ОПТОЕЛЕКТРОНІКА — галузь фізики і техніки що використовує

ОПТОЕЛЕКТРОНІКА - галузь фізики і техніки, що використовує ефекти взаємного перетворення електричних і оптичних сигналів.

Хоча ефекти перетворення світлової енергії в електричну (детектування світла за допомогою фотоприймачів) і зворотне перетворення (електролюмінесцентні джерела) були відомі давно, термін “Оптоелектроніка” виник лише після того, як ці перетворення стали використовуватися в обчислювальній техніці, і передусім для взаємних перетворень світлових і електричних сигналів при відображенні, зберіганні, передачі і обробці інформації.

Термін “Оптоелектроніка” увійшов у вжиток в 1960 -х рр. , коли з'явилися прилади - оптрони, в яких для забезпечення надійного гальваничного розв'язку між електронними ланцюгами використовується пара "джерело світла (світлодіод) - приймач цього випромінювання“.

оптоелектроніку як науково-технічний напрямок характеризують три головні риси: 1. Фізичну основу оптоелектроніки складають явища, засоби, та методи, для яких існує поєднання оптичних та електронних процесів. 2. Технічну основу оптоелектроніки визначають конструктивно-технологічні концепції сучасної мікроелектроніки: головна з них – мініатюризація елементів. 3. Функціональне призначення оптоелектроніки полягає в розв’язанні задач інформатики, а саме: генерації, переробки, зберігання та відображення інформації.

Оптоелектронний пристрій – це пристрій чутливий до електромагнітного випромінювання у видимій (0, 76. . . 0, 36 мкм), інфрачервоній (3. . . 0, 76 мкм) та ультрафіолетовій (0, 36. . . 0, 2 мкм) областях, або прилад, який випромінює і перетворює некогерентне (когерентне) випромінювання в цих самих спектральних межах.

Для вирішення задач в оптоелектронних пристроях використовують інформаційні сигнали в оптичній і електричній формах, але визначальними є саме оптичні сигнали, завдяки яким досягаються якісно нові переваги, що відрізняють оптоелектроніку поміж інших напрямків сучасної електроніки. оптоелектроніка – це оптика, керована електронікою

Принципові переваги оптоелектроніки обумовлені специфічними особливостями електромагнітних хвиль оптичного діапазону, особливими властивостями фотонів, як носіїв інформації, і проявляються в наступному: високочастотності. Частота оптичних коливань на 3– 5 порядків вище ніж у радіо технічному діапазоні, отже збільшується пропускна здатність оптичного каналу передачі інформації; гострому фокусуванні. Максимальна щільність запису оптичної інформації може досягати 109… 1010 біт/cм 2; спрямованості. Внаслідок малої величини λ при практично досягнутих значеннях апертури випромінювача А вдається знизити кутову розбіжність променя α ≈λ/A до рівня десятків і одиниць кутових секунд;

Принципові переваги оптоелектроніки розв’язці. Існує ідеальна електрична розв’язка входу і виходу при використанні безконтактного оптичного зв’язку; візуалізації. Оптоелектроніка, охоплюючи видимий діапазон електромагнітного спектра, дозволяє перетворювати інформацію з електричної форми в зорову; просторовій модуляції. На відміну від електричного струму, потік фотонів може бути модульований не тільки в часі, але і в просторі, що безперечно відкриває нові можливості в паралельній обробці інформації – головної умови створення надшвидкісних обчислювальних систем.

Проте, доки головним чином використовуються такі властивості оптичних сигналів, як: 1. Висока захищеність від зовнішніх впливів 2. забезпечення надійного гальванічного розв'язку між електронними ланцюгами 3. слабке загасання у волоконних світлопроводах 4. можливість гострого фокусування

Оскільки оптоелектронні прилади призначені передусім для обчислювальної техніки і інформаційних систем, вони повинні мати: 1. компактність, 2. мале споживання енергії, 3. високий ккд.

Основні елементи оптоелектроніки джерела випромінювання (когерентні і некогерентні) волоконні світлопроводи фотоприймачі модулятори дефлектори мультиплексори і демультиплексор и просторово-часові модулятори світла (керовані транспаранти), які використовують для двовимірного динамічного відображення і обробки інформації

Джерела випромінювання Некогерентні джерела випромінювання джерела спонтанного випромінювання. Це – світлодіоди (СД), з яких найбільш поширеними є СД на основі гетероструктур системи Al. Ga. As. Рекордний ккд цих СД перевищує 20% (проте при ВЧ електричній модуляції він зменшується), їх швидкодія досягає 0, 1 нс.

Джерела випромінювання На відміну від когерентних джерел СД мають: - велику кутову апертуру і спектральну ширину випромінювання. Виготовляються матриці СД.

