13.2. Оптоэлектронные приборы

Оптоэлектронными называют приборы, преобразующие электрические сигналы в оптические. К оптоэлектронным приборам относят светоизлучающие диоды, оптопары и волоконно-оптические приборы.

13.2.1. Светоизлучающие диоды

Светоизлучающий диод – это полупроводниковый диод, излучающий энергию в видимой области спектра в результате рекомбинации электронов и дырок. В качестве самостоятельного прибора излучающий диод применяется в световых индикаторах, в которых используется явление излучения света р-n переходом при прохождении через него прямого тока. Кванты света возникают при рекомбинации инжектируемых р-n переходом в базу диода неосновных носителей с основными носителями заряда (явление люминесценции).

Рис. 13.9

Устройство светодиода и его условное обозначение показаны на рис. 13.9. Часто светодиод снабжают пластмассовой светорассеивающей линзой. В таком виде его используют в качестве светосигнального индикатора. Яркость его свечения зависит от плотности тока, цвет свечения – от ширины запрещенной зоны и типа полупроводника. Цвета свечения: красный, желтый, зеленый. Так, например, светодиод 2Л101А имеет желтое свечение, яркость – 10 кДж/м², ток – 10 мА, напряжение – 5 В.

13.2.2. Оптопары

Оптопара (оптрон) – это оптоэлектронный полупроводниковый прибор, состоящий из излучающего и светоприемного элементов, электрически изолированных друг от друга и имеющих между собой оптическую связь.

Рис. 13.10

Простейший оптрон состоит из светодиода и фотодиода, размещенных в одном корпусе. В качестве светоприемника также могут использоваться фототранзисторы, фототиристоры и фотосопротивления; при этом источник и приемник светового излучения выбирают спектрально согласованными.

Устройство простейшей диодной оптопары и ее условное графическое обозначение приведены на рис. 13.10.

Оптическая среда распространения сигнала может представлять собой прозрачное соединение на основе полимеров или особых стекол. Применяют также длинные волоконные светодиоды, с помощью которых можно разнести излучатель и приемник на значительное расстояние, обеспечив их надежную электрическую изоляцию друг от друга и помехоустойчивость. Это позволяет управлять высокими напряжениями (сотни киловольт) с помощью низких напряжений (несколько вольт).

Важным показателем работы оптрона является его быстродействие. Время переключения фоторезисторных оптопар составляет не более 3 мс.

13.2.3. Волоконно-оптические приборы

Волоконно-оптический прибор – это диэлектрический волновод, по которому энергия передается в виде электромагнитных волн оптического диапазона (f ≈ 10¹⁴ Гц). Если энергия передается в форме видимого излучения, то такой волновод называется световодом. Схематично конструкция диэлектрического волновода и ход лучей в нем показаны на рис. 13.11.

Рис. 13.11

Простейший световод (диэлектрический волновод) представляет собой круглый или прямоугольный диэлектрический стержень 1, называемый сердечником, окруженный диэлектрической оболочкой 2. Для передачи энергии по световоду используется явление полного внутреннего отражения на границе двух диэлектрических сред. Если показатель преломления материала сердечника , а оболочки –, то условие существования полного внутреннего отражения имеет вид, гдеE₁ и E₂ – относительные диэлектрические проницаемости соответственно сердечника и оболочки. Показатель преломления оболочки n₂ неизменный, а показатель преломления сердечника n₁, является в общем случае функцией его поперечной координаты r (рис. 13.11). Функцию называют профилем показателя преломления. Если показатель преломленияn₁ возрастает от оболочки к продольной оси сердечника, то световые лучи «прижимаются» к продольной оси волновода (рис. 13.11). Таким образом, энергия электромагнитных волн за счет полного внутреннего отражения локализуется в сердечнике волновода и распространяется в нем с очень незначительными потерями.

Волоконные световоды изготовляют из кварцевого стекла путем вытяжки из расплава. Причем оболочку изготовляют из чистого кварцевого стекла, а в кварцевое стекло сердечника для увеличения показателя преломления добавляют легирующие элементы (германий, фосфор, бор, титан). Типичные размеры волновода: диаметр сердечника – 50 мкм, диаметр оболочки – 125 мкм. Для защиты от воздействия окружающей среды на световод поверх оболочки наносят защитное покрытие из диэлектрика, например, полимера или металла (индия, алюминия, олова) толщиной 3...5 мкм.

На базе световодов изготавливают так называемые волоконно-оптические линии связи, по которым передается различная информация. Для передачи больших объемов информации на значительные расстояния используют оптические кабели.

Рис. 13.12

Одна из возможных конструкций оптического кабеля показана на рис. 13.12. Кабель состоит из армирующего элемента (металлического троса) 1, заключенного в пластмассовую оболочку 2. Вокруг армирующего элемента расположены волоконные световоды 3, имеющие защитное покрытие 4. Все элементы конструкции кабеля заключены в общую полиэтиленовую оболочку 5. Оптические кабели используют в связи, радиоэлектронике, медицине, атомной энергетике, космическом машиностроении и др.

Структурная схема волоконно-оптических линий связи для передачи информации на большие расстояния приведена на рис. 13.12.

Электрический информационный сигнал после модулятора с помощью лазера или светодиода преобразуется в световой, передается по волоконно-оптическому кабелю и попадает на фотоприемник. Здесь он преобразуется в электрические импульсы, которые демодулируются и усиливаются. В волоконно-оптических линиях связи, рассчитанных на большие расстояния, устанавливают ретрансляторы, где происходит преобразование оптических сигналов в электрические, усиление и восстановление исходной формы сигнала. После этого электрические сигналы вновь преобразуются в оптические.

Рис.13.13

Любая система связи может быть охарактеризована тремя основными параметрами: информационной емкостью, затуханием сигнала и помехозащищенностью. По сравнению с электропроводящими линиями связи волоконно-оптические имеют значительные преимущества. По информационной емкости, определяемой числом каналов связи, они в 10⁴ …10⁵ раз превосходят электропроводящие линии, работающие на частотах до 10⁹ Гц. Затухание сигналов в волоконно-оптических линиях связи составляет всего 0,5…1 дБ/км, что позволяет устанавливать ретрансляторы через 30...50 км.

Применение волоконно-оптических линий дает возможность при одинаковых условиях уменьшить на порядок массу и габариты аппаратуры, а также существенно снизить стоимость оборудования для передачи информации.

1электронно-оптические приборы будут рассматриваться в последующих главах

196