Самохвалов М.К. Элементы и устройства оптоэлектроники (2003)

М.К. САМОХВАЛОВЭЛЕМЕНТЫ И УСТРОЙСТВАОПТОЭЛЕКТРОНИКИМИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИУЛЬЯНОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙУНИВЕРСИТЕТМ.К. САМОХВАЛОВЭЛЕМЕНТЫ И УСТРОЙСТВА ОПТОЭЛЕКТРОНИКИУчебное пособиедля студентов, обучающихся по направлениям 654300 и 551100“Проектирование и технология электронных средств”Ульяновск 20032УДК 621.327(075)ББКСРецензенты: Ульяновское отделение Института радиотехники и электроники РАН, профессор кафедры радиоэлектронного оборудования и вычислительной техники Ульяновского высшего авиационного училища гражданскойавиации Ефимов А.В.Утверждено редакционно-издательским советом в качестве учебного пособия.Самохвалов М.К.Элементы и устройства оптоэлектроники: Учебное пособие для студентов, обучающихся по направлениям 654300 и 551100 “Проектирование итехнология электронных средств”.

Ульяновск; УлГТУ, 2003. - 125 с.ISBN 5-89146Рассматриваются основные оптоэлектронные элементы и устройства: источники и приемники оптического излучения, оптроны и оптоэлектронныемикросхемы, индикаторные устройства, волоконно-оптические системы. Изложены физические основы работы, конструкции и технологии изготовления, основные параметры и области применения оптоэлектронных приборов.Для студентов и инженерно-технических работников, занимающихся проектированием, производством и применением оптоэлектронных устройств.Пособие подготовлено в рамках проекта Б-0107 Федеральной целевой программы “Интеграция”.УДК 621.327.2(075)ББКISBN 5-89146 М.К.Самохвалов, 2003Оформление. УлГТУ, 20033ВВЕДЕНИЕЭлектроника – наука о взаимодействии электронов с электромагнитными полями и о методах создания электронных приборов и устройств, в которых этовзаимодействие используется для преобразования электромагнитной энергии, восновном для передачи, обработки и хранения информации.Оптика – раздел физики, в котором изучается природа оптического излучения, его распространение и явления, наблюдаемые при взаимодействии света ивещества.Оптоэлектроника – направление электроники, охватывающее вопросы использования оптических и электрических методов обработки, хранения и передачи информации.

Оптоэлектроника представляет собой этап развития радиоэлектроники и вычислительной техники, отличительной чертой которого является использование для обработки информации оптического излучения.К оптическому излучению относится электромагнитное излучение в видимомдиапазоне (с длиной волны 0,4 - 0,8 мкм), инфракрасном (0,8 - 103 мкм) и ультрафиолетовом (10-3- 0,4 мкм).К основным элементам оптоэлектронных устройств относятся источники излучения (некогерентного или когерентного), оптические среды и приемникиизлучения. Эти элементы в разных устройствах применяются как в виде различных комбинаций, так и виде автономных устройств и узлов с самостоятельными частными задачами.

Оптоэлектроника отличается от вакуумной и полупроводниковой электроники наличием в цепи сигнала оптического звена (оптической связи). Поэтому достоинства оптоэлектроники определяются, в первуюочередь, преимуществами оптической связи по сравнению с электрической, атак же теми возможностями, которые открываются в результате использованияразнообразных физических явлений, обусловленных взаимодействием излучения с веществом.

Оптоэлектроника синтезирует достижения ряда областей науки и техники: полупроводниковой электроники, квантовой электроники, физики фотоэлектронных приборов, электрооптики, нелинейной оптики, волоконной оптики, голографии, ИК техники и светотехники.Принципиальные достоинства оптоэлектронных приборов и устройств определяется следующими основными особенностями.1. Частота электромагнитных колебаний в оптическом диапазоне много больше, чем в радиодиапазоне, а именно 1013-1015 Гц, что обуславливает высокуюскорость передачи информации и высокую информационную емкость оптического канала связи. Для передачи обычного телевизионного сигнала требуетсяполоса частот ∆ν ≥ 8 МГц.

В метровом диапазоне при значении несущей частоты ν0 ≤ 300 МГц, можно передать около десятка ТВ программ. В оптическомдиапазоне при том же соотношении ∆ν/ν0 их число возрастает в миллион раз.2. Оптическое излучение имеет малую длину волны (≤ 1 мкм). Следствием этого является: высокая плотность записи информации в оптических ПЗУ(∼108 бит/см2); высокая концентрация оптического излучения в пространстве,так как минимальный объем, в котором может быть сфокусировано электро-4магнитного излучение составляет ~λ3. По этой причине световоды могут бытьна несколько порядков меньше волноводов СВЧ.

Угловая расходимость луча∼λ, для оптического диапазона нетрудно сформировать узкую диаграмму направленности с угловым расхождением ∼ 1'. И если в СВЧ ( λ = 1 м) для этогонеобходима антенна диаметром – 100 м, то в оптическом - сферическое зеркалоили линза меньших размеров.3. Возможность двойной – временной и пространственной модуляции светового луча, что позволяет проводить параллельную обработку информации и получать объемное голографическое изображение.4 Передача информации осуществляется фотонами – электрически нейтральными частицами, вследствие чего реализуется: а) Идеальная гальваническаяразвязка входа и выхода.

