лекция_Оптоэлектроника

Основные определения

Оптоэлектроника – область науки и техники, которая исследует и применяет процессы взаимодействия оптического излучения с веществом для передачи, приема, переработки, хранения и отображения информации.

Квантовая электроника – область электроники, которая исследует и применяет явления генерации, усиления электромагнитных колебаний на основе эффекта вынужденного излучения и явления нелинейного взаимодействия мощного излучения с веществом.

Оптическое излучение – электромагнитное излучение оптического диапазона. Излучение и поглощение происходит отдельными порциям, квантами – фотонами. При испускании фотона энергия атома уменьшается, а при поглощении фотона – увеличивается.

Электрон при испускании фотона переходит вниз на более низкий уровень, а при поглощении фотона электрон переходит вверх на более высокий уровень (рис. 2.).

Квантовые переходы валентных (связанных) электронов с одного уровня на другой сопровождаются излучением или поглощением электромагнитной энергии, частота которой удовлетворяет соотношение

νmnh =Em-En ,

2

где h – постоянная Планка, νmn - частота излучения (поглощения) при квантовом переходе электрона с уровня Em на уровень En , (Em >En).

Переходы при взаимодействии с фотонами могут быть спонтанными (самопроизвольными) и вынужденными (индуцированными).

Испускание фотона при спонтанном переходе не зависит от внешних факторов. Здесь направление излучения и поляризация фотонов могут быть любыми.

Вынужденные квантовые переходы происходят под воздействием внешнего излучения частоты ν. Они генерируют фотоны. Фотон – копия имеет направление излучения и поляризацию такие же, как и у фотона стимулирующего усиление электромагнитного излучения. При этом частота испущенного электрона совпадает с частотой вынужденного излучения.

Квантовый генератор – источник когерентного излучения, основанный на использовании явления вынужденного излучения.

Лазер – оптический квантовый генератор (усилитель) свое название получил от английского laser (начальных букв фразы Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation – усиление света с помощью индуцированного излучения).

Мазер – квантовый генератор (усилитель) электромагнитного излучения радиодиапазона.

Когерентность – явление коррелированного (согласованного) протекания во времени и в пространстве колебательных или волновых процессов. Когерентное излучение имеет упорядоченные амплитуду, частоту, фазу, поляризацию и направление распространения.

Интегральная оптика – это раздел оптоэлектроники, в котором изучаются оптические явления в тонких слоях полупроводников и в диэлектриках, а также разрабатываются интегрально оптические элементы.

Диапазоны соответствия частот и длин волн для радиосвязи и оптической связи

Рассмотрим некоторые свойства электромагнитных волн, примыкающих к видимому свету, и их использование для передачи информации.

Радиосвязь – это система передачи, в которой сигналы электросвязи передаются с помощью радиоволн в открытом пространстве. Радиоволны разделяют на диапазоны в зависимости от их особенностей распространения (табл. 1.).

Пользуются и другими условными обозначениями, когда сверхдлинные волны (СДВ)

6

соответствуют мириаметровым; длинные (ДВ) – километровым; средние (СВ) – гектометровым; короткие (КВ) – метровым; ультракороткие волны (УКВ) - это 8-11 диапазоны (иногда и 12 диапазон относят к УКВ). Использование радиоволн (их частотного ресурса

Рис. 3. Использование частотного ресурса радиовещанием, телевидением, радиосвязью и радиолокацией

Световые волны отличаются от радиоволн только способом распространения, а их частоты принято обозначать буквой ν. На рис. 1. приведена шкала электромагнитных волн.

Частота световых волн намного выше, чем в радиодиапазоне. Так инфракрасные волны имеют частоты от 200 до 300 ТГц (длина волны от 0,850 до 1,6 мкм), поэтому оптический диапазон имеет высокую информационную емкость оптического канала связи.

До конца 50-х гг. XX века световые волны переносчиком сообщения принимались редко. Средой распространения световых волн была атмосфера (открытое пространство).

7Р

Характеристики атмосферы были неподходящими для высоконад ежных систем связи. Так молекулярное поглощени е в газах атмосферы зависит от длины волны λ (рис. 4.). Вблизи длин волн 0,94; 1.13; 1,38; 1,9; 2,7; 4,3 и 6.0 мкм наблюдается сильное поглощение парами воды, углекислого газ а и озона. Между полосами поглощения находятся 8 областей прозрачности – “ атмосферных окон”, где потери зависят только от про цессов рассеяния.

