Оптоелектроніка

Рекомендовано Міністерством освіти і науки України як навчальний посібник для студентів вищих навчальних закладів, які навчаються за напрямом підготовки "Електронні пристрої та системи”

УДК 621.385:537.525 ВБК 32.86 Г15

Рекомендовано Міністерством освіти і науки України як навчальний посібник для студентів вищих навчальних закладів, які навчаються за напрямом підготовки «Електронні пристрої та системи» (Лист № 1/11-184 від 22.01.2010)

Рецензенти:

10. В. Аркуша, д-р фіз.-мат. Наук., проф. Кафедри фізичної та напівпровідникової електроніки хну ім. В. Н. Каразіна;

А. П. Ластовка, канд. техн. наук, доц. кафедри промислової та біомедичної електроніки, декан по роботі з іноземними студентами НТУ « ХПІ »

Галат, О. Б.

Г15 Оптоелектроніка [Текст] : навч. посіб. / О. Б. Галат, Ю. О. І’ордієнко, М. Г. Старжинський. — X. : Компанія СМІТ, 2010. — 198 с.

ISBN 978-966-2028-53-9

У навчальному посібнику викладено фізичні основи та принцип дії най­важливіших оптоелектронних приладів, конструкції, технологія виготов­лення, розрахункові співвідношення. Багато уваги приділено використан­ню приладів у промисловості, науці та побутовому вжитку. Наведено перспективи та напрямки розвитку оптоелектронних приладів і систем.

Для студентів денної та заочної форм навчання напрямів «Електронні пристрої та системи», «Мікро- і наноелектроніка», «Фізична та біомедична електроніка», «Оптотехніка» та інших,

УДК 621.385:537.525 ББК 32.86

©О. Б. Галат, Ю. О. Гордієнко, М, Г. Старжинський, 2009 ISBN 978-966-2028-53-9 ©TOB «Компанія СМІТ», 2009

ЗМІСТ

Оптоелектроніка 1

(1.2) 14

, (1.6) 20

(1.10) 22

„ ^ио -^и''' ^гст 157

1. 3. Приймачі випромінювання

3.1

Оптоелектроніка 1

(1.2) 14

, (1.6) 20

(1.10) 22

„ ^ио -^и''' ^гст 157

9. Приклади аудиторних і домашніх завдань…………………………………………116

5. Елементи інтегральної оптики

5.1

Оптоелектроніка 1

(1.2) 14

, (1.6) 20

(1.10) 22

„ ^ио -^и''' ^гст 157

Перелік скорочень

АСК — автоматизована система керування

АРІЇ — автоматичне регулювання підсилення

ВАХ — вольтамперна характеристика

ВІС — велика інтегральна схема

ВЛІ — вакуумний люмінесцентний індикатор

ВОЛЗ — волоконно-оптична лінія зв’язку

ВОСЗ — волоконно-оптична система зв’язку

ВОСПІ — волоконно-оптична система передачі інформації

ВС — волоконний світловод

ВСЗ — візуалізація схованого зображення

ГРІ — газорозрядний індикатор

ГФЕ — епітаксія з газової фази

ДКП — декодувальний пристрій

ЕЛІ — електролюмінесцентний індикатор

ЕОЗ — елемент оптичного зв’язку

ЕОК — електрооптичний комутатор

ЕОП — електронно-оптичний перетворювач

ЕПТ — електронно-променева трубка

ЕРС — електрорушійна сила

ЕХІ — електрохромний індикатор

ЗП — запам’ятовувальний пристрій

ІД — інтегральний детектор

ІМС — інтегральна мікросхема

ІЧ — інфрачервоний

КМОН — структура кремній — метал — окисел — напівпровідник

ККД — коефіцієнт корисної дії

КП — кодувальний пристрій

ЛД — лазерний діод

ЛФД — лавинний фотодіод

МДН-ЕОМ — структура метал — діелектрик — напівпровідник— електрооптичний матеріал

