ЛЕКЦИИ спецглавы высшей математики / ЛЕКЦИЯ_1 / Лекция 1

Вопрос № 1

«История развития оптоэлектроники»

Оптоэлектроника является одним из самых актуальных направлений современной электроники. И это не случайно. Приборы оптоэлектроники характеризуются исключительной функциональной широтой, они успешно используются во всех звеньях информационной системы для генерации, преобразования, передачи, хранения и отображения информации. При создании оптоэлектронных приборов используется много новых физических явлений. Синтезируются уникальные материалы, разрабатываются сверхпрецизионные технологии. Оптоэлектроника достигла стадии промышленной зрелости, но это только первоначальный этап, так как перспективы развития многих ее направлений практически безграничны.

Истоки оптоэлектроники в современном ее понимании можно отнести к 1864 году, когда Джеймсом Клерком Максвеллом

была предложена система уравнений электродинамики, в одном из выводов которой утверждались электромагнитная природа света и единство природы радиоволн и оптического излучения. Эта теория успешно объяснила совокупность опытных данных по оптике – явлений дифракции, интерференции, спектрального разложения и других, полученных ранее, начиная с ХVII века (Христиан Гюйгенс

,

Исаак Ньютон

,

Огюстен Жан Френель

,

Майкл Фарадей

и др.). К концу XIX века появились новые экспериментальные факты, не объяснимые в рамках волновой теории. Для преодоления возникших противоречий М. Планк выдвинул гипотезу о том, что испускание и поглощение излучения осуществляется дискретно в виде квантов (или фотонов); им была создана теория теплового излучения (формула Планка, 1900 год). На основе представления о том, что излучение не только испускается, но и распространяется в виде квантов, А. Эйнштейн

в 1905 году предложил теорию фотоэффекта. Иными словами, сформировалось представление, что квантовая природа (дискретность) присуща самому излучению; дуализм света нашел отражение в известной формуле, связывающей энергию фотона и частоту световых колебаний следующим образом: . В 1922 году Артур Холли Комптон (американский физик, лауреат Нобелевской премии)

, изучая рассеяние фотонов на свободных электронах, показал, что фотону присущ также импульс . К концу 20-х годов того столетия квантово-волновая теория оптического излучения была полностью сформирована.

Важное открытие было сделано в 1917 году А. Эйнштеном: теоретически рассматривая электронные переходы в атомах при генерации света, он установил, что возможен процесс вынужденного (индуцированного) излучения, то есть генерация или усиление света активной средой. Экспериментально этот процесс был реализован в 1954 году одновременно А.М. Прохоровым и Н.Г. Басовым в СССР и Ч. Таунсом в США. Изобретенный ими молекулярный генератор на аммиаке (мазер) работал в радиочастотном диапазоне на , однако стало ясно, что на том же принципе можно получить эффективную генерацию и оптического излучения. Такой генератор (лазер) был скоро создан. В 1960 году в США почти одновременно появились первый твердотельный лазер на рубине (и газовый гелий-неоновый лазер ( В 1962 году Н.Г. Басовым была предсказана возможность создания полупроводникового лазера, в 1963 году такой прибор на основе арсенида галлия ( был реализован в США Холлом. В период 1963 – 1967 годов Жоресом Ивановичем Алферовым

изобретены и экспериментально изготовлены полупроводниковые гетеролазеры – экономичные долговечные приборы, способные работать при комнатной температуре.

Появление лазеров и в особенности гетеролазеров определило техническое содержание многих ведущих направлений оптоэлектроники. Так в 1947 году венгерский физик Денеш Габор

изобрел голографию – метод получения объемного изображения объекта путем интерференции двух когерентных звуковых волн: предметной и опорной. По сравнению с фотографией преимущество голографии для целей информатики состоит в том, что удается сохранить полную информацию, несомую световой волной. Несмотря на очевидные достоинства голографической регистрации, метод в течение 15 лет «пребывал в счячке» (выражение Д. Габора), пока, наконец, записью лазерных голограмм на поверхности (Э. Лейт и Ю. Упатниекс, 1962 год) и в объеме вещества (Ю. Н. Денисюк, 1963 год) не началась новая, современная глава истории этого метода.

Аналогичная ситуация сложилась и в нелинейной оптике, изучающей особенности распространения и взаимодействия с веществом высокоинтенсивных световых лучей. Развитие идей началось в 1920-е годы, однако техническую значимость нелинейная оптика обрела лишь после 1961 года, когда был продемонстрирован эффект удвоения частоты излучения рубинового лазера в кристалле кварца (П. Франклен).

