - electro-optical transmission system utilizing lasers.jpg|mini|Erster und bis heute gültiger Systemvorschlag zur optoelektronischen Nachrichtenübertragung mittels [[Laserdiode]], [[Glasfaser]] und [[Photodiode]] von [[Manfred Börner]], 1965<ref>{{Patent|Erfinder=Manfred Börner|Titel=Mehrstufiges Übertragungssystem für Pulscodemodulation dargestellte Nachrichten.|Land=DE|V-Nr=1254513|V-Datum=1967-11-16 |Kommentar=}}</ref>]]
''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) [[Mikroelektronik|mikroelektronische]] Bauteile gemeint, die auf der Basis von [[Halbleiter]]n funktionieren.

Die Bauelemente der Optoelektronik lassen sich in Aktoren (Sender) und Detektoren (Empfänger) unterteilen. Optoelektronische Aktoren sind Halbleiterbauelemente, die aus Strom Licht erzeugen, also [[Laserdiode|Laser-]] und [[Leuchtdiode]]n. 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]]. [[Lichtsensor]]en 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 [[Lichtwellenleiter|Wellenleiter]] und optischen Schaltkreise (vgl. [[integrierte Optik]]) erfolgen. [[Modulator (Optik)|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 [[Optischer Verstärker|optische Verstärker]], optoelektronische [[Multiplexer]] sowie magnetorestriktive optische Mikroreflektoren.

== Materialien ==
In der Optoelektronik können eine große Zahl von Materialien eingesetzt werde, beispielsweise alle Formen von [[Halbleiter]]n (Element-, [[III-V-Verbindungshalbleiter|III/V]]- und [[II-VI-Verbindungshalbleiter|II/VI]]-Halbleiter oder [[organische Halbleiter]]) aber auch organische und anorganische Leiter, Nichtleiter, Gläser usw.<ref>{{Literatur |Autor=Hartmut Hillmer, Josef Salbeck |Titel=8. Materialien der Optoelektronik - Grundlagen und Anwendungen |Sammelwerk=Lehrbuch der Experimentalphysik - Band 6: Festkörper |Auflage=2., überarb. |Verlag=de Gruyter |Ort=Berlin |Datum=2005 |ISBN=978-3-11-019815-7 |DOI=10.1515/9783110198157.707}}</ref>


Das in der Halbleitertechnik meist verwendete [[Silizium]] hat schlechte optoelektronische Eigenschaften, da es eine indirekte [[Bandlücke]] hat und so elektrische Signale nicht direkt oder nur sehr ineffizient in optische Signale umgewandelt werden können – bei Solarzellen sind zum Beispiel sehr dicke Siliziumschichten nötig. Für optoelektronische Zwecke werden daher direkte Halbleiter wie [[Galliumarsenid]] oder [[Indiumphosphid]] benötigt, die aber schwer in Siliziumtechnologie zu integrieren sind. Der Grund für die indirekte Bandlücke ist die [[Diamantstruktur|Diamantgitterstruktur]] von Silizium und [[Germanium]]. 1973 wurde theoretisch vorhergesagt, dass Germanium in hexagonaler Kristallstruktur ein direkter Halbleiter ist.<ref>{{Literatur |Autor=J. D. Joannopoulos, Marvin L. Cohen |Titel=Electronic Properties of Complex Crystalline and Amorphous Phases of Ge and Si. I. Density of States and Band Structures |Sammelwerk=Physical Review B |Band=7 |Nummer=6 |Datum=1973-03-15 |Seiten=2644–2657 |DOI=10.1103/PhysRevB.7.2644}}</ref><ref>Neuere theoretische Rechnungen: {{Literatur |Autor=Claudia Rödl, Jürgen Furthmüller, Jens Renè Suckert, Valerio Armuzza, Friedhelm Bechstedt, Silvana Botti |Titel=Accurate electronic and optical properties of hexagonal germanium for optoelectronic applications |Sammelwerk=Physical Review Materials |Band=3 |Nummer=3 |Datum=2019-03-11 |Seiten=034602 |arXiv=1812.01865 |DOI=10.1103/PhysRevMaterials.3.034602}}</ref> 2020 gelang einem Team um [[Erik Bakkers]] (TU Eindhoven) die Herstellung Germanium- und Silizium-basierter Halbleiter mit hexagonaler Kristallstruktur und einer direkten Bandlücke. Dazu ließen sie das Germanium bzw. Silizium auf einem Templat aus Galliumarsenid-Nanodrähten aufdampfen, die bereits hexagonale Kristallstruktur hatten. Die Nanodrähte hatten Durchmesser von rund 35 Nanometer, das aufgedampfte Material bildete einen Mantel von etwa dem zehnfachen Durchmesser. Das Verfahren wurde schon 2015 angewandt, damals erreichte man aber noch nicht die nötige Reinheit und konnte so keine Lichtemission erreichen. Durch Variation des Germanium-Silizium-Verhältnisses lässt sich die Wellenlänge des emittierten Lichts einstellen, die im schon für optische Kommunikation über Glasfasern genutzten Infrarotbereich liegt (Variation zwischen 1,5 bis 3,5 Mikrometer).<ref>Hamish Johnston: ''[https://physicsworld.com/a/silicon-based-light-emitter-is-holy-grail-of-microelectronics-say-researchers/ Silicon-based light emitter is ‘Holy Grail’ of microelectronics, say researchers].'' In: ''Physics World.'' 8. April 2020.</ref><ref>{{Literatur |Autor=Elham M. T. Fadaly u. a. |Titel=Direct-bandgap emission from hexagonal Ge and SiGe alloys |Sammelwerk=Nature |Band=580 |Nummer=7802 |Datum=2020-04 |Seiten=205–209 |arXiv=1911.00726 |DOI=10.1038/s41586-020-2150-y}}</ref> Im nächsten Schritt müssen die Nanodraht-basierten Strukturen an die üblichen planaren Silizium-Chip-Technologien angepasst und in diese integriert werden.

