Optische Technologien Faszination Licht LED und Laser auf dem Vormarsch

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1 Elektrisches Licht Optische Technologien Faszination Licht LED und Laser auf dem Vormarsch Münchner Wissenschaftstage Werner Späth München Werner Spaeth März 2001

2 Lichtquellen Evolution of Lighting Century < 1% 4-5% Efficiency 20-30%

3 Faszination Licht LED und Laser auf dem Vormarsch Einführung Physikalische Grundlagen und Technologie Bauelemente und deren Eigenschaften Anwendungen - Beleuchtung, Hinterleuchtung, Auto - Visualisierung - Opt. Datenübertragung - Opt. Datenspeicherung und Sensorik Zusammenfassung

4 Bänderschema im Ortsraum Leitungsband Elektronen Donatorniveau Photonenemission E g Photonenabsorption Akzeptorniveau Valenzband Löcher hν < E g hν = E g

5 Basisprozesse Electrons Rekombination n p + Photons Generation p n + I F I P

6 Einstellung der Emissionswellenlänge über die Zusammensetzung des Halbleiters Bandabstand E g [ev] 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 AlP InGaAlP GaP GaAl(In)As GaAs AlAs InP GaInAsP InAs 5,2 5,4 5,6 5,8 6,0 6,2 6,4 6,6 6,8 Gitterkonstante [A ] 7,0 6,0 5,0 4,0 3,0 2,0 1,0 3,0 3,2 3,4 3,6 GaSb AlN GaN SiC InGaAlN InN InSb Wellenlänge [nm]

7 Verbindungshalbleiter LED Technologie SiC/ Saphir SiC/ Saphir GaP GaP GaAs GaAs MOVPE GaN MOVPE InGaN LPE GaP VPE GaAsP MOVPE InGaAlP LPE GaAlAs 430nm 450nm - 550nm 555nm - 573nm nm 560nm nm 650 nm blau blau-grün grün gelb -rot grün-rot hyperrot

8 Verbindungshalbleiter Optische Informationstechn. (OIT) SiC GaAs GaAs InP InP InP MOVPE Ga(In,Al)N MOVPE Ga(In)AlAs,GaInAs MOVPE GaAlAs (GaInAsN) MOVPE InGaAsP MOVPE InGaAsP MOVPE InGaAs 410nm 800nm - 950nm 840 nm, (1300nm) 1300 nm 1300 nm nm 900nm nm Blauer Laser Power-Laser VCSEL TO-IRED TO-Laser TO-Detector Datenspeicherung Pumpquelle PAROLI Datacom Wireless Datatr. G-bit Ethernet Bidi-Module Telecom, Datacom

9 Bandstruktur einer roten LED InGaAlP-Fenster Leitungsband Interface p-ingaalp-confin. InGaAlP- Aktive Photons n-ingaalp-confin. GaAlAs - Bragg GaAs - Buffer GaAs - Substrat ~ 60 Schichten in Summe Valenzband Quantwnfilmdicke ~ 4-10 nm

10 Bandstruktur einer blauen LED Quantfilm- Struktur TEM InGaN Chip- Struktur auf SiC Elektronen AlGaN GaN P- GaN GaN InGaN Löcher 20 nm

11 Faszination Licht LED und Laser auf dem Vormarsch Einführung Physikalische Grundlagen und Technologie Bauelemente und deren Eigenschaften Anwendungen - Beleuchtung, Hinterleuchtung, Auto - Visualisierung - Opt. Datenübertragung - Opt. Datenspeicherung und Sensorik Zusammenfassung

12 Optohalbleiter Bauelemente LED IRED Laser Laser (Kantenemitter) Laser Strahl LED/IRED p n p n Resonator Spiegel Laser Strahl VCSEL Resonator Spiegel

13 Kantenemitter Laserstruktur 1,3 µm Strained Layer Multi Quantum Well Laser laser ridge p-metallization nitride isolation active area p - InP laser beam n-inp-substrate InGaAsP -well InGaAsP- barrier n - InP n - metallization