Наряду с открытиями, связанными с изобретениями лазера, важны и многие другие открытия и изобретения оптоэлектроники, в которых совершенно по-новому были использованы давно известные явления, вещества, устройства.

В 1927 году О.В. Лосевым впервые наблюдалось свечение карбид-кремниевых детекторов, в 1955 году обнаружена инжекционная (впрыскивающая) люминесценция в арсениде галлия, в 1962 – 1964 годах появились светодиоды инфракрасного (ИК) диапазона, затем «красные» и «зеленые» и, наконец, в 1967 году – впервые цифровые светодиодные индикаторы на основе тройного соединения арсенид-фосфид галлия.

Жидкокристаллическое (мезофазное) состояние в некоторых органических веществах было обнаружено при ботанических опытах еще в 1988 году, но первые индикаторы на жидких кристаллах появились лишь в 1969 году после синтеза сверхчистых материалов и обнаружения в них электрооптического эффекта динамического рассеяния.

Свечение электрического заряда в газах известно с середины XVIII-го века, но первый газоразрядный индикатор появился в 1954 году, а многоэлементная плазменная панель, обеспечивающая конкурентоспособность этого направления, - лишь в начале 70-х годов прошлого столетия.

О низковольтной (5 – 20 В) катодолюминесценции писали еще в 1940-х годах, а впервые вакуумные индикаторы на этом эффекте созданы в 1966 – 1967 годах.

История фотоприемников также берет свое начало еще в XIX веке, когда У. Смит (1873 г.) открыл внутренний фотоэффект и А.Г. Столетов (1888 г.) – внешний. С 1917 года началось промышленное использование фоторезисторов, в 1940 году были созданы приборы, чувствительные к ИК-диапазоне, современные фотоэлектрические приборы с p-n-переходом (фотодиоды, фототранзисторы, солнечные преобразователи) появились в начале 1950-х годов, Наконец, приборы с зарядовой связью – основа современных формирователей сигналов изображения – запатентованы в 1969 году.

Возможность распространения света по криволинейной траектории благодаря использованию эффекта полного внутреннего отражения продемонстрирована Дж. Тиндалем в 1870 году; в середине 1950-х годов созданы гибкие двухслойные стеклянные световоды (зарождение волоконной оптики); в 1966 году высказана идея волоконно-оптической связи, а в 1970 году получены первые высокочистые волокна, пригодные для этой цели.

Взаимосвязанная пара «светоизлучатель – фотоприемник» и схемотехника оптопар предложены в 1955 году. Промышленный выпуск оптопар для электрической развязки начат в 1965 году. Исследовательские работы в области устройств оптической памяти ведутся с 1967 года; промышленный выпуск оптических дисковых накопителей начат в 1984 году. Определяющие концепции интегральной оптики – наиболее вероятной конструктивно-технологической основы оптической вычислительной техники будущего – сформулированы в 1969 – 1970 годах. 2000-ые годы стали годами реализации концепции в практику деятельности.

Принимая во внимание решающую роль лазера в становлении оптоэлектроники, следует считать формальным годом ее рождения 1960-й год. Однако еще раз подчеркнем, что истоки отдельных направлений оптоэлектроники относятся к концу XIX века, а большинство технических решений, определивших лицо современной оптоэлектроники, - 1970 год.

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

Согласно этому определению оптоэлектронику как научно-техническое направление характеризуют три отличительные черты:

1. Физическую основу оптоэлектроники составляют явления, методы, средства, для которых принципиальны сочетание и неразрывность оптических и электронных процессов. В широком смысле оптоэлектронное устройство определяется как прибор чувствительный к электромагнитному излучению в видимой, ИК- или ультрафиолетовой (УФ) областях; или прибор, излучающий и преобразующий некогерентное и когерентное излучение в этих же спектральных областях. В математических моделях оптоэлектронных процессов используются функции ,где и - оптическое и электрическое возмущения, соответственно. Наиболее специфичными и характерными являются преобразования вида (в излучателях), (в фотоприемниках), а также (при распространении излучения).

2. Техническую основу оптоэлектроники определяют конструкторско-технологические концепции современной микроэлектроники:

- миниатюризация элементов;

- предпочтительное развитие твердотельных плоскостных конструкций;

- интеграция элементов и функций;

- ориентация на специальные сверхчистые материалы;

- применение методов групповой обработки изделий, таких как эпитаксия, фотолитография, нанесение тонких пленок, диффузия, ионная имплантация, плазмохимия и др.

