173

Часть 2. Оптическая электроника

Глава 5 Основы оптоэлектроники

5.1 Историческая справка

Оптоэлектроника представляет собой совокупность областей физики, электроники и техники, в которой изучаются эффекты и явления взаимного преобразования электрических и оптических сигналов и методы создания приборов и устройств, реализующие эти эффекты.

Отображение, передача, обработка и хранение информации оптическими методами является центральной задачей оптоэлектроники. Оптическая обработка информации основана на использовании в качестве носителя информации – оптического излучения, а в качестве преобразователей информации – оптических и оптоэлектронных элементов. Отличительной особенностью оптической обработки информации является естественная пространственная многоканальность, которая обеспечивает одномоментную обработку больших информационных массивов. Оптическая обработка информации позволяет производить аналоговые и цифровые операции над информационными сигналами, значительно увеличить скорость передачи благодаря более высокой несущей частоте и возможностям параллельного функционирования многих каналов.

Истоки оптоэлектроники в ее современном понимании можно отнести к 1864 году, когда Дж. К. Максвеллом была предложена система уравнений электродинамики, в одном из выводов которой утверждались электромагнитная природа света и физическое единство радиоволн и оптического излучения.

Сам термин «Оптоэлектроника» возник вначале 60-х годов XX века и связан с созданием оптронов – оптоэлектронных приборов, в которых для обеспечения надежности гальванических развязок используется пара «светодиод – фотоприемник». В дальнейшем, направление исследований и практических применений электронных устройств с внутренними оптическими и электрическими связями получило название «оптроника».

Принимая во внимание решающую роль создания лазера в становлении оптоэлектроники, формальным годом ее рождения можно считать 1960 год. Однако, истоки отдельных направлений как уже упоминалось, относятся к концу XIX – началу XX века, а большинство принципиальным решений, определивших лицо современной оптоэлектроники – к шестидесятым – семидесятым годам XX века.

В 1927 году О. В. Лосевым впервые наблюдалось свечение карбид – кремневых детекторов под действием приложенного электрического поля, в 1955 году была обнаружена инжекционная люминесцентная в арсениде галлия. В 1962 – 1964 годах появились светодиоды инфракрасного диапазона, затем «красные» и «зеленые» и наконец в 1967 году первые световодные индикаторы на основе тройного соединения арсенид – фосфид галлия.

В 1962 году Н. Г. Басовым и А. М. Прохоровым была предсказана возможностью создания полупроводникового лазера, который был реализован уже в 1963 году Холлом. В середине 60 годов Ж. И. Алферовым были разработаны физические основы использования гетероструктур для создания полупроводниковых лазеров нового поколения, которые им же были реализованы к концу 60 годов.

Появление лазеров и особенно гетеролазеров в дальнейшем определяло техническое обеспечение многих ведущих направлений оптоэлектроники.

Большое значение для оптоэлектроники в наши дни имеет нелинейная оптика, которая отражает особенности распространения и взаимодействия высокоинтенсивных оптических пучков с веществом. Нелинейная оптика, посуществу, получила научную и практическую значимость после 1961 года, когда П. Франкеным была получена генерация второй оптической гармоники излучения рубинового лазера в кристалле кварца. Хотя ранее в тридцатые годы С. В. Вавиловым с сотрудниками были обнаружены нелинейности в поглощении и преломлении света в флуоресцирующих кристаллах и стеклах.

В 1965 году наблюдалось самофокусировка света и был запущен первый параметрический генератор, в котором взаимодействие оптических волн и вещества с квадратичной нелинейностью использовалось для генерации когерентного оптического излучения.

Еще в 1873 году У. Смит открыл внутренний фотоэффект, а А. Г. Столетов в 1888 году открыл внешний фотоэффект, что в дальнейшем дало возможность создать фотоприемник. С 1917 года началось промышленное использование фоторезисторов, а в 1940 году были созданы приборы, чувствительные к излучению в инфракрасном диапазоне. Современные фотоэлектронные приборы с p-n переходом (фотодиоды, фототранзисторы, солнечные преобразователи) появились в начале 50-х годов XX века.

