Оптоэлектроника
ОПТОЭЛЕКТРОНИКА - область физики и 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."
возник лишь после того, как эти преобразования стали использоваться в вычислит.
технике, и прежде всего для взаимных превращений световых и электрич. сигналов
при отображении, хранении, передаче и обработке информации. Термин
"О." вошёл в употребление в 1960-х гг., когда появились приборы - оптроны
, в к-рых для обеспечения надёжных гальванич. развязок между электронными цепями
используется пара "источник света (светодиод) - приёмник этого излучения".
Применение оптич. сигналов в принципе позволяет увеличить скорость передачи и
обработки информации благодаря более высокой несущей частоте и возможности
параллельного функционирования мн. каналов. Однако в наиб. степени пока
используются такие свойства оптич. сигналов, как высокая помехозащищённость,
обеспечение надёжных гальванических развязок между электронными цепями, слабое
затухание в волоконных световодах и возможность острой фокусировки.
Поскольку оптоэлектронные приборы предназначены прежде всего для вычислит.
техники и информац. систем, они должны обладать компактностью, малым
потреблением энергии и высоким кпд.
Осн. элементами О. являются источники излучения (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 источникам излучения относят источники
спонтанного излучения. Это - светодиоды (СД), из к-рых наиб.
распространёнными являются СД на основе гетероструктур системы AlGaAs.
Рекордный кпд этих СД превышает 20% (однако при ВЧ электрич. модуляции он
уменьшается), их быстродействие достигает 0, 1 нс. В отличие от когерентных
источников 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. Вследствие лазерного эффекта ширина линии ~ 0, 1 нм, расходимость луча
не более 30°, кпд до 50%. Длина волны меняется в зависимости от состава
твёрдого раствора активной области. Наиб. освоен (на 1990) диапазон длин волн
от
0, 78 мкм до 1, 55 мкм, хотя существуют более длинноволновые и коротковолновые
лазеры. Частота модуляции излучения инжекц. лазеров достигает 20 Ггц. В
монолитном (интегральном) виде изготовляются строчки (до 100 элементов на см-1)
и матрицы инжекц. лазеров.
Приёмники излучения. В качестве них используются фотодиоды (ФД), гл. обр. pin-диоды
и фотодиоды Шоттки. В pin-диодах быстродействие
1 нc, квантовая
эффективность до 90%, усиление фототока практически отсутствует, материалы:
GaAs (
0, 8 мкм), InGaAs ( = 1, 3 - 1, 55 мкм). В
фотодиодах Шоттки быстродействие также
1 нc; 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. усилением до 100 и более; материалы: Ge, InGaAs,
InGaPAs, GaAs, Si. В качестве фотоприёмников используются также планарные
фотосопротивления с малым зазором между омическими контактами 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 строчки и матрицы фотоприёмников,
использующие эффект зарядовой связи в полупроводниках Эти приёмники позволяют
принимать, хранить нек-рое время и последовательно передавать при считывании
оптич. сигналы. Такие фотоприёмники широко применяются для регистрации
изображений и их последоват. передачи по каналам связи. По чувствительности они
не уступают 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 LiNbО3. Однако полуволновое напряжение в этом
кристалле более 1 кВ. Разрабатываются др. материалы - с меньшим полуволновым
напряжением и технологически интегрально совместимые с излучателями системы
AlGaAs и InGaPAs на тех же растворах.
Увеличение числа каналов связи в волоконных СД достигается также путём передачи
информации по одному каналу на разных длинах волн, т. е. от разл. источников с
соответствующим разделением на приёмных концах. С этой целью применяются
мультиплексоры и демультиплексоры, к-рые обычно изготовляются в интегральном
виде путём соединения или ветвления оптич. волноводов. Селекторами длин волн
являются дифракц. решётки, вводящими и выводящими элементами - призмы.
Материалом служит, как правило, LiNbО3 с вводимыми в него
легирующими добавками для создания волноводов; большие надежды связываются с
твёрдыми растворами соединений AIII Bv и AIIBVI.
Дефлекторы лазерного излучения - необходимые элементы в системах оптич. записи
и считывания информации. Они могут быть применены 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 обрабатывать двумерные изображения. Управление
пропусканием ПВМС может осуществляться электрич. или магн. полями
(эл--оптически или магн--оптически управляемые транспаранты соответственно) или
слабыми световыми сигналами (оптически управляемые транспаранты). Наиб.
распространение получили ПВМС на жидких кристаллах. Они обладают наим.
полуволновым напряжением (~1В), но их быстродействие не превышает десятков мкс.
Применение спец. керамик для ПВМС обеспечивает быстродействие до 10-7
с, но полуволповое напряжение значительно выше (~100 В).
Для передачи оптич. сигналов в О. возможно использование как свободного
пространства, так и волоконных световодов, обеспечивающих исключительно высокую
домехозащитность при потерях менее 1 дБ/км.
Увеличение кол-ва и ассортимента выпуска элементов О. происходит очень
интенсивно, составляя ежегодный прирост ок. 20%, что связано с большим коммерч.
выпуском систем, базирующихся на оптоэлек-тронных элементах. Наиб.
распространение получили лазерные звукопроигрыватели, в к-рых информация
записана в цифровом представлении на жёстких или гибких дисках (компакт-диски)
и считывается острофокусируемым лучом инжекц. лазера. Выпускаются (в Японии)
видеопроигрыватели, работающие по этому же принципу.
Большое значение приобретают оптоэлектронные элементы для волоконно-оптич. линий
связи, к-рые должны заменить совр. кабельные линии связи на длинные и короткие
дистанции, решить проблемы кабельного телевидения и видеотелефонов. Несколько
свето-волоконных кабелей соединили Америку с Европой, прокладываются кабели
через Тихий океан. Источниками световых сигналов в этих линиях являются инжекц.
лазеры, приёмники - быстродействующие лавинные ФД; через неск. десятков км
располагаются ретрансляц. узлы (лазер - фотоприёмник), компенсирующие
ослабление и дисперсию световых сигналов.
О. позволяет создать перестраиваемые процессоры , управляемые ПВМС и
матрицами фотоприёмников, а также обеспечивает построение БИС и СБИС
, допускающих интеграцию в третьем (вертикальном) измерении. С О. связывают
надежды на возможность дальнейшего совершенствования вычислит. техники:
передача информации будет осуществляться оптич. сигналами, что позволит вести
обработку одновременно по мн. параллельным каналам, 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 транзисторов в электронике. Создание таких
элементов позволит начать конструирование оптических (или оптоэлектронных)
вычислит. машин (ОВМ и ОЭВМ), превосходящих по производительности ЭВМ и
способных выполнять 1012 операций в с и более.