 |
Элементы и устройства оптоэлектроники
|
|
|
|
2.5.1. Общие вопросы оптоэлектроники
Оптоэлектроника – это область электроники, в которой в качестве носителя информации используются электромагнитные волны оптического диапазона (λ=10-3m. до 10-8m. или f = 3·1011 – 3·1016 Hz). Узкая часть этого диапазона воспринимается глазом как видимый свет (0,4·10-6 – 0,7·10-6 m.).
Ультрафиолетовый диапазон: (0,4·10-6 – 10-8 m.).
Инфракрасный диапазон: (10-3 – 0,7·10-6 m.).
В оптоэлектронике световой луч выполняет те же функции что и электрический ток в электрических цепях. Однако элементы оптоэлектроники обладают рядом ценных преимуществ по сравнению с элементами электрических цепей.
Носители оптических сигналов – фотоны – электрически нейтральны, не взаимодействуют между собой, не подвержены влиянию внешних полей, не смешиваются и не рассеиваются.
В устройствах оптоэлектроники передача информации от источника к приемнику оптического излучения осуществляется через оптическую среду или специальные световоды (оптические волокна или планарные волноводы).
Элементами оптоэлектронных систем являются также модуляторы и демодуляторы, ретрансляторы и т.д.
Все элементы оптоэлектроники могут быть изготовлены по интегральной технологии. При этом по сравнению с обычными волоконнооптическими системами обладают более широкой полосой пропускания, механической устойчивостью, экономичностью, малыми потерями, массой, потребляемой мощностью.
Оптоэлектроника в этой связи решает следующие проблемы аппаратуры седьмого поколения:
1. Повышение быстродействия.
2. Осуществление гальванической развязки вход-выход и повышение помехозащищенности.
Элементная база оптоэлектроники намного шире обычной электроники. Она включает: системы ввод-вывод и отображения информации, оптоэлектронные элементы и приборы, оптические усилители, дефлекторы, модуляторы и демодуляторы света, волноводы, источники оптического излучения и фотоприемники, волоконные и пленочные оптические элементы, оптические транспаранты, оптические реверсивные запоминающие среды и устройства на их основе.
|
|
|
Основными направленными применения оптоэлектронных систем являются:
1. ОЭС на основе оптронов;
2. ОЭ подрешетки в БИС;
3. ОЭС на основе взаимного влияния лазеров;
4. Аналоговые системы обработки видеоизображений;
5. Системы оптической памяти;
6. Интегральная оптика (оптические аналоги ИМ);
7. Системы на волокнах нейристорного типа;
8. Системы оптической связи;
9. Системы ввод/вывод и отображения информации;
10. ОЭС для самообучающихся машин.
2.5.2. Оптоэлектронные системы
на основе оптронов
Рассмотрим более подробно эти направления.
Оптроном называют полупроводниковый прибор, содержащий источник оптического излучения и фотоприемник, объединенные в одном корпусе и связанные между собой оптически, электрически или обеими связями.
В качестве источников используются лампы накаливания, газоразрядные лампы, полупроводниковые излучатели на основе электролюминесцирующего конденсатора, в интегральных оптоэлектронных схемах чаще всего применяют инжекционные светодиоды. Эти источники излучают некогерентные волны.
Источниками когерентного излучения являются лазеры.
Схема включения светодиода (СД):
| Uвх |
| Uсд |
| R |
| + |
| – |
Рис.2.9. Схема включения светодиода
Основным материалы для СД – арсениды и фосфиды галлия, индия, имеющие широкую запрещенную зону.
Световой поток СД представляет энергию, выделяемую при рекомбинации электронов и дырок.
Свойства СД с точки зрения их применения характеризуются длиной волны излучения λ max, полушириной спектра ∆ λ, мощностью излучения Ризл, временем переключения tвкл и выключения tвыкл.
|
|
|
Фотоприемниками в оптронах являются: фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы, фототиристоры.
Связующим звеном между источником излучения и фотоприемником в оптроне служит пассивная или активная оптическая среда (иммерсионная).
По виду связи входных и выходных сигналов различают четыре типа оптронов:
1. С внутренней оптической связью.
| RH |
| Uвх |
| Iвх |
| E |
| Iвых |
| hν |
Рис.2.10. Оптрон с внутренней оптической связью
Уравнение Эйнштейна.
где hν – энергия кванта;
еφ0 – работа выхода электрона;
U – начальная скорость вылета электрона.
2. Оптрон с прямой электрической и положительной обратной оптической связями.
| Uвых |
| U |
| I |
| hν |
| Uвых |
| RH |
| I |
| Uвх |
а) б)
Рис.2.11. Оптрон с прямой электрической и положительной обратной оптической связями: а – структурная схема, б – ВАХ
3.
| Iвх |
| Uвх |
| hν |
| RH |
| Uвых |
| Uвх |
а) б)
Рис.2.12. Оптрон с прямой электрической и отрицательной оптической связями: а – структурная схема, б – ВАХ
4. Оптрон с внутренней электрической и внешней оптической связями.
| Bвх |
| Bвых |
| I |
| U |
| hν вых |
| hν вх |
| = |
а) б)
| = |
где B – яркость излучения.
