4. Световоды и простейшие оптроны

Между источником излучения и фотоприемником имеется среда, которая выполняет функции световода. Для того тобы уменьшить по­тери на отражение от границы раздела светоизлучателя и проводящей среды (световода), последняя должна обладать большим коэффициен

-том преломления, так как соответствующий коэффициент преломления материалов, служащих источниками света, обычно велик, например для GaAs п = 3,6. Среды с большим коэффициентом преломления но­сят название иммерсионных. Иммерсионное вещество должно иметь вы­сокий коэффициент преломления, быть прозрачным в рабочей области спектра, хорошо согласовываться по коэффициентам расширения е ма­териалами фотопреобразователей и т. п.

Весьма перспективными считаются свинцовые стекла с п = 1,8— -т 1,9 и селеновые стекла с п = 2,4-г2,6.

На рис. 2.13, а показан один из простейших оптронов с иммерсион­ным световодом. В состав его входят инжекционный светодиод 2, световод из селенового стекла 3 и фотодиодный фотоприемник 5.

Рис. 2.13. Конструкция простейшего оптрона (а); распространение света по све­товоду (б, в):

/ — омические контакты: 2 — источник света; 3 — световод из селенового стекла; 4 — кон» такт с р-слоем; 5 — фотоприемник

В оптоэлектронике применяется также волоконная оптика, кото­рая во многих случаях имеет и самостоятельное значение.

Волоконная оптика основана на передаче света с помощью тонких нитей стекла или пластмассы. Работа элементов волоконной оптики основана на том, что свет передается по отдельному волокну, не выхо­дя за его пределы вследствие полного внутреннего отражения. Собран­ные в один жгут волокна передают световые лучи независимо друг от друга.

Световод волоконной оптики вне зависимости от его формы состо­ит из сердечника и отражающего покрытия (рис. 2.13, б, в). Коэффи­циент преломления покрытия п_п меньше коэффициента преломления сердечника п_с. В таком волокне малого диаметра свет проходит, не вы­ходя за поверхность волокна, если угол изгиба меньше 90° и угол, под которым свет попадает в световод, меньше 0_{Г тах}.

Волокно можно рассматривать как диэлектрический световод. Рас­пространяясь вдоль волокна, световой луч претерпевает многократ­ные отражения. В результате эффективность светопередачи зависит от качества изготовления волокон, от объемных неоднородностей и не­ровностей поверхностей волокон, а также от коэффициента поглощения материала.

Следует отметить, что каждое волокно передает информацию толь­ко о значении суммарного светового потока, попавшего на его входной 116торец» так как в результате многократных отражений на выходном тор­це будет равномерная освещенность, пропорциональная общей интен­сивности свете, падающей на входной торец. Световоды вносят некото­рое запаздывание в передачу сигнала, которое мало и на длине 1 м со­ставляет Ю**⁹ — 10~¹⁰ с.

В зависимости от состава стекла удельное электрическое сопротив­ление световода можно изменять от 10¹⁴до 10²⁰ Ом-см. Это позволяет применять ввотовод для передачи электрического сигнала. В ряде слу­чаев с этой целью поверхность волокна дополнительно металлизируют.

Материалами для волоконных световодов служат различные стек­ла: органические и неорганические. Длина световода может быть любой и ограничена лишь ослаблением в нем светового потока (пропускание светового потока порядка 60—97% на 10 см длины волокна). Диаметр волокон может быть различным и колеблется от долей до сотен микро­метров.

Для интегральных оптоэлектронных микросхем считаются перс­пективными пленочные световоды. Они выполняются на стеклянной подложке в виде пленочных полосок стекла толщиной 0,5 мкм и шири­ной 1—3 мкм, имеющих повышенный коэффициент преломления Боль­ший, чем в подложке, коэффициент преломления позволяет удерживать световой луч в пределах световода благодаря полному внутреннему от­ражению на границах подложки. Подобный световод может быть легко изготовлен с помощью метода фотолитографии. В стеклянной подлож­ке вытравливают канавку требуемой конфигурации, в которую методо- дом напыления или эпитаксиального наращивания наносят стеклян­ную пленку с необходимыми свойствами. После этого сверху наносят основной материал подложки.

Другой метод изготовления пленочных световодов называют мето­дом ионного обмена. Сущность его сводится к тому, что участки плав­леного кварца облучают ионами высокой энергии. Вследствие захва­та ионов, а также структурных смещений и химических взаимодейст­вий в соответствующих областях исходного материала создаются зоны с более высоким показателем преломления.

В простейших оптронах, выпускаемых промышленностью, обычно применяют прямую оптическую связь. В некоторых случаях к опти­ческой связи добавляется электрическая, тогда говорят от электрооп­тической связи между источником излучения и фотоприемниками.

В интегральных оптоэлектронных схемах в качестве источников излучения шире всего применяются инжекционные светодиоды, что позволяет обеспечить достаточно высокое быстродействие оптронов.

