Міністерство освіти Республіки Білорусь
Установа освіти
"Білоруський державний університет
інформатики і радіоелектроніки "
кафедра ЕВС
РЕФЕРАТ
На тему:
"Основи оптоелектроніки. Класифікація оптоелектронних пристроїв"
МІНСЬК, 2008
Оптоелектроніка є важливою самостійною областю функціональної електроніки та мікроелектроніки. Оптоелектронний прилад - це пристрій, в якому при обробці інформації відбувається перетворення електричних сигналів в оптичні і назад.
Істотна особливість оптоелектронних пристроїв полягає в тому, що елементи в них оптично зв'язані, а електрично ізольовані один від одного.
Завдяки цьому легко забезпечується узгодження високовольтних і низьковольтних, а також високочастотних і низькочастотних ланцюгів. Крім того, оптоелектронним пристроїв властиві й інші переваги: можливість просторової модуляції світлових пучків, що в поєднанні із змінами в часі дає три ступені свободи (у суто електронних ланцюгах дві); можливість значного розгалуження і перетину світлових пучків у відсутність гальванічного зв'язку між каналами; велика функціональне навантаження світлових пучків зважаючи на можливість зміни багатьох їх параметрів (амплітуди, напряму, частоти, фази, поляризації).
Оптоелектроніка охоплює два основних незалежних напрямки - оптичне й електронно-оптичне. Оптичне напрям базується на ефектах взаємодії твердого тіла з електромагнітним випромінюванням. Воно спирається на голографію, фотохімія, електрооптики та інші явища. Оптичне напрям іноді називають лазерним.
Електронно-оптичне напрям використовує принцип фотоелектричного перетворення, що реалізується в твердому тілі за допомогою внутрішнього фотоефекту, з одного боку, і електролюмінесценції, з іншого. В основі цього напряму лежить заміна гальванічних і магнітних зв'язків у традиційних електронних ланцюгах оптичними. Це дозволяє підвищити щільність інформації в каналі зв'язку, його швидкодію, перешкодозахищеність.
Для мікроелектроніки представляє інтерес в основному електронно-оптичне напрям, який дозволяє вирішити одну з важливих проблем інтегральної мікроелектроніки - суттєве зменшення паразитних зв'язків між елементами як всередині однієї інтегральної мікросхеми, так і між мікросхемами. На оптоелектронному принципі можуть бути створені безвакуумна аналоги електронних пристроїв і систем: дискретні і аналогові перетворювачі електричних сигналів (підсилювачі, генератори, ключові елементи, елементи пам'яті, логічні схеми, лінії затримки і ін); перетворювачі оптичних сигналів - твердотільні аналоги електронно-оптичних перетворювачів , відикон, електронно-променевих перетворювачів (підсилювачі світла та зображення, плоскі передавальні і відтворюють екрани); пристрої відображення інформації (індикаторні екрани, цифрові табло та інші пристрої картинної логіки).
Рис.1. Оптрон з внутрішньою (а) і зовнішніми (б) фотонними зв'язками: 1, 6 - джерела світла; 2 - світловод, 3, 4 - приймачі світла; 5 - підсилювач.
Основним елементом оптоелектроніки є оптрон. Розрізняють оптрони з внутрішньою (рис.1, а) і зовнішніми (рис.1, б) фотонними зв'язками. Найпростіший оптрон представляє собою чотириполюсник (рис.1, а), що складається з трьох елементів: фотоізлучателя 1, світловода 2 і приймача світла 3, укладених в герметичному світлонепроникної корпусі. При подачі на вхід електричного сигналу у вигляді імпульсу або перепаду вхідного струму збуджується фотоізлучатель. Світловий потік світловодом потрапляє в фотоприймач, на виході якого утворюється електричний імпульс або перепад вихідного струму. Цей тип оптрона є підсилювачем електричних сигналів, в ньому внутрішній зв'язок фотонна, а зовнішні - електричні.