В основном этот тип оптронов применяется как преобразователь напряжения.
Наибольшее распространение получил 1 тип оптронов для усиления и преобразования электрических сигналов, гальванической развязки цепей и т.д.
В зависимости от типа фотоприемника различают следующие типы оптронов:
1. Фоторезисторные
2. Фотодиодные
3. Фототранзисторные
4. Фототиристорные.
В оптронах используются фотоприемники излучения с внутренним фотоэффектом, суть которого в том, что при облучении световым потоком электроны полупроводникового вещества получают дополнительную энергию, достаточную для освобождения от межатомных связей. При этом в веществе увеличивается число свободных электронов, возрастает проводимость или возникает внутренняя ЭДС.
|
|
|
На основе фотоэффекта разработан ряд приемников оптического излучения: фоторезисторы, фотодиоды, фототриоды, фототиристоры, фотоемкости, фотоваристоры и др.
Фоторезисторы – применяются в устройствах автоматики, измерительной технике, где главными являются высокая чувствительность, большие значения фототока и неважны инерционность и температурная зависимость.
Физические процессы, протекающие в фотодиодах, носят обратный характер по отношению к процессам в светодиодах. Фотоны достаточно большой энергии могут выбивать электроны из валентной зоны вещества и переводить их в зону проводимости. В результате создаются пары свободных носителей заряда, которые, перемещаясь к противоположным полюсам, создают ток.
Они могут работать в 2-х режимах – фотодиодном и в вентильном.
где η – квантовая эффективность;
φ0 – число фотонов, падающих в единицу времени;
е – заряд электрона.
Фотодиоды имеют малую массу, размеры, низкое напряжение питания, высокую экономичность, большой срок службы, высокую чувствительность. Недостаток – температурная нестабильность.
Фототранзисторы – комбинация фотодиода и транзистора, их можно рассматривать как обычные транзисторы, на вход которых подаются электрические сигналы, эквивалентные оптическим. Они обладают высокой интегральной чувствительностью. Невысокая граничная частота по сравнению с фотодиодами ограничивает их применение.
Фототиристоры – многослойный полупроводниковый прибор, включаемый световым потоком. Они применяются для коммутации светом электрических сигналов большой мощности. Принцип действия аналогичен обычному 4-слойному.
Основные области применения оптронов.
1. Оптоэлектронные реле.
2. Оптические управляемые сопротивления в электронных цепях.
3. Коммутаторы электролюминесцентных экранов.
|
|
|
4. Оптическое управление логическими схемами (оптоэлектронная логика).
5. Оптоэлектронные аналоговые схемы (операционные усилители).
6. Оптоэлектронные преобразователи частоты (также преобразование постоянного тока в переменный).
7. Оптические разъемы в многоканальных системах связи, в том числе в бортовой РЭА и ЭВМ.
Особое место занимают интегральные оптоэлектронные устройства – твердотельные аналоги вакуумных телевизионных трубок. Их поверхность может выполняться как дискретной, так и непрерывной.
Интегральные фотоприемные устройства обладают такими преимуществами по сравнению с обычными телекамерами: отсутствие искажений, больший срок службы, отсутствие высоких питающих напряжений, малые габаритные размеры и масса, отсутствие эффекта “затягивания”.
Одним из наиболее эффективных применений оптронов является – Би – стабильный оптрон.
2.5.3. Бистабильный оптрон
| Uгаш |
| III |
| II |
| I |
| hν |
| Фос |
| Uген |
| hν |
| ФП2 |
| ~ |
| СД1 |
| ФП1 |
| Uзап |
| СД2 |
| СД3 |
| Ф1 |
| Ф2 |
Рис.2.14. Структурная схема бистабильного оптрона
ФП – фотоприемник.
СД – светодиод.
Ф – световой поток.
1. В исходном состоянии Uген задает темновой ток в фотоприемнике 1 и светодиод СД1 потушен т.к. сопротивление R1 (ФП1) велико Фос = 0.
2. Запись информации – Управляющий сигнал Uзап зажигает светодиод СД2 и его световой поток Ф1 уменьшает сопротивление R1 ФП1, возрастает ток, что приводит к росту напряжения на СД1 и он загорается, создавая поток Фос положительной обратной связи.
3. Гашение или стирание информации. Напряжение гашения - Uгаш зажигает СД3 и его световой поток Ф2 уменьшает сопротивление R2 ФП2, который шунтирует СД1 и гасит его. Поток обратной связи Фос = 0 исчезает.
