Optoelektronik

fra Wikipedia, den gratis encyklopædi
Spring til navigation Spring til søgning

Udtrykket optoelektronik (undertiden også kaldet Optronics eller optotronics) opstod fra kombinationen af optik og halvleder elektronik og, i den bredeste forstand, omfatter alle produkter og processer, der muliggør omdannelse af elektronisk genererede data og energier i lysemission og omvendt.

Baggrunden er z. B. forsøget på at kombinere fordelene ved elektronisk dataforberedelse og behandling med fordelene ved lysets hurtige og elektromagnetisk og elektrostatisk uforstyrrede bredbåndstransmissionsegenskaber. Samtidig inkluderer dette også omdannelse af elektrisk energi til lys og omvendt på grundlag af elektronisk halvlederteknologi , hvorved det genererede lys enten kan forplante sig i frit rum eller i faste, gennemskinnelige medier ( optiske bølgeledere såsom fiberoptiske kabler ) eller som i optisk lagringsteknologi kan også bruges til at gemme elektronisk genererede data.

Optoelektronik er blevet en integreret del af hverdagen, da den indeholder komponenter som f.eks B. omfatter lasere , skærme , computere, optisk lagring og data storage medier .

Optoelektroniske komponenter

Forskellige lysdioder
Laserdiode
Første og stadig gyldige systemforslag til optoelektronisk meddelelsestransmission ved hjælp af laserdiode , glasfiber og fotodiode af Manfred Börner , 1965 [1]

Optoelektroniske komponenter er komponenter, der fungerer som en grænseflade mellem elektriske og optiske komponenter eller enheder, der indeholder sådanne komponenter. Dette refererer for det meste (men ikke udelukkende) til mikroelektroniske komponenter, der fungerer på basis af halvledere .

Komponenterne i optoelektronik kan opdeles i aktuatorer (sendere) og detektorer (modtagere). Optoelektroniske aktuatorer er halvlederkomponenter, der genererer lys fra elektricitet, dvs. laser- og lysemitterende dioder . Emissionsspektret kan være i det synlige såvel som i det usynlige ( UV eller infrarøde ) spektrale område. Optoelektroniske detektorer er aktuatorernes reverserende komponenter, dvs. fotoresistor , fotodiode (også solcelle ) og fototransistor . Lyssensorer kan også bygges som et integreret kredsløb , f.eks. B. som en CCD -sensor . Fotomultiplikatorer tælles også med blandt optoelektronik. Betjenes aktuator og detektor som et system, resulterer dette i en optisk sensor, en såkaldt visuel sensor . Motivet kaldes også optiske sensorer . Den enkle kombination af en aktuator og detektor i en komponent er kendt som en optokobler .

Ud over disse er der andre komponenter, der er nødvendige for transmission, forstærkning eller modulering af signaler. Optiske signaler kan transmitteres gennem ledig plads eller i forbindelse med bølgeledere og optiske kredsløb (se integreret optik ). Optiske modulatorer er komponenter, der præger (modulerer) en defineret egenskab på lys. Dette kan for eksempel være en tidsmæssig eller rumlig amplitude eller fasevariation. Disse omfatter f.eks. Optiske forstærkere , optoelektroniske multiplexere og magnetorestriktive optiske mikroreflektorer.

materialer

Et stort antal materialer kan bruges i optoelektronik, for eksempel alle former for halvledere (element, III / V og II / VI halvledere eller organiske halvledere) men også organiske og uorganiske ledere, ikke-ledere, briller osv. [2]

Silicium, der for det meste bruges i halvlederteknologi, har dårlige optoelektroniske egenskaber, fordi det har et indirekte båndgab, og derfor kan elektriske signaler ikke konverteres direkte eller kun ineffektivt til optiske signaler - f.eks. Solceller kræver meget tykke siliciumlag. Direkte halvledere, såsom galliumarsenid eller indiumphosphid, er derfor nødvendige til optoelektroniske formål, men disse er vanskelige at integrere i siliciumteknologi. Årsagen til det indirekte båndgab er diamantgitterstrukturen af silicium og germanium . I 1973 blev det teoretisk forudsagt, at germanium i en sekskantet krystalstruktur er en direkte halvleder. [3] [4] 2020 et team efterfulgte Erik Bakker (TU Eindhoven) ved at forberede germanium- og siliciumbaseret halvleder med en sekskantet krystalstruktur og en direkte båndgab. For at gøre dette fordampede de germanium eller silicium på en skabelon lavet af galliumarsenid -nanotråde, som allerede havde en sekskantet krystalstruktur. Nanotrådene havde en diameter på omkring 35 nanometer, og det dampaflejrede materiale dannede en kappe omkring ti gange diameteren. Processen blev allerede brugt i 2015, men på det tidspunkt blev den nødvendige renhed ikke opnået, og der kunne derfor ikke opnås lysemission. Ved at variere forholdet germanium-silicium kan bølgelængden for det udsendte lys indstilles, hvilket er i det infrarøde område, der allerede bruges til optisk kommunikation via glasfibre (variation mellem 1,5 og 3,5 mikrometer). [5] [6] I det næste trin skal de nanotrådbaserede strukturer tilpasses de sædvanlige plane siliciumchipteknologier og integreres i dem.