3. Функциональное назначение оптоэлектроники состоит в решении задач информатики:

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

- перенос информации;

- переработке (преобразовании) информации по заданному алгоритму;

- хранение информации, включающем такие процессы, как запись, собственно хранение, неразрушающее считывание, стирание;

- отображение информации, то есть преобразование выходных сигналов информационной системы к воспринимаемому человеком виду.

Для решения перечисленных задач в оптоэлектронных устройствах используются информационные сигналы в оптической и электрической формах, но определяющими являются оптические сигналы – это оптика, управляемая электроникой. Переход к оптическим системам (с «отодвиганием» электроники на периферию) приводит к максимальному эффекту.

В конкретном оптоэлектронном приборе перечисленные отличительные признаки могут быть воплощены в большей или меньшей степени, но наличие всех трех составляющих данного выше определения представляется обязательным. Приведем два примера. Традиционные электровакуумные приборы – электронно-лучевые трубки, фотоэлектронные умножители, для которых существенны и оптические, и электронные информационные сигналы, тем не менее не относят к оптоэлектронным, так как не удовлетворяется второе условие. Их современные аналоги – газоразрядная плазменная панель и полупроводниковый лавинный фотодиод – типичные изделия оптоэлектроники. Лазеры – это основа оптоэлектроники, но те из них, которые предназначены для технологических, энергетических, медицинских целей вряд ли целесообразно относить к изделиям оптоэлектроники.

Строго провести разграничение во всех без исключения конкретных случаях не удается (и вряд ли это необходимо), но в целом определение позволяет правильно очертить круг рассматриваемых изделий.

Оптоэлектроника синтезирует достижения ряда областей науки и техники, среди которых, прежде всего, должны быть выделены: квантовая электроника, полупроводниковая техника, оптика. Области, составляющие фундамент нового направления. Необходимо также назвать: фотоэлектронику, электрооптику, светотехнику, нелинейную оптику, голографию, волоконную оптику, ИК-технику.

Принципиальные достоинства оптоэлектроники обусловлены специфическими особенностями электромагнитных волн оптического диапазона, отличительными свойствами фотона как носителя информации и проявляются в следующих основных моментах

Высокочастотность. Частота оптических колебаний на 3 – 5 порядков выше, чем в освоенном радиотехническом диапазоне, - это значит, что во столько же раз возрастает и пропускная способность оптического канала передачи данных.

Острая фокусировка. Согласно теории дифракции поток излучения принципиально может быть сфокусирован до пятна с поперечным линейным размером около ; таков же и минимальный шаг дискретности оптических воздействий. Это значит, что максимальная плотность записи оптической информации может достигать , то есть 10⁹ – 10¹⁰ бит/см².

Направленность. Угловая расходимость луча, обусловленная фундаментальными дифракционными пределами, , где А- апертура излучателя. Вследствие малости при практически реализуемых значениях А удается снизить до уровня десятков и единиц угловых секунд.

Развязка. Использование в качестве носителя информации электрически нейтральных фотонов обуславливает бесконтактность оптической связи. Отсюда следует идеальная электрическая развязка входа и выхода; однонаправленность потока информации и отсутствие обратной реакции приемника на источник; помехозащищенность оптических каналов связи; скрытность передачи информации по оптическому каналу связи.

Визуализация. Оптоэлектроника, охватывающая видимый диапазон электромагнитного спектра, позволяет преобразовывать информацию, представленную в электрической форме в зрительную, то есть в форму, наиболее удобную для восприятия.

Фоточувствительность. Это свойство делает возможным восприятие образов, то есть преобразование поля излучения в адекватное ему электрическое информационное воздействие (обычно в видеосигнал). При этом в отличие от человеческого глаза оптоэлектронный прибор может «видеть» предметы в любой требуемой области оптического спектра.

Пространственная модуляция. Электронейтральность фотонов обуславливает невзаимодействие (несмешиваемость) отдельных оптических потоков. Вследствие этого, в отличие от электрического тока, поток фотонов может быть промодулирован не только во времени, но и в пространстве, что открывает огромные возможности для параллельной обработки информации – непременного условия создания сверхпроизводительных вычислительных систем.

Специфика оптоэлектроники обуславливает и ряд недостатков, присущих оптоэлектронным приборам.

