Глава вторая элементы оптоэлектроники

1. Общие сведения

В оптоэлектронике световой луч выполняет те же функции управ­ления, преобразования и связи, что и электрический сигнал в элек­трических цепях. Элементы оптоэлектроники обладают рядом преиму­ществ по сравнению с элементами электрических цепей.

Наличие заряда у электрона не позволяет избежать его взаимо­действия с внешними электрическими и магнитными полями. Поэтому в электрических цепях эти взаимодействия всегда имеют место. Кро­ме того, в электрических цепях трудно осуществлять гальваническую развязку, особенно на низких частотах и на постоянном токе.

Так как в оптической цепи носителями сигнала являются электри­чески нейтральные фотоны, которые в световом потоке не взаимодейст-вуют между собой, не смешиваются и не рассеиваются, то обеспечива­ется: практически полная электрическая развязка входной и выходной цепей системы; хорошее согласование цепей с разными входными и вы­ходными импедансами; отсутствие обратного влияния приемника сиг­нала на его источник; пропускание и преобразование сигналов в ши­роком диапазоне частот. В этом состоят основные преимущества оптиче­ской связи.

Однако оптические системы обладают довольно ограниченными функциональными возможностями: не позволяют непосредственно преобразовывать оптические сигналы в перемещения исполнительных

Рис. 2.1. Структурная схема оптронов с внутренней фотонной связью (а) и с внутренней электрической связью (б)

механизмов, реле, двигателей и т. п. Поэтому в оптоэлектронных пре­образователях обычно используют комбинации двух способов обработ­ки и передачи информации — оптического и электрического.

Для осуществления элементарного преобразования в оптоэлектро­нике необходимо иметь управляемый источник света (фотоизлучатель), яркость свечения которого однозначно определяется электрическим сигналом, а также фотоприемник, сопротивление или э. д. с. которо­го зависит от его освещенности.

Основным компонентом оптоэлектроники является «пара с фотон­ной связью», которая носит название оптрона. Простейший оптрон представляет собой четырехполюсник, состоящий из трех элементов: источника света /, световода 2 и приемника света 3 (рис. 2.1, а). В таких оптронах развязка между входом и выходом характеризуется только сопротивлением утечки цепи и составляет Ю¹*—10^м Ом. Вход­ной электрический сигнал в виде импульса или перепада входного тока возбуждает фотоизлучатель и вызывает световое излучение. Световой сигнал по световоду попадает в фотоприемник, на выходе которого образуется электрический импульс или перепад выходного тока. Вну­тренняя связь в оптроне данного типа — фотонная, а внешние— элек- трнческпе.

Возможен и другой тип оптрона — с электрической внутренней связью и фотонными внешними связями (рис. 2.1,6). Он служит для усиления световых сигналов или преобразования сигнала одной ча­стоты в сигнал другой частоты, например сигналов невидимого инфра­красного излучения в сигнал видимого спектра. Светоприемник / пре­образует входной световой сигнал в электрический. Последний усили- 94вается электронным усилителем 2 и возбуждает источник света 3, ча­стота излучения которого может существенно отличаться от частоты входного сигнала. С помощью более сложных оптических и электриче­ских связей удается получить оптроны с самыми различными свойст­вами.

К оптоэлектронным элементам обычно относят не только всевоз­можные оптроны, но также полупроводниковые приборы, выполняю­щие функции устройств оптической переработки информации. Сюда относятся многоэлементные матричные люминесцентные экраны для отображения информации, сканисторы — устройства развертки изо­бражений, знаковые индикаторы и т. п., а также единичные преобразо­ватели электрических и оптических сигналов — фотоизлучатели и фо­топриемники.