Photodetektoren und Laserdioden für Luft- und Raumfahrt
Photonik in Luftfahrt, Raumfahrt und Verteidigung: Fortschrittliche Photodetektoren und Laserdioden eröffnen neue Möglichkeiten für das Militär
Autor: Arshey Patadia, LASER COMPONENTS Detector Group
Publikation: AIR&COSMOS Magazin 05/2025
Die Photonik ist eine Schlüsseltechnologie für moderne Systeme in Verteidigung, Luft- und Raumfahrt. Technologien zur Erzeugung, Steuerung und Detektion von Photonen leisten einen entscheidenden Beitrag zur Sicherheit der Streitkräfte. Mit einer Photonik-Toolbox aus fortschrittlichen Photodetektoren und Laserdioden unterstützt LASER COMPONENTS Ingenieure bei der Entwicklung sicherheitsrelevanter Lösungen. Viele dieser Systeme arbeiten mit Wellenlängen jenseits des sichtbaren Spektrums und erfordern daher Infrarot-Komponenten.
Avalanche-Photodioden für verbesserte Low-Light-Detektion
In-house entwickelt und hergestellt
Viele Militäreinsätze finden unter suboptimalen Lichtverhältnissen statt. Bei Avalanche Photodioden (APDs) löst die Absorption eines Photons eine Elektronenlawine aus, sodass selbst geringe Lichtmengen zu verstärkten elektrischen Signalen führen. Dieser Effekt macht APDs deutlich empfindlicher als herkömmliche Photodetektoren. So werden Einsätze auch bei schlechten Lichtbedingungen oder über große Entfernungen möglich – etwa bei Nachtsichtsystemen, Laserentfernungsmessung, Fernerkundung oder Freiraumkommunikation. Die wichtigsten Wellenlängen für diese Anwendungen sind 905 nm und 1550 nm.
Im sichtbaren und nahen Infrarotspektrum (400 nm bis 1100 nm) bieten Silizium-APDs wie die SAE Serie von LASER COMPONENTS exzellente Detektionseigenschaften. Sie wandeln einen großen Anteil der eintreffenden Photonen in elektrische Signale um. Diese hohe Quanteneffizienz (QE) und die kurzen Reaktionszeiten sorgen bei Anwendungen wie der Zielerfassung in Echtzeit für deutlich höhere Präzision – selbst unter schwierigen Umweltbedingungen. Solche Si-APDs sind daher ideale Detektoren für lasergelenkte Munition oder die Steuerung von Raketen. Für Unterwasseranwendungen bieten die APDs der SUR Serie ein herausragendes Ansprechverhalten im ultravioletten (UV) Bereich von 200 nm bis 400 nm. Die Si-APDs derein herausragendes Ansprechverhalten im ultravioletten (UV) Bereich von 200 nm bis 400 nm. Die Si-APDs der SAR- und SAP-Serien von LASER COMPONENTS vereinen eine hohe Verstärkungsleistung mit einem ausgezeichneten Signal-Rausch-Verhältnis (SNR).
Silizium bietet zwar eine geringere Rauschverstärkung als Indium-Gallium-Arsenid (InGaAs), dafür sind InGaAs-Detektoren deutlich weniger temperaturempfindlich. In Rangefinding-Anwendungen kommen sie häufig zum Einsatz, da sie bei höheren Wellenlängen (900 nm bis 1700 nm) und über große Distanzen besonders empfindlich reagieren. Bei schwachem Umgebungslicht sorgen die hohe Verstärkungsleistung und das niedrige Hintergrundrauschen der IAG-Serie – insbesondere im nahen Infrarotbereich – für außergewöhnlich hohe Empfindlichkeit. Zudem bieten höhere Wellenlängen eine bessere Augensicherheit und sind weniger anfällig für atmosphärische Streuung. Die IAG Serie eignet sich daher hervorragend für Anwendungen mit hohem Dynamikbereich, wie etwa LiDAR (Light Detection and Ranging) oder 3D-Scanner.
PIN-Photodioden bieten Zuverlässigkeit und Präzision
Anwendungsbeispiel: Laser-Zielsysteme
Wenn der Fokus auf Rauschverhalten, Linearität und Bandbreite liegt, sind PIN-Photodioden PIN-Photodioden die richtige Wahl. Ihre charakteristische p-i-n-Struktur enthält zwischen den p- und n-dotierten Halbleiterschichten eine intrinsische (nicht dotierte) Schicht. Dadurch lässt sich ohne interne Verstärkung eine hohe Linearität erzielen. PIN-Photodioden decken einen breiten Spektralbereich vom UV- bis in den Infrarotbereich (IR) ab. Empfindliche InGaAs-PIN-Dioden von LASER COMPONENTS sind Schlüsselkomponenten für militärische Systeme zur Entfernungsmessung und Funkenerkennung – etwa die Produktreihen IG17X mit einer Cutoff-Wellenlänge von 1,7 µm, IG22X (2,1 µm) und IG26H (2,6 µm).
