Излагаются физико-технические основы оптоэлектроники как нового класса функциональных электронных приборов — преобразователей электрических и оптических сигналов. Даны характеристики оптической связи в электронных цепях. Приводятся данные по элементам оптронных пар, фотоприёмникам и управляемым источникам света на основе твёрдого тела, различным типам, характеристикам, режимам элементарных оптронов как структурных элементов оптоэлектроники. Рассмотрены примеры применения оптоэлектроники в различных областях техники, устройств отображения информации и картинной логики, а также вопросы применения волоконной оптики в устройствах и системах оптоэлектроники.

Книга рассчитана на широкий круг специалистов, знакомых с полупроводниковой электроникой, и может быть полезна студентам старших курсов радиотехнических, электротехнических и физико-технических специальностей.

12 табл., 133 рис., библ. 178 назв.

Идее использования светового луча для передачи и обработки информации более ста лет. Она положена в основу разработки и применения различных фотоприёмников; вакуумных и газонаполненных фотоэлементов, фотоумножителей, вентильных фотоэлементов, фоторезисторов, фотодиодов, фототранзисторов и пр. Характерной особенностью фотоэлектрических приборов является изменение под действием излучения их электрических параметров: сопротивления, величины и знака э.д.с, возникающей на зажимах элемента, частоты генерируемого ими тока и др. Это позволяет использовать приборы в различных электрических и электронных цепях для преобразования электрических сигналов (напряжения или тока). В таких устройствах управляющим входным параметром является световой поток, падающий на фотоприёмник.

Применение фотоэлектрических приборов обусловило развитие фотоэлектрической автоматики, прецизионных методов контроля и измерения, звукового кино, фототелеграфа. Особенно расширились области применения фотоэлектрических приборов за последние 10—15 лет в связи с созданием их полупроводниковых аналогов и управляемых источников света на основе твёрдого тела, в том числе оптических и полупроводниковых лазеров. Однако до последнего времени фотоэлектрические устройства и системы строились главным образом для регистрации изменений световых потоков внешних независимых источников света, которые не входят в структуру цепи преобразования электрического сигнала. Оптическая связь по лучу от источника к фотоприёмнику в таких устройствах неуправляема и является лишь одной из возможных оптических связей в электрических цепях и к тому же весьма ограниченной по функциональным преобразованиям. Это сужает области применения фотоэлектрических приборов и обедняет схемные решения устройств и систем фотоэлектрической автоматики.

В живой природе оптическая связь распространена весьма широко; её функции чрезвычайно разнообразны и часто очень сложны. Человек почти девяносто процентов всей информации получает с ломощью зрения. Известны явления высвечивания крови, спектр и интенсивность которого соответствуют её физико-химическому составу и физиологическому состоянию организма в целом. Проведены опыты, подтверждающие оптический характер связи в простейших организмах, высвечивание вирусов и возбуждение ими заболеваний здоровых клеток по каналу оптической связи.

Роль оптической связи, её характеристики и формы в живой природе только начинают исследоваться. Однако уже сейчас ясно, что эти связи разносторонни, могут осуществляться на уровне очень слабых и очень сильных сигналов, охватывают широкий диапазон видимой части спектра электромагнитных колебаний, отличаются высокой надёжностью и помехозащищённостью. Положительные характеристики оптической связи по сравнению с электрической и гальванической обусловили значительный интерес к использованию так называемых оптоэлектронных (комбинация оптических и гальванических) связей для обработки информации и преобразования электрических и оптических сигналов в функциональных электронных цепях. Это и составляет сущность оптоэлектроники, которая представляет собой новый класс функциональных электронных цепей, выполняемых на базе твёрдого тела, в тракте передачи сигнала которых имеется оптическое звено. Оптоэлектроника тесно контактирует с квантовой электроникой, оптикой и фотоэлектроникой твёрдого тела, волоконной оптикой и интроскопией. Она решает вопросы преобразования как электрических, так и оптических сигналов. По сравнению с обычными цепями техники управляющих сигналов и преобразователей цепи с оптическим звеном имеют новые качественные показатели, что позволяет ожидать и новые качественные решения в ряде трудных областей прикладной и технической электроники, в том числе и микроэлектроники.

В настоящее время в оптоэлектронике независимо развиваются два направления. Первое — оптическое, областями приложения которого являются оптическая память предельно высокой ёмкости (свыше 10^1О бит), устройства распознавания образов, управляемые функциональные оптические среды. Оптическое направление в оптоэлектронике базируется на тонких эффектах взаимодействия твёрдого тела с электромагнитным излучением. Оно опирается на голографию, фотохимию, фотохромию, электрооптику и другие явления, представляющие собой комбинацию магнитных, фазовых, пластических эффектов и пр. в твёрдом теле с действием на него излучения. С ним связаны разработки как новых принципов построения систем накопления и обработки информации, так и преобразования сигналов. Его перспектива обусловлена прогрессом больших вычислительных систем, функциональной оптоэлектроники, а также систем картинной логики. Оптическое направление в оптоэлектронике базируется на источниках когерентного излучения. Для оптоэлектроники особый интерес представляют твердотельные лазеры и в первую очередь полупроводниковые, открывающие широкие возможности микроминиатюризации и интеграции оптоэлектронных систем и устройств. В соответствии с этим оптическое направление получило также название лазерного, что отражает его специфику. Прогресс лазерного направления в оптоэлектронике сдерживается дефицитом материалов для полупроводниковых лазеров, для которых сегодня характерны быстрая деградация, малый срок службы, высокие плотности токов накачки. Второе направление — электроннооптическое. В его основе лежит принцип фотоэлектрического преобразования, реализуемого в твёрдом теле посредством внутреннего фотоэффекта, с одной стороны, и электролюминесценции, с другой стороны. Суть направления состоит в замене гальванических и магнитных связей в традиционных электронных цепях на оптические, что вносит в них существенные качественные отличия. Наличие фотонной связи оптического звена позволяет повысить плотность информации в канале связи, его быстродействие, помехозащищённость функциональных электронных цепей, их схемотехническую гибкость и степень минимизации схемных решений…

ВВЕДЕНИЕ

Книги на ту же тему

1. Волноводная оптоэлектроника, Тамир Т., ред., 1991
2. Интегральная оптика: Теория и технология, Хансперджер Р., 1985
3. Основы волоконно-оптической связи, Барноски М. К., ред., 1980
4. Физические основы квантовой электроники (оптический диапазон), Тарасов Л. В., 1976
5. Нанотехнологии для микро- и оптоэлектроники. — 2-е изд., доп., Мартинес-Дуарт Д. М., Мартин-Палма Р. Д., Агулло-Руеда Ф., 2009
6. Оптические вычисления, Арратун Р., ред., 1993
7. Волоконные световоды для передачи информации, Мидвинтер Д. Э., 1983
8. 123 эксперимента по робототехнике, Предко М., 2007
9. Полупроводниковые приборы: Диоды, тиристоры, оптоэлектронные приборы. Справочник. — 2-е изд., перераб., Баюков А. В., Гитцевич А. Б., Зайцев А. А., Мокряков В. В., Петухов В. М., Хрулев А. К., 1984
10. Покорённый электрон, Ивановский М., 1952