Optoelektronika – podstawowe informacje i przykładowe zastosowania

Optoelektronika jest dynamicznie rozwijającą się dziedziną łączącą w sobie elektronikę i optykę w celu wykorzystania światła do przetwarzania informacji.

Bazuje ona na zjawiskach oddziaływania światła i innych form promieniowania elektromagnetycznego z materiałami półprzewodnikowymi. Dzięki temu możliwa jest konwersja sygnałów elektrycznych na optyczne i odwrotnie. Urządzenia optoelektroniczne wykorzystują efekty takie jak fotoelektryczność, fotowoltaika, fotoemisyjność czy elektroluminescencja w celu detekcji, emisji oraz modulacji światła.

Optoelektronika łączy w sobie osiągnięcia chemii, fizyki ciała stałego oraz elektroniki, tworząc interdyscyplinarną dziedzinę o szerokim spektrum zastosowań. Obejmuje ona technologie pozyskiwania, przesyłania, przetwarzania i prezentacji informacji za pomocą światła. Umożliwia konstrukcję szybkich i wydajnych urządzeń, takich jak lasery, detektory promieniowania, modulatory optyczne czy wyświetlacze.

Optoelektronika odgrywa kluczową rolę we współczesnych systemach telekomunikacyjnych i informatycznych. Pozwala na ultraszybkie przesyłanie ogromnych ilości danych przy pomocy światłowodów. Znajduje też zastosowanie w medycynie, przemyśle, transporcie i wielu innych dziedzinach. Jej znaczenie będzie rosło wraz z postępującą cyfryzacją świata i zapotrzebowaniem na coraz szybsze systemy przetwarzania informacji. Można powiedzieć, że optoelektronika napędza rewolucję cyfrową i jest kluczową technologią przyszłości.

1. Ogniwa słoneczne wykorzystują optoelektronikę do zamiany światła na energię
   Wytwarzanie energii elektrycznej w ogniwach słonecznych pochłaniających światło ze Słońca to powszechne zastosowanie wykorzystujące te efekty. Wytworzony w ten sposób prąd elektryczny może być użyty bezpośrednio lub zmagazynowany w akumulatorach do późniejszego wykorzystania. Praktyczne zastosowania ogniw słonecznych obejmują wytwarzanie energii zarówno na Ziemi, np. w domach poza siecią elektryczną na odludziu, jak i w przestrzeni kosmicznej, np. w satelitach.
2. Urządzenia optoelektroniczne odgrywają kluczową rolę w zastosowaniach i produktach – od komputerów po łączność
   Elektroluminescencja to kolejne ważne zjawisko wykorzystywane w optoelektronice. Gdy prąd elektryczny przepływa przez niektóre materiały, powoduje to, że elektrony na wysokoenergetycznych poziomach łączą się z dziurami elektronowymi i przechodzą na bardziej stabilne poziomy o niższej energii, uwalniając energię w postaci światła. Diody elektroluminescencyjne LED są powszechnym przykładem wykorzystania elektroluminescencji. LEDy w różnych kolorach są stosowane jako wskaźniki zasilania, w wyświetlaczach cyfrowych np. w kalkulatorach i sprzęcie AGD, do podświetlania znaków i świateł ulicznych, jako reflektory i światła samochodowe, i wiele innych. Deski rozdzielcze w pojazdach również często wykorzystują elektroluminescencję do podświetlania.
3. Zastosowanie optoelektroniki umożliwiło skonstruowanie kserokopiarek
   Fotoprzewodnictwo, to zjawisko zwiększonej przewodności materiału pod wpływem oświetlenia. Efekt ten zależy od większego natężenia światła generującego więcej elektronów i dziur elektronowych w niektórych materiałach, co zwiększa ich przewodność elektryczną. To konkretne zjawisko optoelektroniki umożliwiło skonstruowanie kserokopiarek. Gdy fotoprzewodząca powierzchnia w kserokopiarce jest naświetlana obrazem, powstaje różnica przewodności pomiędzy oświetlonymi obszarami nie zawierającymi obrazu a nieoświetlonymi obszarami go zawierającymi. W rezultacie, proszek w maszynie rozprowadzany jest w formie obrazu, po czym utrwalany jest na kartce, kończąc proces kopiowania.
4. Optoelektronika może być wykorzystywana do automatyzacji prac administracyjnych na wiele sposobów
   Te i inne efekty optoelektroniczne są integrowane w ogromnej liczbie urządzeń i zastosowań w licznych kombinacjach, a jeszcze więcej jest w trakcie opracowywania. Wiele branż zostało zrewolucjonizowanych dzięki zastosowaniu optoelektroniki. Urządzenia optoelektroniczne odgrywają kluczową rolę w zastosowaniach i produktach – od komputerów po łączność, technologii medycznych po sprzęt wojskowy, fotografii i innych technikach obrazowania, i nie tylko.

Istnieje wiele różnych elementów optoelektronicznych, które konwertują sygnały świetlne na elektryczne i odwrotnie. Najważniejsze z nich to:

• Fotodiody – półprzewodnikowe czujniki światła zbudowane z aktywnego złącza P-N, które generują prąd lub napięcie, gdy na złącze pada światło. Mają różne tryby pracy i są stosowane m.in. w sprzęcie medycznym i przemysłowym.
• Ogniwa fotowoltaiczne – przetwarzają energię słoneczną bezpośrednio na energię elektryczną. Szeroko stosowane w systemach telekomunikacyjnych, nawigacji morskiej czy elektryfikacji terenów wiejskich. 
• Fotorezystory – rezystory sterowane światłem, których rezystancja maleje przy oświetleniu. Wykorzystywane w czujnikach światła i przełącznikach.
• Diody LED – półprzewodnikowe diody emitujące światło w procesie elektroluminescencji. Mają szerokie zastosowanie jako wskaźniki i źródła światła w elektronice.
• Układy scalone czujników enkoderów – przetwarzają ruch obrotowy lub liniowy na sygnały elektryczne w systemach kontroli ruchu. 
• Diody laserowe – diody półprzewodnikowe zamieniające energię elektryczną na światło laserowe. Stosowane m.in. w odtwarzaczach CD, urządzeniach medycznych i telekomunikacji.
• Światłowody – przesyłają informacje w postaci zmodulowanego światła. Używane w telekomunikacji, czujnikach i las