Материал: 2.1 Физические явления оптоэлектроники. Достоинства и недостатки оптоэлектронных устройств

Тема 2.2 Оптоэлектроника Оптоэлектроника и ее основные эффекты.

                Оптоэлектроника - это научно-техническое направление, связанное с изучением и применением эффектов взаимодействия оптического излучения (света) с веществом (обычно с твердым телом).

Её преимущества заключаются в огромной информационной ёмкости оптических каналов связи, связанной с высокой частотой электромагнитных колебаний (~10¹⁵ Гц) света; другим превосходством служит высокая энергетическая плотность оптического излучения внутри световода, что позволяет минимизировать поперечные размеры оптического волокна.

                Оптоэлектронный прибор - это элемент или узел, применяемый в оптоэлектронике для преобразования оптического излучения в электрические сигналы и наоборот.

Оптоэлектронные приборы делятся на источники оптического излучения и приемники оптического излучения (фотоприемники). Кроме них к оптоэлектронным приборам относят оптические волноводы, оптическую память, функциональные приборы (преобразователи некогерентного излучения в когерентное, оптроны, оптические вентили и др.), оптические и оптоэлектронные интегральные схемы, модуляторы света и отклоняющие системы, а также разного рода дисплеи.

  Основные эффекты оптоэлектроники:

- фотопроводимость или внутренний фотоэффект - это увеличение электропроводности полупроводника или изолятора под действием света. Основной прибор, работающий на изменении фотопроводимости - фоторезистор, быстродействие которого ниже, чем у других оптоэлектронных приборов и зависит от области спектра;

-фотогальванический эффект - если светом облучать электрод вакуумной лампы, то возникнет эмиссия электронов. Это явление называется фотоэффектом. Если же осветить поверхность перехода в полупроводнике, то появится ЭДС. Это явление   называется фотогальваническим эффектом и связано с тем, что в полупроводнике при поглощении фотонов образуются пары электрон-дырка, которые преодолевают потенциальный барьер в месте перехода. В результате возникает ЭДС.;

-нелинейные оптические эффекты - это нелинейные отклики на мощное оптическое излучение. К ним относятся эффект Рамана и эффект Бриллюэна.

Эффектом Рамана называют рассеяние монохроматического излучения (излучения одной длины волны) в веществе, при котором в спектре рассеянного света появляются новые, характерные для данного вещества линии, отличающиеся от спектральной линии источника.

Эффект Бриллюэна - это рассеяние, возникающее в результате взаимодействия акустического фонона с оптическим излучением со смещением линий на частоту фонона. Вынужденный эффект Бриллюэна возникает под действием сильно интенсивных световых пучков возбуждающего света.

-магнитооптический эффект - это изменение оптических свойств (отражение, пропускание, поляризация и др.) вещества в зависимости от его намагниченности или от приложенного к нему магнитного поля. Наиболее известные из магнитооптических эффектов - эффект Фарадея (вращение плоскости поляризации света в среде, которая находится в магнитном поле) ;

 -электрооптический эффект - эффект Поккельса (изменение коэффициента преломления пропорционально приложенному электрическому полю - нелинейное явление второго порядка) и эффект Керра (изменение коэффициента преломления, пропорциональное квадрату приложенного электрического поля – нелинейное явление третьего порядка);

-акустооптический эффект - это явления преломления, дифракции, отражения или рассеяния света на периодических неоднородностях среды, вызванных упругими деформациями при прохождении ультразвука. Акустооптические эффекты бывают двух видов: при низкой частоте ультразвука и малой ширине фронта ультразвуковой волны возникает дифракция Рамана - Ната. А если частота ультразвука высокая и ширина фронта велика, возникает дифракция Брэгга;

-вынужденное излучение света - излучение света может происходить двумя способами.

При первом способе электроны в атоме, находящиеся на энергетическом уровне Е2, без постороннего вмешательства переходят на более низкий энергетический уровень Е1, испустив при этом квант света (так называемое споонтанное излучение).

