Гусев - Электроника (944138), страница 40
Текст из файла (страница 40)
Е Зиь СВЕТОВОДЫ И ПРОСТЕЙШИЕ ОПТРОНЫ Между источником излучения и фотоприемником имеется среда, которая выполняет функции световода. Для того чтобы уменьшить потери на отражение от границы раздела светоизлучателя и проводящей среды (световода), последняя должна обладать болыпим коэффициентом преломления, так как соответствующий коэффициент преломления материалов, служащих источниками света, обычно велик, например для СтаАь. п=3,6. Среды с большим коэффициентом преломления называются и м м е р с и о н н ы м и. Иммерсионное вещест во должно иметь высокий коэффициент преломления, быть прозрачным в рабочей области спектра, хорошо согласовываться по коэффициентам расширения с материалами фогопреобразователей и т.
п. Перспективными считанпся свинцовые с и=!,7 —:1,9 и селеновые стекла с и = 2,4 —: 2,6. На рис. 3.20, а показан один из простейших оптронов с иммерсионным световодом. В состав его входят инжекционный светодиод 2, световод из селенового стекла 3 и фотодиодный фотоприемник 5. В оптоэлектронике применяется также волоконная оптика, которая во многих случаях имеет и самостоятельное значение. Работа элементов волоконной оптики основана на том. что свет передается по отдельному тонкому волокну, нс выходя )8) Не ма а) рис. 3.2ц Конструкции простейшего оптрона )а); распространение света по сасеолио,с) )ск и): Е м ~с ки коков~и .' . еиик света, 3 свс~ов л ие селе о о .:, 4 ми, о за его пределы вследствие полного внутреннего отражения.
Собранные в один жгут волокна передают световые лучи независимо друг от друга. Световод волоконной оптики не зависит от его формы, состоит из сердечника 1 и отража)ощего покрытия т )'рис. 3.20, б, и). Коэффициент преломления покрытия и„ меныпе коэффициента преломления сердечника н,. В таком волокне малого диаметра свет проходит, не выходя за поверхность волокна, если угол изгиба меньше 90' и угол, под которым свет попадает в световод, меньше О, Максимальный угол отклонения от оси, при котором еще имеет место полное внутреннее отражение, определяют из уравнения Коэффициент Ао называется числовой апертурой свет о в о д а. Волокно можно рассматривать как диэлектрический световод. Распространяясь вдоль волокна.
световой луч претерпевает многократные отражения. В результате эффективность светопередачи зависит от качества изготовления волокон, объемных неоднородностей и неровностей поверхностей волокон, а также от коэффициента поглощения материала. Лучи, падаю)дне на торец под углом ар>Ок,„(внеапертурные лучи), при взаимодействии с покрьпием частично отражаются, а частично уходят из световода. После многих встреч с границей светопроводятцая жила -покрытие они полностью рассеиваются. Следует отметит ь, что каждое волокно передает информацию голько о значении суммарного светового потока, попавшего на его входной торец.
так как в результате многократных отражений на выходном торце будет равномер- !82 ная освещенность, пропорциональная общей ин генсивности света, падающей на входной торец, Световоды вносят некоторое запаздывание в передачу сигнала, которое мало и на длине 1 м составляет 1О ~ — 10 '» с. Лучи распространяются вдоль волокна и в том случае, если уменьшение показателя преломления происходит не ступенчато, а плавно от центра к краю (обычно по параболическому закону).
В таких волокнах из-за наблюдающейся рефракции волн (преломления) лучи самофиксируются вдоль оси, так как любой отрезок волокна действует как короткофокусная линза. Подобные световоды называются градиентными или селфоками. Показатели преломления света зависят от длины волны, что обусловлено различием скоростей распространения волн различных типов 1чод). Поэтому если на торец световода воздействовать сне~ овым импульсом немонохроматического излучения, то на выходе будет наблюдал ся «размытие» сигнала и увеличение его длительности. Значения этих параметров определяются шириной спектра светового излучения и параметрами волокна.
Поэтому иногда различают одномодовые и многомодовые световоды. Одномодовые волокна предназначены для передачи волн одной частоты !монохроматических) и дают большие искажения сигнала в многомодовом режиме. Диаметр их обычно несколько мкм — десятки мкм. Мноеомодевые волокна позволяют без существенных искажений передавать немонохроматические световые сигналы. При этом увеличение их длительности и «размытие» сравнительно невелики, особенно в селфоках, и могут достигать 10 ~." 10 '" с/км. Диаметр волокон, предназначенных для передачи многомодовых сигналов, обычно больше, чем у одномодовых.
В зависимости от состава стекла удельное электрическое сопротивление световода можно изменять от 1О' до 10 Ом см. Это позволяет применять световод для передачи электрического сигнала. В ряде случаев поверхность волокна дополнительно металлизируют. Материалами для волоконных световодов, в том числе и для покрытия, служат различные стекла: органические и неорганические, Длина световода может быть любой и ограничена лишь ослаблением в нем светового потока, оцениваемого затуханием светового сигнала В, которое обычно имеет размерность дБ)км: где ( — длина световода, км; Р„„, Р., — — моцшос ~ и входного и выходного сигналов. Иногда прохождение света оцениваю ~ с помощью светопропускания К выражаемого в",»,'м.
