Глава 11 оптоэлектроника

11.1. Классификация оптоэлектронных приборов

Оптоэлектроникой называется раздел науки и техники, изучающий оптические и электронные явления в веществах, их взаимные связи и преобразования, а также приборы, схемы и системы, созданные на основе этих явлений. Оптоэлектроника – это область электроники, в которой в качестве носителя информации используются электромагнитные волны оптического диапазона.

Оптический диапазон – это электромагнитные волны с длиной волны от1 нмдо1 мм(1 мм = 10³ мкм = 10⁶ нм). По физическим свойствам оптический диапазон неоднороден. Поэтому принято оптический диапазон делить на поддиапазоны, в которых физические свойства в определенной степени одинаковы: ультрафиолетовое излучение (), видимое излучение (), инфракрасное излучение () (рис. 11.1).

Рис. 11.1

Связь длины волны с частотой колебанийи энергией фотоновтакже отражена на рис. 11.1.

В оптических цепях носителями информации являются электрически нейтральные фотоны с энергией (- постоянная Планка), которые в световом потоке не взаимодействуют между собой, не смешиваются и не рассеиваются.

Элементы оптоэлектроники в силу использования в качестве носителей информации фотонов обладают рядом преимуществ:

- высокая помехозащищенность каналов связи и отсутствие взаимных наводок, так как оптическое излучение невосприимчиво к воздействию электромагнитных полей;

- идеальная гальваническая развязка цепей4

- однонаправленность передачи сигнала и отсутствие обратного воздействия приемника на источник, что существенно упрощает анализ и проектирование оптоэлектронных систем;

- высокая информационная емкость оптического канала, обусловленная тем, что частота световых колебаний , что враз выше, чем в освоенном электронными приборами радиотехническом диапазоне;

- большая плотность записи информации, так как малое значение длины волны световых колебаний обеспечивает возможность фокусировки луча лазера (источника оптического излучения) на площадке в 1мкм²;

- возможность дальнейшей микроминиатюризации компонентов;

- взрыво - и пожаробезопасность оптических каналов в силу отсутствия электрического тока и возможности возникновения электрической искры.

Обобщенная схема оптоэлектронной системы (прибора), включающая в себя источник оптического излучения (ИИ), приемник оптического излучения (ПИ) и световод или оптический канал (ОК), приведена на рис. 11.2

Рис. 11.2

В соответствии с этой структурой оптоэлектронные полупроводниковые приборы можно подразделить на источники оптического излучения или полупроводниковые излучатели, приемники оптического излучения и оптроны (табл. 11.1).

Таблица 11.1
Оптоэлектронные полупроводниковые приборы
Полупроводниковые излучатели			Полупроводниковые приемники излучения	Оптроны
Некогерентные		Когерентные
Инфракрасные	Отображения информации
Инфракрасные излучающие диоды	Светоизлучающие диоды	Полупроводниковые лазеры	Фоторезисторы	Резисторные
			Фотодиоды	Диодные
	Знаковые индикаторы		Фотоэлементы
	Шкалы		Фототранзисторы	Транзисторные
	Экраны		Фототиристоры	Тиристорные

Полупроводниковый излучатель – это оптоэлектронный полупроводниковый прибор, преобразующий электрическую энергию в энергию электромагнитного излучения в оптической области спектра.

Многие полупроводниковые излучатели могут излучать только некогерентные электромагнитные колебания. К ним относятся полупроводниковые излучатели видимой области спектра, называемые еще полупроводниковыми приборами отображения информации и предназначенные для отображения визуальной информации (светоизлучающие диоды, знаковые индикаторы, шкалы и экраны), а также полупроводниковые излучатели инфракрасной области спектра – инфракрасные излучающие диоды.

Светоизлучающий диод – это полупроводниковый прибор отображения информации, представляющий собой диод. Таким образом, в структуре светоизлучающего диода есть только один выпрямляющий электрический переход или один полупроводниковый излучающий элемент. Полупроводниковый излучающий элемент – часть полупроводникового прибора отображения информации, состоящая из излучающей поверхности и контактов для подключения к электрической цепи. Полупроводниковый знаковый индикатор – это полупроводниковый прибор отображения информации, состоящий из полупроводниковых излучающих элементов, предназначенный для представления информации в виде знаков и организованный в один или несколько разрядов. Полупроводниковая шкала – это полупроводниковый прибор отображения информации, состоящий из полупроводниковых излучающих элементов, предназначенный для представления аналоговой информации. Полупроводниковый экран – это полупроводниковый прибор отображения информации, состоящий из излучающих элементов, расположенных вдоль одной линии, и содержащий определенное количество строк излучающих элементов, предназначенный для использования в устройствах отображения аналоговой и цифровой информации.

Когерентные полупроводниковые излучатели – это полупроводниковые лазеры с различными видами возбуждения. Они могут излучать электромагнитные волны с определенной амплитудой, частотой, фазой, направлением распространения и поляризацией, что и соответствует понятию когерентности.

К полупроводниковым приемникам излучения относятся фоторезисторы, фотодиоды, фотоэлементы, фототранзисторы и фототиристоры. Фоторезистор – это полупроводниковый резистор, действие которого основано на фоторезистивном эффекте. Фотодиод – это полупроводниковый диод, обратный ток которого зависит от освещенности. Фотоэлемент – это полупроводниковый прибор с выпрямляющим электрическим переходом, предназначенный для непосредственного преобразования световой энергии в электрическую. Транзистор, реагирующий на облучение световым потоком и способный одновременно усиливать фототок, называется фототранзистором. Фототиристором называют тиристор, напряжение включения которого уменьшается с увеличением освещенности.

Оптрон – это оптоэлектронный полупроводниковый прибор, состоящий из излучающего и фотоприемного элементов, образующих оптопару, между которыми имеется оптическая связь и обеспечена электрическая изоляция. В качестве одного элемента оптопары – излучателя могут быть использованы инфракрасный излучающий диод или светоизлучающий диод. В качестве второго элемента оптопары – фотоприемного элемента – могут быть использованы фоторезистор, фотодиод, фототранзистор или фототиристор. Очевидно, что оба элемента оптопары должны быть согласованы между собой по параметрам и характеристикам. В зависимости от вида фотоприемного элемента различают резисторные, диодные, транзисторные и тиристорные оптроны. Излучающий и фотоприемный элементы оптопары, помещенные в общий корпус, называются оптроном.