2 Оптоэлектроника и оптоэлектронные устройства

Оптоэлектроника одно из наиболее развитых направлений в функциональной микроэлектронике, поскольку оптические и фотоэлектрические явления достаточно хорошо изучены, а технические средства, основанные на этих явлениях, длительное время используются в электронике (фотоэлементы, фотоэлектронные умножители, фотодиоды, фототранзисторы и др.). Тем не менее, оптоэлектроника как самостоятельное научно-техническое направление возникла сравнительно недавно, а ее достижения неразрывно связаны с развитием современной микроэлектроники.

Первоначально оптоэлектроника считалась сравнительно узкой отраслью электроники, изучающей лишь полупроводниковые светоизлучатели и фотоприемники. Однако в последнее время понятие «Оптоэлектроника» значительно расширилось. Теперь в него включают и такие недавно возникшие направления, как лазерная техника, волоконная оптика, голография и др.

В соответствии с рекомендациями МЭК (Международной электротехнической комиссии) оптоэлектронный прибор определяется как прибор, чувствительный к электромагнитному излучению в видимой, инфракрасной или ультрафиолетовой областях; или прибор, излучающий и преобразующий некогерентное или когерентное излучение в этих же спектральных областях; или же прибор, использующий такое электромагнитное излучение для своей работы.

Оптоэлектроника основана на электронно-оптическом принципе получения, передачи, обработки и хранения информации, носителем которой является электрически нейтральный фотон. Совмещение в оптоэлектронных функциональных устройствах двух способов обработки и передачи информации оптического и электрического позволяет достигать огромного быстродействия, высокой плотности размещения хранимой информации, создания высокоэффективных средств отображения информации. Очень важным преимуществом элементов оптоэлектроники является то, что они оптически связаны, а электрически изолированы между собой. Это обеспечивает надежное согласование различных оптоэлектронных цепей, способствует однонаправленности передачи информации, помехоустойчивости каналов передачи сигналов. Изготовление полупроводниковых элементов оптоэлектроники - оптронов совместимо с интегральной технологией, поэтому их создание может быть включено в единый технологический цикл производства интегральных микросхем.

2.1 Оптоэлектронные приборы

Оптоэлектронный прибор в широком смысле определяется как прибор, использующий для своей работы оптическое излучение. Формами этого использования могут быть генерация, детектирование, преобразование, передача информационных сигналов. Однако практически этим термином обобщаются приборы и устройства, содержащие излучатели и приемники, взаимодействующие друг с другом. Приборы же, в которых выполняется лишь один вид преобразования, — излучатели, индикаторы, фотоприемники, модуляторы и др. - чаще рассматривают отдельно как элементы оптоэлектронных приборов и систем.

2.1.1 Оптопары

Оптопарой называют оптоэлектронный прибор, в котором конструктивно объединены в общем корпусе излучатель на входе и фотоприемник на выходе; взаимодействующие друг с другом оптически и электрически. Связь между компонентами оптопары может быть прямой или обратной, положительной или отрицательной, одна из них (электрическая или оптическая связь) может отсутствовать.

Иногда оптопару отождествляют с оптроном, однако последний термин является более широким. Между элементами оптрона может быть осуществлена как оптическая, так и электрическая связь (прямая или обратная, положительная или отрицательная). Вход и выход оптрона также могут быть как электрическими, так и оптическими соответственно. В настоящее время широкое распространение получили лишь оптроны с прямой оптической связью, т.е. оптопары - рисунок 1.

Рисунок 2.1 - Функциональные схемы оптопар

Основные функциональные разновидности этих приборов представлены на рисунке 1, где И - излучатель, ФП - фотоприемник; УС - устройство связи. Оптопара с прямой оптической и обратной электрической связью (рис. 2.1, а) используется как элемент развязки, т.е. оптрон с оптическим входом и выходом, и представляет собой преобразователь световых сигналов. Это может быть простое усиление (ослабление) интенсивности света, преобразование спектра или направления поляризации, преобразование некогерентного излучения в когерентное и т.п. Если в таком оптроне фотоприемник и излучатель многоэлементные, то он может выполнять функцию преобразователя изображений. В оптроне с электрической и оптической связью (рис. 2.1, б) при определенных условиях может осуществляться частичная или полная регенерация (восстановление) входного сигнала за счет обратной связи, в силу чего на вольтамперной характеристике появляется падающий участок или несколько участков - такой прибор получил название регенеративного оптрона. В регенеративном оптроне могут реализовываться любые комбинации видов входных и выходных сигналов (электрических или оптических).

Важным элементом оптопары является оптический канал между излучателем и фотоприемником. Существуют три его разновидности. Прежде всего, это простой светопровод, предназначенный для передачи энергии излучения на фотоприемник; обычно он выполняется в виде прозрачной иммерсионной среды. Возможно и такое конструктивное решение, при котором в зазоре между излучателем и приемником имеется доступ извне; в этом случае мы имеем оптопару с открытым оптическим каналом. Наконец, оптический канал может быть выполнен из материала, светопропускание которого изменяется при внешних воздействиях; такой прибор называют оптопарой с управляемым оптическим каналом.

Функциональные возможности оптопар:

а) Импульсный трансформатор - диодная и транзисторная оптопары; оптоэлектронный переключатель; оптоэлектронный развязывающий усилитель;

б) Переключатель - тиристорная, транзисторная и резисторная оптопары; оптоэлектронный коммутатор;

в) Переменный резистор, потенциометр - резисторная оптопара и ее комбинации;

г) Переменный конденсатор, варикап - оптопара с варикапом;

д) Электрическая батарея - диодная оптопара и ее наборы;

е) Линия связи - волстрон;

ж) Полевой транзистор - оптопара с управляемым оптическим каналом;

з) Бистабильное устройство, триггер - регенеративный оптрон и его комбинации;

и) Датчик - оптопара с открытым оптическим каналом, оптопара с управляемым оптическим каналом;

к) Электронно-оптический преобразователь - оптрон с оптическим входом и выходом.

Среди оптопар, используемых для развязки – рис. 2.2, наиболее широко представлены такие, у которых в качестве фотоприемника применены транзистор (а), диод (б), резистор (в), составной транзистор (г), тиристор (д), пара диодов (е) (для дифференциальной схемы).

Рисунок 2.2 - Оптопары для гальванической развязки

На рис. 2.3 представлены примеры конструкций оптронов: 1 - излучатель, 2 - фотоприемник, 3 - оптический канал, 4 - корпус, 5 - выводы, 6 - отражающая поверхность.

Рисунок 2.3 - Конструкции оптронов