Інший тип оптрона - з електричною внутрішнім зв'язком та фотонними зовнішніми зв'язками (рис.1, б) - є підсилювачем світлових сигналів, а також перетворювачем сигналів однієї частоти в сигнали іншої частоти, наприклад сигналів інфрачервоного випромінювання в сигнали видимого спектру. Приймач світла 4 перетворить вхідний світловий сигнал в електричний. Останній посилюється підсилювачем 5 і збуджує джерело світла 6.
В даний час розроблено велику кількість оптоелектронних пристроїв різного призначення. У мікроелектроніці, як правило, використовуються тільки ті оптоелектронні функціональні елементи, для яких є можливість інтеграції, а також сумісність технології їх виготовлення з технологією виготовлення відповідних інтегральних мікросхем.
Фотоізлучателі. До джерел світла оптоелектроніки пред'являються такі вимоги, як мініатюрність, мала споживана потужність, високі ефективність і надійність, великий термін служби, технологічність. Вони повинні володіти високим швидкодією, допускати можливість виготовлення у вигляді інтегральних пристроїв.
Найбільш широке поширення в якості електролюмінесцентних джерел отримали інжекційні світлодіоди, в яких випускання світла визначається механізмом міжзонного рекомбінації електронів і дірок. Якщо пропускати досить великий струм інжекції через p - n-перехід (у прямому напрямку), то частина електронів з валентної зони перейде в зону провідності (рис.2). У верхній частині валентної зони утворюються вільні стани (дірки), а в нижній частині зони провідності - заповнення стану (електрони провідності).
Така інверсна заселеність не є рівноважною і призводить до хаотичного випускання фотонів при зворотних переходах електронів. Що виникає при цьому в р-n-переході некогерентно світіння і є електролюмінесценції.
Рис.2. До поясненню принципу дії інжекційного світлодіода.
Фотон, що випускається при люмінесцентному переході з заповненої частини зони провідності у вільну частину валентної зони, викликає вимушене випромінювання ідентичного фотона, змусивши ще один електрон перейти у валентну зону. Однак фотон такий же енергії (від Δ E = E 2 - E 1 до Δ E = 2δ E) не може поглинутися, так як нижня стан вільно (у ньому немає електронів), а верхнє стан вже заповнено. Це означає, що p - n-перехід прозорий для фотонів такої енергії, тобто для відповідної частоти. Навпаки, фотони з енергією, більшою Δ E +2 δ E, можуть поглинатися, переводячи електрони з валентної зони в зону провідності. У той же час для таких енергій індуковане випускання фотонів неможливо, так як верхнє початковий стан не заповнено, а нижнє стан заповнене. Таким чином, вимушене випромінювання можливо у вузькому діапазоні близько частоти, що відповідає енергії забороненої зони ДЕ з шириною спектру δ E.
Найкращими матеріалами для світлодіодів є арсенід галію, фосфід галію, фосфід кремнію, карбід кремнію та ін Світлодіоди мають високу швидкодію (близько 0,5 мкс), але споживають великий струм (близько 30 А/см2). Останнім часом розроблені світлодіоди на основі арсеніду галію - алюмінію, потужності яких становлять від часток до декількох мілліватт при прямому струмі в десятки мілліампер.К. п. д. світлодіодів не перевищує 1 - 3%.
Перспективними джерелами світла є інжекційні лазери, що дозволяють концентрувати високі енергії у вузькій спектральної області при високих к. п. д. і швидкодії (десятки пікосекунд). Ці лазери можна виготовляти у вигляді матриць на одному базовому кристалі за тією ж технологією, що й інтегральні мікросхеми. Недоліком простих інжекційних лазерів є те, що вони мають прийнятні характеристики лише при використанні охолоджування до дуже низьких температур. При нормальній температурі галій-арсенідовий лазер має малу середню потужність, низький к. п. д. (близько 1%), невеликі стабільність роботи і термін служби. Подальше вдосконалення інжекційного лазера шляхом створення переходу складної структури з використанням гетеропереходів (гетероперехід - кордон між шарами з однаковими типами електропровідності, але з різною шириною забороненої зони) дозволило отримати малогабаритний джерело світла, що працює при нормальній температурі з к. п. д.10 - 20 % і прийнятними характеристиками.
