8. Обеспечение надежности типовых элементов замены путем конструирования гибридно-интегральных модулей на элементной базе функциональной микроэлектроники.

Постоянный рост сложности РЭА для решения современных хозяйственных задач приводит к необходимости разрешения противоречий в своеобразной системе – сложность, надежность – масса – энергопотребление. Невозможность разрешения этих противоречий путем построения аппаратуры на дискретных элементах способствовала развитию микроэлектроники. Наиболее перспективным видом микроэлектронной аппаратуры являются гибридно-интегральные модули с использованием базы функциональной микроэлектроники (ГИМ ФМ). В таблице показаны четыре главных направления функциональной микроэлектроники, расположенные в порядке освоенности промышленностью: оптоэлектрониканика, акустоэлектроника, термоэлектроника и химотроника.

Представим кратко отдельные направления функциональной микроэлектроники.

Таблица

Физические явления, используемые в функциональной микроэлектронике

Направление функциональной микроэлектроники	Физическое явление	Функциональный элемент в электрической схеме
Оптоэлектроника	Электролюминесценция	Светодиоды
	Внутренний фотоэффект	Фоторезисторы, фотодиоды, фоторезисторы
	Внутреннее отражение света	Светодиоды
	Оптические явления в жидких кристалах	Цифровые индикатор. Визуализаторы тепловых полей
	Электронно-оптические эффекты Керра и Поккельса	Модуляторы светового потока
	Когерентное оптическое излучение	Генераторы когерентного светового потока (лазары)
Акустоэлектроника	Пьезоэлектрический эффект и объемные акустические волны	Синхронизаторы. Генераторы. Устройства задержки сигналов
	Взаимодействие пучка электронов с акустической волной (поверхностные акустические волны)	Усилители. Преобразователи. Устройства задержки сигналов
Термоэлектроника	Электротепловые процессы	Фильтры инфранизких частот. Генераторы инфранизких частот. Фазосдвигающие цепи
	Термоэлектрические процессы	Источники питания
Хемотроника	Электрохимические процессы	Усилители инфранизких частот. Генераторы, преобразователи, источники питания

8.1 Оптоэлектроника и оптоэлектронные микросхемы

Оптоэлектроника – это раздел электроники, связанный с изучением физических явлений, в которых неразрывны оптические и электрические процессы, а также с разработкой, производством и применением оптоэлектронных приборов.

Оптоэлектронный прибор– это прибор, чувствительный к электромагнитному излучению в видимой, инфракрасной или ультрофиолетовой областях спектра, либо прибор, излучающий и преобразующий некогерентное или когерентное излучение в этих спектральных областях.

Перечислим важнейшие оптоэлектронные приборы, устройства и системы.

Индикаторы представляют собой электрически управляемые приборы, предназначенные для визуального отображения информации. Они широко применяются во многих устройствах, например электронных часах, микрокалькуляторах, приборных щитах автоматизированных систем управления, автомабилей, самолетов и т.д. Выпускаются полупроводниковые (светодиодные), жидкокристаллические, вакуумные катодолюминесцентные и газоразрядные индикаторы. Разрабатываются плоские экраны телевизионного типа с лучшими, чем у современных цветных кинескопов, эксплуатационными, эргономическими и экономическими показателями.

Приемники изображения(фотоприемники) как в видимом, так и в инфракрасном диапазонах предназначены для преобразования изображений в последовательность видеосигналов. Их используют в телевизионных передатчиках, в фототелеграфии, в ЭВМ для считывания входной информации, в приборах контроля технологических процессов и др.

Солнечные батареипредставляют собой матрицы фотоэлементов на основе p-n переходов или гетеропереходов, предназначенные для прямого преобразования солнечной энергии в электрическую.

Оптоэлектронные датчики– приборы, преобразующие различные физические воздействия (температуру, давление, влажность, ускорение, магнитное поле и др.) в электрические сигналы. Широкое распростронение получили лазерные и светодиодные датчики влажности и загрязнения атмосферы. Их принцип действия основан на селективном поглащении излучения регистрируемыми веществами. Перспективны волоконно-оптические датчики, в которых внешние воздействия изменяют характеристики оптического сигнала (фазу, амплитуду, поляризацию).

Оптопарысостоят из полупроводниковых излучающего и фотоприемного элементов, между которыми имеется оптическая связь. Кроме того, обеспечивается электрическая изоляция между входом и выходом. Микроэлектронный прибор, содержащий одну или несколько оптопар и выполняющий определенную функцию преобразования, обработки и передачи сигнала, называютоптоэлектронной микросхемой. Оптопары применяют в микроэлектронной и электротехнической аппаратуре для электрической развязки при передаче сигналов, бесконтактной коммутации сильноточных и высоковольтных цепей, в устройствахрегулирования и контроля.