14 Trapezlaser Oscillator Amplifier HR-Coating Active Layer AR -Coating

15 LED Fabrikationsstufen Bandgap Engineering Conduction Band SMT-Topled Photons Axial - Lamps MOVPE Valence Band Substrat Epitaxie - intern. Wirkungsgr. - Lichtführung - Spektrum Chip Technologie - Lichtauskopplung - niedrige el. Verluste - niedr. therm. Widerst. η wp = Gehäuseaufbau - Lichtabstrahlung - niedr. therm. Widerst. - Stabilität - Lumineszenzkonvers. η. int η. extr Ephoton. η pk V f. q

16 Lichtauskopplung nur 4% des Lichtes verlassen umhüllten Chip auf direktem Wege! Lichtauskopp lung n = 1,6 n = 3,4 Absorption Substrat Kritischer Winkel d. Totalreflektion Austrittskonu s p n Lösungsansatz: Verdopplung durch Strukturierte Chipoberfläche Strom Injektion µm GaAs-substrate Oberfl. Struktur Aktive Schicht Deelektrische r Spiegel 300 µm x 300 µm

17 Lichtauskopplung LED mit Mikrooptische Oberflächenstruktur

18 Hochleistungslaser 40W cw optisch aus einem HPL-Barren 10 mm Barrenlänge mit 900 µm Resonator!! Leistungskonvers. ~ 50%!! Kontact Optische Strahlung Laser-Barren face down gelötet Kontact Opt.Leistung [W] Leistungskonv. [%] Spannung [V] Diodenstrom [A] P-I / U-I Kennlinien

19 Triple-Mikrostacks 100 µm 100 µm

20 Halbleiterscheibenlaser ) wall plug < 5%, P opt >2W, beam quality: M 2 <2

21 Hl -Scheibenlaser 8 Output Power [W] C 10 C 20 C η opt. conv. η opt. conv. η opt. conv. =46%, η diff =60% =44%, η diff =57% =41%, η diff =53% M 2 =1.8 Beam profile 2 1 D3777, d subs =0µm, no AR-coating Mounting: In-solder on Cu-heatsink R 2 =94,2%, r=-100mm, L~95mm cw Pump@808nm, 300µmx450µm spot Absorbed Pump Power [W]

22 Eigenschaften Lambertian Profile mA 10mA 5mA Pure surface emission because of the buried metal reflector and the thin LED-layer

23 Eigenschaften NOTA ThinGaN

24 Blaue LED mit Leuchtstoff Weißlicht = Gelb + Blau LED-Emission + Anregung Epoxy Gelb emittierender Leuchtstoff Emission des Leuchtstoffes Blau Chip SMT-Topled nm Emissionswellenlänge Weißlichterzeugung mit SMT-Topled (links), Spektrum (rechts) Osram-OS

25 Blaue LED + Leuchtstoff + + Blau-(UV)- Chip Leuchtstoff vorgespritz. LFrame Single Chip Device Blau- LED Weiß Farbdreieck) Color on Demand nm Leuchtstoff UV-LED Leuchtstoff nm nm

26 Lichtquelle mit Intellegenz Spektrum aus 6 LEDs η = 20% 12% 10% 15% 10% 25% Mit 6 herkömmlichen LEDs lässt sich eine exzellente Lichtquelle herstellen mit: Farbwiedergabe R a = 92!! Farbtemperatur 4000K!! mit heute erreichbaren LED-Wirk.gr. 33 lm/ Watt

27 Helligkeit lm/w Eye response curve Luminous Performance [lm/w] best reported white InGaAlP Wavelength [nm] High Pressure Sodium (1kw) Fluorescent (40W) Mercury Vapor (1kW) Halogen (30W) Tungstun (60W) commercial InGaN Red-Filtered Tungsten (60W)

28 Entwicklung der Lichtausbeute 100 InGaAlP InGaN Efficacy [Lumen / Watt] 10 1 Modern Lamp GaP:N InGaAlP GaAlAs GaAlAs GaAsP:N InGaN InGaN InGaN Edison GaAsP SiC 0,

29 Produkte Visible LED s TOPLED Infrared/HPL IR-SMT Lamp Modules Traffic Lights High Flux LED Compact Light Source Intelligent Displays Dual Inline Interrupter High Power Laser Marker Lights Linear / Flex Lights Effect Lights