Взаимосвязанная пара излучатель фотоприемник и схемотехника оптопар также были предложены в 50-х годах, а промышленный выпуск оптронов для электрической развязки цепей начался в шестидесятые годы.

Возможность распространения света по криволинейной траектории благодаря использованию эффекта полного внутреннего отражения была продемонстрирована Дж. Тиндалем еще в 1870 году, а в середине 50-х годов XX века были созданы первые гибкие двухслойные световоды. В 1966 году была высказана идея волоконно – оптической связи, а в 1970 году получены первые высокочистые волокна, пригодные для этой цели.

Решающее влияние на развитие оптоэлектроники оказала разработка первых лазеров и последующее за ним создание целой индустрии лазерных технологий. Тем самым в оптоэлектронике появились когерентные и монохроматические источники оптического излучения.

Отличительной особенностью современных оптоэлектронных приборов является использование электрически нейтральных квантов оптического излучения, с высокой частотой колебаний и соответственно малым значением длины волны оптического излучения, малой расходимостью светового пучка и возможностью его острой фокусировки.

Основными элементами оптоэлектроники являются некогерентные и когерентные источники оптического излучения, фотоприемники, оптические волноводы (световоды), устройства управления оптическими пучками (модуляторы и дефлекторы), устройства согласования электрических и оптических сигналов (мультиплексоры и демультиплексоры).

В конце 60-х годов XX века появилась концепция интегральной оптики – нового поколения оптоэлектронных систем, в которых традиционные провода и радиолинии заменены на оптические световоды, а электронные интегральные схемы на оптические интегральные схемы. Достоинством таких интегрально – оптических схем являются большая частотная полоса пропускания, возможность мультиплексирования сигналов, невосприимчивость к электромагнитным помехам. Развитию интегральной оптики способствовали такие факторы, как разработка и создание надежных полупроводниковых лазеров на основе гетеропереходов и квантовых ям, и создание оптических волокон и световодов с малыми потерями.

В этом плане интегральная оптика является разделом оптоэлектроники, в котором изучаются оптические явления в тонких слоях материалов, а также разрабатываются методы создания интегрально - оптических элементов и устройств для целей генерации, преобразования и передачи информации. В рамках интегральной оптики обеспечивается возможность интеграции (объединения) оптических и оптоэлектронных элементов в едином оптоэлектронном чипе.

Тем не менее, к оптоэлектронике относится и ряд других, не менее важных направлений, например, лазерная система записи и считывания информации (жесткие диски), системы видеонаблюдения, космической лазерной связи, лазерные системы передачи информации через свободное пространство, и системы преобразования солнечной энергии в электрическую, некогерентного солнечного излучения в когерентное оптическое излучение и многое другое.

В наши дни все более широкое применение в оптоэлектронике находят наноструктуированные материалы, которые успешно начинают использоваться в создании разнообразных функциональных устройств. За этим направлением в оптоэлектронике закрепилось название нанофотоника.

Вначале будут рассмотрены общие принципы и схемы построения оптоэлектронных приборов и устройств, а уже затем будут рассмотрены принципы оптоэлектронных приборов и устройств в интегральном исполнении.

Поскольку главным импульсом в развитии оптоэлектроники стало создание закрытых устройств (световодов) для направленной передачи информационных сигналов, причем диапазон длин волн оптического излучения был выбран с учетом минимума потерь в стеклянных световодах (волоконных световодах), именно для этого оптического диапазона были разработаны генераторы и приемники когерентного излучения, также и различные управляющие и согласующие устройства. Поэтому изложение элементов оптоэлектронных систем мы начнем с изложения общих принципов распространения оптических пучков в оптических световодах и их конструкций.