А.Н. Игнатов

Устройства и системы оптической связи

Предназначено для студентов дневной, заочной и ускоренной подготовки по направлению 210700 - «Инфокоммуникационные технологии и системы связи».

Новосибирск 2013

УДК 621.383 (075.32)

ББК 32.86

Проф. А.Н. Игнатов

Изложены физические основы работы оптоэлектронных приборов и нанофотоники, систематизирован материал по излучающим, фотоприемным и индикаторным приборам; рассмотрены вопросы электронных устройствах применения оптоэлектронных приборов в аналоговых и цифровых.

Основное внимание уделено полупроводниковым оптоэлектронным приборам, устройствам и системам, предназначенным для использования в микроэлектронной и наноэлектронной аппаратуре инфокоммуникационных систем. Содержание пособия ориентировано на студентов технических специальностей вузов телекоммуникаций и информатики, а также родственных вузов, изучающих курсы «Физика», «Физические основы электроники», «Электроника», «Оптоэлектронные и квантовые приборы и устройства». Для студентов всех форм обучения направлений 210700 - «Инфокоммуникационные технологии и системы связи».

Рецензенты: к.т.н., доцент НГТУ В.И. Серых

к.т.н., доцент МТУСИ А.М. Копылов

Предисловие

Перспективы развития телекоммуникационных и информационных систем однозначно связаны с совершенствованием микроэлектронной и наноэлектронной элементных баз. Последние сорок лет элементная база развивается в соответствии с законом Г. Мура. Количество элементов в изделиях микроэлектроники и наноэлектроники удваивается каждые два года. Современные электронные компоненты позволяют создавать малогабаритную, экономичную и надежную электронную аппаратуру. Центральное место в общей номенклатуре изделий электронной техники занимают оптоэлектронные приборы, а также оптоэлектронные устройства и системы.

Изделия оптоэлектроники используют электромагнитное излучение оптического диапазона для приема, обработки, передачи, а так же отображения информации.

Оптоэлектронные приборы чувствительны к электромагнитному излучению в спектральном диапазоне от инфракрасного до ультрафиолетового или излучающими электромагнитную энергию в этом диапазоне.

Для специалистов в области разработки и эксплуатации электронной аппаратуры важно обладать знаниями, как физических основ оптоэлектроники и нанофотоники, так и возможностей оптоэлектронной элементной базы.

В настоящей книге рассмотрены физические основы работы оптоэлектронных приборов и волноводов, систематизирован материал по излучающим, фотоприемным и индикаторным приборам, рассмотрены вопросы применения оптоэлектронных приборов в аналоговых и цифровых электронных устройствах, большое внимание уделено нанофотонным приборам, устройствам и системам.

Учебное пособие предназначено студентам, обучающимся по направлению 210700 «Инфокоммуникационные технологии и системы связи». Пособие соответствует учебным программам курсов «Физические основы электроники», «Электроника», «Оптоэлектронные и квантовые приборы и устройства» и «Приборы СВЧ и оптического диапазона».

Пособие рассчитано на студентов технических специальностей вузов телекоммуникаций и информатики. Оно будет так же полезным студентам родственных вузов и учащимся колледжей электронного и радиотехнического профилей.

Автор выражает благодарность Ларионовой М.С., Пимкиной Д.Ю., Петровой К.М. за помощь в подготовке книги к изданию.

Автор проф. Игнатов А.Н.