Джерела випромінювання Когерентними джерелами випромінювання в оптоелектроніці служать головним чином інжекційні лазери. Застосовуються гетероструктури, з яких також найбільш поширеними є системи Al. Ga. As. Внаслідок лазерного ефекту ширина лінії Δ ~ 0, 1 нм, розбіжність променя не більше 30°, ккд до 50%.

Джерела випромінювання Довжина хвилі міняється залежно від складу твердого розчину активної області. Найбільш освоєний діапазон довжин хвиль від 0, 78 мкм до 1, 55 мкм, хоча існують більше довгохвильові і короткохвильові лазери. Частота модуляції випромінювання інжекційних лазерів досягає 20 Ггц. У монолітному (інтегральному) виді виготовляються стрічки (до 100 елементів на см-1) і матриці інжекційних лазерів.

Приймачі випромінювання Головним чином використовуються фотодіоди(ФД), pin-діоди і фотодіоди Шотки.

Приймачі випромінювання У pin-діодах швидкодія ≤ 1 нc, квантова ефективність до 90%, посилення фотоструму практично відсутнє, матеріали: Ga. As( ≤ 0, 8 мкм), In. Ga. As( = 1, 3 - 1, 55 мкм).

Приймачі випромінювання У фотодіодах Шотки швидкодія також 1 нc; квантова ефективність до 40%, матеріали: п-Ga. As, Ga. As - Al. Ga. As, In. Ga. As( = 0, 82 - 1, 6 мкм).

Приймачі випромінювання Там, де потрібна висока чутливість, застосовуються фототранзистори і лавинні ФД (внутрішнє підсилення до 100 і більше; матеріали: Ge, In. Ga. As, In. Ga. PAs, Ga. As, Si). В якості фотоприймачів використовуються також планарні фотоопори з малим проміжком між омічними контактами і електродами для екстракції, швидкодія 80 - 200 пс, матеріали : In. Ga. As = 1, 3 - 1, 5 мкм), р - Ga. As( ≤ 0, 85 мкм) та ін.

Приймачі випромінювання Особливого значення в оптоелектроніці набувають стрічки і матриці фотоприймачів, що використовують ефект зарядового зв'язку в напівпровідниках (прилади із зарядовим зв'язком). Ці приймачі дозволяють приймати, зберігати деякий час і послідовно передавати при зчитуванні оптичні сигнали. Такі фотоприймачі широко застосовуються для реєстрації зображень і їх послідовної передачі по каналах зв'язку. По чутливості вони не поступаються звичайним фотоприймачам. Основний матеріал - Si.

Модулятори Як правило, в СД і інжекційних лазерах здійснюється внутрішня модуляція шляхом зміни струму живлення. Для зовнішньої модуляції використовується в основному електро-оптичний ефект в Li. Nb. О 3. Проте півхвильова напруга в цьому кристалі більше 1 к. В. Розробляються інші матеріали - з меншою півхвильовою напругою і технологічно інтегрально сумісні з випромінювачами системи Al. Ga. As і In. Ga. PAs на тих же розчинах.

Збільшення числа каналів зв'язку у волоконних СД досягається також шляхом передачі інформації по одному каналу на різних довжинах хвиль, тобто від різних джерел з відповідним розділенням на приймальних кінцях. З цією метою застосовуються мультиплексори і демультиплексори, які зазвичай виготовляються в інтегральному виді шляхом з'єднання або розгалуження оптичних хвилеводів.

Селекторами довжин хвиль є дифракційні грати, елементами, що вводять і виводять, призми. Матеріалом служить, як правило, Li. Nb. О 3, який додатково легують для створення хвилеводів. Великі надії покладають на тверді розчини сполук AIII BV і AIIBVI.

Дефлектори лазерного випромінювання - необхідні елементи в системах оптичного запису і зчитування інформації. Вони можуть бути застосовані також як модулятори випромінювання. Використовується або електрооптичний ефект в кристалах з двопроменезаломленням або дифракція на акустичних хвилях. Дефлектори на основі електрооптичного ефекту більше швидкодіючі, ніж електроакустичні, але мають меншу ефективність.

Просторово-часові модулятори світла (ПЧМС) - матриці світлоклапанних пристроїв, що дозволяють створювати двовимірні зображення. і обробляти Управління пропусканням ПЧМС може здійснюватися електричним або магнітним полями (електрооптично або магнітооптично керовані транспаранти, відповідно) або слабкими світловими сигналами (оптично керовані транспаранти). Найбільш поширенними є ПЧМС на рідких кристалах. Вони мають найменшу півхвильову напругу (~1 В), але їх швидкодія не перевищує десятків мкс. Застосування спеціальних керамік для ПЧМС забезпечує швидкодію до 10 -7 с, але півхвильова напруга значно вища(~100 В).

Для передачі оптичних сигналів в оптоелектроніці можливе використання як вільного простору, так і волоконних світлопроводів, що забезпечують виключно високий рівень захисту від різних впливів при втратах менше 1 д. Б/км.