Рис. 4. Спектр оптического п ропускания слоя атмосферы толщиной 1 км над уровнем м оря

Связь отсутствует при дож де, тумане (метеоры).

Первая оптическая линия связи (красная нить лазерного света) в СССР была реализована в Москве в 1966 г. меж ду Зубовской площадью и Ленинскими горами. Это была открытая оптическая связь, когда использовалось открытое пространство. Здесь две городские АТС находились друг от друга на расстоянии 5 км. После этого выяснилось, что нужно развивать волоконные световоды как альтернативу металлическим кабелям.

Только в 2005 году впе рвые в космосе был произведен эксперимент американскими и японскими учеными по передаче информации между двумя спутниками по лазерному лучу. Стало ясно, что перспективы открытой оптической связи имеются. Дистанция связи была 45 тыс. км.

Рассмотрим для примера принцип работы светотелефонной ли нии связи с учетом поглощения инфракрасного и злучения в атмосфере. На графике видно, что ИК излучение светодиода при λ = 1,0 -1,3 мкм поглощается в атмосфере незначительно. Структурная схема простейшей односторонней линии связи изображена на рис.5.

В качестве усилителя мож но применить усилитель звуковой частоты УЗЧ с коэффициентом усиления порядка 10000 раз. Он обеспечивает большую ампли туду тока в ИК-све- тодиоде. Излучение ИК-светодиода линейно зависит от тока даже на верхних частотах.

8

Максимальный ток светодиода Imax = 100мА. Мощность излучения равна 12 мВт. Этот же светодиод на приеме обеспечивает преобразование светового сигнала в электрический. Питание на диод не падают. При засветке его р-п-перехода возникает фотоЭДС, зависящая от освещенности.

Недостатки рассмотренной лини связи:

-необходимо применять оптическую собирающую линзу диаметром 70 – 130 мм с фокусным расстоянием F=80 мм, например, конденсорную линзу от увеличителя;

-направленность светотелефона составляет примерно 1,5°, что требует специальный визир;

-ограниченная дальность связи (днем несколько сот метров, а ночью – до 1,5 км). Параметры этой линии связи можно улучшить, если применить объектив от

фотоаппарата с переменным фокусным расстоянием и подобрать ИК-светодиод.

С 1959-1961 гг. после изобретения лазерного источника света начали развиваться волоконно-оптические линии связи. При этом используются специально направленные системы – световоды (диэлектрические волокна с малыми поперечными сечениями).

На рис. 6. показана схема современной волоконно-оптической линии дальней связи. В состав ВОЛС входят основные компоненты:

–передатчик, который преобразует входные управляющие электрические сигналы в

выходные световые сигналы; – участок линии из оптического волокна (физическая среда для передачи потока информации)

Рис. 6. Волоконно-оптическая линия дальней связи

–регенераторы и/или оптические усилители, применяемые с целью увеличения дальности передачи информации (оптический сигнал, пройдя определенное расстояние, затухает, и поэтому он должен усиливаться);

–приемник, который преобразует входные оптические сигналы в выходные электрические сигналы.

Источниками световых сигналов сегодня служат светодиоды и лазеры.

Световые сигналы с выхода передатчика вводятся через оптический разъем (соединитель) в оптическое волокно и передаются по ВОЛС.

На приемной стороне фотоприемник преобразует оптический сигнал в электрический. Далее электрические сигналы обрабатываются и поступают по назначению.

Таким образом, из всех компонентов ВОЛС главными являются передатчик, волоконнооптический кабель – основа оптической связи и приемник.

Требования перехода на ВОЛС возникли из-за того, что проводные (кабельные) линии связи ограничены в пропускной способности. Максимальная скорость передачи информации составляет 50 Мбит/с. Это сервисы DS-3 (44,736 Мбит/с) и Е-3 (34,386 Мбит/с). А технология DS-4 со скоростью 274,176 Мбит/с применялась только для соединения микроволновых модемов с СВЧ-антеннами при использовании волноводной среды.

