Приглашаем посетить сайт

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах
ОПТОЭЛЕКТРОНИКА

ОПТОЭЛЕКТРОНИКА

ОПТОЭЛЕКТРОНИКА - область физикии техники, использующая эффекты взаимного преобразования элек-трич. и оптич. <сигналов. Хотя эффекты преобразования световой энергии в электрическую(детектирование света с помощью фотоприёмников) и обратное преобразование(электролюминесцентные источники) были известны давно, термин "О." возниклишь после того, как эти преобразования стали использоваться в вычислит. <технике, и прежде всего для взаимных превращений световых и электрич. сигналовпри отображении, хранении, передаче и обработке информации. Термин "О."вошёл в употребление в 1960-х гг., когда появились приборы - оптроны, вк-рых для обеспечения надёжных гальванич. развязок между электронными цепямииспользуется пара "источник света (светодиод) - приёмник этого излучения".

Применение оптич. сигналов в принципепозволяет увеличить скорость передачи и обработки информации благодаряболее высокой несущей частоте и возможности параллельного функционированиямн. каналов. Однако в наиб. степени пока используются такие свойства оптич. <сигналов, как высокая помехозащищённость, обеспечение надёжных гальваническихразвязок между электронными цепями, слабое затухание в волоконных световодахи возможность острой фокусировки.

Поскольку оптоэлектронные приборы предназначеныпрежде всего для вычислит. техники и информац. систем, они должны обладатькомпактностью, малым потреблением энергии и высоким кпд.

Осн. элементами О. являются источникиизлучения (когерентные и некогерентные), фотоприёмники, модуляторы, дефлекторы, <волоконные световоды и согласующие элементы, мультиплексоры и демультиплексоры, <а также пространственно-временные модуляторы света (управляемые транспаранты),используемые для двумерного динамич. отображения и обработки информации.

Источники излучения. К некогерентным источникамизлучения относят источники спонтанного излучения. Это - светодиоды (СД),из к-рых наиб. распространёнными являются СД на основе гетероструктур системыAlGaAs. Рекордный кпд этих СД превышает 20% (однако при ВЧ электрич. модуляциион уменьшается), их быстродействие достигает 0,1 нс. В отличие от когерентныхисточников СД обладают большой угл. апертурой и спектральной шириной излучения. <Изготовляются матрицы СД.

Когерентными источниками излучения в О. <служат гл. обр. инжекционные лазеры. Применяются гетероструктуры, <из к-рых также наиб. распространёнными являются системы AlGaAs. Вследствиелазерного эффекта ширина линии ~ 0,1 нм, расходимость луча не более 30°, кпд до 50%. Длина волны меняетсяв зависимости от состава твёрдого раствора активной области. Наиб. освоен(на 1990) диапазон длин волн от

0,78 мкм до 1,55 мкм, хотя существуютболее длинноволновые и коротковолновые лазеры. Частота модуляции излученияинжекц. лазеров достигает 20 Ггц. В монолитном (интегральном) виде изготовляютсястрочки (до 100 элементов на см ^-1) и матрицы инжекц. лазеров.

Приёмники излучения. В качестве них используютсяфотодиоды (ФД), гл. обр. pin -диоды и фотодиоды Шоттки. В pin -диодахбыстродействие 1нc, квантовая эффективность до 90%, усиление фототока практически отсутствует, <материалы: GaAs (0,8мкм), InGaAs (= 1,3 - 1,55 мкм). В фотодиодах Шоттки быстродействие также 1нc; квантовая эффективность до 40%, материалы: п -GaAs, GaAs -AlGaAs, InGaAs (= 0,82 - 1,6 мкм).

Там, где требуется высокая чувствительность, <применяются фототранзисторы и лавинные ФД. Они обладают внутр. усилениемдо 100 и более; материалы: Ge, InGaAs, InGaPAs, GaAs, Si. В качестве фотоприёмниковиспользуются также планарные фотосопротивления с малым зазором между омическимиконтактами и экстрагирующими электродами, быстродействие 80 - 200 пс, материалы:InGaAs ( = 1,3- 1,5 мкм), р -GaAs (0,85 мкм) и др.

Особое значение для О. приобретают строчкии матрицы фотоприёмников, использующие эффект зарядовой связи в полупроводниках(см. Прибор с зарядовой связью). Эти приёмники позволяют принимать, <хранить нек-рое время и последовательно передавать при считывании оптич. <сигналы. Такие фотоприёмники широко применяются для регистрации изображенийи их последоват. передачи по каналам связи. По чувствительности они неуступают обычным фотоприёмникам. Осн. материал - Si.

