17.12. Оптоэлектронные устройства

Оптоэлектроннка — это область электроники, охватывающая вопросы теории и практического применения методов преобразования оптических (световых) сигналов в электрические и наоборот в системах передачи, обработки и хранения информации.

Оптоэлектроника — сравнительно новое перспективное научно-тех­ническое направление. В оптоэлектронных устройствах переработка сигналов осуществляется с помощью приборов, работа которых основана на электронных и фотонных процессах, т. е. элементами оптоэлектронных устройств являются фотоэлектрические приборы, а связь между элемен­тами оптическая. В таких устройствах практически устранена гальва­ническая связь между входными и выходными цепями и до минимума сведена обратная связь между входом и выходом. Комбинации элементов позволяют создавать оптоэлектронные устройства с различным функцио­нальным назначением.

Простейшим оптоэлектронным устройством является оптрон, кото­рый имеет две пары зажимов: входные соединены с фотоизлучающим прибором — светодиодом, выходные — с фотоприемником (например, с фотодиодом). При этом входная и выходная цепи гальванически не связаны между собой. На рис. 17.30 показана принципиальная схема усилителя на оптроне с оптической связью. В выходную цепь включен нагрузочный резистор R_н, с которого снимается усиленный сигнал. Пита­ние осуществляется от источника напряжения U. Напряжение входного электрического сигнала U_вх подается на входные зажимы светодиода 1, под воздействием сигнала светодиод излучает световую энергию, которая по каналам оптической связи 2 поступает на вход фотоприем­ника 3. Фототок, проходя через резистор нагрузки, создает на нем падение напряженияU_вых, которое и является усиленным входным сигна­лом.

При создании оптоэлектронных устройств необходимо сопрягать фотоизлучатели и фотоприемники так, чтобы спектральная полоса излу­чения перекрывалась спектром фоточувсгвительности. Эффективную оптическую связь между элементами оптрона осуществляют с помощью средств волоконной оптики, а именно с помощью тонких нитей из прозрачного материала, сигнал по которым передается по сложной траектории на основе эффекта полного внутреннего отражения. С по­мощью волокон можно производить поэлементную передачу изобра­жения с высокой разрешающей способностью.

Эффективность светопередачи зависит от качества оптических контактов между излучающим элементом и световодом, световодом и фотоприемником. Эта задача решается путем применения стекол с высо­ким коэффициентом преломления (свинцовых или селеновых). Наимень­шее внутреннее отражение можно обеспечить за счет создания излу­чающих устройств со сферической поверхностью, но в технологии микросхем, где используются элементы планарной конфигурации, наиболее пригодны устройства плоской конструкции (рис. 17.31).

На рис. 17.31 показана схема оптрона с плоской конструкцией, в котором оптический канал 4 между светоизлучателем 2 и фотоприемни­ком 3 выполнен из селенового стекла. На рисунке 1 — омические кон­такты.

На рис. 17.32 представлена схема оптотранзистора с прямой оптической связью. Эмиттерный переход включен в прямом направлении. За счет рекомбинационных процессов он излучает свет. Коллектор вклю­чают в обратном направлении. Излучение с эмиттерного перехода погло­щается в области коллекторного перехода, в результате в коллекторе и во внешней цепи проходит ток. Для работы оптотранзистора необходимо, чтобы в базе не поглощалось излучение, испускаемое эмиттерным р-n-цереходом. Для электрической изоляции входной и выходной цепей в базе параллельно с р-n-переходами создают высокоомный слой. Оптотранзистор имеет высокое быстродействие по сравнению с обычными транзисторами. Кроме того, в нем нет гальванической связи между входной и выходной цепями. Прямая оптическая связь обеспечи­вает отсутствие отражения, которое может существовать на границах между фотоизлучателем и фотоприемником.