Материал: Конспект

ОЕ - ка синтезує досягнення ряду областей: квантова електроніка, напівпровідникова техніка, оптика, фото електроніка, електрооптика, світлотехніка, нелінійна оптика, голографія, волоконна оптика, ІЧ-техніка.

ПЕРЕВАГИ ОЕ

•Принципові позитивні якості ОЕ-ки обумовленні специфічними особливостями електромагнітних хвиль оптичного діапазону, відмінними властивостями фотона, як носія інформації, і проявляються у наступних основних моментах.

•Високочастотність. Частота оптичних коливань на 3-5 порядків вища, ніж радіотехнічного діапазону. Це означає, що у стільки ж разів зростає пропускна спроможність оптичного каналу передачі інформації.

•Гостре фокусування. Відповідно до дифракційної теорії потік випромінювання можна сфокусувати до плями з поперечним лінійним розміром близько λ/2; такий же і мінімальний крок дискретності оптичних впливів. Це означає, що максимальна густина запису оптичної інформації може сягати 4/λ2, тобто 109- 1010 біт/см2.

•Направленість. Кутова розбіжність проміня, що обмовлена фундаментальними дифракційними границями, α ≈ λ/А, де А - апертура випромінювача. Внаслідок малості λ при значеннях А, що можна практично реалізувати досягається зниження α до рівня десятків чи одиниць кутових секунд.

•Розв'язка. Використання як носіїв інформації електрино нейтральних фотонів обумовлює безконтактність оптичного зв'язку. Звідси витікає ідеальна електрична розв'язка входу і виходу:

•однонаправленність потоку інформації і відсутність зворотної реакції приймача на джерело; перешкодозахищеність оптичних каналів зв'язку; прихованість передачі інформації за оптичним каналом зв'язку.

•Візуалізація. Оптоелектроніка, що охоплює видимий діапазон електромагнітного спектру, дозволяє перетворити інформацію, яка представлена в електричній формі, в зорову, тобто в форму, найбільш зручну для сприйняття людиною.

•Фоточутливість. Ця властивість робить можливим сприйняття образів тобто перетворення поля випромі-нювання в адекватну йому електричну інформаційну дію (звично у відеосигнал). При цьому на відміну від людського ока оптоелектронний

прилад може "бачити" предмети у будь-якій необхідній області оптичного спектру.

• Просторова модуляція. Електронейтральність фотонів обумовлює не взаємодію (незмішуванність) окремих оптичних потоків. Внаслідок цього, на відміну від електричного струму, потік фотонів можна промоделювати не тільки в часі, але і у просторі. Це відкриває великі можливості для паралельної обробки інформації - обов'язкова умова створення надпродуктивних обчислювальних систем.

НЕДОЛІКИ ОЕ

• Незадовільна енергетика. Коефіцієнт корисної дії перетворювань виду Е→L чи L→E в кращих сучасних приладах (лазери, світлодіоди, р-і-п- фотодіоди), як правило, не перевищує 10-20%. Тому якщо в пристрої здійснюються ці перетворення лише двічі (на вході і виході), як, наприклад, в оптопарах або в волоконно-оптичних лініях зв'язку (ВОЛЗ), то загальний ККД зменшується до одиниць відсотків; кожен додатковий акт перетворення інформаційних сигналів із однієї форми в іншу зменшує ККД ще на порядок і більше. Низьке значення ККД спричиняє зростання енергоспоживання, що неприпустимо із-за обмежених можливостей джерел живлення; утруднює мініатюризацію, оскільки не вдається відвести тепло, що виділяється; знижує ефективність і надійність більшості оптоелектронних приладів. Відмітимо, що в окремих експериментальних зразках лазерів, світлодіодів, фотоприймачів вдається

отримувати внутрішній ККД, властивий активній області напівпровідниковій структурі, близьким до 100°, що свідчить про принципову можливість подолання даного недоліку.

•Гібридність. Складові ОЕ-го пристрою, окремі елементи і прилади, як правило, виготовляються із різних матеріалів: наприклад, в оптопарі це арсенід галію (випромінювач), полімерний оптичний клей, кремній (фотоприймач); у ВОЛЗ до цих матеріалів добавляють кварц (світловод). Ще більш "строката" картина у складних оптоелектронних системах. Наявність різнорідних матеріалів обумовлює: низький ККД пристрою із-за поглинання у пасивних областях структур, відбиття і розсіювання на оптичних межах; зниження надійності із-за відмінності коефіцієнтів температурного розширення матеріалів, роз'юстировки при механічних впливах, складності загальної герметизації пристрою; технологічну складність та високу вартість. В традиційній мікроелектроніці ці недоліки визначили домінування монолітних інтегральних мікросхем над гібридними.