Бистабильный оптрон включает:
I. Блок памяти и отображения информации (или канал запоминания и индикации).
II. Канал записи.
III. Канал стирания.
Бистабильные оптроны являются основными элементами современных устройств вычислительной техники, отображения информации (УВОИ), основных на матричной структуре электролюминесцентных экранов по входам записи и стирания информации.
Матричная система записи видеоинформации легко согласуется с аналогичной системой записи информации в ОЗУ и ПЗУ современных компьютеров.
2.5.4. Оптоэлектронные подрешетки
Оптоэлектронные подрешетки в БИС позволяют решить проблему оптической настройки СБИС.
Электронный оптический усилитель, динамический транспарант.
| Источник лазерного излучения |
| Линза |
| Э(о)УДТ |
| СБИС |
| Фотоприемная матрица |
Рис.2.15. Схема динамического транспаранта
|
|
|
2.5.5. Системы на основе взаимного влияния
лазеров
Системы на основе взаимного влияния лазеров предполагают использовать явление тушения генерации одного лазера когерентным светом другого лазера, т.е. два лазера, объединенных оптической связью, могут работать как оптический аналог триггера (Би – стабильная ситуация – работает или один, или другой лазер). На этой основе могут строиться логические схемы, запоминающие устройства. Эффективность элементов и схем памяти при использовании лазеров повышается на 2-3 порядка.
2.5.6. Аналоговые оптоэлектронные вычислители
В подобных устройствах происходит преобразование входного сигнала в виде изображения в выходной цифровой и наоборот.
Состав:
1. Источник когерентного излучения (лазер).
2. Пассивные оптоэлектронные элементы – линзы, световоды.
3. Динамические транспаранты.
4. Фотоприемники.
Применяются для обработки сигналов РЛС – поисков и распознавания образов (INMAPSAT), выделение сигнала из шумов, голография.
Преимущество – высокое быстродействие:
- 1013 эквивалентных операций в секунду.
- высокая разрешающая способность – до 10 градаций каждого сигнала по фазе и амплитуде.
2.5.7. Системы оптической памяти
Оптоэлектронные запоминающие устройства обладают высокой плотностью записи информации, так как минимальный диаметр оптического луча определяется дифракционным пределом около 1μm и, следовательно, плотность записи информации может достигать 108 Бит на см2 и более.
Лучшие результаты достигнуты в создании оптоэлектронных постоянных запоминающих устройств с использованием принципов голограммы.
Структурный состав ОЭПЗУ:
1. Накопитель информации – матричная голограмма 0,5 х 0,5 мм. Емкость каждой голограммы С = 2·104 Бит, количество голограммы N2 = 106 – 108 в объеме. Материал накопителя – фотопластины с высоким разрешением, электрооптические кристаллы, магнитные пленки и т.д.
2. Лазер – полупроводниковый инжекционный с размерами рабочего кристалла порядка 400 х 400 мкм с фиксированной длинной волны λ. Газовые – аргоновые, гелий – неоновые с перестраиваемой длиной волны.
3. Дискретный дефлектор – для адресной выборки голограмм. В одной матрице в каждой ячейке может быть записано несколько голограмм при разных углах падения луча, разной длине волны λ.
| С |
| [Бит] |
| Быстродействие |
| ЗУ на магнитных лентах |
| ЗУ на магнитных дисках |
| ОЭЗУ |
| Полупроводниковые ЗУ |
| 1015 |
| 1012 |
| 109 |
| 106 |
| 103 |
| 10-8 |
| 10-6 |
| 10-4 |
| 10-2 |
| 100 |
| 102 |
| 3 – Запоминающее устройство на ферросердечниках |
| 1бит = 8 байт 1кбайт = 1024 байт |
| 122000 кбайт |
Рис.2.16. Характеристики быстродействия различных ЗУ
2.5.8. Интегральная оптика.
Обладает повышенной помехозащищенностью, большим быстродействием, новые функциональные возможности – обработка видеоизображения, распознавание образов.
Недостатки – большие габариты, трудности создания многослойных структур, трудности технологического и оптического согласования разнородных материалов.
2.5.9. Системы на волокнах нейристорного типа.
Нейристорный электрический выход является одномерным волокном и обладает следующими свойствами:
1. Возбуждается только при определенном значении порогового сигнала U = Uпорог.
2. Всякий импульс распространяется по нейристору А = const.
3. При прохождении сигнала за ним образуется зона рефракторности, которая некоторое время не возбуждается даже сигналом с пороговым уровнем Uнор.
4. Скорость распространения сигнала постоянна – 300000 км/с.
5. Сигнал, попавший в нейристор и столкнувшийся с зоной рефракторности, уничтожается.
6. Два сигнала, распространяющиеся в противоположные стороны, уничтожаются.
Линии на нейристорных световодах имеют высокую частоту –
что обеспечивает очень большую широкополосность оптического канала:
106 – телепрограмм по одному лучу.
1010 – телефонных разговоров.
|
|
|