МКО — Міжнародна комісія з освітлення

МОН — структура метал — окисел — напівпровідник

МРЕ — магніторефрактивний ефект

НВІС — надвелика інтегральна схема

НВЧ — надвисокі частоти

НІ — накальний індикатор

НЛ — напівпровідниковий лазер

НП — напівпровідник

НПД — напівпровідниковий детектор

НПI — напівпровідниковий індикатор

НПЛ — напівпровідниковий лазер

OB — оптичне волокно

ОЕІМС — оптоелектронна інтегральна мікросхема

ПГС-лазер — лазер з подвійною гетероструктурою

ПЕ — погоджувальний елемент

ПЗЗ — прилад із зарядовим зв’язком

ПКВ — пристрій керування випромінюванням

ПОІ — пристрій обміну інформації

РБВ-лазер — напівпровідниковий лазер з розподіленими бреггівськими відбивачами

РЕА — радіоелектронна апаратура

Р33 — лазер - лазер з розподіленим зворотним зв’язком

РК — рідкий кристал

РКІ — рідкокристалічний індикатор

PC — радіаційна стійкість

РФЕ — рідиннофазна епітаксія

СВД — світловипромінювальний діод

СЖ — схема живлення

СЦ — сцинтилятор

СЦ-ФД — пристрій сцинтилятор — фотодіод

ТЕ-хвиля — електромагнітна хвиля з поперечною електричною скла­довою поля

ТМ-хвиля — електромагнітна хвиля з поперечною магнітною складовою поля

ТОЕ — термооптичний ефект

УФ — ультрафіолетовий

ФД — фотодіод

ФП — фотоприймач

ФПП — фотоприймальний пристрій

ФЕП — фотоелектронний помножувач

ФР — фоторезистор

XC — халькогенідний сцинтилятор

ШІМ — широтно-імпульсна модуляція

AMOLED — active matrix organic light emitting diode (органічний СВД з активною матрицею)

СNT — carbon nanotube (вуглецева нанотрубка)

FED — field effect display (дисплей з польовою емісією, автоемісійний дисплей)

FOLED — flexible OLED (екрани на гнучкій підкладці)

IGBT — isolated gate bipolar transistor (біполярний транзистор з ізольованим затвором)

MOSFET — metal-oxide-semiconductor-field-effect-transistor (польовий транзистор зі структурою МОН)

NA — numeral aperture (числова апертура)

OLED — organic light emission diode (органічний світловипромінювальний діод)

PDP — plasma display panel (плазмова панель)

SED — surfaceconduction electronemitter display (автоемісійний дисплей з поверхневою провідністю)

SOLED — stacked OLED (розташування субпікселів « бутербродом »)

TDEL — thick-film dielectric electroluminescent (товстоплівкові діелектричні електролюмінесцентні панелі)

TFT — thin film transistor (тонкоплівковий транзистор)

TOLED — transparent OLED (дисплей з прозорим екраном)

VCSEL — лазер поверхневого випромінювання з вертикальним ре­зонатором

ВСТУП

Оптоелектроніка — галузь електроніки, пов’язана з генера­ли ю, перенесенням, перетворенням і зберіганням інформації на основі використання подвійних — електричних і оптичних ме­тодів і засобів [1].

Розвиток оптоелектроніки в останні роки відбувається дуже швидко, стрімко вбираючи новітні досягнення науки й техніки. До них, насамперед, належать мікроелектронні технології та нанотехнології, прогрес у виробництві оптичних матеріалів, фотоніка, квантова електроніка.

Оптоелектронні пристрої нестримним потоком вливаються в на­ше повсякденне життя. Це перш за все різноманітні засоби відоб­раження інформації: рідкокристалічні та плазмові телевізори, дисплеї комп’ютерів, мобільних телефонів, музичних центрів, відеокамер тощо. Сучасні засоби телекомунікацій важко уявити без оптоволоконних ліній зв’язку.