•Деградація. Деградація - це зниження ефективності ОЕ – них приладів під впливом температури Т, проникаючої радіації R, а також довготривалої роботи Д. Принципова особливість ОЕ - них перетворювань і процесів розповсюдження випромінювання у речовині полягає у їх виключно високій чутливості до порушень оптичної однорідності матеріалів і навіть до субмікронних включень. До появи таких дефектів приводять Т, R і Д - дії. Практично для усіх видів випромінювачів спостерігається зменшення потужності випромінювання при підвищенні температури; у фотоприймачів зростають темнові струми та рівень шумів. Також проявляється дія проникаючої радіації (швидкі електрони, протони, α-частинки, нейтрони, γ-кванти), з тією різницею, що спричинені порушення є незворотні. Ступінь деградації фізичних властивостей ОЕ -го приладу за час тривалої роботи залежить від його технологічного удосконалення, одначе завжди неминуче помутніння оптичних середовищ і погіршення світлопропускання на межах різнорідних матеріалів.

•Співставлення переваг і недоліків, значимість перших і можливість подолання (хоч би частково) других дозволяє зробити загальний оптимістичний висновок про великі можливості ОЕ - ки.

ОСНОВНІ ПРИЛАДИ ОЕ

•Різноманітність фізичних ефектів визначила велику кількість різних приладів ОЕ - ки. Нижче розглянуто основні із них.

•Індикатори - прилади для систем візуального відображення інформації. Широко використовуються в електронних годинниках, мікрокалькуляторах, табло і приладних щитах, в дисплеях і системах людина - ЕОМ. Розвиток індикаторної техніки дозволив створити плоскі екрани телевізійного типу. Фізичну основу приладів індикаторного типу

складають різні види електролюмінісценції і електрооптичні явища. В промисловості найширше представленні рідкокристалічні, напівпровідникові (світлодіоди), вакуумні люмінесцентні, газорозрядні індикатори. Ці вироби виконуються у вигляді цифрових і цифро-літерних індикаторів, багаторозрядних моно дисплеїв, універсальних інформаційних плоских екранів, що відображають цифри, літери, символи, графіки, а також рухомі двомірні картини.

• Формувачі сигналів зображення (ФСЗ) чи формувачі відеосигналів (ФВС) - прилади, що призначенні для перетворення зображень в адекватну їм послідовність електричних сигналів. Використовуються в телевізійних передавачах, фототелеграфії, під час зчитування інформації на вході в ЕОМ, в приладах контролю технологічних процесів тощо. Мініатюрні твердотільні ФСЗ разом з мікропроцесорами використовуються під час розробки систем штучного бачення роботів, а в майбутньому

і людини. Робота приладів базується на фізиці фотоелектричних явищ. Типовими представниками є фоточутливі прилади із зарядовим зв'язком (ФПЗЗ) - багатоелементні інтегральні фотоприймачі із вмонтованим електронним самоскануванням, що забезпечує послідовне зчитування інформації від усіх фоточутливих комірок.

• Волоконно-оппшчні лінії зв'язку (ВОЛЗ) - пристрої і системи, основу яких складає гнучкий волоконно-оптичний світловод (у вигляді кабелю), зчленований з випромінювачем на передаючому кінці і з фотоприймачем - на другому. Вони виконують функції лінії зв'язку і передачі даних: це найкоротші лінії (до 1 м) для обміну інформацією у високовольтовій апаратурі; короткі бортові внутрішньо об’єктні ВОЛЗ (5...100 м); лінії середньої довжини (1...20 км, які складають основу між машинних інтегральних мереж передачі даних і розгалужених внутрішньо міських АТС; магістральні ВОЛЗ довжиною в тисячу кілометрів, у тому числі трансконтинентальні, а також підводні.

• Фізичну основу ВОЛЗ складають процеси розповсюдження оптичних сигналів за волоконним світловодом, а також світло-генераційні і фотоелектричні явища у випромінювачах і приймачах. Для технічної реалізації використовують в основному надчисті кварцові світловоди, напівпровідникові гетеролазери і світлодіоди на сполуках A3B5, фотодіоди на основі кремнію та сполуках A3B5, A2B6.

•Оптопари чи елементи електричної розв'язки, що представляють собою прилади, в яких світлодіодний випромінювач (вхідне коло) зв'язаний з фотоприймачем (вихідне коло) оптично і розв'язаний електрично. Оптопари широко використовуються у мікроелектронній та електротехнічній апаратурі для забезпечення електричної розв'язки при передачі інформаційних сигналів, безконтактної комунікації великострумних та високовольтних кіл, при створенні фотоприймачів, що можуть перестроюватися, в пристроях контролю і керування.

•Сонячні фотоперетворювачі - напівпровідникові фотодіоди, що оптимізовані для прямого перетворення сонячного випромінювання в електричну енергію. Їх функціональне призначення не відповідає визначенню оптоелектроніки, однак історично склалось так, що стало загальноприйнятим відносити сонячні батареї до ОЕних приладів. Ці прилади основані на фотовольтаічному ефекті у напівпровідниках. Визначальний напрям їх конструктивно-технологічної реалізації - створення великої фоточутливої площі, досягнення високого ККД і малої вартості.