Постаянные запоминающие устройства– устройства, в которых информация записывается на носитель с помощью теплового воздействия остросфокусированного лазерного луча. Достоинством оптоэлектронных ПЗУ являются высокая плотность записи и большой срок хранения информации (10….30 лет). Они перспективны для применения в архивных ЗУ ЭВМ и информационно-поисковых системах,содержащих постаянную информацию, к которой многократно обращается большое число пользователей.

Оптические системы передачи и обработки информации. Форма представления информации в виде оптических сигналов по сравнению с другими ее формами (в частности, в виде электрических сигналов) имеет ряд важных преимуществ. Частота колебаний в оптическом диапазоне на 3…5 порядков выше, чем в радиотехническом. Это позволяет во много раз повысить пропускную способность линии связи (скорость передачи информации) за счет увеличения шириныспектра модулирующих частот (до нескольких гигагерц) и одновременной передачи сигналов по одному каналу на нескольких несущих частотах. Использование в качестве носителя информации электрически нейтральных фотонов обеспечивает: идеальную электрическую развязку оптоэлектронного элемента связи, однонаправленность передачи и отсутствие влияния приемника на передатчик, высокую помехозащищенность оптических каналов связи вследствие невосприимчивости фотонов к воздействию электромагнитных полей, отсутствие влияния паразитных емкостей на длительность переходных процессов в канале связи и отсутствие паразитных связей между каналами.

Наряду с указанными достоинствами имеются и серьезные недостатки. Прежде всего это низкий КПД преобразований оптических сигналов в электрические и электрических в оптические. В современных приборах (лазерах, светоизлучающих диодах, p-i-n фотодиодах) КПД, как правило, не превышает 10 – 20 %. Если указанные преобразования осуществляются в устройстве дважды, то общий КПД уменьшается до единиц процентов. Применение в микроэлектронной аппаратуре оптоэлектронных устройств с низким КПД ограничено, так как при этом возрастает энергопотребление, затрудняется миниатюризация из-за необходимости обеспечения теплоотвода, возникает перегрев, снижающий эффективность и надежность большинства оптоэлектронных приборов.

Невосприимчивость оптического излучения к различным внешним воздействиям и электронейтральность фотона являются не только достоинствами, но и недостатками, так как затрудняют управление интенсивностью и направлением распространения светового потока. Используемые для этого электро- и магнитооптические явления, как правило, представляют собой эффекты второго и более высоких порядков и требуют для реализации очень высоких напряжений (сотни и тысяч вольт).

Для передачи оптических сигналов на различные расстояния используют волоконно-оптические системы (ВОСП). Оптический сигнал представляет собой оптическое излучение, один или несколько параметров которого (амплтуда, частота, фаза, поляризация) изменяются в соответствии с передаваемой информацией. В ВОСП производят формирование, передачу, преобразование, обработку и распределение оптических сигналов. В соответствии с этим компоненты ВОСП делятся на четыре группы:

источники излучения и передающие оптоэлектронные модули. формирующие оптические сигналы;

волоконно-оптические линии связи (ВОЛС) – кабели, служащие для передачи оптических сигналов;

оптические разветвители и коммутаторы, распределяющие оптические сигналы;

приемники излучения и приемные оптоэлектронные модули, преобразующие и обрабатывающие оптические сигналы.

Современные ВОСП исключительно разнообразны: сверхкороткие линии (до 1м) для обмена информацией в высоковольтной аппаратуре; короткие бортовые и внутриобъектовые (1...100 м); средней протяженности (0,3...10 км), составляющие основу межмашинных сетей передачи данных и разветвлений внутригородских АТС; магистральные, в том числе меж- и трансконтинентальные.

Оптрон представляет собой связанные световым потоком светодиод и фоторезистор (или фотодиод). Электрический сигнал вызывает свечение светодиода, которое воспринимается фоторезистором или фотодиодом, преобразующим световой поток в электрический сигнал. Оптрон подобно транзистору имеет многочисленные схемотехнические применения: преобразованияэлектрических сигналов, их генерация, усиление, переключение, гальваническая развязка и др.