При втором способе электроны, находящиеся на уровне Е2 подвергаются воздействию света с определенной длиной волны, при этом атом испускает свет, по длине волны и фазе полностью соответствующий воздействию. Это и есть вынужденное или индуцированное излучение;

-люминесценция - это явление, при котором вещество, поглощая энергию света или какого-либо другого излучения (либо под воздействием различных химических реакций) переходит в возбужденное состояние, а затем, возвращаясь в исходное состояние, излучает полученную энергию в виде света.

Кратковременное люминесцентное излучение, прекращающееся почти сразу с окончанием возбуждения, называется флюорисценцией, а длительное, продолжающееся и после окончания возбуждения, - фосфоресценция. В зависимости от способа возбуждения люминесценция делится на несколько видов:

1. фотолюминесценция - свечение вещества при облучении светом; 2. катодная люминесценция - свечение вещества при облучении пучком электронов;

3. электролюминесценция - свечение вещества под действием электрического поля;

4. хемолюминесценция - свечение, вызванное химическим реакциями, проходящими в веществах;

5. антистоксовая люминесценция - свечение, энергия (частота) которого выше энергии (частоты) возбуждающего излучения, и стоксовая люминесценция - при которой энергия свечения ниже частоты возбуждающего излучения.

Оптоэлектронные приборы

Оптоэлектроникой называют научно-техническое направление, в котором для передачи, обработки и хранения информации используются электрические и оптические средства и методы. В оптоэлектронике световой луч выполняет те же функции управления, преобразования и связи, что и электрический сигнал в электрических цепях.

Устройства оптоэлектроники обладают некоторыми существенными преимуществами по сравнению с чисто электронными устройствами.

• высокая информационная емкость оптических каналов передачи информации, что является следствием больших значений используемых частот;

• полная гальваническая развязка источников и приемников излучения;

Г альвани́ческая развя́зка — передача энергии или информационного сигнала между электрическими цепями, не имеющими непосредственного электрического контакта между ними.

• отсутствие влияния приемника излучения на источник (однонаправленность потока информации); Облегчается согласование между собой электрических цепей с разными входными и выходными сопротивлениями.

• невосприимчивость оптических каналов к электромагнитным полям (высокая помехозащищенность).

К недостаткам оптоэлектронных компонентов относятся:

• низкая температурная и временная стабильность характеристик;

• сравнительно большая потребляемая мощность;

• сложность изготовления универсальных устройств для обработки информации;

• меньшие функциональные возможности по сравнению с ИМС,

• необходимость жестких требований к технологии изготовления.

Оптоэлектронные приборы излучают и преобразуют излучение в инфракрасной, видимой или ультрафиолетовой областях спектра.

О сновным компонентом оптоэлектроники является пара с фотонной связью, называемая оптроном. Простейший оптрон можно представить четырехполюсником, состоящим из трех элементов: источник света - 1, световод - 2 и приемник света - 3 (рис.3.1).

Принцип работы

Принцип действия оптронов любого вида основан на следующем. В излучателе энергия электрического сигнала преобразуется в световую, а в фотоприемнике, наоборот, световой сигнал вызывает электрический отклик (сигнал). Практически распространение получили лишь оптроны, у которых имеется прямая оптическая связь от излучателя к фотоприемнику и, как правило, исключены все виды электрической связи между этими элементами.Наличие оптической связи обеспечивает электрическую изоляцию между входом (излучателем) и выходом (фотоприемником).

В оптронных устройствах в качестве источников и приемников света как правило применяются:

Условные обозначения некоторых типов оптронов показаны на рис.3.2 ( а) - диодный, б) - резисторный, в) - динисторный).

Таким образом, в электронной цепи такой прибор выполняет функцию элемента связи, в котором в то же время осуществлена электрическая (гальваническая) развязка входа и выхода.