Studieforløb

Optoelektronik er en gren af teknik, der kan studeres enten som et selvstændigt kursus eller som en specialisering i et andet kursus ( teknisk informatik , teknisk fysik , elektroteknik , nanoengineering / nanostructural science , microsystems technology ) på universiteter .

Undersøgelsesmål:

  • Design og optimering af komplekse optiske systemer f.eks. B. ved hjælp af relevant designsoftware
  • Forståelse af samspillet mellem optiske bølger og uorganisk og organisk stof
  • Forståelse for oprindelse og generation af lys med specifikke egenskaber, udvikling og fremstilling af nye typer lyskilder, adaptiv belysningsteknologi
  • Erhvervelse af god fysiologisk og ergonomisk viden til udvikling og implementering af nye koncepter inden for belysningsteknologi

litteratur

  • Manfred Börner, Reinhard Müller, Roland Schiek: Elementer af den integrerede optik. Teubner, 1990, ISBN 3-519-06130-9 .
  • Marius Grundmann (red.): Nano -optoelektronik - begreber, fysik og enheder. Springer, Berlin 2002, ISBN 3-540-43394-5 .
  • Safa O. Kasap: Optoelektronik og fotonik - principper og praksis. Prentice Hall, Upper Saddle River 2001, ISBN 0-201-61087-6 .
  • Michael A. Parker: Fysik i optoelektronik. Taylor & Francis, Boca Raton 2005, ISBN 0-8247-5385-2 .
  • Thomas Petruzzellis: Optoelektronik, fiberoptik og laserkogebog - mere end 150 projekter og eksperimenter. McGraw-Hill, New York 1997, ISBN 0-07-049839-3 .
  • Kiyomi Sakai (red.): Terahertz optoelektronik. Springer, Berlin 2005, ISBN 3-540-20013-4 .

Individuelle beviser

  1. patent DE1254513 : Flertrins transmissionssystem til pulskodemodulation repræsenteret beskeder .. Udgivet den 16. november 1967, opfinder: Manfred Börner.
  2. Hartmut Hillmer, Josef Salbeck: 8. Materialer inden for optoelektronik - grundlæggende og applikationer . I: Textbook of Experimental Physics - bind 6: fast . 2., revideret. Udgave. de Gruyter, Berlin 2005, ISBN 978-3-11-019815-7 , doi : 10.1515 / 9783110198157.707 .
  3. JD Joannopoulos, Marvin L. Cohen: Electronic Properties of Complex krystallinske og amorfe faser Ge og Si. I. Tæthed af stater og båndstrukturer . I: Fysisk gennemgang B. tape   7 , nej.   6 , 15. marts 1973, s.   2644-2657 , doi : 10.1103 / PhysRevB.7.2644 .
  4. Seneste teoretiske beregninger: Claudia Rödl, Jürgen Furthmüller, Jens Renè Suckert, Valerio Armuzza, Friedhelm Bechstedt, Silvana Botti: Nøjagtige elektroniske og optiske egenskaber ved sekskantet germanium til optoelektroniske applikationer . I: Materialer til fysisk gennemgang . tape   3 , nej.   3 , 11. marts 2019, s.   034602 , doi : 10.1103 / PhysRevMaterials.3.034602 , arxiv : 1812.01865 .
  5. ^ Hamish Johnston: Siliciumbaseret lysemitter er 'Holy Grail' af mikroelektronik, siger forskere . I: Physics World. 8. april 2020.
  6. Elham MT Fadaly et al .: Direct-båndgab emission fra hexagonale Ge og SiGe legeringer. I: Naturen . tape   580 , nr.   7802 , april 2020, s.   205-209 , doi : 10.1038 / s41586-020-2150-y , arxiv : 1911.00726 .