Фотоприймачі. Для перетворення світлових сигналів в електричні використовують фотодіоди, фототранзистори, фоторезистори, фототиристори та інші прилади.
Фотодіод представляє собою зміщений у зворотному напрямку p - n-перехід, зворотний струм насичення якого визначається кількістю носіїв заряду, що породжуються в ньому дією падаючого світла (рис.3). Параметри фотодіода висловлюють через значення струму, що протікає в його ланцюга. Чутливість фотодіода, яку прийнято називати інтегральною, визначають як відношення фотоструму до який викликав його світловому потоку Ф υ. Поріг чутливості фотодіодів оцінюють за відомими значеннями інтегральної (струмового) чутливості і темнового струму Id, тобто струму, що протікає в ланцюзі у відсутність опромінення чутливого шару.
Основними матеріалами для фотодіодів є германій і кремній. Кремнієві фотодіоди зазвичай чутливі у вузькій області спектра (від λ = 0,6 - 0,8 мкм до λ = 1,1 мкм) з максимумом при λ = 0,85 мкм, а германієві фотодіоди мають межі чутливості λ = 0,4 - 1,8 мкм з максимумом при λ ≈ 1,5 мкм. У фотодіодному режимі при напрузі живлення 20 В темнової струм кремнієвих фотодіодів зазвичай не перевищує 3 мкА, в той час як у германієвих; фотодіодів при напрузі живлення 10 В він досягає 15-20 мкА.
Рис.3. Схема і вольт-амперні характеристики фотодіода.
Рис.4. Схема і вольт-амперні характеристики фототранзистора.
Фототранзистори представляють собою приймачі променистої енергії з двома або з великим числом р-п-переходів, що володіють властивістю посилення фотоструму при опроміненні чутливого шару. Фототранзистор поєднує в собі властивості фотодіода і підсилювальні властивості транзистора (рис. 4). Наявність у фототранзистора оптичного й електричного входів одночасно дозволяє створити зсув, необхідне для роботи на лінійній ділянці енергетичної характеристики, а також компенсувати зовнішні впливи. Для виявлення малих сигналів напруга, що знімається з фототранзистори, має бути посилений. У цьому випадку слід збільшити опір виходу змінному струму при мінімальному темнової струмі в ланцюзі колектора, створюючи позитивний зсув на базі.
Світловоди. Між джерелом і приймачем світла в оптрон знаходиться світловод. Для зменшення втрат при відбитті від межі розділу світлодіода і провідного середовища (світловода) остання повинна володіти більшим коефіцієнтом заломлення. Такі середовища називаються імерсійним. Імерсійний матеріал повинен мати також гарну адгезію до матеріалів джерела і приймача, забезпечувати достатню узгодження за коефіцієнтами розширення, бути прозорим у робочій області і т.д. Найбільш перспективними є свинцеві скла з показником заломлення 1,8-1,9 і селенові скла з показником заломлення 2,4-2,6. На рис.5 показано поперечний переріз твердотільного оптрона з імерсійним світловодом.
Як світловодів в оптоелектроніці знаходять застосування тонкі нитки скла або прозорої пластмаси. Цей напрямок одержав назву волоконної оптики. Волокна покривають светоізолірующімі матеріалами і поєднують у багатожильні світлові кабелі. Вони виконують ті ж функції по відношенню до світла, що і металеві дроти по відношенню до струму. За допомогою волоконної оптики можна: здійснювати поелементну передачу зображення з роздільною здатністю, яка визначається діаметром световолокна (порядку 1 мкм); виробляти просторові трансформації зображення завдяки можливості згинання і скручування волокон світловода; передавати зображення на значні відстані і т.д. На Рис.6 показаний світловод у вигляді кабелю з светопроводящий волокон.