В высококачес~ венных волокнах затухание составляет 0,5- — 4 дБ1км !х 0,82 мкм и ).=1,06 мкм). Светопропускание в не очень прозрачных волокнах 10 30 % м. Для интегральных оптоэлектронных микросхем счиггаю~ся перспективными пленочные световоды. Они выполняются па стеклянной подложке в виде пленочных полосок стекла толщиной 0,5 мкм и шириной 1 — 3 мкм, имекнцих повьппенный коэффициент преломления.
Болыпий. чем в подложке, коэффициент преломления позволяет удерживать световой луч в пределах световода благодаря полному внутреннему отражению на границах подложки. Подобный световод можно легко изготовить с помощью метода фотолитографии. В стеклянной подложке вытравливают канавку требуемой конфи! урации, в которую методом напыления или эпитаксиального наращивания наносят стеклянную пленку с необходимыми свойствами.
После этого сверху наносят основной материал подложки. Изготовляют пленочные световоды также методом ионного обмена. Сущность его сводится к тому, что участки плавленого кварца облучают ионами высокой энергии. Вследствие захвата ионов, а также структурных смещений и химических взаимодействий в соответствующих областях исходного материала создаются зоны с более высоким показателем преломления. В простейших оптронах, выпускаемых промышленностью, обычно применяют прямую оптическую связь.
В некоторых случаях к оптической связи добавляется электрическая. Тогда говорят об электроопт ическ ой связи между не~очипком излучения и фотоприемниками. В интегральных оптоэлектронных схемах в качестве источников излучения широко применяются инжекцион~ые светодиоды, что позволяет обеспечить достаточно высокое быстродействие оптронов. Обозначение диодного оптрона и его возможная структура показаны на рис. 3.21, а. о. Источником света служит светодиод из арсенида галлия, а фогоприемником- -кремниевый фотодиод. Оптрон используется в качестве ключа и может коммутировать ток с частотой 10 -- 1О' Гп.
Сопротивление в закрытом состоянии (темповое) Я,=!Π—:1О' Ом. в открытом —- порядка сотен Ом — нескольких кОм. Сопротивление между входной и выходной цепями 10" 10" Ом. Таким образом, диодный оптрон позволяет практически полностью гальванически развязать между собой входную и выходную пепи и обеспечивает хорошие характеристики переключения. Так как в структуре оптрона предусмотрен воздушный зазор между источником излучения и фотоприемником, то для минимизации потерь за счет внутреннего отражения на границе сред с разными коэффициентами преломления !л=! для воздуха; п=З,б для ОаАк) источник света делаю~ сферической формы. Р аааг п ::Ф 1гг Вм» :В, 1Вмг 1Вг Вмг 1еьы Вг )гьп е) гг) г) Рис.
3.2). Просгсйгпие оптроны: диодный (а) и его структура (6); транзисторный (е), тиристорный (г); с гтвухзииттерным фототран- зистором (г)]; резисторный (е) 1вг )егз гмь йг 1емг 1В (г 1и )й В'1 1кп а) в) Рис. 3 22. Выходная характеристика двухзмиттерного транзисторного оп1ггрона (а); дноп|ый опгрон с усидитсдем (и) и спг структура (е). Г фмояг з г ««.««ррьтр ьнья нр и. Г еыаь ь ": «ьг: З р пяг ерм Транзисторные оптроны (рис.
3.21, в) благодаря большей чувсгвительности фотоприемника экономичнее диодных. Однако быстродействие их меньше, максимальная частота коммутации обычно не превышает 1Оз Гц, Так же как и диодные оптроны, транзисторные имеют малое сопротивление в открытом состоянии и большое в закрытом и обеспечивают полную гальваническую развязку входных и выходных цепей. Если в фототранзисторе имеется два эмиттера с внешними выводами (рис. 3.21. д), то получится ключевая цепь, позволяющая коммутировать малые измерительные сигналы как постоянного, так и переменного токов. Фототранзистор в этом случае представляет компенсированный ключ. От обычного компенсированного ключа на биполярных транзисторах (транзисторного прсрывателя) он отличается только способом управления и имеет симметричную выходную вольт-амперную характеристику (рис.
3.22,а). Во включенном состоянии остаточное напряжение на фототранзисторе (напряжение между выводами выходной цепи при 7„„„=0) достаточно мало и составляет сотни мкВ- -несколько десятков мВ при динамическом сопротивлении в несколько десятков Ом. В выключенном состоянии сопротивление фототранзистора велико. более 10' - 10' Ом. Эти оптроны позволяют исключить в схемах громоздкие навесные трансформаторы, неизбежные при использовании транзисторных прерывателей на обычных биполярных транзисторах. Замена фототранзистора на кремниевый фототиристор (см.
рис. 3.21, г) позволяет увеличить импульс выходного тока до 5 А и более. При эт ом время включения менее 10 ~ с. а входной ток включения не превышает 10 мА. Такие оптроны позволяют непосредственно управлять сильноточпыми устройствами различного назначения. Диодные, транзисторные и тиристорныс оптроны в основном используют в ключевых режимах в качестве быстродействующих высокоэффективных ключей различного функционального назначения. Аналоговые оптроны реализуют на основе фоторезисторов (см. Рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