== Studiengang ==
''Optoelektronik'' ist ein Teilgebiet der [[Ingenieurwissenschaft]]en, das man entweder als eigenständigen Studiengang oder als Vertiefungsrichtung eines anderen Studienganges (Laser- und Optotechnologien, [[Technische Informatik]], [[Technische Physik]], [[Elektrotechnik]], [[Mechatronik]], [[Optomechatronik]], [[NanoEngineering]]/[[Nanostrukturwissenschaft]], [[Mikrosystemtechnik]]) an [[Hochschule]]n studieren kann.

''Studienziele:''
* Entwurf und Optimierung von komplexen optischen Systemen zum Beispiel 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 ==

=== Fachbücher ===

* Safa O. Kasap: ''Optoelectronics and photonics – principles and practices.'' Prentice Hall, Upper Saddle River 2001, ISBN 0-201-61087-6.
* {{Literatur |Titel=Nano-Optoelectronics |Hrsg=[[Marius Grundmann]] |Verlag=Springer Berlin Heidelberg |Ort=Berlin, Heidelberg |Datum=2002 |Sprache=en |Reihe=NanoScience and Technology |HrsgReihe=Phaedon Avouris, Klaus von Klitzing, Hiroyuki Sakaki, Roland Wiesendanger |ISBN=978-3-642-62807-8 |DOI=10.1007/978-3-642-56149-8}}
* {{Literatur |Titel=Terahertz Optoelectronics |Hrsg=Kiyomi Sakai |Verlag=Springer Berlin Heidelberg |Ort=Berlin, Heidelberg |Datum=2005 |Sprache=en |Reihe=Topics in Applied Physics |BandReihe=97 |HrsgReihe=Claus E. Ascheron, Hans J. Kölsch, Werner Skolaut |ISBN=978-3-540-20013-0 |DOI=10.1007/b80319}}
* Michael A. Parker: ''Physics of optoelectronics.'' Taylor & Francis, Boca Raton 2005, ISBN 0-8247-5385-2.
* {{Literatur |Autor=[[Richard C. Dorf]] |Titel=Electronics, Power Electronics, Optoelectronics, Microwaves, Electromagnetics, and Radar |Auflage=1. |Verlag=CRC Press |Ort=Boca Raton |Datum=2018 |Sprache=en |Reihe=The Electrical Engineering Handbook Series |ISBN=978-1-351-83804-7}}
* {{Literatur |Autor=Naci Balkan, Ayşe Erol |Titel=Semiconductors for Optoelectronics: Basics and Applications |Verlag=Springer International Publishing |Ort=Cham |Datum=2021 |Reihe=[[Graduate Texts in Physics]] |ISBN=978-3-319-44934-0 |DOI=10.1007/978-3-319-44936-4}}

=== Ältere Werke ===
* Manfred Börner, Reinhard Müller, Roland Schiek: ''Elemente der integrierten Optik.'' Teubner, 1990, ISBN 3-519-06130-9.
* Thomas Petruzzellis: ''Optoelectronics, fiber optics, and laser cookbook – more than 150 projects and experiments.'' McGraw-Hill, New York 1997, ISBN 0-07-049839-3.

== Einzelnachweise ==
<references />

{{Normdaten|TYP=s|GND=4043687-1|LCCN=sh85095201|NDL=00576721}}

[[Kategorie:Optoelektronik| ]]
[[Kategorie:Photonik]]
[[Kategorie:Technisches Fachgebiet]]
[[Kategorie:Halbleitertechnik]]

Optoelektronik - Versionsgeschichte

imported>Hybridrix: /* Fachbücher */Link Grundmann