Optoelektronik - eine Schlüsseltechnologie der modernen Informationsgesellschaft

Beitrag von Prof. Dr.-Ing. C. Karnutsch, Fakultät für Elektro- und Informationstechnik, Hochschule Karlsruhe - Technik und Wirtschaft

Für 2017 wurde von der UNESCO die Initiative »Internationales Jahr des Lichts und der lichtbasierten Technologien« ausgerufen, um gezielt auf die Bedeutung der Optischen Technologien hinzuweisen, die dreimal so schnell wachsen wie das allgemeine Bruttosozialprodukt.

Die Branche mit ca. 300 Tausend Beschäftigten in Europa bildet einen bedeutenden Wirtschaftsfaktor, der in den vergangenen Jahren viele Arbeitsplätze geschaffen hat, während es in anderen Branchen gegenläufig war. Dazu tragen insbesondere diejenigen Segmente der Optoelektronik und Photonik bei, die für Deutschland zu den Kernbereichen zählen, wie etwa die Produktionstechnik (Lasersysteme und Laserstrahlquellen sowie Lithografie), die Bildverarbeitung und Messtechnik, Optische Komponenten und Systeme sowie die Medizintechnik & Life Science, die auch die Biophotonik umfasst. Auch im Lichtmarkt der Zukunft (LED und OLED, Organic Light Emitting Diode) haben deutsche und europäische Anbieter eine gute Position. Die Optoelektronik ist mittlerweile aus unserem Alltag nicht mehr wegzudenken. Optoelektronische Bauelemente finden sich nahezu überall, z. B. in Lichtschranken, in Infrarotfernbedienungen, in Bildschirmen und Displays, in Mobiltelefonen oder auch im Scanner an der Supermarktkasse. Die Optoelektronik stellt eine Kombination aus den Disziplinen Physik, Elektro- und Informationstechnik sowie Mikrotechnik dar. Sie lässt sich definieren als Technologie von Komponenten und Systemen zur Erzeugung, Modulation, Übertragung und Detektion elektromagnetischer Strahlung im optischen Bereich. Dabei wandeln optoelektronische Halbleiter- Bauelemente elektrische Signale in Licht bzw. umgekehrt Licht in elektrische Signale um. Das Prinzip eines optoelektronischen Sensors lässt sich ganz einfach am Beispiel einer Lichtschranke veranschaulichen: ein Sender strahlt Licht ab, welches ggf. nach Reflexion dann wieder empfangen wird. Ein Alarmsignal wird jeweils dann ausgelöst, wenn der Lichtstrahl unterbrochen wird. Der große Vorteil von optoelektronischen Systemen ist, dass sie nicht durch elektromagnetische Felder beeinflusst oder gestört werden. LEDs und Laserdioden sind mittlerweile dabei, konventionelle Lichtquellen abzulösen. Mit zunehmender Leistungsfähigkeit der LED- und Laserdioden-Technik ergeben sich immer neue Applikationsmöglichkeiten. Auch in Anwendungsbereichen der UVB- und UVC-Strahlung werden LEDs zukünftig als innovative Lichtquelle eine Hauptrolle einnehmen. Eine Revolution in der Datenübertragungstechnik wurde ebenfalls mittels der Optoelektronik möglich. Ab Mitte der 1960er Jahre entwickelten Wissenschaftler optische Übertragungssysteme mit Lichtwellenleitern auf Glasfaserbasis, mit denen es möglich wurde, Reichweiten von heutzutage vielen tausend Kilometern und Bandbreiten im Terahertzbereich zu realisieren. Mittlerweile werden mehr als 90 % des gesamten Datenvolumens weltweit optisch übertragen und die Leistungsfähigkeit optischer Übertragungssysteme ist somit Garant für das weitere explosionsartige Wachstum des weltweiten Datenverkehrs. Die Optoelektronik gehört zu den Schlüsseltechnologien, die den technischen Fortschritt in der Zukunft maßgeblich mitbestimmen werden. Immer anspruchsvollere Anwendungen in der Medizintechnik erfordern zunehmend neue Ansätze, die oftmals nur durch neue technologische Entwicklungen im Bereich der Optoelektronik gelöst werden können. Laser, schaltbare fluoreszierende Marker und bildgebende Verfahren geben tiefe Einblicke in lebende Zellen. Laser sind aus der modernen medizinischen Forschung, Diagnostik und Therapie nicht mehr wegzudenken und bieten enorme neue Möglichkeiten. Mikroskopie und Spektroskopie helfen, Krankheiten zu enträtseln. Schlüssel dazu sind jeweils leistungsfähige Strahlquellen von extrem kurzwelligem Ultraviolett bis tief in den Infrarotbereich. Laserentwickler arbeiten dabei Hand in Hand mit Entwicklern von Optiken, Halbleitern, Positionier-Systemen sowie mit Medizintechnikunternehmen und Forschungsinstituten. Auch das Internet der Dinge ist ohne Optoelektronik nicht denkbar. So werden auf der Basis von Miniaturkameras aus der Endoskopie Applikationen entwickelt, damit intelligente Systeme zukünftig Umgebungen umfassend, länger und interaktiver wahrnehmen können. Dazu werden Fortschritte im Bereich des Maschinellen Sehens mit mobilen Anwendungen aus den Bereichen Augmented Reality, Wearable Computing und Ambient Assisted Living kombiniert.