Наряду с оптронами в состав элементной базы оптоэлектроники входят оптоэлектронные индикаторы матричного типа: индикаторы на светоизлучающих диодах (СИД), светоизлучающих резисторах (СИР) и жидкокристаллические индикаторы (ЖК). Индикаторы СИД и СИР имеют трехцветное свечение: зеленое, желтое и красное. Размер символов достигает 10 – 20 мм при токе потребления около 10 мА. Главное направление работ по развитию этой элементной базы оптоэлектроники – повышение светоотдачи, которая в настоящее время составляет примерно 2% . Индикаторы ЖК имеют вдвое более высокую контрастность, чем СИД и чрезвычайно малое потребление мощности (до 10мкВт/см²), что делает их перспективными для батарейной РЭА. Размеры символов индикаторов ЖК наибольшие, достигают 100 мм. Главным недостатком выпускаемых в настоящее время ЖК является ограниченность температурного интервала эксплуатации пределами от –5 до +55⁰С, однако нет принципиальных препятствий для устранения этого недостатка в будущем.

В состав элементной базы оптоэлектроники входят световодные кабели, обеспечивающие передачу на расстояние светового потока в результате многократного внутреннего отражения луча внутри стеклянной основы световодной жилы, имеющей диаметр около 40 мкм. Стеклянное волокно световодной жилы имеет покрытие, позволяющее набирать волокна в пучок в виде световодного кабеля.

Важной особенностью световодов как элементов оптоэлектроники является то обстоятельство, что носителями сигналов в них являются не электроны, а фотоны, блогодаря чему они практически не подвержены наводкам от внешних электромагнитных полей. Кроме того, отсутствует мешающее взаимодействие внутри потока, так как фотоны в отличие от электронов электрически нейтральны. Эти особенности обеспечивают интенсивное внедрение оптоэлектроники в новые разработки современной РЭА.

Главной трудностью при конструировании ГИМ ФМ на элементной базе оптоэлектроники является выполнение соединений между модулями с помощью световодных кабелей. Наибольшее затухание оптического сигнала наблюдается на входе и выходе световода, т.е. в соединителях. Возможны два вида световодных соединителей: пассивные и активные. Пассивные соединители предназначены для стыковки торцов стеклянных волокон друг с другом. Активные соединители содержат преобразователи оптических сигналов в электрические сигналы и по принципу своей работы разрывают не световод, а электрическую цепь.

Активные световодные соединители конструктивно надежнее пассивных, и применение их предпочтительно. Однако в ряде случаев требуется иметь разъемный контакт непосредственно одного волокна с другим, т.е. использовать пассивный световодный соединитель. Пассивный световодный соединитель должен обеспечивать точное совмещение торцов волокон с наружным диаметром 100 мкм и диаметром стеклянной сердцевины 40 мкм, допускающее многократное соединение-разъединение волокон без дополнительной регулировки. Одновременно с этим должна обеспечиваться защита оптической чистоты волокон от вредного воздействия окружающей среды, в том числе стыкуемых торцов волокон, с учетом механических воздействий при соединениях-разъединениях. Показатели качества пассивных световодных соединителей является затухание сигнала, измеряемое в децибелах. На затухание наибольшее влияние оказывают поперечная и угловая несоосность волокон, зазор между соединяемыми торцами волокон. Наибольшую долю вносит несоосность волокон.

В световодном кабеле содержится до 8 волокон, он имеет погонную массу 50 г/м в отличие от обычного кабеля для передачи широкополосных сигналов, погонная масса которого 20 кг/м. Здесь достигается экономия по массе в 400 раз. Световодные кабели находят широкое применение при обеспечении связи с диспетчерским пультом и других случаях.

Оптическая вычислительная техника – это комплекс оптоэлектронных и оптических приборов, предназначенный для создания аналоговых или цифровых вычислительных устройств. Это направление считается очень перспективным, оно может обеспечить значительное повышение быстродействия. Пока такие устройства находятся в стадии лабораторных исследований.

Основными элементами оптоэлектронных приборов являются светоизлучатели (лазеры и светодиоды), устройства для управления излучением (модуляторы, переключатели), оптические каналы связи (светодиоды) и среды для передачи и преобразования оптических сигналов, фотоприемники на фотодиодах, фототранзисторах и других фотоэлектрических приборах, индикаторы, полупроводниковые фотоэлементы, а также оптоэлектронные микросхемы.

Элементы оптоэлектронных приборов изготавливают из различных материалов. Так, в одном из простейших приборов – оптопаре используют арсенид галлия (излучатель), полимерный клей (оптическая среда) и кремний (фотоприемник). В волоконно-оптических системах передачи кроме указанных материалов применяют кварц (оптическая среда). Особенно велико число применяемых материалов в сложных приборах. Наличие разнородных материалов снижает общий КПД прибора из-за поглощения оптического излучения в пассивных областях, его отражения и рассеяния на многочисленных оптических границах. Возникают дополнительные трудности при конструировании приборов, обусловленные различием температурных коэффициентов расширения материалов; затрудняется микроминиатюризация, усложняется технология и, как следствие, повышается стоимость.