Лекция 8
5. Элементы оптоэлектроники и инфракрасной техники.
Квантовая электроника - область науки и техники, исследующая и применяющая квантовые явления для усиления, генерации 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.
Интегральная оптика - раздел оптоэлектроники, изучающий и применяющий оптические явления в тонкопленочных полупроводниковых и диэлектрических волноводах и структурах, изготовленных на единой подложке методами групповой (интегральной) технологии.
Оптическое излучение - электромагнитное излучение оптического диапазона.
Оптический диапазон спектра составляют электромагнитные колебания, длина волн которых лежит в пределах от 1 м до 1 нм*. Внутри оптического диапазона выделяют видимое ( λ =0,38...0,78 мкм), инфракрасное (λ=0,78...1000 мкм) и ультрафиолетовое (λ=0,001...0,38 мкм) излучения (рис. В.1).
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 (усилитель) оптического излучения.
Мазер- квантовый генератор (усилитель) 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 её амплитуда, частота, фаза, направление распространения и поляризация постоянны или изменяются по определенному закону (упорядочению).
*Этот интервал определен Международной комиссией по освещению (МКО) и является условным. Иногда длинноволновую границу оптического диапазона, примыкающую к радиодиапазону, относят к радиоволнам, а коротковолновую - к мягкому рентгеновскому излучению.
*Термины "лазер" (от англ, laser) и мазер (от англ, maser) образованы от начальных букв фразы Light (Microwave) Amplification by Stimulated Emission of Radiation - усиление света (СВЧ-волн) с помощью индуцированного излучения. В этих названиях по существу определен принцип работы квантовых усилителей и генераторов.
Особенности оптической электроники
Современная оптическая и квантовая электроника определяют новые возможности как электроники, так и оптики, но не пересматривают их фундаментальные положения. Необходимость дальнейшего освоения оптического диапазона с использованием хорошо развитых методов радиофизики, радиотехники и электроники определяется рядом принципиальных обстоятельств.
Частота электромагнитных колебаний (несущая частота v0) в оптическом диапазоне существенно выше, чем в радиодиапазоне (рис. В.1). Например, частота световых колебаний в наиболее освоенной видимой и ближней инфракрасной областях спектра (~1015...1013Гц) 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 ∆ v ≈ 5 МГц. Поэтому в метровом диапазоне (при λ =1 м v0= 300 МГц) можно передать лишь около десятка телевизионных программ. В оптическом диапазоне при том же отношении ∆v/v0это 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 размеры 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 λ=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.
Рис. В.1. Шкала электромагнитных волн
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 её 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 (~108бит/см2) в оптических запоминающих устройствах.