Laser-Zielsysteme benötigen für präzise Zielerfassung Detektoren mit kurzen Reaktionszeiten und hoher Empfindlichkeit. Auch präzisionsgelenkte Munition (PGM) nutzt reflektierte Lasersignale zur Zielverfolgung. Die dort eingesetzten Komponenten müssen extremen Umweltbedingungen standhalten. PIN-Photodioden ermöglichen eine Highspeed-Näherungserkennung, sodass Verteidigungssysteme in Echtzeit ausgelöst werden können.
Quadranten-Detektoren ermöglichen höchste Präzision bei der Zielerfassung
aktiver Bereich in vier Sektionen unterteilt
Bei Quadranten-Detektoren ist der aktive Bereich in vier Sektionen unterteilt. Durch die Analyse der Differenzsignale aus diesen Segmenten lassen sich auch in dynamischen Umgebungen kleinste Änderungen der Laserposition präzise erkennen.
Zu den wichtigsten Anwendungen von Quadranten-Detektoren zählen laserbasierte Kommunikationssysteme sowie die Laserlenkung von PGM. Diese Munition folgt dem vom Laser markierten Ziel und passt ihre Flugbahn dynamisch an, indem sie den reflektierten Strahl kontinuierlich auswertet. Auf diese Weise lassen sich Kollateralschäden gezielt vermeiden. Grundvoraussetzung für solche Echtzeitanpassungen in komplexen Szenarien sind höchste Präzision, schnelle Reaktionszeiten und eine exzellente räumliche Auflösung.
YAG-Detektoren für optimierte Detektion bei 1064 nm
hohe Quanteneffizienz
Der Hauptvorteil von Silizium-Photodioden der SAT Serie liegt in ihrer hohen Empfindlichkeit bei 1064 nm. Bei dieser Wellenlänge emittieren Nd:YAG-Laser, wie sie in zahlreichen militärischen Anwendungen zum Einsatz kommen. YAG-Detektoren vereinen eine hohe Quanteneffizienz (QE) mit geringem Rauschen. Die daraus resultierende hohe Detektionsempfindlichkeit ermöglicht selbst in schwach beleuchteten Umgebungen eine präzise Entfernungsmessung und Zielmarkierung.
Besonders effektiv ist Wellenlänge von 1064 nm in Umgebungen mit stark reflektierenden Oberflächen – etwa bei dichter Vegetation oder Schnee. Dies verbessert die Zielgenauigkeit in Anwendungen wie Flugzeugsystemen oder tragbaren Geräten. Ihre kompakte und robuste Bauweise macht YAG-Detektoren eine zuverlässige Wahl für Einsätze unter anspruchsvollen Bedingungen.
Impulslaserdioden für höchste Präzision bei kurzen Pulsen
präzise Entfernungsmessung
Impulslaserdioden (PLDs) erzeugen Lichtimpulse mit hoher Intensität und extrem kurzen Pulsdauern. Von dieser zeitlichen Auflösung profitieren insbesondere Anwendungen zur Entfernungsmessung – wie etwa Rangefinding. PLDs sind kompakt, energieeffizient und bieten eine starke Ausgangsleistung. Damit sind sie eine kosteneffiziente Lösung für tragbare und mobile Geräte. Zudem eignen sie sich hervorragend als Lichtquelle für die Zielbeleuchtung und ermöglichen besonders sichere und stabile optische Datenverbindungen. Ihre leistungsstarken Lichtimpulse erfassen selbst kleine oder sich schnell bewegende Objekte mit hoher Präzision.
In Verteidigungsanwendungen werden bevorzugt PLDs mit den Wellenlängen 905 nm und 1550 nm eingesetzt. Vor allem in der Großserienproduktion für LiDAR-Systeme mit kurzer Reichweite bieten Hochleistungs-PLDs mit 905 nm ein ideales Verhältnis von Leistung und Wirtschaftlichkeit. Eine gute Wahl ist zum Beispiel die 905Dxx-Serie von LASER COMPONENTS. In Kombination mit SAE-, SAHA-, Si-APDs und SIN-PIN-Photodioden liefert sie besonders zuverlässige Ergebnisse.