Неудовлетворительная энергетика. Коэффициент полезного действия преобразователя вида и в лучших современных приборах (лазерах, светодиодах, p-i-n-фотодиодах), как правило, не превышает 10 – 20%. Поэтому если в устройстве осуществляется преобразование лишь дважды (на входе и на выходе), как, например, в оптопарах или в волоконно-оптических линиях связи (ВОЛС), то общий КПД падает до единиц процентов; введение каждого дополнительного акта преобразования информационных сигналов из одной формы в другую ведет к уменьшению КПД еще на порядок или более. Низкое значение КПД вызывает рост энергопотребления, что недопустимо из-за ограниченных возможностей источников питания; затрудняет миниатюризацию, поскольку практически не удается отвести выделяющееся тепло; снижает эффективность и надежность большинства оптоэлектронных приборов.

Отметим, что в отдельных экспериментальных образцах лазеров, светодиодов, фотоприемников удается получить внутренний КПД, свойственный активной области полупроводниковой структуры, близким к 100%, что свидетельствует о принципиальной возможности преодоления данного недостатка.

Гибридность. Составляющие оптоэлектронное устройство отдельные элементы и приборы, как правило, изготавливаются из различных материалов. Например, в оптопаре это арсенид галлия (излучатель), полимерный оптический клей, кремний (фотоприемник); в ВОЛС к этим материалам добаляется кварц (световод). Еще более «пестрая» картина в сложных оптоэлектронных системах. Так, голографическое запоминающее устройство (ГГЗУ) включает гелий-неоновую смесь (лазер), стекло, кварц (согласующие оптические элементы), ниобит лития (модулятор, дефлектор), фотоэмульсию (регистрирующая пластинка), кремний (фотоприемник).

Наличие разнородных материалов обуславливает;

- низкий общий КПД устройства из-за поглощения излучения в пассивных областях структур, отражения и рассеяния на оптических границах;

- снижение надежности из-за различия коэффициентов температурного расширения материалов, разъюстировки при механических воздействиях, сложности общей герметизации устройства;

- технологическую сложность и высокую стоимость.

В традиционной микроэлектронике эти недостатки предопределили доминирование монолитных интегральных микросхем над гибридными.

Деградация. Здесь это понятие используется в широком смысле как снижение эффективности оптоэлектронных приборов при воздействии температуры , проникающей радиации , а также при долговременной работе . Принципиальная особенность оптоэлектронных преобразований и процессов распространения излучения в веществе (обусловленная малостью длтны волны света) состоит в их исключительно высокой чувствительности к нарушениям оптической однородности материалов и даже к субмикронным включениям. К появлению таких дефектов и ведут -, - и -воздействия. Практически для всех видов излучателей имеет место уменьшение мощности излучения при повышении температуры; у фотоприемников происходит возрастание темновых токов и уровня шумов. Так же проявляется воздействие проникающей радиации (быстрые электроны, протоны, -частицы, нейтроны и -кванты), с той разницей, что возникающие нарушения необратимы. Степень деградации физических свойств оптоэлектронных приборов при длительной работе зависит от их технологического совершенства, однако всегда неизбежно помутнение оптических сред и ухудшение светопроницания на границах разнородных материалов.

Сопоставление перечисленных достоинств и недостатков, значимость первых и возможность преодоления (хотя бы частично) вторых позволяет сделать общий оптимистический вывод об огромных возможностях оптоэлектроники.

Разнообразие физических эффектов предопределило большое количество приборов оптоэлектроники. Ниже рассмотрены основные из них.

Индикаторы – электрически управляемые приборы для систем визуального отображения информации. Они находят широчайшее применение, начиная от электронных часов и микрокалькуляторов, табло и приборных щитов до дисплеев в системе «человек – ЭВМ». Развитие индикаторной техники подошло к созданию плоских экранов телевизионного типа. Физическую основу приборов индикаторного типа составляют разные виды электролюминесценции (для приборов с активным светящимся растром) и электрооптические явления (для приборов с пассивным светоотражающим растром). В промышленности наиболее широко представлены жидкокристаллические, полупроводниковые (светодиодные), вакуумные люминесцентные, газоразрядные индикаторы. Эти изделия выполняются в виде цифровых и цифро-буквенных индикаторов, многоразрядных монодисплеев, универсальных информационных плоских экранов, отображающих цифры, буквы, символы, графики, а также подвижные двумерные картины.