Воптических каналах связи основной причиной, ограничивающей максимальную скорость передачи информации по одному каналу, является быстродействие элементов. электроники и составляет порядка 40 Гбит/с. Однако, имеются методы уплотнения информации при передаче их по каналу, что увеличивает переданный поток информации.

Волоконно-оптические линии связи позволяют обеспечивать суммарную скорость передачи информации по одному синтетическому волокну до 1600 Гбит/с и даже за

9

Рис. 7. Развитие маг истральных и городских волоконно-опт ических сетей

несколько 10-ков Тбит/с (читается терабит в секунду). Поток информации 1 Тбит/с – это 10 млн. телефонных разговоров, например, жителей Москвы. ВОСП сп особствуют ускорению внедрения всех технологий широкополосного доступа {рис. 7 .)

Классификация оптоэлектронных полупроводниковых приборов

Сегодня, когда говорят об электронике, то имеют в виду высокие технологии, применяемые в информационных системах передачи, приема, переработки, хранения и отображения информации

Информационные системы строятся на приборах электроники, в том числе и на различ-. ных оптоэлектронных прибор ах, в основе которых лежат квантовые ст руктуры.

Оптоэлектронный прибор – это прибор, излучающий или преобразующий электромагнитное излучение. Он может быть чувствительным к электромагнитному излучению в инфракрасной, видимой и (или) ультрафиолетовой областях спектра. В оптопарах и в некоторых элементах интегральной оптики указанные явления могут использоваться для внутренних взаимодействий их элементов.

Все известные оптоэлектронные приборы в настоящий период можно условно классифицировать на следующие группы (рис.9.):

-лазеры – квантовые усилители и генераторы неполупроводниковые (газовые, твердотельные на диэлектриках и жидкостные);

-полупроводниковые излучатели;

-приемники излучения;

-(оптроны); оптопары

-элементы интегральной оптики.

Полупроводниковые излучатели – это оптозлектронные полупроводниковыe приборы, преобразующие электрическую энергию в энергию электромагнитных волн в инфракрасной, видимой или ультрафиолетовой области спектра.

Многие из излучателей видимой области спектра и инфракрасные излучающие светодиоды (ИК-светодиоды) могут излучать только некогерентные электромагнитные волны.

К излучателям видимой области спектра относят светоизлучающие диоды (СИД) и электролюминесцентные ячейки-приборы отображения информации (порошковые и пленочные излучатели).

СИД малой излучаемой мощности обеспечивают генерацию световых импульсов малой длительности, а большой мощности – могут быть источником мощного света и даже элементами уличного светофора или использоваться вместо галогенных ламп автомобиля.

Излучатели видимой области спектра изготовляются в виде простого индикатора (светодиодного) или в виде знакового индикатора, шкалы или экрана.

Инфракрасный излучающий светодиод– это полупроводниковый излучатель представляющий собой диод, который способен излучать энергию инфракрасной области спектра.

ИК-светодиоды предназначены для устройств связи, используются в оптронах в качестве датчиков, а также во многих приборах и устройствах.

Когерентные излучатели инфракрасных волн – это полупроводниковые лазеры со многими классификационными группировками:

1. с различными видами возбуждения:

электронной продольной и поперечной накачкой; оптической накачой фотонами с энергией hν ≥ Eg или инжекции неосновных носителей зарядов ННЗ через p-n-переход при пропускании через него тока в прямом направлении;

2. по виду электрического перехода:

- “ простого” p-n- перехода из гомогенного материала - гомоперехода за счет распределения примесей в двух металлургически соединенных кристаллах;

- гетероперехода – электрического перехода на атомном уровне двух различных по химическому составу полупроводников в одном кристалле при синтезе одного слоя над другим. Различают типы

гетероструктур из полупроводников с различными Рис. 10. Типы гетероструктур по ширине запрещенными зонами (рис.10.):

14

4.по виду конструкции активной области:

-полосковые гетеролазеры, у которых активная область в виде узкой полоски, а излучение с торца p-n-перехо да;

-поверхностно-излучающ ие инжекционные микролазеры, активные области которых содержат вертикально-связа нные квантовые точки;

5.по типу резонатора – колебательной системы, обеспечивающей положительную обратную связь:

-плоский резонатор, кото рый называют резонатором Фабри – Пе ро;

-резонатор со сферическими зеркалами;