Модуляторы. Как правило, в СД и инжекц. <лазерах осуществляется внутр. модуляция путём изменения питающего тока. <Для внеш. модуляции используется в осн. эл.-оптич. эффект в LiNbО ₃.Однако полуволновое напряжение в этом кристалле более 1 кВ. Разрабатываютсядр. материалы - с меньшим полуволновым напряжением и технологически интегральносовместимые с излучателями системы AlGaAs и InGaPAs на тех же растворах.

Увеличение числа каналов связи в волоконныхСД достигается также путём передачи информации по одному каналу на разныхдлинах волн, т. е. от разл. источников с соответствующим разделением наприёмных концах. С этой целью применяются мультиплексоры и демультиплексоры, <к-рые обычно изготовляются в интегральном виде путём соединения или ветвленияоптич. волноводов. Селекторами длин волн являются дифракц. решётки, вводящимии выводящими элементами - призмы. Материалом служит, как правило, LiNbО ₃ с вводимыми в него легирующими добавками для создания волноводов; большиенадежды связываются с твёрдыми растворами соединений A^III B^v и A^IIB^VI.

Дефлекторы лазерного излучения - необходимыеэлементы в системах оптич. записи и считывания информации. Они могут бытьприменены также как модуляторы излучения. Используется либо эл.-оптич. <эффект в двулучепреломляющих кристаллах либо дифракция на акустич. волнах. <Дефлекторы на основе эл.-оптич. эффекта более быстродействующие, чем эл.-акустические, <но обладают меньшей эффективностью.

Пространственно-временные модуляторы света(ПВМС) - матрицы светоклапанных устройств, позволяющие создавать и обрабатыватьдвумерные изображения. Управление пропусканием ПВМС может осуществлятьсяэлектрич. или магн. полями (эл.-оптически или магн.-оптически управляемыетранспаранты соответственно) или слабыми световыми сигналами (оптическиуправляемые транспаранты). Наиб. распространение получили ПВМС на жидкихкристаллах. Они обладают наим. полуволновым напряжением (~1В), но их быстродействиене превышает десятков мкс. Применение спец. керамик для ПВМС обеспечиваетбыстродействие до 10^-7 с, но полуволповое напряжение значительновыше (~100 В).

Для передачи оптич. сигналов в О. возможноиспользование как свободного пространства, так и волоконных световодов, <обеспечивающих исключительно высокую домехозащитность при потерях менее1 дБ/км.

Увеличение кол-ва и ассортимента выпускаэлементов О. происходит очень интенсивно, составляя ежегодный прирост ок.20%, что связано с большим коммерч. выпуском систем, базирующихся на оптоэлек-тронныхэлементах. Наиб. распространение получили лазерные звукопроигрыватели, <в к-рых информация записана в цифровом представлении на жёстких или гибкихдисках (компакт-диски) и считывается острофокусируемым лучом инжекц. лазера. <Выпускаются (в Японии) видеопроигрыватели, работающие по этому же принципу.

Большое значение приобретают оптоэлектронныеэлементы для волоконно-оптич. линий связи, к-рые должны заменить совр. <кабельные линии связи на длинные и короткие дистанции, решить проблемыкабельного телевидения и видеотелефонов. Несколько свето-волоконных кабелейсоединили Америку с Европой, прокладываются кабели через Тихий океан. Источникамисветовых сигналов в этих линиях являются инжекц. лазеры, приёмники - быстродействующиелавинные ФД; через неск. десятков км располагаются ретрансляц. узлы (лазер- фотоприёмник), компенсирующие ослабление и дисперсию световых сигналов.

О. позволяет создать перестраиваемые процессоры, управляемыеПВМС и матрицами фотоприёмников, а также обеспечивает построение БИС иСБИС (см. Интегральная схема), допускающих интеграцию в третьем(вертикальном) измерении. С О. связывают надежды на возможность дальнейшегосовершенствования вычислит. техники: передача информации будет осуществлятьсяоптич. сигналами, что позволит вести обработку одновременно по мн. параллельнымканалам, близко расположенным друг к другу, но обладающим высокой помехозащитностью. <Проводятся интенсивные исследования по созданию новых оптоэлектронных элементов, <к-рые имели бы два устойчивых состояния с разл. оптич. свойствами (оптич. <бистабильные элементы) и выполняли бы в оптике роль, аналогичную роли транзисторовв электронике. Создание таких элементов позволит начать конструированиеоптических (или оптоэлектронных) вычислит. машин (ОВМ и ОЭВМ), превосходящихпо производительности ЭВМ и способных выполнять 10¹² операцийв с и более.

Лит.:3 и С. М., Физика полупроводниковыхприборов, пер. с англ., кн. 1 - 2, М., 1984; Хансперджер Р., Интегральнаяоптика, пер. с англ., М., 1985; Морозов В. Н., Оптоэлектронные матричныепроцессоры, М., 1986; Пространственные модуляторы света, М., 1987; Инжекционныелазеры в системах передачи и обработки информации, М., 1987.

Ю. М. Попов.