3 Lichttransmission, -quellen und -detektoren
3.2 Lichtquellen und -detektoren

LED: lichtemittierende Diode, light-emitting diode.

Lichtquellen werden zum Generieren von Eingangssignalen der Systeme der optischen Kommunikation verwendet. Die optischen Kommunikationssysteme verwenden oft Halbleiter-Lichtquellen, wie z. B. LED (lichtemittierende Dioden, engl. light-emitting diode) und Halbleiter-LD (Laserdioden, engl. laser diode).

LASER: Licht-Verstärkung durch stimulierte Emission von Strahlung, engl. Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation

Diese optischen Halbleiterbauelemente bieten hohe Effizienz und Zuverlässigkeit. Überdies ermöglichen sie eine genaue Auswahl des Wellenlängenbereichs und der ausstrahlenden Regionen, die mit den Abmessungen der Lichtwellenleiterkerne kompatibel sind. Die folgende Tabelle fasst die wesentlichen Charakteristiken und Strukturen von LED und LD zusammen, die in optischen Kommunikationssystemen mit Lichtwellenleitern eingesetzt werden.

Optische Halbleiterquellen

Charakteristik

Strukturen

LED

Die in der optischen Kommunikation verwendeten LED müssen hohe Strahldichte (spezifische Intensität), schnelle Reaktionszeit und hohe Quantenausbeute (QE) haben.

Ebene, kuppelförmige, kanten- oder oberflächenemittierende LED.

LD

Die in der optischen Kommunikation verwendeten LD sollen ein kohärentes Licht, schmale Strahlbreite und hohe Ausgangsleistung haben.

Spontane Emission. Stimulierte Emission.

Auf dem Ende des optischen Kommunikationssystems werden optische Sensoren (Lichtdetektoren) verwendet, um die übertragene Information wiederherzustellen und in ein elektrisches Signal mittels des photoelektrischen Effektes wieder umzuwandeln. Die Rolle des Photodetektors ist die Wiederherstellung von Daten, die mittels des Lichtwellenleiter-Kommunikationssystems übertragen wurden.

Photodetektoren sind optoelektronische Bauelemente, die die Einfallstrahlung (Licht) in ein elektrisches Signal umwandeln, wie z. B. Spannung oder Strom.

Lichtdetektoren oder Photodetektoren bestehen üblicherweise aus PD (Photodiode), photoleitenden Detektoren und Phototransistoren. Die photoleitenden Detektoren haben die einfachste Struktur von Lichtdetektoren und entstehen durch Verbindung von zwei Metallelektroden und einem Halbleitermaterial. Die Leitfähigkeit des Halbleiters steigt, wenn einige Einfallphotonen in den Halbleiter absorbiert werden. Infolgedessen steigt der externe Strom, wenn Spannung an Elektroden anliegt. Ein spezifischer Typ von Photodetektoren sind Solarzellen, die in photovoltaischen Solarenergiegewinnungssystemen, nicht in Kommunikationssystemen verwendet werden.

Photodioden sind Halbleiterdioden, die als ein Photodetektor funktionieren. Es handelt sich um einen p-n-Übergang oder eine p-i-n-Struktur. Wenn ein Photon mit einer ausreichenden Energie auf die Diode auftrifft, wird ein Elektron angeregt, der zu einem mobilen Elektron wird, und zugleich entsteht eine positiv geladene Elektronenfehlstelle.

Phototransistoren sind Bipolartransistoren (BJT, engl. bipolar junction transistor), die als Photodetektoren arbeiten und auch Photostromverstärkung bieten. Diese Bauelemente sind Halbleiter-Lichtsensoren und werden von einem Grundtransistor mit einem transparenten Deckel gebildet.

Optische Halbleiterdetektoren

Charakteristik

Beispiele von Strukturen

Photodioden

Auf p-n-Übergang basiert.

p-n- oder p-i-n-Dioden. Lawinenphotodioden (APD, Avalanche-Photodioden, engl. avalanche photodiode). Heteroübergang-Photodioden.

Schottky-Übergang

Durch Verbindung eines n-Halbleiters mit einem Metall gestaltet.

Schottky-Kontakte.

Solarzellen

Solarzellen wandeln die Energie der einfallenden Ausstrahlung in elektrische Energie.

cSi (kristallinisches Silizium) und a-Si:H (amorphes Silizium). HiT (Solarzelle mit einer intrinsischen Heteroübergang-Dünnschicht). GaAs.

Phototransistoren

Lichtempfindliche Transistoren. Sie verstärken die Veränderungen des einfallenden Lichts.

n-p-n-BJT

p-n-p-BJT

Photoleitende Detektoren

Verändernde Leitfähigkeit wegen Lichtabsorption.

Photowiderstand (LDR, engl. light-dependent resistor). PbS IR (infrarote Detektoren mit Bleisulfid). PbSe IR (infrarote Detektoren mit Bleiselenid).