Інтегральна оптика. Одним з перспективних напрямків функціональної мікроелектроніки є інтегральна оптика, що забезпечує створення надпродуктивних систем передачі та обробки оптичної інформації. Область досліджень інтегральної оптики включає поширення, перетворення і посилення електромагнітного випромінювання оптичного діапазону в діелектричних тонкоплівкових хвилеводах і волоконних світловодах. Основним елементом інтегральної оптики є об'ємний або поверхневий оптичний мікроволновод. Найпростіший симетричний об'ємний оптичний мікроволновод представляє собою локалізовану по одній або двом просторовим вимірам область з показником заломлення, що перевищує показник заломлення навколишнього оптичного середовища. Така оптично більш щільна область є щось інше, як канал або несучий шар діелектричного хвилеводу.
Рис.5. Розріз твердотільного оптрона з імерсійним світловодом: 1 - планарна дифузія; 2 - селенові скло, 3 - омические контакти; 4 - дифузійна мезаструктур; 5 - джерело світла; 6 - приймач світла.
Рис.6. Світловод у вигляді кабелю з светопроводящий волокон: 1 - джерело світла; 2 - приймач світла; 3 - світловий кабель.
Прикладом несиметричного поверхневого діелектричного хвилеводу може служити тонка плівка оптично прозорого діелектрика або напівпровідника з показником заломлення, що перевищує показник заломлення оптично прозорої підкладки. Ступінь локалізації електромагнітного поля, а також відношення потоків енергії, які переносяться вздовж несучого шару та підкладки, визначаються ефективним поперечним розміром несучого шару і різницею показників заломлення несучого шару та підкладки при заданій частоті випромінювання. Порівняно простим і найбільш підходящим для твердотільних оптичних пристроїв є оптичний смуга мікроволновод, виконаний у вигляді тонкої діелектричної плівки (рис.7), нанесеної на підкладку методами мікроелектроніки (наприклад, вакуумним напиленням). За допомогою маски на діелектричну підкладку можна наносити з високим ступенем точності цілі оптичні схеми. Застосування електронно-променевої літографії забезпечило успіхи у створенні як одиночних оптичних смужкових хвилеводів, так і оптично пов'язаних на певній довжині, а згодом розбіжних хвилеводів, що істотно для створення направлених відгалужувачів і частотно-виборчих фільтрів в системах інтегральної оптики.
Рис 7. Оптичний смуга мікроволновод з прямокутним поперечним перерізом: 1 - підкладка; 2 - діелектрична плівка.
Оптоелектронні мікросхеми. На основі оптоелектроніки розроблено велику кількість мікросхем. Розглянемо деякі оптоелектронні мікросхеми, що випускаються вітчизняною промисловістю. У мікроелектроніці найбільш широко застосовують оптоелектронні мікросхеми гальванічної розв'язки. До них відносять швидкодіючі перемикачі, комутатори аналогових сигналів, ключі і аналогові оптоелектронні пристрої, призначені для використання в системах функціональної обробки аналогових сигналів.
Основним елементом будь-якої оптоелектронної мікросхеми є оптрона пари (рис.8, а, б), яка складається з джерела світла 1, керованого вхідним сигналом, імерсійної середи 2, оптично пов'язаної з джерелом світла, і фотоприймача 3. Параметрами оптронів пари є опір розв'язки по постійному струму, коефіцієнт передачі струму (відношення фотоструму приймача до струму випромінювача), час перемикання і прохідна ємність.
На базі оптоелектронних пар створюються оптоелектронні мікросхеми різного призначення.
Рис.8. Схема і технологічне виконання оптронів пари:
1 - джерело світла; 2 - іммперсіонная середовище; 3 - фотоприймач.
ЛІТЕРАТУРА
Петров К.С. Радіоматеріали, радіокомпоненти і електроніка: Навчальний посібник для вузів. - СПб: Питер, 2003. - 512 с.
Опадчій Ю.Ф. та ін Аналогова та цифрова електроніка: Підручник для вузів / Ю.Ф. Опадчій, О.П. Глудкін, А.І. Гуров; Під. ред. О.П. Глудкін. М.: Гаряча Лінія - Телекому, 2002. - 768 с.
Акімов М.М. та ін Резистори, конденсатори, трансформатори, дроселі, комутаційні пристрої РЕА: Довідник / М.М. Акімов, Є.П. Ващуком, В.А. Прохоренко, Ю.П. Ходоренок. Мн.: Білорусь, 2005. - 591 с.