б) Однонаправленность потока информации и отсутствие обратной связи. в) Невосприимчивость оптических каналов к воздействию электромагнитных полей, т.е. помехозащищенность, исключение наводоки паразитных связей. г) Многоканальность связи. д) Малое затухание сигналов.5. Возможность непосредственного оперирования со зрительно воспринимаемыми образами, восприятия на входе и визуализации на выходе.История оптоэлектроники опирается на ряд фундаментальных физическихоткрытий в области генерации, приема и преобразования светового излучения.К основным вехам в предыстории и развитии оптоэлектроники можно отнестиследующие.1864 – Дж. Максвелл получил основные уравнения электродинамики, позволившие успешно объяснить совокупность опытных данных по оптике – явлений дифракции, интерференции, рефракции и др., полученные ранее Х.

Гюйгенсом, И. Ньютоном, О. Френелем, М. Фарадеем и др.1873 – У. Смит экспериментально обнаружил явление фотопроводимости(внутренний фотоэффект).1875 – Керр обнаружил электрооптический эффект.1888 – А.Г. Столетов получил полное описание внешнего фотоэффекта, Ульянин обнаружил ЭДС в Se при облучении.1905 – А.Эйнштейн предложил квантовую теорию фотоэффекта.1905 – Гертель и Эльстед создали фотоэлемент.1917 – А.

Эйнштейн теоретически предсказал возможность получения вынужденного (индуцированного) излучения.1917 – Начато промышленное производство фотоприемников на основе TaS.1922 - О. Лосев обнаружил свечение в контакте металл – SiC (инжекционнуюэлектролюминесценцию).1936 – Ж. Дестрио обнаружил свечение в кристалле ZnS по действием электрического поля (предпробойную электролюминесценцию).1940 – В. А. Фабрикант сформулировал условия создания отрицательного поглощения (усиления излучения).1947 - Д. Габор обосновал основные принципы голографии.Начало 50-х. Созданы фотодиоды и фототранзисторы на р-п переходах1954 – А.М.

Прохоров, Н.Г. Басов и Ч. Таунс (США) создали молекулярныйгенератор на аммиаке (мазер).51955 – Лебнер предложил объединить источники и приемники оптическогоизлучения в одном корпусе (оптрон). Им же было предложено название - оптоэлектроника.1956 – Открыта инжекционная электролюминесценция в р-п переходах наарсениде галлия.1960 – Создан твердотельный лазер на рубине.1961 – Создан газовый гелий-неоновый лазер.1962 – Н.Г. Басовым показана возможность создания полупроводниковоголазера.1963 – И.

Холлом (США) реализован арсенидгаллиевый лазер.1962-1963 – Записаны лазерные голограммы на поверхности (Э. Лейт иЮ. Упатниекс) и в объеме вещества (Ю.Н. Денисюк).1962 – Созданы инфракрасные излучающие диоды на основе GaAs.1964 – Созданы светодиоды на GaP, излучающие в видимом диапазоне(красные, зеленые).1963-1967 – Ж. И. Алферовым созданы полупроводниковые лазеры на гетеропереходах.1965-1967 – Началось промышленное производство оптронов.1966-1967 – Получены первые образцы низковольтных катодолюминесцентных индикаторов.1966-1968 – Начат выпуск светодиодных и жидкокристаллических индикаторов.1969 – Созданы многоэлементные матричные фотоприемники (ПЗС).1966 – Као и Хокхем (Англия) показали возможность малого поглощения оптического излучения в стекле.1970 – Капрон, «Корнинг глас компани», (США) начали выпуск промышленных световодов с малым поглощением - 20 ДБ/км.1974 – Т.

Иногучи (Шарп) создан первый тонкопленочный электролюминесцентный экран.1978 – Показана возможность осуществления волоконно-оптической связи.1997-1998 – Созданы и начали выпускаться светодиоды с синим, фиолетовыми белым цветом свечения.На сегодняшний день реализована лишь небольшая часть перечня преимуществ оптоэлектроники. К перспективным направлениям развития оптоэлектроники можно отнести разработку оптических и оптоэлектронных микросхем,источников и приемников излучения на основе квантовых точек и ям в полупроводниковых структурах, волоконно-оптических датчиков и линий связи, голографических устройств, квантовых компьютеров и др.Данное пособие подготовлено на основе курса лекций по дисциплине “Оптоэлектроника” для студентов, обучающихся по направлению “Проектирование итехнология электронных средств” в Ульяновском государственном техническом университете.6СВОЙСТВА И ХАРАКТЕРИСТИКИ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯОптический диапазон в соответствии с определением Международной комиссии по освещению (МКО) включает в себя электромагнитные излучения сдлиной волны λ от 1мм до 1 нм.

Указанный диапазон достаточно широк, длинноволновая его часть – 0,1-1мм перекрывается с субмиллиметровыми радиоволнами, коротковолновая часть – 1-10 нм включает в себя мягкое рентгеновское излучение. Оптическое излучение подразделяется на видимое, инфракрасное (ИК) и ультрафиолетовое (УФ). Инфракрасное излучение иногда разделяютна ближнюю (λ<3 мкм) и дальнюю (λ>3 мкм) область.Оптическое излучение характеризуется как волновыми, так и корпускулярными свойствами, что позволяет различным образом описывать его характеристики.