Тема з. Оптоелектронні елементи tа системи

Вихідним матеріалом сучасних електронних пристроїв є тверде ті­ло, в якому можуть протікати не лише електричні, а й інші процеси, зв'язані з магнітними, тепловими, оптичними, а також механічними явищами. Неелектричні процеси в твердому тілі тісно пов'язані з елек­тричними процесами певними законами.

Електронні пристрої та системи , в яких використовують разом з традиційними електричними ефектами неелектричні, лежать в основі нового напряму в електроніці - оптоелектроніці.

Оптоелектроніка - це область електроніки, в якій вивчаються як оптичні, так і електронні явища в тілах, а також розглядаються пи­тання перетворення оптичних сигналів в електричні і навпаки.

Практичною реалізацією таких явищ є створення оптоелектронних елементів (пристроїв) та інформаційних оптоелектронних систем. Ос­новними структурними елементами оптоелектроніки е джерела світла, фотоприймачі, індикатори, лінії зв'язку, оптрони, які використову­ються у створенні оптоелектронних систем оптичної пам'яті, оптично­го зв'язку тощо. Такі пристрої та системи знаходять широке застосу­вання в області промислової електроніки.

Матеріальна база оптоелектроніки значно багатша та різноманіт­ніша за матеріальну базу електроніки. Якщо, наприклад, найскладні­ші електронні пристрої (інтегральні мікросхеми) функціонують по су­ті на основі окремих напівпровідникових пристроїв з p-n-переходами, або пристроїв, виконаних за структурою метал-діелектрик-напівпро­відник (пасивні елементи виключаються), то оптоелектронні пристрої використовують цілий набір матеріалів: напівпровідники, сегнето­електрики, феромагнетики, п'єзоелектрики, леговане та халкогенід­не скло, деякі органічні матеріали (сахароза, желатин та ін.). Оптоелектронні пристрої - твердотілі. Це дозволяє використовувати для їх виготовлення методи сучасної інтегральної технології. Такий на­прям функціональної електроніки називають функціональною мікроелектронікою. Потрібно відзначити, що в пристроях функціональної мікроелектроніки використовується не тільки технологічна інтеграція, яка характерна для напівпровідникових та гібридних ІС, а й функціональна інтеграція, тобто застосування в одному пристрої кількох фі­зичних явищ.

3.1. Особливості оптоелектроніки

Розвиток теорії квантової електроніки, яка е результатом синтезу ідей трьох розділів фізики: атомної, радіофізики та оптики, дав змогу створити найважливіший структурний елемент оптоелектроніки - ­випромінювач світла. Одночасно зародилася ідея волоконно-оптичних ліній зв'язку, практичне втілення якої почалося в кінці 60-х років. З'явилася можливість побудувати канал оптичного зв'язку, який містить у собі кодоване джерело світла, тракт передачі інформації у ви­гляді світлового променя та фотоприймач.

Промислова реалізація в 1965-1967 рр. за цією схемою пристрою з відкритим повітряним каналом, названого оптроном, показала ве­лику його ефективність як функціонального елемента електричного кола. Тепер для передачі та обробки інформації застосовують складні оптоелектронні систем и на основі поєднання оптичних та гальванічних зв'язків та перетворення інформації у формі оптичних та електричних сигналів у функціональних електронних колах. Таким чином, опто­електроніка, яка являє собою новий клас функціональних електрон­них кіл на базі твердого тіла із оптичною ланкою в тракті передачі сигналу, розв’язує питання перетворення за заданим алгоритмом як оптичних, так і електричних сигналів.

Функції керування та перетворення в оптоелектронній системі по­ряд з електричними процесами виконує електронний промінь. Тому ланцюги з електричним кільцем відрізняються новими якісними по­казниками в порівнянні з нині діючими електронними ланцюгами ке­рування та перетворення. У звичайній електронній системі носії інформації - електрони та керуюче середовище - електричне поле ма­ють ту саму природу, що обумовлює низький захист системи від завад. В оптоелектроніці це обмеження відсутнє, оскільки носіями інформації є електрично нейтральні фотони. Відсутність взаємодії між фотонами, які не створюють ні електричних, ні магнітних полів, повністю виключає взаємні паразитні впливи між елементами та з’єднаннями оптоелектронної системи і не обмежує подальшого підвищення ступеня інтеграції, щільності пакування елементів та швидкодії системи. Світловий промінь також забезпечує однонапрямленість потоку інформації при відсутності зворотної реакції фотоприймача на джерело, переда­чу одночасно багатьох оптичних сигналів без взаємодії, а також іде­альну гальванічну розв'язку між входом та виходом. Останнім забезпечується можливість узгодження високоомних кіл з низькоомними, високовольтних з низьковольтними. Стійкість до перевантажень оп­тичного каналу зв'язку в 10⁶ ... 10⁹ раз перевищує рівень робочих сигналів оптоелектронної системи, що характеризує її високу надійність. Все це вигідно відрізняє оптичний зв'язок від гальванічного.

Як показує аналіз, найбільша ефективність роботи тракту оптич­ного зв'язку забезпечується в діапазоні довжин хвиль 0,4 ... 1,2 мкм, що охоплює й видиму частину спектра. Робота оптоелектронних си­стем в короткохвильовому діапазоні характеризується сильним зату­ханням оптичного сигналу в світловоді. Обмеження інфрачервоної об­ласті (довгохвильової частини діапазону) пов'язано з необхідністю гли­бокого охолодження фотоприймачів гелієм, воднем чи рідким азотом. Тому оптоелектронні системи звичайно працюють у видимій частині оптичного спектра, де чутливість фотоприймачів максимальна. Це забезпечує також можливість візуального контролю стану елементів оп­тоелектронних систем за їх світимістю. У пристроях та системах з чисто гальванічним зв'язком такий контроль забезпечується за допо­могою спеціальних індикаторних засобів, що ускладнює виріб і знижує його надійність. Висока частота оптичних коливань забезпечує можливість створення широкосмугових систем функціональної мікроелектро­ніки.

Останнім часом широкого розвитку набули основні різновидності оптоелектронних пристроїв, серед яких гідне місце займають пристрої відображення інформації: цифрові табло, індикаторні екрани та інші пристрої картинної логіки. Візуальне відображення інформації за своєю природою завжди спиралося на оптичні явища. Типовими пред­ставниками електронних пристроїв відображення інформації є напів­провідникові та рідиннокристалічні індикатори і багаторозрядні та плазмені дисплеї тощо, які відрізняються доброю яскравістю та контрастністю світіння, а також високою економічністю, надійністю та довговічністю. Найважливішою особливістю таких пристроїв є їх сумісність з інтегральними мікросхемами керування індикаторами, що не характерно для електронно-вакуумних та іонних індикаторів.

Розвиток оптоелектроніки перспективний також з точки зору комплексної мікромініатюризації радіоелектронних пристроїв.

Такі традиційні елементи зв'язку, як роз’єднувачі, кабелі, реле, імпульсні трансформатори, геркони, погано стикуються з дискретними напівпровідниковими пристроями, а тим більше з інтегральними мікросхемами, займаючи більшу частину маси та об’єму виробу та роз­сіюючи велику потужність споживача.

Тільки оптоелектроніка відкриває реальні шляхи для розв'язання вказаних суперечностей між традиційними електрорадіокомпонентами та інтегральними мікросхемами.