Оглавление

Предисловие 3

10

1.1 Введение в волоконную оптику 11

1.2 Особенности оптической электроники 12

1.3 История развития оптоэлектроники 14

1.4 Современное состояние оптоэлектронной элементной базы 19

1.5 Система обозначений оптоэлектронных приборов индикации 21

1.6 Система обозначений полупроводниковых приборов и оптронов 22

Тестовые вопросы к главе 1 «Введение в оптоэлектронику» 23

2 ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОПТОЭЛЕКТРОНИКИ 25

2.1 Различие между фотометрическими и энергетическими 25

характеристиками 25

2.2 Фотометрические характеристики оптического излучения 25

2.2.1 Функция видности и ее зависимость от длины электромагнитной 25

волны 25

2.2.2 Телесный угол, световой поток и механический эквивалент света 27

2.2.3 Сила света, I_V 28

2.2.4 Освещенность поверхности, Е 28

2.2.5 Закон освещенности 29

2.2.6 Светимость излучающей поверхности, М 29

2.2.7 Яркость светящейся поверхности, L 30

2.2.8 Закон Ламберта 30

2.2.9 Световая экспозиция, Н_V 30

2.3 Энергетические характеристики оптического излучения 31

2.3.1 Энергетическая экспозиция, Н_е 31

2.3.2 Поток излучения, Ф_е 31

2.3.3 Энергетическая светимость М_е (интегральная излучательная 31

способность) 31

2.3.4 Облученность поверхности, Е_е 31

2.4 Энергетические и световые параметры 32

2.5 Колориметрические параметры 33

2.6 Когерентность оптического излучения 36

2.6.1 Монохроматическая электромагнитная волна (МЭВ) 36

2.6.2 Особенности излучения электромагнитных волн 36

в ультрафиолетовом (УФ), видимом и инфракрасном (ИК) диапазонах 36

2.6.3 Время когерентности 38

2.6.4 Длина когерентности 38

2.6.5 «Радиус» когерентности 38

2.6.7 Объем когерентности 38

2.6.8 Взаимосвязь _К и l_К с реальными параметрами оптического 38

излучения 38

2.7 Квантовые переходы и вероятности излучательных переходов 38

2.7.1 Энергетические уровни и квантовые переходы 39

2.7.2 Спонтанные переходы 40

2.7.3 Вынужденные переходы 41

2.7.4 Соотношения между коэффициентами Эйнштейна 42

2.7.5 Релаксационные переходы 43

2.8 Ширина спектральной линии 44

2.9 Использование вынужденных переходов для усиления 46

электромагнитного поля 46

2.10 Механизм генерации излучения в полупроводниках 49

2.11 Прямозонные и непрямозонные полупроводники 54

2.12 Внешний квантовый выход и потери излучения 57

2.13 Излучатели на основе гетероструктур 59

2.14 Поглощение света в твердых телах 61

2.15 Типы переходов и характеристики излучающих 66

полупроводниковых структур. 66

2.16 Параметры оптического излучения 70

Тестовые вопросы к главе 2 «Физические основы оптоэлектроники» 72

3 ПРИБОРЫ НЕКОГЕРЕНТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ 74

3.1 Источники света 74

3.1.1 Разновидности источников 74

3.2 Основные характеристики и параметры светодиодов 75

3.2.1 Параметры светодиодов 75

3.2.3 Определение и оценка параметров светодиодов 81

3.2.4 Схемы возбуждения, обеспечивающие высокую световую 83

эф­фективность светодиодов 83

3.2.5 Влияние температуры 84

3.2.6 Срок службы 84

3.2.7 Ограничение тока 85

3.2.8 Достоинства твердотельных излучателей 86

3.3 Конструкции светодиодов 86

3.4 Основные схемы возбуждения светодиодов 87

3.5 Выбор типа светодиода 89

3.5.1 Основные соображения для выбора типа светодиода 89

3.5.2 Памятка разработчику 91

3.6 Электрическая модель светодиода 92

3.7 Светодиоды инфракрасного излучения 93

3.8 Светодиодные источники повышенной яркости и белого света 94

Тестовые вопросы к главе 3 «Источники некогерентного излучения» 102

4 ПРИБОРЫ КОГЕРЕНТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ 105

4.1 Физические основы усиления и генерации лазерного излучения 105

4.2 Структурная схема лазера 107

4.3 Лазеры на основе кристаллических диэлектриков 112

4.4 Жидкостные лазеры 114

4.5 Газовые лазеры 117

4.6 Устройство и принцип действия полупроводникового инжекционного моно лазера 119

4.7 Устройство и принцип действия полупроводниковых лазеров с гетероструктурами 122