Розвиток оптоелектроніки значною мірою пов’язаний з тим, що транзистори та інтегральні мікросхеми стрімко зменшували свої розміри, але проміжні з’єднання, погоджуючі пристрої, засоби введення, виведення та відображення інформації не можна було мініатюризувати у такому самому темпі, що створило значну про­блему. До того ж об’єми передачі інформації між електронними вузлами, навіть усередині процесора ЕОМ перевищували можли­вості традиційних ліній сполучення. Наявність механічних дета­лей та з’єднувальних пристроїв знижує надійність і скорочує термін використання приладів, невисокі експлуатаційні характе­ристики таких елементів стримують втілення стрімко зростаючих сучасних вимог і розробок. Матеріали та методи виготовлення еле­ментів не дають можливості застосування інтегральної технології.

Технології та матеріали оптоелектроніки здатні суттєво зміни­ти процес виготовлення згаданих елементів та реально використо­вувати при цьому добре розвинуті мікроелектронні інтегральні за­соби. Найбільш яскраво це проявляється у виробництві сучасних індикаторних пристроїв. Саме тут оптика й електроніка реалізу­ють найбільш вдалі сполучення високих технологій: прозорий тонкоплівковий транзистор керує світло пропусканням піксела екрана, плазмові панелі з’єднали газовий розряд з надскладною мікроелектронною системою керування. Разом з різноманіттям вироблених дискретних оптоелектронних компонентів ми спосте­рігаємо швидкий прогрес функціонально завершених приладів і систем (плоскі дисплеї, телеекрани, цифрова фото- і відеотехніка, мобільні телефони, інформаційні мультимедіасистеми).

Розвиток оптоелектроніки стимулюється також тим, що сучас­ні засоби зберігання, перетворення й передачі інформації практич­но близькі до досягнення своїх граничних можливостей. У той же час характерною рисою науково-технічної революції є постійне зростання обсягу інформації на всіх етапах її обробки. Засоби опто­електроніки мають, практично невичерпні можливості підвищен­ня швидкості обробки інформації.

Поряд з електронно-оптичним напрямком розвитку оптоелект­роніки (взаємодія електронних та оптичних засобів, заміна тра­диційних електронних і магнітних зв’язків оптичними) існує та бурхливо розвивається суто оптичний (пристрої пам’яті високої ємності — понад 10 біт, пристрої розпізнавання образів, керовані функціональні оптичні середовища, оптичні комп’ютери).

Оптоелектронні прилади й пристрої мають ряд особливостей, пов’язаних з якісною відмінністю оптичного сигналу від електрич­ного:

• частота світлових коливань (10¹³...10¹⁵ Гц) в 10³...10⁵ разів вища, ніж в основному діапазоні радіохвиль. Це забезпечує високу досяжну щільність запису інформації в оптичних запам’ятовувальних пристроях (~10¹² біт/см² ), значно більшу швидкість та щільність передачі інформації;

• висока спрямованість світлового випромінювання, обумовле­на тим, що кутова розбіжність променя пропорційна величині λ і може бути меншою 1 кутової хвилини. Це дозволяє спрямо­вувати лазерний промінь на фоточутливі площадки мікрон­них розмірів, передавати електромагнітну енергію в задану область простору з малими втратами;

• значно ширші можливості модуляції світлового променя (амплітудна, часова, просторова, поляризаційна), що дає біль­ше можливостей для паралельної передачі та обробки інфор­мації;

• електрично-нейтральні фотони не взаємодіють між собою у світловому потоці, не створюють ні електричних, ні маг­нітних полів, що приводять до паразитних зв’язків в елек­тронних ланцюгах. Отже, можна передавати одночасно безліч оптичних сигналів без взаємного впливу один на одного й з пе­ретинанням світлових променів;

• електронно-оптичні перетворення в ланцюгах пристроїв дозволяють здійснити практично повну електричну розв’язку входу й виходу системи, узгодження високовольтних ланцю­гів з низьковольтними, високоопірних з низькоопірними, високочастотних з низькочастотними. Гальванічна розв’язка заснована на електричній нейтральності фотонів і односпря- мованості переданих сигналів;

• принципово дуже мала ширина спектральних ліній (у разі ви­користання лазерів вона дорівнює 10^-9… 10^-11 м) дає можли­вість забезпечити високу стабільність та вибірковість оптич­ного зв’язку;

• оптичні сигнали сприймаються оком людини безпосередньо, що відкриває перспективи створення пристроїв справді функ­ціональної мікроелектроніки — основи кібернетичних систем майбутнього, що разом з високою логічною потужністю мають можливість адаптації, здатність оперувати образами, а також зближують електроніку з людиною.

