Оптоэлектроника — одно из популярных направлений современной функциональной электроники, получившее широкое развитие в последние годы.
Важнейшими из них стали полупроводниковые излучатели и фотоприемники, светодиодные индикаторы визуального представления информации, дисплеи, оптопары, оптически и конструктивно связывающие излучатель и фотоприемник, оптоэлектронные микросхемы и специальные модули для создания оптоэлектронных устройств специального функционального назначения.
Широта функциональных возможностей применения приборов оптоэлектроники обусловлена тем, что с одной стороны, они являются аналогами элементов и устройств традиционной электроники (усилителей, генераторов, схем импульсной техники, переключателей, коммутаторов и др.), с другой стороны — аналогами электрорадиокомпонентов и устройств — трансформаторов, реле, разъемов, кабелей, сопротивлений и конденсаторов, источников питания, элементов и узлов отображения визуальной информации.
Оптоэлектроника — направление функциональной электроники
Электроника — наука о взаимодействии электронов с электромагнитными полями и о методах создания электронных приборов и устройств, в которых это взаимодействие используется для преобразования электромагнитной энергии в основном для передачи, обработки и хранения информации.
Если исключить из рассмотрения электронные устройства, предназначенные для энергетических целей, то функции электроники сводятся к созданию новых электронных приборов и устройств, необходимых для радиоэлектронных систем сбора, обработки, передачи, хранения и представления информации. Сюда входят системы автоматики, телемеханики, управления, связи, телевидения, локации, измерительной техники, приборостроения и многие другие.
Практически нет таких функциональных задач, которые не могли бы быть решены с помощью электроники.
На службу человеку пришли микропроцессоры и микроконтроллеры, которые как по сложности функционирования, так и по количеству применяемых в них электронных приборов являются в настоящее время венцом развития электронных устройств.
Электроника уже много десятилетий является катализатором научно-технического прогресса. В свою очередь, технический прогресс требует от электроники на каждом этапе развития непрерывного совершенствования ее методов и средств.
Вехами крупных этапов развития электроники явились электровакуумная электроника, транзисторная электроника и микроэлектроника.
Возникновение каждого этапа стимулировалось кризисной ситуацией в электронике, когда ее методы и средства оказывались уже непригодными для решения практических задач при построении радиоэлектронных систем.
Начало нового этапа — это крупный успех фундаментальных исследований, на основе которых новое техническое направление получает возможность начать развитие.
Возникшая в шестидесятых годах кризисная ситуация, связанная с низкой надежностью сложных электронных систем, их большими габаритами и высокой потребляемой мощностью, была преодолена с помощью революционной идеи полупроводниковой электроники, научным фундаментом которой служит физика полупроводников.
Изначально понятие оптоэлектроники было связано с электронными схемами, включающими оптическую связь. Однако с появлением лазера в 1960 году и возможностью использования когерентного излучения, исследования оптических эффектов активизировались, что привело к значительному росту предложений по интеграции оптики в электронику. Развитие голографии ознаменовало начало эры тесного сотрудничества оптики и электроники.
В настоящее время «традиционная» электроника на базе полупроводниковых приборов и интегральных микросхем уже не может решить задач увеличения пропускной способности, информационной емкости, избыточности, помехоустойчивости и других характеристик радиоэлектронных систем.
При переходе к созданию интегральных микросхем с высокой и сверхвысокой плотностью размещения элементов в кристалле (от нескольких тысяч до 1 млн) при развитии таких направлений функциональной электроники, как оптоэлектроника, магнитоэлектроника, акустоэлектроника, в корне изменяется подход к созданию радиоэлектронных систем и ее отдельных элементов и обеспечивается качественный скачок их совокупных характеристик.
Оптоэлектронику, по аналогии с электроникой, можно определить как раздел науки и техники, посвященный вопросам генерации, преобразования, хранения, передачи и отображения информации на основе использования двойных — электрических и оптических — методов и средств.
Световой луч как носитель информации в оптоэлектронных приборах и системах характеризуется высокой помехоустойчивостью, процессы генерации и поглощения излучения отвечают в принципе высокодобротным процессам, соответствующим низким порогам чувствительности.
По энергетической эффективности (по фактору качества) оптоэлектронные приборы и устройства занимают промежуточное положение между устройствами на основе эффекта Джозефсона — наиболее яркими представителями приборов квантовой микроэлектроники с возможностью создания сверхбыстродействующих систем обработки информации и приборами полупроводниковой микроэлектроники. Они охватывают диапазон мощностей от 10-3 до 10-6 Вт при быстродействии 10-11 - 10-9 с, что пока недостижимо в микроэлектронике.
Таким образом, существенный прогресс как в технике управляющих сигналов, так и в системах обработки и передачи больших массивов информации с наибольшей эффективностью может быть достигнут с помощью оптоэлектронных приборов и устройств.