Die High-Intensity-PLDs der HI-FAC-Serie arbeiten bei 1550 nm und sind mit integrierten FAC-Linsen (Fast Axis Collimators) ausgestattet. In Verbindung mit IAG-InGaAs-APDs ermöglichen sie augensicheres Rangefinding über Distanzen von mehr als 25 km.
Kundenspezifische Optiken und optische Filter
Optiken - auf Ihre Bedürfnisse zugeschnitten
Kundenspezifische Optiken ermöglichen eine gezielte Lichttransmission, während optische Filter sicherstellen, dass ausschließlich die gewünschte Wellenlänge den Detektor erreicht. In militärischen Anwendungen lassen sich so Störsignale unterdrücken, die sonst die Signalqualität beeinträchtigen würden. Gleichzeitig verbessern sich zentrale Leistungsparameter wie Empfindlichkeit, räumliche Auflösung und Gesamtleistung des Detektors – und damit auch die Zielgenauigkeit.
Anforderungen und Komponentendesign
strenge Vorgaben hinsichtlich Größe, Gewicht, Leistung und Kosten
Wie in vielen Hightech-Bereichen gelten auch in Verteidigung, Luft- und Raumfahrt strenge Anforderungen an Größe, Gewicht, Leistung und Kosten. Zahlreiche militärische Systeme profitieren von kosteneffizienten photonischen Komponenten, wie etwa den 905-nm- und 1550-nm-PLDs der UA-Serie oder den APDs der IAL-Serie. Diese kompakten, leichten und energieeffizienten Bauteile eignen sich für verschiedenste Plattformen – von Handheld-Geräten über Drohnen bis hin zu Flugzeugsystemen.
Mit integrierten photonischen Schaltkreisen, fortschrittlichen Packaging-Methoden und effizienten Wärmemanagementlösungen sorgt LASER COMPONENTS dafür, dass auch bei Komponenten für mobile und taktische Einsätze alle Branchenvorgaben erfüllt werden. Diese technologischen Fortschritte erhöhen die operative Effizienz, ohne dabei Kompromisse bei der Systemzuverlässigkeit einzugehen. So hält moderne Photonik Einzug in immer mehr Bereiche der Militärtechnik.
Innovationen und Zukunftsperspektiven
Beyond Borders
Mit Fortschritten bei der Empfindlichkeit von Photodetektoren und Laserdioden mit Spitzenwerten jenseits bisheriger Leistungsgrenzen werden die Grenzen des technisch Machbaren ständig neu definiert. Verbesserte APDs mit ultraniedrigem Rauschen und hoher Verstärkungsstabilität, integrierte Elektronik in PIN-Photodioden, Einzelphotonendetektoren, Focal-Plane-Arrays sowie energieeffiziente 1550-nm-PLDs sind nur einige Beispiele für aktuelle Entwicklungen. Mit leistungsfähigeren, zuverlässigeren und intelligenteren Systemen prägen diese kontinuierlichen Innovationen in der Photonik die Zukunft von Verteidigungstechnik, Luft- und Raumfahrt.
Produktübersicht
bei den meisten Produkten sind Anpassungen möglich
1100 - 1700 nm
Höchste Effizienz dank exzellentem Signal-/Rausch-Verhältnis.
Avalanche Diode mit integriertem Verstärker in einem kompakten, hermetisch abgeschlossenem Gehäuse.
Lichtdetektion schnell und zuverlässig. Bei APD-Modulen ist die Ansteuerung der Avalanche Dioden bereits integriert.
Gesamtphasenverschiebung über einen großen Wellenlängenbereich bleibt annähernd konstant.
Asphärische Linsen korrigieren Abbildungsfehler – Bei monochromatischem Licht sind dies Bildschärfefehler und Verzeichnung.
Auskoppelspiegel mit High-Power Coatings und cw-/fs-Beschichtung. Beliebige Einfallswinkel realisierbar.
Nd:YAG-verstärkte APDs
Brewster-Platten werden verwendet, um s- und p-polarisiertes Licht zu trennen.
Dichroitische Spiegel zur Kombination oder Separation von zwei oder mehr Strahlen unterschiedlicher Wellenlänge.
Korrekturen von Abbildungsfehlern mit einem einzelnen Element.
Zur Strahlprofil-Änderung werden diffraktive optische Elemente wie Strahlformer, Diffusor, Homogenisierer oder Vortex-Linsen verwendet.
Sollen mit einem Element mehrere Strahlen erzeugt werden, so ist der Einsatz von DOEs ideal.
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