Щоб реалізувати названі переваги фотонного зв’язку, необхідно вміти ефективно здійснювати перетворення електричного сигналу в оптичний і навпаки. При оцінці ефективності фотонного зв’язку слід брати до уваги простоту генерування випромінювання й досяг­нутий ККД, високу якість і гранично малі втрати волоконних світловодів, ефективність фотоприймачів.

З цієї причини із усього спектра електромагнітних коливань в оптоелектроніці найчастіше використовується діапазон довжин хвиль 400...1650 нм, що включає в себе видиму частину спектра. Для діапазону видимого випромінювання добре досліджено погли­наючі й прозорі матеріали, розроблено методи й засоби каналізації світлового потоку за допомогою волоконної оптики. У цьому діа­пазоні працює більшість керованих джерел світла. Максимальна фоточутливість приймачів зазвичай спостерігається у видимій частині спектра. У короткохвильовій частині діапазону відбува­ється значне поглинання оптичного сигналу у світловодах.

З боку довгохвильової границі (інфрачервоне випромінювання) обмеження обумовлене необхідністю глибокого охолодження фотоприймачів рідким азотом, воднем і гелієм. При цьому зроста­ють шуми, пов’язані з фоновим випромінюванням нагрітих тіл. З огляду на це активно освоюється ближня інфрачервона (14) об­ласть (800...1650 нм), що пов’язано з прогресом у сфері синтезу ефективних приймачів випромінювання й напівпровідникових матеріалів для даного діапазону, що працюють при кімнатній температурі.

Таким чином, в оптоелектроніці для фотонного зв’язку викори­стовується видима й ближня інфрачервона частина спектра елект­ромагнітних коливань. Водночас для запису, відображення та зберігання інформації опановуються синьо-фіолетовий та УФ діа­пазони.

Оптоелектроніка досить успішно розв’язує проблеми, що ви­никли у ході розвитку мікроелектроніки. Зокрема, це проблема сумісності елементів різних електронних пристроїв, сумісності технологій, мікромініатюризації елементів, підвищення надій­ності, ефективності приладів і систем. Однак оптоелектроніка має й свої самостійні напрямки розвитку, засновані на специфіці її ос­новного носія інформації — фотона. Ця специфіка дала поштовх розробкам у галузі нових матеріалів — оптичних середовищ для передачі випромінювання на великі відстані [2], дослідженням матеріалів, що змінюють характеристики випромінювання (моду­ляторів), джерел і приймачів світла [3—5]. Досягнення оптоелект­роніки мають широкі практичні застосування: зростання якості й надійності далекого зв’язку, економічні джерела світла, волоконно-оптичні датчики, інтерферометри тощо. Оптоелектроніка успішно просувається в галузь нанорозмірів, розробляються оптичні лінії передачі інформації з використанням фотонних кристалів (так звані фотонні «напівпровідники») й оптичні ІМС [6], відкриті явища й ефекти, що пов’язують її зі спінтронікою [7]. Усе це дозволяє зробити висновок стосовно не тільки величезного значення оптоелектроніки для науки й суспільства, але й широких перспектив її розвитку.

Предмет оптоелектроніки досліджувався багатьма авторами [1—14]. Ряд робіт [1, 8—14] містять послідовний виклад теоретич­них основ, починаючи від короткого опису [11—13] і завершуючи досить всебічним [3,14]. Інші джерела віддають перевагу опису конкретних приладів [3—5, 15—20], систем і технологічних про­цесів [21—26].

У посібнику коротко висвітлюються основні розділи оптоелект­роніки, фізичні аспекти викладені в об’ємі, необхідному для розу­міння принципу роботи, основну увагу приділено компонентам, пристроям і приладам.

Посібник призначений для студентів, які навчаються за напря­мами «Електронні пристрої й системи», «Мікро- і наноелектро- ніка», «Фізичнатабіомедичнаелектроніка» «Оптотехніка» таін.