1.2 Особенности оптической электроники

Необходимость дальнейшего освоения оптического диапазона и перенесение на него хорошо развитых в настоящее время методов радиофизики, радиотехники и электроники определяются рядом принципиальных обстоятельств [4]:

• частота электромагнитных колебаний (несущая частота ₀) в оптическом диапазоне существенно выше, чем в радиодиапазоне. Например, частота световых колебаний в наиболее освоенной видимой и ближней инфракрасной областях спектра (~10¹⁵ Гц - 10¹³ Гц) в миллионы раз превышает частоту радиоволн в областях радио- и телевещания. Это определяет высокую информационную емкость оптического канала связи. Напомним, что для пере­дачи обычного телевизионного изображения требуется полоса частот   5МГц. Поэтому в метровом диапазоне (при    м ₀ = 300 МГц) можно передать лишь около десятка телевизионных программ. В оптическом диапазоне при том же отношении ₀ это число возрастает в миллионы раз;

• длина световых волн существенно меньше, чем длина радиоволн. Это позволяет получить высокую концентрацию оптического излучения в пространстве, поскольку минимальный объем, в котором можно сфокусировать электромагнитное излучение, имеет характерные размеры порядка длины волны. Размеры волноводов, по которым может передаваться излучение с малыми потерями, также должны быть порядка длины волны. Поэтому оптические волно­воды (световоды) при прочих равных условиях обладают существенно меньшими (на несколько порядков) размерами по сравнению с СВЧ – волноводами, что важно с точки зрения микроминиатюризации электронной аппаратуры. И наконец, в оптическом диапазоне нетрудно сформировать уз­кую диаграмму направленности излучения с углом расходимости 0,1° и менее. Для формирования подобной диаграммы в радиодиапазоне (при  = 1 м) потребовалась бы антенна диаметром порядка сотен метров. В оптическом диапазоне функцию такой антенны способны выполнить, например, сферическое зеркало или линза умеренных размеров, поскольку для получения одинаковой диаграммы направленности размер антенны пропорционален длине волны;

• передача информации осуществляется фотонами. В отличие от электронов, которые служат основными носителями информации в обычных электронных приборах, фотоны являются электрически нейтральными частицами, не взаимодействующими между собой и с внешним электрическим и магнитным полями. Это определяет возможность идеальной гальванической развязки входа и выхода, однонаправленность потока информации, высокую помехозащи­щенность, исключение взаимных наводок и паразитных связей между различными элементами схемы. Поэтому использование оптических методов в современной микроэлектронике заметно расширяет ее функциональные возможности, позволяя выполнять многоканальные сложные связи и осуществлять «оптический монтаж», исходя лишь из тре­буемых функциональных задач. Так как фотон в оптоэлектронных системах является основным носителем информации, то по аналогии с электроникой, оптоэлектронику называют также фотоникой;

• применение оптических методов записи, хранения и обработки информации открывает новые возможности для построения ЭВМ. Это обусловлено, с одной стороны, возможностью реализации новых принципов параллельной обработки информации (например, на основе голографических методов), а с другой – возможностью достижения высокой плотности записи информации (~10⁸ бит/см²) в оптических запоминающих устройствах.

На сегодняшний день реализована лишь небольшая часть перечисленных преимуществ оптической электроники, которая, по мнению специалистов, будет в значительной мере определять технику завтрашнего дня. Для реализации этих преимуществ необходимо прежде всего понимать физические процессы взаимодействия оптического излучения с веществом, ибо они являются фундаментом всей квантовой и оптической электроники.

Квантовая электроника – область науки и техники, исследующая и применяющая квантовые явления для генерации, усиления и преобразования когерентных электро­магнитных волн.

Оптоэлектроника – область науки и техники, исследующая и применяющая процессы взаимодействия оптического излучения с веществом для передачи, приема, переработки, хранения и отображения информации.

Оптическое излучение – электромагнитное излучение оптического диапазона.

Оптический диапазон спектра составляют электромаг­нитные колебания, длина волн которых лежит в пределах от 10 нм до 1 мм. Внутри оптического диапазона выделяют видимое ( = 0,38  0,78 мкм), инфракрасное ( = 0,78  1000 мкм) и ультрафиолетовое ( = 0,01  0,38 мкм) из­лучение.

Световые волны – электромагнитные волны оптичес­кого диапазона.

Монохроматическое излучение – оптическое излуче­ние, характеризующееся какой-либо одной частотой (од­ной длиной волны) световых колебаний.

Квантовый усилитель – усилитель электромагнит­ных волн, основанный на использовании вынужденного из­лучения.

Квантовый генератор – источник когерентного излучения, основанный на использовании вынужденного излу­чения.

Лазер (оптический квантовый генератор) – квантовый генератор оптического излучения.

Мазер – квантовый генератор электромагнитного излучения радиодиапазона.

Вынужденное излучение – когерентное электромагнит­ное излучение, возникающее в результате вынужденного испускания.

Вынужденное испускание – когерентное испускание фо­тона при квантовом переходе системы в результате взаимо­действия с внешним электромагнитным полем.

Когерентность – согласованное протекание во време­ни и в пространстве колебательных или волновых процес­сов. Электромагнитная волна называется когерентной, если ее амплитуда, частота, фаза, направление распространения и поляризация постоянны или изменяются по определенно­му закону (упорядоченно).