30 Faszination Licht LED und Laser auf dem Vormarsch Einführung Physikalische Grundlagen und Technologie Bauelemente und deren Eigenschaften Anwendungen - Beleuchtung, Hinterleuchtung, Auto - Visualisierung - Opt. Datenübertragung - Opt. Datenspeicherung und Sensorik Zusammenfassung

31 Großdisplays mit LED Multi TOPLED Radiale LED

32 Beleuchtung mit LED Orientierungslicht Channel Letter Neon-Ersatz Konturlicht LED-Module zeichnen sich aus durch: - kreative Design-Möglichkeiten - extrem flache Bauweise - spezielle Farb- und Lichteffekte

33 Beleuchtung mit IR IR Überw. ohne Head up Display mit RGB LED mit IR Beleuchtung (IRED) und Head up Display

34 Auto (50 Mio p.a.) Im Innenbereich durch neue Anwendungen Spiegel- Blinker Application Klein Mittel Ober Dashboard Switches Radio Climate Control Others Total Optische Datenübertragung Head Up-Display Im Außenbereich durch Substtution in 4-6 Jahren?? Kombin.- Front- Rückleuchtwerfer Schein- (1000 lm Weiß)

35 Optische Abstandsmessung

36 Faszination Licht LED und Laser auf dem Vormarsch Einführung Physikalische Grundlagen und Technologie Bauelemente und deren Eigenschaften Anwendungen - Beleuchtung, Hinterleuchtung, Auto - Visualisierung - Opt. Datenübertragung - Opt. Datenspeicherung und Sensorik Zusammenfassung

37 Visualisierung Displays are the interfaces between human beings and electronics R G B 500 Mio Mobile Phones p.a. with LCD backlighting using LEDs 2001 Full color signs & Graphic displays with high brightness multi color LEDs 2001 RGB LED for mobile communic. systems and head up display 2004 Laser Projection with RGB InGaAlP and λ-converted semic. laser systems 2010

38 Aufnahme von Information Auge >100 Mbit/s Ohr ca 50 kbit/s Tasten < 50 bit/s Leseleistung ca 100 bit/s Riechen? (unterentwickelt) Schmecken? Temperatursinn C (Nicht sehr differenziert ) Quelle: C. Weyrich

39 RGB -Quellen

40 Farbaddition mit RGB -Quellen blau (450nm) grün (520nm) rot (635nm) rot (650nm) rot (665nm) Laser- Display- Technology Intensität (% ) % % 1000% 900% 800% Intensity contribution for mixing of white light Intensitätsanteile für Weiß 1 Wellenlängen (nm) TV In te n s itä t (% ) 700% 600% 500% 400% 300% 200% 100% 0% blau grün rot

41 Kompakte RGB LED Lichtquelle Gespritzte Optik Si Submount Querschnitt Im Vergleich zu herkömmlichen Lichtquellen lässt sich das Licht um den Faktor 2 besser nutzen Die Punktlichtquelle ermöglicht gezielte Abstrahlcharakteristiken

42 RGB Quelle (Laser) R G B

43 RGB Quellen Eigenschaften Entladungslampe LED Laser UV IR 400 nm 700 nm 400 nm 700 nm 400 nm 700 nm + Leistung - Wirkungsgrad - Modulation + Wirkungsgrad + Modulation - Leistung + Wirkungsgrad + Modulation - Kosten (noch)

44 Faszination Licht LED und Laser auf dem Vormarsch Einführung Physikalische Grundlagen und Technologie Bauelemente und deren Eigenschaften Anwendungen - Beleuchtung, Hinterleuchtung, Auto - Visualisierung - Opt. Datenübertragung - Opt. Datenspeicherung und Sensorik Zusammenfassung

45 Optische Datenübertragung in der Antike α β γ δ ε η ζ ι κ λ Fackel µ ν... Zeile Übertragungsgeschwindigkeit: ca 8 Zeichen/min Distanz: ca. 1-2 km (Auflösungsvermögen der Augen: 1 min) Spalte