•Оптична пам'ять основана на ЗП, в яких на носій записується інформація, що представлена в оптичній формі. Висока щільність запису обумовлює перспективність цих пристроїв в архівних ЗП ЕОМ та інформаційно-пошукових системах, до яких багаторазово звертається велика кількість користувачів. Додаткова перевага оптичної пам'яті - великий термін збереження інформації, підвищена швидкість інформаційного обміну, можливість запису аналогової інформації і двовимірних образів. Фізичною основою оптичної пам'яті є теплова дія на речовину лазерного променя. Досліджуються ЗП з паралельним записом масивів інформації на фотопластинках у вигляді голограм. Промисловістю випускаються оптичні дискові накопичувачі з послідовним (побітовим) записом інформації на поверхню диску, що обертається, гостро сфокусованим променем лазеру.

•Оптична обчислювальна техніка - комплекс оптоелектронних апаратурних засобів, що дозволяють ефективно здійснювати математичні і логічні операції з інформацією, яка представлена в оптичній формі. Алгоритмічна основа цього напряму зв'язана зі здібністю лінійних оптичних систем здійснювати деякі аналогові математичні перетворення (двомірне інтегральне перетворення Фур'є та операцію згортки), а також

паралельну обробку великих масивів цифрової інформації. Принциповим конструктивно-технологічним досягненням є інтегральна оптика, на основі якої створюються прилади і пристрої на базі тонкоплівкових плоских діелектричних хвилеводів.

• Оптоелектронні датчики - прилади, що перетворюють зовнішні фізичні дії: температуру, тиск, вологість, прискорення, магнітне поле тощо, в електричні сигнали. До таких датчиків відносяться формувачі сигналів зображення і оптопари з відкритим оптичним каналом. Інтенсивний розвиток цього напряму зв'язаний з появою волоконно-оптичних датчиків, у яких зовнішні дії змінюють характеристики оптичного сигналу, що розповсюджується по волокну. Перевагою волоконно-оптичних датчиків є те, що чутливий елемент (волокно) одночасно є і каналом передачі інформації до місця її обробки.

• Інші ОЕ-і прилади: дискретні світлодіоди, фотодіоди, фоторезистори, модулятори світлових променів тощо.

ОСНОВНІ ПОНЯТТЯ ОПТИКИ

• Св́ітлоце електромагнітні хвилі видимого діапазону. До видимого діапазону належать електромагнітні хвилі в інтервалі частот, що сприймаються людським оком (7,5×1014 - 4,0×1014 Гц), тобто з довжиною хвилі від 390 до 750 нм. У фізиці термін

«світло» має дещо ширше значення і є синонімом до оптичного випромінювання, тобто включає в себе інфрачервону та ультрафіолетову області спектру.

Електромагнітна хвиля – це розповсюдження електромагнітного поля (електромагнітних коливань) у просторі. Електромагнітна хвиля є плоскою поперечною хвилею. Як і будь-які інші електромагнітні хвилі світло характеризується

частотою, довжиною хвилі, поляризацією та інтенсивністю. У вакуумі світло розповсюджується зі сталою швидкістю, яка не залежить від системи відліку -

швидкістю світла (с=3 106 м/c). Швидкість поширення світла в речовині залежить від властивостей речовини і загалом менша від швидкості світла у вакуумі. Взаємодіючи з речовиною, світло розповсюджується і поглинається. При переході з одного середовища в інше змінюється швидкість розповсюдження світла, що призводить до його заломлення. Поряд із заломленням на границі двох середовищ світло частково

відбивається.

•

• Випромінювання і поглинання світла відбувається квантами: фотонами, енергія як их залежить від частоти: E = h , де E - енергія кванта, - частота, h - стала Планка. Звичайне денне світло складається з некогерентних електромагнітних хвиль із

широким набором частот. Таке світло заведено називати білим. Біле світло має спектр, що відповідає спектру випромінювання Сонця. Світло з іншим

спектром сприймається як кольорове. Як і будь-яка інша електромагнітна хвиля світло характеризується поляризацією. Денне

світло зазвичай неполяризоване, або частково поляризоване.

ЕЛЕКТРОМАГНІТНІ ХВИЛІ

еннгенуннуекн

= T = / , E = h = hv/ ,

де - довжина хвилі; - її швидкість; - частота; Е - енергія

Зону дозволених енергій, яка виникла з того рівня, на якому знаходяться валентні електрони в основному стані атому називають валентною зоною, вільну від носіїв зону над валентною називають зоною провідності. Залежно від заповнення валентної зони та ширини забороненої зони можливі три випадки зображені на рис.