Формирователи сигналов изображений (ФСИ) или формирователи видеосигналов (ФВС) – приборы, предназначенные для преобразования образов (изображений) в адекватную им последовательность электрических сигналов. Основное применение эти приборы находят в телевизионных передатчиках, а также в фототелеграфии, при считывании информации на входе ЭВМ, в приборах контроля технологических процессов и пр. Миниатюрные твердотельные ФСИ совместно с микропроцессорами используются при разработке систем искусственного зрения роботов, а в будущем и человека. Работа приборов базируется на физике фотоэлектрических явлений. Типичными представителями являются фоточувствительные приборы с зарядовой связью (ФПЗС) – многоэлементные интегральные фотоприемники со встроенным электронным самосканированием, обеспечивающим последовательное считывание информации со всех фоточувствительных ячеек.

Волоконно-оптические линии связи (ВОЛС) – устройства и системы, основу которых составляет гибкий волоконно-оптический световод (в виде кабеля), сочлененный с излучателем на одном (передающем) конце и с фотоприемником – на другом (приемном). Они выполняют функции линии связи и передачи данных: это сверхкороткие линии (до 1 м) для обмена информацией в высоковольтной аппаратуре; короткие бортовые и внутриобъектовые ВОЛС (5 – 1000 м); линии средней протяженности (1 – 20 км), составляющие основу межмашинных интегральных сетей передачи данных и разветвленных внутригородских АТС; магистральные ВОЛС длиой в тысячи км, в том числе меж- и трансконтинентальные, а также подводные.

Физическую основу ВОЛС составляют процессы распространения оптических сигналов по волоконному световоду, а также светогенерационные и фотоэлектрические явления в излучателе и приемнике. Для технической реализации используются главным образом сверхчистые кварцевые световоды, полупроводниковые гетеролазеры и светодиоды на соединениях , фотодиоды (лавинные и с p-i-n-структурой) на основе кремния и соединений .

Оптопары или элементы электрической развязки, представляющие собой приборы, в которых светодиодный излучатель (входная цепь) связан с фотоприемником (выходная цепь) оптически и развязан электрически. Оптопары широко используются в микроэлектронной и электротехнической аппаратуре для обеспечения электрической развязки при передаче информационных сигналов, бесконтактной коммутации сильноточных и высоковольтных цепей и создания перестраиваемых фотоприемников, в устройствах контроля и регулирования. В физике оптопар наиболее выпукло проявляются особенности преобразователей и , их элементную базу составляют преимущественно светодиоды на соединениях и кремниевые фотодиоды, фоторезисторы, фототранзисторы, фототиристоры.

Солнечные преобразователи – полупроводниковые фотодиоды, оптимизированные для прямого преобразования солнечного излучения в световую энергию. Строго говоря, их функциональное назначение не соответствует данному выше в определении оптоэлектроники, тем не менее исторически сложилось так, что стало общепринятым солнечные батареи к оптоэлектронным приборам. Эти приборы основаны на фотовольтаическом эффекте в полупроводниках. Определяющая направленность их конструктивно-технологической реализации – создание большой фоточувствительной площади, достижения высокого КПД и низкой стоимости. Основной материал фотодиодов для преобразования солнечной энергии - кремний, иногда арсенид галлия. Использование тонкопленочной технологии на основе кремния (в поликристаллической или аморфной форме) или соединений стимулируется низкой стоимостью.

Оптическая память основана на ЗУ, в которых на носитель записывается информация, представленная в оптической форме. Высокая плотность записи обуславливает перспективность этих устройств в архивных ЗУ ЭВМ и информационно-поисковых систем, к которым многократно обращается большое число пользователей. Дополнительные достоинства оптической памяти – это большой срок хранения информации, повышенная скорость информационного обмена, возможность записи аналоговой информации и двумерных образов. Физической основой оптической памяти является тепловое воздействие на вещество лазерного луча, иногда голографические эффекты. Проводятся исследования ЗУ с параллельной записью массивовинформации на фотопластинках в виде голограмм. Начато промышленное производство оптических дисковых накопителей с последовательной (побитовой) записью информации на поверхность вращающегося диска острофокусированным лучом лазера.

Оптическая вычислительная техника – комплекс оптоэлектронных аппаратных средств, позволяющих эффективно осуществлять математические и логические действия с информацией, представленной в оптической форме. Алгоритмическая основа этого направления связана со способностью линейных оптических систем осуществлять некоторые аналоговые математические преобразования (в частности, двумерное интегрирование преобразование Фурье и операцию свертки), а также параллельную обработку больших массивов цифровой информации.