17.12. Оптоэлектронные устройства
Оптоэлектроннка — это область электроники, охватывающая вопросы теории и практического применения методов преобразования оптических (световых) сигналов в электрические и наоборот в системах передачи, обработки и хранения информации.
Оптоэлектроника — сравнительно новое перспективное научно-техническое направление. В оптоэлектронных устройствах переработка сигналов осуществляется с помощью приборов, работа которых основана на электронных и фотонных процессах, т. е. элементами оптоэлектронных устройств являются фотоэлектрические приборы, а связь между элементами оптическая. В таких устройствах практически устранена гальваническая связь между входными и выходными цепями и до минимума сведена обратная связь между входом и выходом. Комбинации элементов позволяют создавать оптоэлектронные устройства с различным функциональным назначением.
Простейшим оптоэлектронным устройством является оптрон, который имеет две пары зажимов: входные соединены с фотоизлучающим прибором — светодиодом, выходные — с фотоприемником (например, с фотодиодом). При этом входная и выходная цепи гальванически не связаны между собой. На рис. 17.30 показана принципиальная схема усилителя на оптроне с оптической связью. В выходную цепь включен нагрузочный резистор Rн, с которого снимается усиленный сигнал. Питание осуществляется от источника напряжения U. Напряжение входного электрического сигнала Uвх подается на входные зажимы светодиода 1, под воздействием сигнала светодиод излучает световую энергию, которая по каналам оптической связи 2 поступает на вход фотоприемника 3. Фототок, проходя через резистор нагрузки, создает на нем падение напряженияUвых, которое и является усиленным входным сигналом.
При создании оптоэлектронных устройств необходимо сопрягать фотоизлучатели и фотоприемники так, чтобы спектральная полоса излучения перекрывалась спектром фоточувсгвительности. Эффективную оптическую связь между элементами оптрона осуществляют с помощью средств волоконной оптики, а именно с помощью тонких нитей из прозрачного материала, сигнал по которым передается по сложной траектории на основе эффекта полного внутреннего отражения. С помощью волокон можно производить поэлементную передачу изображения с высокой разрешающей способностью.
Эффективность светопередачи зависит от качества оптических контактов между излучающим элементом и световодом, световодом и фотоприемником. Эта задача решается путем применения стекол с высоким коэффициентом преломления (свинцовых или селеновых). Наименьшее внутреннее отражение можно обеспечить за счет создания излучающих устройств со сферической поверхностью, но в технологии микросхем, где используются элементы планарной конфигурации, наиболее пригодны устройства плоской конструкции (рис. 17.31).
На рис. 17.31 показана схема оптрона с плоской конструкцией, в котором оптический канал 4 между светоизлучателем 2 и фотоприемником 3 выполнен из селенового стекла. На рисунке 1 — омические контакты.
На рис. 17.32 представлена схема оптотранзистора с прямой оптической связью. Эмиттерный переход включен в прямом направлении. За счет рекомбинационных процессов он излучает свет. Коллектор включают в обратном направлении. Излучение с эмиттерного перехода поглощается в области коллекторного перехода, в результате в коллекторе и во внешней цепи проходит ток. Для работы оптотранзистора необходимо, чтобы в базе не поглощалось излучение, испускаемое эмиттерным р-n-цереходом. Для электрической изоляции входной и выходной цепей в базе параллельно с р-n-переходами создают высокоомный слой. Оптотранзистор имеет высокое быстродействие по сравнению с обычными транзисторами. Кроме того, в нем нет гальванической связи между входной и выходной цепями. Прямая оптическая связь обеспечивает отсутствие отражения, которое может существовать на границах между фотоизлучателем и фотоприемником.