46 Optische Datenübertragung Entwicklung der Datenrate

47 Datenvolumen Text Music Video 1Gbit 256Mbit Buchseiten im Brockhaus 1 Min. komprimiertes TV... 64Mbit 1 Min. HiFi 16Mbit 4Mbit 250 Buchseiten im Brockhaus 1Mbit 256Kbit 64Kbit 4 Buchseiten

48 Optische Datenübertragung Dämpfungsverlauf einer Übertragungsstrecke Sender Stecker Faser Empfänger Senderleistung P opt Koppelverluste Empfängerempfindlichkeit Länge L System Margin

49 Optische Datenübertragung Dispersion und Dämpfung Fasereingang Faserausgang Photonenpulse

50 Optische Datenübertragung Einkopplung in die Faser Si- Linse Mantel Kern

51 Optische Datenübertragung Senderaufbau Faser Laser auf TO- Bodenplatte mit Si- Mikrolinse, Umlenkprisma, Laser, Si- Submount, Monitordiode Quelle: Siemens HL OIT

52 Optische Datenübertragung Empfängeraufbau Empfänger für Telefonkanäle Si Linse Photodiode Verstärker TO- Bodenplatte Quelle: Siemens HL OIT

53 Optische Datenübertragung Sender Faserverstärker Empfänger Signal n E O O E Faser Stecker Signal n Multiplexer Optische Komp. Splice Demultiplexer Modulator Codierer 980 nm / 1480 nm Pumplaser Demodulator Decodierer

54 Optische Datenübertragung Wellenlängenmultiplexing (Prinzip) λ 1 λ 2 WDM Wavelength Division Multiplexing λ 5 λ 1 +λ λ 5

55 Optische Datenübertragung WDM- Übertragungssystem Sender Empfänger E O O E TDM WDM

56 Faszination Licht LED und Laser auf dem Vormarsch Einführung Physikalische Grundlagen und Technologie Bauelemente und deren Eigenschaften Anwendungen - Beleuchtung, Hinterleuchtung, Auto - Visualisierung - Opt. Datenübertragung - Opt. Datenspeicherung und Sensorik Zusammenfassung

57 Optische Datenspeicherung DVD CD NA NA 0.45 NA GB λ: 650 nm NA 0.85 High Density Recording Near-Field Recording Capacity: 0.7 GB λ: 780nm GB λ: 405 nm Vergangenheit 2000 Zukunft Quelle: Thomson, Multi Media

58 Mikrooptisches System Optische Datenspeicherung Mikrooptisches System Laser Photodioden µ- Optik Laser Photodioden µ- Optik Schreib und Lesekopf für Mini CD- Player ca 5 mm

59 High Resolution Motion Sensor Bewegungssensor Optical Filter Polarization Filter Molded optics with lens and DOE resolution < 5 µm in x/y PCB VCSEL and Si detector

60 Opt. Tracking Sensor µ -Optik Laser 3 Photodioden Umlenkprisma Dimension: 2 mm² Auflösung: 2µ

61 Hygrometer VCSEL 30 cm Laufstrecke Detektor U I I U DAC (12bit) C-Control II ADC (10bit) T Quelle:Amann,TU WSI Garching

62 H 2 O -Messung Transmission W avelength [µm] h2ospek.opj Transmission V C S E L P r o b e 1 G 2, T L D = C, I L D = m A H L = 0. 7 V, L L = V f = H z W a v e le n g t h [ a. u. ] V c s e ls p e k h 2 o _ g _ S t r o m. O P J Quelle:Vertilas

63 Einfluss der H 2 O -Konzentration Detektorstrom (a.u.) ,25 g/m 3 2,5 g/m 3 5,0 g/m 3 10,0 g/m Laserstrom (a.u.) Quelle:Vertilas

64 Zusammenfassung Vorteile der Hl-Lichtquellen Spektrale Bandbreite Effizienz Modulierbarkeit (GHz und darüber) Baugröße Zuverlässigkeit und Lebensdauer Kosten Innovationspotential

65 Modernste Opto- Waferfab der Welt Osram OS in Regensburg

66 Vielen Dank fürs Zuhören