Лекция 1

Оптоэлектроника это раздел электроники, связанный главным образом с изучением эффектов взаимодействия между электромагнитными волнами оптического диапазона и е вещества (преимущественно тв.тел) и охватывающий проблемы создания оптоэлектронных приборов, в которых эти эффекты используются для генерации, передачи, обработки, хранения и отображения информации.

Оптоэлектронику характеризуют три отличительные черты:

1. Физическую основу оптоэлектроники составляют явления, методы, ср-ва, для которых принципиальны сочетание и неразрывность оптических и электронных процессов. С этой точки зрения оптоэл. Устройство характеризуется как прибор чувствительный к излечению оптического диапазона, либо прибор, преобразующий или излучающий в этом диапазоне.

2. Техническую основу оптоэлектроники определяют: интеграция элементов и функциональных преобразований; концепции современной микроэлектроники с применением специальных материалов, фотолитографии, пленочных структур, диффузионной технологии и пр.

3. Функциональное назначение оптоэлектроники состоит в решении задач:

- генерации (формировании) информации путем преобразования различных внешних воздействий в соответствующие электрические и оптические сигналы;

- переносе информации;

- переработке (преобразовании) информации по заданному алгоритму;

- хранении информации, включающем такие процессы, как запись, хранение, считывание;

- отображение информации.

Оптоэлектроника является синтезом ряда отраслей науки и техники: квантовой электроники, полупроводниковой техники, оптики, фотоэлектроники, электрооптики, светотехники, нелинейной оптики, голографии, волоконной оптики, ИК-техники.

Достоинства оптоэлектроники:

1. Высокочастотность. Частота оптических колебаний на 3..5 порядков выше, чем в освоенном радиотехническом диапазоне, что на столько же порядков возрастает и пропускная способность оптического канала передачи информации.

2. Острая фокусировка. Согласно дифракционной теории света поток излучения может быть сформирован до пятна с поперечным линейным размером около λ/2. Это значит, что максимальная плотность записи оптической информации может достигать , т.е..

3. Направленность. Угловая расходимость луча, обусловлена дифракционными пределами α~λ/А, где А – апертура излучателя. На практике угол α удается получить с направленностью в ед. Угловых секунд.

4. Развязка. Использование в качестве носителя информации эл. нейтральных фотонов обуславливает бесконтактность оптической связи, однонаправленность потока информации и отсутствие обратной реакции приемника на источник; высокая помехозащищенность оптических каналов связи; скрытность передачи информации по оптическому каналу.

5. Визуализация. Оптоэлектроника позволяет преобразовывать информацию, представленную в эл. форме, в зрительную, т.е. наиболее удобную для восприятия.

6. Фоточувствительность. Это св-во делает возможным преобразование поля излучения в адекватное ему электрическое информационное воздействие (видеосигнал). В отличие от человеческого глаза оптоэл. Прибор может видеть предметы в любой области оптического спектра.

7. Пространственная модуляция. Электронейтральность фотонов обусловливает не взаимодействие (не смешивание) отдельных оптических потоков. Благодаря этому, поток фотонов может быть промодулирован не только во времени, но и в пространстве, что открывает огромные возможности для параллельной обработки информации.

Недостатки оптоэлектроники, присущих приборам на этой основе:

1. Неудовлетворительная энергетика. КПД в лучших современных приборах (лазеры, светодиоды, p-i-n фотодиоды) не превышает 20%. Поэтому, если в устройстве осуществляются оптоэлектрические преобразования дважды (на вх. и на вых.), как, например, в оптопарах или ВОЛС, то общий КПД падает до ед. γ. Низкое значение КПД ведет к росту энергопотребления, что иногда недопустимо из-за ограниченных возможностей источников питания. Это в свою очередь затрудняет миниатюризацию, т.к. требуется отведение выделяющегося тепла при оптоэлектронном преобразовании. Из-за этих причин эффективность и надежность оптоэл. приборов не всегда удовлетворительна.

2. Гибридность. Оптоэлектронные приборы состоят, как правило, из различных материалов. Наличие разнородных материалов обуславливает:

а) низкий общий КПД устройства из-за поглощения излучения в пассивных отраслях структур, отражения и рассеяния на границах перехода;

б) снижение надежности из-за различия коэффициентов температурного расширения материалов, сложности общей герметизации устройства и сложности общей технологии, из-за этого высокую стоимость изделий.

3. Деградация: снижение эффективности оптоэл. приборов при воздействии температуры в широких пределах; проникающей радиации. Принципиальной особенностью оптоэл. приборов и преобразователей состоит в их исключительно высокой чувствительности к нарушениям оптической однородности материалов и даже к субмикронным включением. Практически для всех видов оптоэл. излучателей имеет место уменьшение мощности излучения при повышении температуры. Также проявляется воздействие проникающей радиации, стой лишь радиацией, что в случае радиации процесс разрушения оптоэл. прибора необратим.

Различают следующие оптоэл. приборы:

1. Индикаторы;

2. Формирователи сигналов изображений или формирователи видеосигналов;

3. Волоконно-оптические линии связи (ВОЛС);

4. Оптопары;

5. Солнечные фотопреобразователи;

6. Оптические ЗУ;

7. Оптическая вычеслительная техника;

8. Оптоэлектронные датчики;

9. Прочие оптоэлектронные приборы: дискретные светодиоды, фотодиоды, фоторезисторы, модуляторы световых лучей и пр. устр-ва.