Носители сигналов в оптоэлектронике
Материальными носителями информационных сигналов в оптоэлектронике являются фотоны и электроны, которые обмениваются энергией и импульсом как между собой, так и со средой, в которой они распространяются.
В одних физических процессах проявляются волновые свойства электронов и фотонов, в других — корпускулярные.
Квантовая теория основывается на допущении прерывистого характера испускания и поглощения света веществом. Направление импульса совпадает с направлением распространения волны света и определяется волновым вектором.
Скорость и направление движения электронов определяются векторами напряженности электрического и магнитного полей.
Фотон не обладает электрическим зарядом и после испускания движется в однородной среде прямолинейно с постоянной скоростью независимо от электромагнитных полей (имеются в виду поля с частотами радиотехнического диапазона сигнала).
После столкновения с микрочастицей фотон полностью передаёт ей свою энергию и перестает существовать. Состояние, аналогичное связанному состоянию электронов, у фотонов не проявляется ни в каких физических явлениях.
Электрический сигнал, образовавшийся в результате фотон-электронного преобразования, характеризуется амплитудой, полосой частот и длительностью, т. е. объемом.
Оптоэлектронное преобразование происходит без потерь информации, если в результате всех физических процессов испускания фотонов и генерации электронно-дырочных пар объем сигнала не изменяется или возрастает. Этот принцип вытекает из закона сохранения количества информации, в соответствии с которым количество информации в результате преобразования не может возрасти.
На практике это соотношение позволяет «накапливать» сигналы в течение определенного промежутка времени и снижать мощность сигнала, необходимую для обработки информации.
При равных объемах сигналов информативность полученного в результате оптоэлектронного преобразования ансамбля фотонов больше информативности ансамбля электронов.
В фотонах электрический заряд отсутствует, что позволяет рассматривать их как невзаимодействующие частицы в каналах передачи оптических сигналов.
Это дает возможность двойной (временной и пространственной) модуляции светового луча при параллельной обработке информации — непременном условии создания высокопроизводительных вычислительных систем.
Достоинства оптоэлектронных приборов
Принципиальные достоинства оптоэлектронных приборов кроме указанных выше высокой информативной емкости оптического канала (в 103 - 105 раз выше, чем в освоенном радиотехническом диапазоне), связанной с этим плотности записи информации в оптических запоминающих устройствах, возможности параллельной обработки информации, определяются еще следующими основными моментами:
- острая направленность излучения, обусловленная тем, что. угловая расходимость луча пропорциональна % и может быть менее 1 угл. мин. Поэтому в малогабаритных приборах луч может направляться на фоточувствительные площадки микронных размеров. Минимальная элементарная площадка в плоскости, перпендикулярной направлению распространения излучения, которая может быть выделена для независимой модуляции луча, близка к 10-8 см2;
- невосприимчивость оптического канала к воздействию электромагнитных полей, исключение взаимных наводок между каналами, высокая нагрузочная способность оптических выходов, что позволяет построить многоканальные разветвленные системы. Использование структурной и функциональной избыточности в сложной аппаратуре делает ее весьма надежной и приближает, по принципам построения, к биологическим системам обработки информации;
- бесконтактность (механическая и электрическая) связи, обусловленная использованием нейтральных фотонов: идеальная гальваническая развязка входа и выхода, однонаправленность потока информации и отсутствие реакции приемника на генератор сигналов обеспечивают практически идеальные изоляции между подсистемами радиоэлектронных комплексов и .их помехозащищенность к высокочастотным шумам;
- возможность непосредственного оперирования со зрительно воспринимаемыми образами: фотосчитывающие устройства вооружают вход радиоэлектронной системы «оптоэлектронным глазом», а индикаторы визуального представления информации в центральном устройстве обработки, управления, хранения и отображения информации делают информацию максимально удобной для визуализации;
- возможность использования фотон-электронного преобразования для межблочных связей радиоэлектронных комплексов при замене проводных линий с трансформаторными формирователями на волоконно-оптические.
Указанные преимущества позволяют широко использовать приборы некогерентной оптоэлектроники в наиболее ответственных узлах современных радиоэлектронных комплексов. При этом увеличиваются пропускная способность систем, их информационная емкость, избыточность, помехоустойчивость, надежность и другие характеристики, а также решается проблема дальнейшей микроминиатюризации аппаратуры.
Микроминиатюризация электронных устройств, обслуживающих исполнительные органы, предопределяет разработку оптоэлектронных интегральных микросхем, например аналогов электромеханических реле, коммутаторов аналогового сигнала.
Микроминиатюризация датчиковой аппаратуры стимулирует развитие функциональной электроники, базирующейся на использовании различных физических явлений для пряема, передачи, обработки и хранения информации: преобразователи свет — сигнал, звук — сигнал тензодатчики, датчики напряженности магнитного поля и др.
Важное требование, предъявляемое к датчикам,— совместимость с полупроводниковыми интегральными микросхемами по конструкции и уровням сигналов.