Das Forschungsprojekt »BANSAI« an der Fakultät für Elektro- und Informationstechnik

Die Forschung an der Hochschule Karlsruhe ist vor allem anwendungsorientiert und ermöglicht den Studierenden einen engen Kontakt zu der Industrie. An der Fakultät für Elektro- und Informationstechnik existiert eine Zusammenarbeit mit dem Städtischen Klinikum in Karlsruhe. Unter dem Projekt BANSAI - Biomedizinische Analyseeinheit mit Laserlicht - wird ein miniaturisiertes Blutanalysesystem zur medizinischen Diagnostik aufgebaut und entwickelt. Die bereits vorhandenen Tests können sensibler und vertrauenswürdiger durchgeführt werden und zudem wird die Entwicklung weiterer Tests ermöglicht. Um dieses Ziel zu erreichen wird anstelle von den bisher verwendeten Gasentladungslampen mit Quecksilberdampffüllung ein neuartiger durchstimmbarer organischer Laser als Lichtquelle eingesetzt.

Internationales Austauschprogramm: SCON-Study Centre for Optofluidics and NANO-Photonics

Die globale Arbeitswelt erfordert heutzutage gute Englischkenntnisse und eine effektive Zusammenarbeit in internationalen Teams. Neben den rein fachlichen Inhalten sind mittlerweile immer mehr die sog. soft kills im Berufsleben wichtig. Dazu gehören Schlüsselkompetenzen wie Kreativität, Kommunikationsfähigkeit und Teamfähigkeit. Wichtig ist auch die Fähigkeit fachliche Inhalte in Präsentationen an andere weiterzugeben. Genau dieses Training und diese Fähigkeiten können Studierende an der Hochschule Karlsruhe im Rahmen eines internationalen Austauschprogramms erarbeiten und vertiefen. Es besteht die Möglichkeit an einem einjährigen Austauschprogramm mit der RMIT Universität in Melbourne, Australien teilzunehmen. Kern des Studienzentrums SCON ist ein studentischer Austausch zwischen den beiden Institutionen. Hierbei bilden die Teilnehmer ein deutsch-australisches Team, welches für je ein halbes Jahr in Deutschland und Australien an Forschungsprojekten zusammenarbeitet. Dafür steht modernstes Equipment in den Laboren der MicroNano Research Facility (MNRF) in Melbourne und am Institute for Optofluidics and Nanophotonics (IONAS) in Karlsruhe zur Verfügung.

Chancen und Arbeitsfelder

Die Arbeitsgebiete eines Optoelektronikers sind vielfältig, so z. B. in Forschung und Entwicklung oder auch in der Fertigungs- und Anwendungstechnik. Klassische Einsatzgebiete liegen im Bereich der optischen Technologien und Geräte, der Bildverarbeitung, optischen Messtechnik, Telekommunikation oder LED- und Lasertechnologie samt deren Anwendungen.