Классификация оптоэлектронных приборов

По типу используемого излучателя оптроны подразделяются на:

• с излучателем на миниатюрных лампочках накаливания. Оптроны на таких излучателях инерционны, и в настоящее время практически не используются, хотя находят применение в резисторных оптронах

• с излучателем на неоновых лампочках, в которых используется свечение электрического разряда газовой смеси неон-аргон. Этим видам излучателей свойственны невысокая светоотдача, низкая устойчивость к механическим воздействиям, ограниченная долговечность, большие габариты, полная несовместимость с интегральной технологией. Тем не менее, в отдельных видах оптронов они могут находить применение.

• с излучателем на электролюминесцентных ячейках.Электролюминесцентные ячейки имеют невысокую эффективность преобразования электрической энергии в световую, низкую долговечность (особенно - тонкопленочные), сложны в управлении (например, оптимальный режим для порошковых люминофоров ~220 В при f =400 ... 800Гц). Основное достоинство этих излучателей - конструктивно-технологическая совместимость с фоторезисторами, возможность создания на этой основе многофункциональных, многоэлементных оптронных структур. В настоящее время находят ограниченное применение.

• с излучателем на светодиодах и лазерных диодах. Основным наиболее универсальным видом излучателя, используемым в оптронах, является полупроводниковый инжекционный светоизлучающий диод - светодиод. Это обусловлено следующими его достоинствами: высокое значение КПД преобразования электрической энергии в оптическую; узкий спектр излучения (квазимонохроматичность); широта спектрального диапазона, перекрываемого различными светодиодами; направленность излучения; высокое быстродействие; малые значения питающих напряжений и токов; совместимость с транзисторами и интегральными схемами; простота модуляции мощности излучения путем изменения прямого тока; возможность работы, как в импульсном, так и в непрерывном режиме; линейность ватт-амперной характеристики в более или менее широком диапазоне входных токов; высокая надежность и долговечность; малые габариты; технологическая совместимость с изделиями микроэлектроники.

По типу используемого фотоприемника оптроны подразделяются на:

• Оптроны на основе фоторезисторов, свойства которых при освещении меняются по заданному сложному закону, что позволяет моделировать математические функции, и является шагом на пути создания функциональной оптоэлектроники. Однако, фоторезисторные оптроны инерционны.

• Оптроны на основе фотодиодов;

• Оптроны на основе фототранзисторов;

• Оптроны на основе фототиристоров.

 Последние три являются наиболее универсальными фотоприемниками, работающими с открытым р - n-переходом. В подавляющем большинстве случаев они изготовляются на основе кремния, и область их максимальной спектральной чувствительности находится вблизи λ=0,7...0,9 мкм.

По типу используемого оптического канала оптроны подразделяются на:

• Оптроны с открытым оптическим каналом. В таких оптронах излучатель и фотоприемник разделены воздушным зазором. Они широко применяются для определения числа оборотов крутящихся валов, синхронизации передвижения механических систем, как датчики положения и т.п. Оптроны с открытым каналом в свою очередь подразделяются на оптроны, работающие на отражение и пропускание.

• Оптроны с закрытым оптическим каналом. В них оптический канал защищен от любых внешних воздействий. Такие оптроны применяются для гальванической развязки входных и выходных электрических цепей. Если в качестве выходной цепи используются мощные силовые приборы (тиристоры, симисторы, полевые MOSFET-транзисторы), то такие оптроны называют твердотельными реле. Такие реле в настоящее время являются альтернативой электромагнитных реле и их технология непрерывно совершенствуется.

• Оптроны с “удлиненным” оптическим каналом. В таких оптронах излучатель и фотоприемник могут находиться на значительном расстоянии. В них оптический канал, связывающий излучатель и фотоприемник могут представляет собой волоконный световод. Такие оптоэлектронные приборы широко применяются для передачи информации в локальных сетях ЭВМ.