Оптоэлектронные устройства
В настоящее время оптоэлектропика четко выделилась в самостоятельное направление. В последние годы появилось множество работ, в которых рассматриваются перспективы ее развития, формулируются теоретические положения и принципы конструирования оптоэлектронных устройств. В промышленности осуществляется серийный выпуск большого числа оптоэлектронных устройств.
Вместе с тем в литературе сейчас наблюдается большой произвол в терминологии и самый различный подход к классификации приборов некогерентной оптоэлектроники. Это вполне понятно, так как оптоэлектроника как самостоятельное направление еще только «устанавливается».
Ее элементная база, области использования разнообразны и среди многих общих свойств электронных и оптоэлектронных элементов и устройств иногда трудно выделить специфику параметров и их функциональную нагрузку.
Все оптоэлектронные устройства могут быть разделены на излучатели и приемники света, а также отдельно выделяют оптоэлектронные микросхемы и модули для создания оптоэлектронных устройств специального функционального назначения.
Часть изделий оптоэлектроники — излучатели, приборы визуального представления информации, фотоэлементы, фотоприемники и оптопары — относятся к классу полупроводниковых приборов, оптоэлектронные микросхемы и комплексирующие модули для создания специальных устройств на их базе — к классу микросхем.
Излучатели света - это устройства, которые преобразуют электрический сигнал в световой. Они могут генерировать свет различных цветов, интенсивности и поляризации. К излучателям света относятся:
- Светодиоды (LED) - это полупроводниковые диоды, которые излучают свет при пропускании через них электрического тока. Светодиоды имеют малый размер, низкое энергопотребление, долгий срок службы и высокую эффективность. Светодиоды используются в качестве индикаторов, осветительных приборов, дисплеев и других устройств.
- Лазеры (LASER) - это устройства, которые генерируют когерентный и направленный поток света одной длины волны. Лазеры основаны на принципе вынужденного излучения атомов или молекул в возбужденном состоянии. Лазеры имеют высокую мощность, точность и скорость передачи информации. Лазеры используются в качестве источников света, измерительных приборов, лазерной резки, лазерной хирургии и других устройств.
- Дисплеи - это устройства, которые отображают информацию в виде изображения на поверхности. Дисплеи могут быть основаны на различных принципах работы, таких как жидкокристаллический (LCD), светодиодный (LED), органический светодиодный (OLED), плазменный (PDP) и другие. Дисплеи используются в качестве экранов для компьютеров, телевизоров, смартфонов и других устройств.
Приемники света - это устройства, которые преобразуют световой сигнал в электрический. Они могут регистрировать свет различных длин волн, интенсивности и поляризации. К приемникам света относятся:
- Фоторезисторы - это резисторы, сопротивление которых зависит от интенсивности падающего на них света. Фоторезисторы имеют большой динамический диапазон, но медленную скорость реакции. Фоторезисторы используются в качестве датчиков освещенности, фотоэлементов и других устройств.
- Фотодиоды - это полупроводниковые диоды, которые генерируют электрический ток при падении на них света. Фотодиоды имеют малый размер, высокую скорость реакции, но низкую чувствительность. Фотодиоды используются в качестве детекторов света, приемников оптической связи, солнечных батарей и других устройств.
- Фототранзисторы - это транзисторы, ток которых зависит от интенсивности падающего на них света. Фототранзисторы имеют высокую чувствительность, но низкую скорость реакции и большое сопротивление. Фототранзисторы используются в качестве усилителей световых сигналов, датчиков движения, оптопар и других устройств.
- Фотоэлементы - это устройства, которые преобразуют световую энергию в электрическую. Фотоэлементы могут быть основаны на различных эффектах, таких как фотоэлектрический, фотовольтаический и другие. Фотоэлементы используются в качестве источников питания, измерителей интенсивности света, спектрометров и других устройств.
- Оптопары (оптроны) - это устройства, которые используют световой сигнал для передачи информации между двумя электрическими цепями, изолированными друг от друга. Оптопары состоят из источника света (обычно светодиода) и фотоприемника (фоторезистора, фотодиода или фототранзистора), размещенных в одном корпусе.
Оптоэлектронные микросхемы - это микросхемы, которые используют световые сигналы для передачи, обработки или хранения информации. Они имеют ряд преимуществ перед традиционными электронными микросхемами, таких как высокая скорость, низкое энергопотребление, меньшее воздействие на окружающую среду и возможность интеграции с оптическими волокнами и лазерами.
Совместимость оптоэлектронных микросхем с другими стандартными изделиями микроэлектроники по уровням входных и выходных сигналов существенно упрощает их применение.
Оптоэлектронные устройства - это важная часть современной науки и техники, которая позволяет преобразовывать и передавать информацию с помощью света. Они имеют широкий спектр применения в различных областях, таких как коммуникации, медицина, энергетика, безопасность и другие.
Андрей Повный