3. Оптоэлектроника

В 1970-х гг. появилось новое самостоятельное направление в электронике - оптоэлектроника, для которого в середине 1990-х гг. был введен более общий термин - фотоника.

Для появления оптоэлектроники сложились объективные причины. Особенностью научно-технического прогресса середи-ны ХХ в. стал взаимообмен между различными научными на-правлениями, их перекрещивание и сближение. Оптоэлектроника объединила в себе достижения обычной и квантовой электрони-ки, оптики, физики полупроводников и ряда других научно-технических направлений. С одной стороны, ее история нераз-рывно связана с развитием оптики и электроники в целом, т.е. уходит корнями в 1930-е гг. ХIХ в. С другой стороны, только во второй половине ХХ в. достижения в этих областях, включая по-явление микроэлектроники, планарной технологии и лазера, по-зволили говорить о рождении оптоэлектроники как самостоя-тельного направления.

Оптоэлектроника возникла тогда, когда стало ясно, что многие задачи в области информатики и связи невозможно ре-шить с помощью существующих средств микроэлектроники, в том числе задачи приема, обработки, распознавания изображений и отображения информации. Оптоэлектронные приборы возник-ли как недостающее звено электроники. Для представления, об-работки и передачи информации в оптоэлектронике используют-ся не только электроны, но и фотоны. В элементах осуществляет-ся преобразование электрических сигналов в оптические и на-оборот. Оптоэлектроника, как отдельная область электроники и микроэлектроники, базируется на генерации, приеме и обработке световых сигналов с помощью оптических элементов, полупро-водниковых приборов и интегральных схем. Она использует оп-тические (линзы, призмы, оптоволокно и т.д.) и электронные (светодиоды, лазеры фотодиоды, фотоприемные БИС и т.д.) эле-менты.

Создание гетеролазера

Высшим достижением в электронике стало изобретение лазера и возникновение квантовой электроники, что привело к появлению уникальных электронных технологий. Асенидогал-лиевый лазер был открытием в науке, но его широкое примене-ние в промышленности тормозилось из-за технических недостат-ков. Проблема была решена, когда в 1967 г. был создан гетерола-зер.

Гетероструктура - это многослойный твердотельный элемент, сформированный из разнотипных полупроводниковых ма-териалов с разной шириной запрещенной зоны. Благодаря этому создается гетеропереход - граница между ними.

Свойства гетеропереходов интересовали ученых еще в 1950-х гг. У. Шокли, в числе многочисленных изобретений, по-лучил также патент на транзистор с гетеропереходом. Однако практический прибор не был реализован. В ведущих лаборато-риях мира активно исследовалась возможность создания лазеров на гетероструктурах, как основы для дальнейшего развития полупроводниковой оптоэлектроники. В 1960-1963 гг. была разра-ботана теория гетеролазера, в соответствии с которой он по сово-купности параметров мог значительно превзойти обычный полу-проводниковый лазер. Сложность была в том, что практически не удавалось получить пару полупроводников для гетероперехода, идеально подходящих друг к другу по кристаллической решетке. С 1968 г. началось жесткое соревнование между крупнейшими лабораториями США и СССР. Углубленная физическая модель гетероперехода была разработана в 1966 г. советским физиком Ж. Алферовым и, независимо, американцем Г. Крёмером.

Требуемое соединение полупроводников галлий-алюминий-арсенид (GaAlAs) было найдено в начале 1960-х гг. в ФТИ группой ученых под руководством Ж. Алферова. Изменяя концентрацию алюминия, можно получать полупроводники с одинаковой кристаллической решеткой, но с разной шириной зоны и на их основе - требуемые гетеропереходы. В 1968 г. в ФТИ был получен первый в мире импульсный гетеролазер, а в 1970 г. - гетеролазер, работающий в непрерывном режиме при комнатной температуре. В 2000 г. Ж. Алферову совместно с профессором Г. Крёмером была присуждена Нобелевская премия за развитие полупроводниковых гетероструктур.

Полупроводниковые лазеры нашли широчайшее приме-нение практически во всех сферах человеческой деятельности. В машиностроении мощные лазеры используются для формирова-ния прецизионных (сверхточных) отверстий, упрочения деталей и узлов, например, колесных пар для подвижного состава. В мик-роэлектронной технологии они применяются для формирования рисунка интегральных схем; в телекоммуникации - для создания сверхширокополосных систем связи (ВОЛС); в космических ис-следованиях - для систем навигации, астроориентации и связи между космическими аппаратами. В медицине лазер заменил скальпель и позволил проводить бескровные операции.