4.8 Волоконно-оптические усилители и лазеры 127

4.8.1 Волоконные усилители 127

128

4.8.2 Волоконные лазеры 128

4.8.3 Волоконные лазеры на основе вынужденного комбинационного 129

рассеяния 129

4.9 Светоизлучающие диоды для волоконно-оптических систем 132

4.10 Сравнительная характеристика лазеров и светодиодов 136

4.10.1 Параметры отечественных полупроводниковых лазеров 138

и оптических модулей 138

4.11. Квантовые эффекты в полупроводниках 139

4.12. Фотонные нанокристаллы. 141

4.13. Наноэлектронные лазеры 143

4.13.1. Наноэлектронные лазеры с горизонтальными резонаторами 143

4.13.2. Наноэлектронные лазеры с вертикальными резонаторами 145

4.14.1. Органические светодиоды 153

4.14.2. Пассивно-матричные OLED 154

4.14.3. Активно-матричные OLED 155

4.14.4. Технологии получения органических светодиодов 158

Тестовые вопросы к главе 4 «Приборы когерентного излучения» 163

5 ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ФОТОПРИЕМНЫЕ ПРИБОРЫ 168

5.1 Принцип работы фотоприемных приборов 168

5.2 Характеристики, параметры и модели фотоприемников 170

5.2.1 Параметры фотоприемников 170

5.2.2 Характеристики фотоприемников 172

5.2.3 Параметры фотоприемника как элемента оптопары 173

5.2.4 Электрические модели фотоприемников 173

5.3 Фотодиоды на основе p-n – перехода 178

5.4 Фотодиоды с p–i–n структурой 181

5.5 Фотодиоды Шоттки 184

5.6 Фотодиоды с гетероструктурой 187

5.7 Лавинные фотодиоды 188

5.8 Фототранзисторы 190

5.9 Фототиристоры 194

5.10 Фоторезисторы 196

5.11 Основные характеристики и параметры фоторезистора 198

5.12 ПЗС приемные фотоприборы 200

5.13 Фотодиодные СБИС на основе МОП – транзисторов 202

5.14 Пиротехнические фотоприемники 206

5.15. Фотоприемные наноэлектронные приборы 210

5.15.1. Фотоприемники на квантовых ямах 210

5.15.2. Фотоприемники на основе квантовых точек 212

Тестовые вопросы к главе 5 «Полупроводниковые фотоприемные 219

Приборы» 219

6 ОПТРОНЫ 222

6.1 Устройство и принцип действия оптронов 222

6.2 Структурная схема оптрона 225

6.3 Классификация и параметры оптронов 226

6.4 Электрическая модель оптрона 229

6.5 Резисторные оптопары 232

6.6 Диодные оптопары 234

6.7 Транзисторные оптопары 235

6.8 Тиристорные оптопары 237

Тестовые вопросы к главе 6 «Оптроны» 240

7 ИНДИКАТОРНЫЕ ПРИБОРЫ 243

7.1 Жидкокристаллические индикаторы 243

7.1.1 Основы теории 243

7.1.2 Ячейки на основе эффекта динамического рассеяния (ДР – ячейки) 245

7.1.3 Ячейки на основе твист-эффекта 246

7.1.4 Основные типы и параметры 248

7.1.5 Схемы включения жидкокристаллических индикаторов 254

7.1.6 Схемы управления многоразрядными индикаторами 256

7.2 Электролюминесцентные индикаторы 259

7.2.1 Устройство и принцип действия 259

7.2.2 Типы и параметры 259

7.2.3 Схемы включения электролюминесцентных индикаторов 261

7.3 Плазменные панели и устройства на их основе 264

7.4 Электрохромные индикаторы 267

7.5. Отображение информации индикаторными приборами 269

Тестовые вопросы к главе 7 «Индикаторные приборы» 273

8 ПРИМЕНЕНИЕ ОПТОЭЛЕКТРОННХ ПРИБОРОВ 276

8.1 Устройство и принцип действия оптоэлектронных генераторов 276

8.1.1 Блокинг - генератор 276

8.1.2 Генератор линейно изменяющегося напряжения 278

8.1.3 Генератор с мостом Вина 279

8.2 Применение оптоэлектронных приборов в аналоговых ключах 280

и регуляторах 280

8.3 Применение оптронов для выполнения логических функций 283

8.4 Применение оптронов как аналогов электрорадиокомпонентов 284

8.5 Устройство и принцип действия оптоэлектронных усилителей 286

8.6 Устройство и принцип действия оптоэлектронных цифровых ключей 287

8.7 Применение оптоэлектронных приборов для измерения высоких 289

напряжений и управления устройствами большой мощности 289

8.8 Устройство и принцип действия оптических устройств записи 291

информации 291

8.9 Принцип лазерно-оптического считывания информации 294

8.10 Принципы цифровой оптической записи и воспроизведения 296

информации с компакт дисков 296

8.10.1 Устройство компакт-диска 296

8.10.2 Запись на компакт диски 297

8.10.3 Отличия CD-R/CD-RW дисков от штампованных 299

8.10.4 Маркировка дисков 300

8.10.5 Надежность дисков CD-R/RW в сравнении со штампованными 300

8.10.6 Изготовление и тиражирование компакт-дисков 301

8.10.7 Воспроизведение компакт-диска 303

8.10.8 Устройство накопителей на CD-ROM 304

8.10.9 Представление и параметры звукового сигнала на CD 307