-составные и дисперсионные резонаторы с дополнительными элементами,

селектирующими продольные моды; - кольцевые с зеркалами , обеспечивающими распространение электромагнитных волн

по замкнутому контуру;

-с распределенной обратной связью РОС, где роль зеркал вып олняет периодичная решетка, например ДГС-лазера, выполняемая на одной из границ гете роперехода;

-распределенные брэггов ские отражатели РБО (зеркала резонатора) в виде чередую-

щихся диэлектрических слое в толщиной d1 и d2 с разными показателя ми преломления n1

и n2, при выполнении условия n1d1 = n2d2 =λ/4;

6. по величине мощности лазеры подразделяют на мощные и на м аломощные. Мощные генерируют в одн омодовом (одночастотном) непрерывно м режиме более 100 мВт, а при непрерывном - многомодовом режиме более 0,5…1 Вт.

Некоторые лазеры генерируют мощность в одномодовом непрерывном режиме до 0,5 Вт, а в многомодовом непрерывном режиме порядка 5…10 Вт.

Сегодня имеются возможн ости получить большие мощности оптиче ского излучения:

- при суммировании световых потоков нескольких отдельных лазеров методами волоконной оптики;

15

- при создании методами интегральной технологии на одном кристалле однотипных полосковых структур с общими эпитаксиальными слоями и общей базой – лазерных линеек;

- при суммировании на кристалле излучений от отдельных лазерных элементов методами интегральной оптики – специальными волноводными структурами на этом же кристалле.

Лазерная линейка позволяет получить в непрерывном режиме мощность до 50 Вт. Дальнейший шаг повышения излучаемой мощности – создание лазерных решеток из линеек.

Приемник излучения – это оптоэлектронный полупроводниковый или вакуумный прибор, который чувствительный к электромагнитному излучению инфракрасной, видимой и/или ультрафиолетовой областей спектра. Некоторые из них могут и непосредственно преобразовывать энергию электромагнитного излучения в электрическую.

Фотоэлектронные приборы – электровакуумные приборы, преобразующие электромагнитные сигналы оптического диапазона в электрические напряжения и токи. Здесь различают вакуумные фотоэлементы и фотоэлектронные умножители.

Полупроводникововые приемники излучения подразделяются на фоторезисторы, фото-

диоды, фототранзисторы, фототиристоры, приборы с зарядовой связью (ПЗС), прием-

ники проникающей радиации и корпускулярно-преобразовательные приборы фотоэлементы – солнечные батареи (и звездные).

Оптопара – это прибор некогерентной оптоэлектроники, объединяющий излучатель и фотоприемник, между которыми имеется оптическая связь и обеспечивается электрическая изоляция.

Оптроны подразделяют на простые оптопары и на специальные виды оптопар.

Простые оптопары строят на дискретных элементах. Это резисторные, диодные,

дифференциальные диодные, тиристорные, фотоварикапные, диодно-транзистор-ные, на лавинных фотодиодах, на любом фототранзисторе и/или составном фототранзисторе, на однопереходных фототранзисторах. Возможны логические ячейки типа И,

ИЛИ и др. ячейки.

Транзисторные и тиристорные оптопары используются в приборах бесконтактного управления и коммутации высоковольтных сильноточных цепей.

Дифференциальные оптопары состоит из одного излучателя, который воздействует на два и более фотоприемника.

Специальные виды оптопар изготовляют с дополнительными устройствами, например, с гибкими световодами, с открытым оптическим каналом или с управляемым оптическим каналом.

На базе оптопар с открытым оптическим каналом и с управляемым оптическим каналом строят оптоэлектронные датчики, которые состоят из фотоприемников и светодиодов.

Оптоэлектронные датчики преобразуют внешние воздействия в электрические или оптические сигналы, используемые для контроля.

Датчики разделяют на четыре группы:

-с открытым каналом, в котором размещают элемент контроля;

-с входным чувствительным к внешним воздействиям оптическим волокном;

-с входным планарным световодом, который изготовляется методами интегральной оптики;

-с волоконно-оптическими связями, когда датчик встраивается в место разрыва оптического волокна.

Идет широкая интеграция волоконно-оптических датчиков на общей с ВОЛС конструк- тивно-технологической основе. Это позволяет развивать направление информатики, так называемую оптоэлектронную телематику, где непосредственно из среды извлекается

16