Министерство образования и науки рф

Федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего профессионального образования

ДАГЕСТАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

С.А. Садыков

КВАНТОВАЯ И ОПТИЧЕСКАЯ

ЭЛЕКТРОНИКА

Учебное пособие

Махачкала 2012

Издается по решению редакционно-издательского совета

Дагестанского государственного университета.

Садыков С.А.

Квантовая и оптическая электроника. – Махачкала: Изд-во ДГУ, 2012. -

В учебном пособии изложены процессы взаимодействия электромагнитного излучения с веществом и оптические явления в полупроводниках; принципы усиления, генерации, модуляции, детектирования и преобразования частоты лазеров, а также особенности работы и основные свойства различных типов лазеров, полупроводниковых светодиодов и квантовых приемников оптического излучения.

Пособие предназначено для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению 210100 «Электроника и наноэлектроника».

Рецензенты:

Бабаев А.А., доктор физ.-мат. наук, зав. лаб. ОЯКС ИФ ДНЦ РАН

Митаров Р. Г., доктор физ.-мат. наук, проф. кафедры физики ДГТУ

ВВЕДЕНИЕ

Квантовая электроника  - область физики, изучающая методы усиления и генерации электромагнитного излучения на основе явления вынужденного излучения в неравновесных квантовых системах, а также свойств получаемых таким образом усилителей и генераторов и их применения.

Оптоэлектроника - область науки и техники, исследующая и применяющая процессы взаимодействия оптического излучения с веществом для передачи, приема, переработки, хранения и отображения информации.

Оптическое излучение - электромагнитное излучение оптического диапазона. Оптический диапазон спектра составляют электромагнитные колебания, длина волн которых лежит в пределах от 1 м до 1 нм. Внутри оптического диапазона выделяют видимое (λ = 0,38...0,78 мкм), инфракрасное (λ = 0,78... 1000 мкм) и ультра­фиолетовое (λ = 0,001...0,38 мкм) излучения.

Оптоэлектронными приборами называются приборы, генерирующие, преобразующие или использующие для своей работы электромагнитное излучение оптического диапазона.

Оптоэлектроника базируется на двух основных видах излучателей: лазерах (когерентное излучение) и светоизлучающих диодах (некогерентное излучение). Наибольший интерес для разнообразных оптоэлектронных применений представляют полупроводниковые лазеры благодаря высокому к.п.д., малым габаритам, высокому быстродействию, простоте управления. Для оптоэлектроники особый интерес представляют полупроводниковые излучатели - инжекционные (светодиоды) и электролюминесцентные (электролюминофоры).

Принципиальные особенности оптоэлектронных устройств связаны с тем, что в качестве носителя информации в них наряду с электронами выступают электрически нейтральные фотоны. Этим обуславливаются их основные достоинства: возможность идеальной гальванической развязки входа и выхода; однонаправленность потока информации; высокую помехозащищенность; исключение взаимных наводок и па­разитных связей между различными элементами схемы. Высокая частота оптических колебаний (10¹⁴—10¹⁵ Гц) обусловливает большой объем передаваемой информации и быстродействие. Соответствующая оптической частоте малая длина волны (до 10^–4 -10^–5 см) открывает пути для микроминиатюризации передающих и приемных устройств оптоэлектроники, а также линии связи.

Основными элементами оптоэлектроники являются источники света (лазеры, светодиоды), оптические среды (активные и пассивные) и фотоприемники. Существует два пути развития оптоэлектроники: оптический, основу которого составляет когерентный луч лазера (когерентная оптоэлектроника), и электрооптический, основанный на фотоэлектрическом преобразовании оптического сигнала (оптроника). С когерентной оптоэлектроникой связаны новые принципы и методы построения больших систем вычислительной техники, оптические связи, запоминания и обработки информации, не имеющих аналогов в традиционной радиоэлектронике. Все это оправдывает использование таких терминов как "когерентная оптоэлектроника" и "некогерентная оптоэлектроника". Естественно, что четкую грань провести невозможно, но различия между ними очень существенны.

История оптоэлектроники ведет своё начало с открытия оптического квантового генератора - лазера (1960 г.). Примерно в то же время (50-60-е гг.) получили достаточно широкое распространение светоизлучающие диоды, полупроводниковые фотоприемники, устройства управления световым лучом и другие элементы оптоэлектроники.

Дальнейшее развитие и совершенствование средств оптоэлектроники служит техническим фундаментом разработки сверхвыскопроизводительных вычислительных комплексов, запоминающих устройств гигантской емкости, высокоскоростной связи, твердотельного телевидения и инфравидения.