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
быстродействие1
нc, квантовая эффективность до 90%, усиление фототока практически отсутствует,
материалы: GaAs (0,8
мкм), InGaAs (
= 1,3 - 1,55 мкм). В фотодиодах Шоттки быстродействие также1
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
(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 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 (см. Интегральная схема ),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.
Ю. М. Попов