8.10.10 Джиттер 309

8.11 Лазерный микропроектор со спиральной разверткой 314

для мобильных устройств 314

Тестовые вопросы к главе 8 «Применение оптоэлектронных приборов» 315

9. ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ СВЯЗИ 319

9.1. Общие сведения 319

9.2. Классификация волоконно-оптических систем распределения 320

9.3. Волоконно-оптические системы распределения 321

9.4. Оптические передатчики 323

9.5 Приемники волоконно-оптических систем связи 327

9.5.1 Приемные оптоэлектронные модули 331

9.6. Цифровые волоконно-оптические системы связи 333

9.7. Аналоговые волоконно-оптические системы связи 345

9.8 Умные соединители на основе смартлинков 346

9.8.1 Технические решения смартлинков 346

9.8.2 Самоформирующиеся компьютеры 353

9.8.3 Оптоволоконные нейроинтерфейсы 355

9.9 Волоконно оптические технологии для сетей доступа 356

9.9.1 Общие сведения 356

9.9.2 Тенденции мирового развития сетей доступа 357

9.9.3 Технологии оптических сетей доступа 358

9.9.4 Категории оптических сетей доступа 363

9.9.5 Волокно до бизнеса – FttBusiness 364

9.9.6 Волокно до дома – FTTH 365

9.9.7 Волокно до многоквартирного дома – FТТB 369

9.9.8 Волокно до сельского района 372

9.10 Медиоконверторы и их применение в оптических системах связи 373

9.10.1 Общие сведения 373

9.10.2. Основные технические требования, предъявляемые к оборудованию 374

9.10.3. Классификация медиаконвертеров по критерию управляемости 375

9.10.4. Конструктивное исполнение 375

9.10.5. Основные параметры медиаконвертеров 376

9.10.6. Система управления 377

9.10.7. Устройство и применение медиоконвертора RS-485 380

Тестовые вопросы к главе 9 «Волоконно-оптические системы связи» 382

Приложение П1 384

Приложение П2 389

392

Приложение П3 393

Приложение П4 406

Приложение П5 408

Список цитированной литературы 411

ВВЕДЕНИЕ

Физическую основу оптоэлектроники составляют процессы преобразования электрических сигналов в оптические, и оптические в электрические, процессы распространения излучения в видимой, инфракрасной и ультрафиолетовой областях спектра в различных средах, а также процессы взаимодействия электромагнитных излучений оптического диапазона с веществом.

Оптоэлектроника синтезирует достижения ряда областей науки и техники: квантовой электроники, полупроводниковой электроники, микроэлектроники. При разработке оптоэлектронных приборов широко используются возможности технологии производства интегральных микросхем. Основу практически любой оптоэлектронной системы составляют генераторы когерентного и некогерентного излучения. Генераторы когерентного излучения получили название – лазеры. Большую группу источников некогерентного излучения составляют светодиоды. Применение оптоэлектронных приборов позволяет решить следующие проблемы:

- создавать каналы связи с высокой информационной емкостью;

- создавать запоминающие устройства с высокой плотность записи информации (10⁸ бит/см²);

- передавать электромагнитную энергию концентрированно и с малыми потерями;

- обеспечивать параллельную обработку больших объемов информации при использовании временной и пространственной модуляции светового луча;

- создать близкие к идеальным элементы развязки входов и выходов устройств связи;

- создать устройства индикации и отображения информации;

- создать системы распространения образов;

- создавать перспективные типы интегрально-оптических устройств и систем.

Оптоэлектроника относится к разделу функциональной электроники и является перспективным направлением микроэлектроники и наноэлектроники. Использование оптоэлектронных приборов облегчает решение проблемы комплексной микроминиатюризации аппаратуры связи путем замены традиционных элементов связи (трансформаторов, реле, контактов и др.) и создания принципиально новых устройств хранения, отображения и обработки информации.

Настоящее пособие рассчитано на студентов технических специальностей вузов телекоммуникации и информатики, изучающих курсы «Физика», «Электронные приборы», «Физические основы электроники», «Оптоэлектронных и нанофотонных устройств и систем», «Электроника», «Оптоэлектронные и квантовые приборы и устройства», «Приборы СВЧ и оптического диапазона», «Наноэлектроника». В пособии рассмотрены принцип действия, типы, характеристики и параметры полупроводниковых светоизлучающих и фотоприемных приборов и устройств, а также вопросы их применения.

1 ВВЕДЕНИЕ В ОПТОЭЛЕКТРОНИКУ