Обозначение диодного оптрона и возможная структура его показа­ны на рис. 2.14, а, б. Источником света служит светодиод из арсенида галлия, а фотоприемником — кремниевый фотодиод. Оптрон исполь­зуется в качестве ключа и может коммутировать ток с частотой 10^е — — Ю⁷ Гц. Сопротивление в закрытом состоянии (темновое) R^ = = Ю⁸ 4- Ю¹⁰ Ом, в открытом — R порядка сотен ом — нескольких килоом. Сопротивление между входной и выходной цепями 10^ — 10¹⁶ Ом. Таким образом, диодный оптрон позволяет практически пол­ностью гальванически развязать между собой входную и выходную

цепи и обеспечивает хорошие характеристики переключения. Так как в структуре оптрона предусмотрен воздушный зазор между источником излучения и фотоприемником, то для минимизации потерь за счет внутреннего отражения на границе сред с разными коэффициентами преломления (и = 1 для воздуха; и = 3,6 для GaAs) источник света де­лают сферической формы.

Транзисторные оптроны (рис. 2.14, в) благодаря большей чувстви­тельности фотоприемника экономичнее диодных. Однако быстродейст­вие их меньше, максимальная частота коммутации обычно не превы­шает 10⁵ Гц. Так же как и диодные оптроны, транзисторные имеют ма-

Рис. 2.14. Схемы оптронов: диодный (й) я его структура (б); транзисторный (а); тиристорный (г); с двухэмиттгрным фототранзистором (б); резисторный (а)

лое сопротивление в открытом состоянии и большое в закрытом и обес­печивают полную гальваническую развязку входных и выходных це­пей.

Если в фототранзисторе имеется два эмиттера с внешними выводами (рис. 2.14, д), то получится ключевая цепь, позволяющая коммутиро­вать малые измерительные сигналы как постоянного, так и перемен­ного тока. По существу, фототранзистор в этом случае будет представ­лять собой компенсированный ключ. От обычного компенсированного ключа на биполярных транзисторах (транзисторного прерывателя) он отличается только способом управления и имеет симметричную вы­ходную вольт-амперную характеристику (рис. 2.15, а).

Во включенном состоянии остаточное напряжение на фототранзис­торе (напряжение между выводами выходной цепи при 1_WI = 0) до­статочно мало и составляет 100 мкВ — несколько десятков милли­вольт при динамическом сопротивлении в несколько десятков ом. В выключенном состоянии сопротивление фототраизистора велико — более 10^е—10⁸ Ом. Эти оптроны позволяют исключить в схемах громозд­кие навесные трансформаторы, неизбежные при использовании тран­зисторных прерывателей на обычных биполярных транзисторах.

Замена фототранзистора кремниевым фототиристором (см. рис. 2.14, г) позволяет увеличить импульс выходного тока до 5 А и более. Время включения при этом менее 10~⁸с, а входной ток включения не превыша­ет 10 мА. Такие оптроны позволяют непосредственно управлять силь­ноточными устройствами различного назначения.

Диодные, транзисторные и тиристорные оптроны в основном ис­пользуют в ключевых режимах в качестве быстродействующих высоко­эффективных ключей различного функционального назначения. Ана­логовые оптроны реализуют на основе фоторезисторов (см. рис. 2.14,е) и применяют для различного рода бесконтактных регулировок в цепях автоматического управления. В цепях точного преобразования сигна-

Рис. 2.15. Выходная характеристика двухэмиттерного транзисторного оптрона (а); диодный оптрон с усилите­лем (б) и его структура (в):

1 — фотодиод; 2 — оптически прозрачный экран; 8 — светодиод; 4 — световод; 5 — транзисторы типа п-р-п

(лов их использование ограничено невысокой временной стабильностью и температурной зависимостью характеристик преобразования. В ка­честве излучателей используют или светодиоды (часто на основе фос­фида галлия GaP), или электролюминесцентные конденсаторы. Роль фотоприемников выполняют обычно пленочные фоторезисторы.

/ Темновое сопротивление резисторных оптронов может достигать ! 10’ — 10® Ом. При освещении значения сопротивления снижается до нескольких сотен ом — нескольких килоом. Быстродействие их неве­лико, а максимальная рабочая частота, без принятия специальных мер повышения быстродействия, ограничена несколькими килогерц.

Резисторные оптроны успешно используют и в ключевом режиме. При этом по сравнению с оптронами других типов они имеют более ши­рокий динамический диапазон входных сигналов и меньшие значения темновых токов. Однако по быстродействию они существенно уступают диодным оптронам.

Устойчивой тенденцией в создании оптоэлектронных устройств яв­ляется выполнение оптронов и электронных преобразователей на од­ной подложке (рис. 2.15, б, в). Это позволяет уменьшить размеры преоб­разователей, снизить их стоимость, повысить надежность и улучшить характеристики преобразования. Роль фотодиода 1 в оптоэлектрон­ном импульсном усилителе играют подложка р и область п, получен­ная диффузионным путем в одном технологическом цикле с коллекто-

рами транзисторов п-р-п электронного усилителя 5. Светодиод 3 выполнен плоским и связан с фотоприемником световодом из селеново­го стекла 4. Для устранения электрической емкости между излучате­лем и фотоприемником введен оптически прозрачный слой р 2, изготов­ленный диффузионным путем и электрически соединенный с подлож­кой. Он играет роль электростатического экрана и снижает емкость до 4—5 _ПкФ. Весь усилитель представляет собой твердотельный блок, вход и выход которого гальванически развязаны между собой.

Элементы оптоэлектроники позволяют решать большинство задач, которые до недавнего времени успешно можно было решать только средствами электроники.