2.9. Оптоелектронні перетворювачі

2.9.1. Фізичні основи застосування елементів\

В оптичному діапазоні

Основу сучасних систем управління і автоматики складають електронні прилади. Проте вони мають серйозні недоліки: низьку завадозахищеність, необхідність надійного екранування апаратури і ліній зв'язку, високу вартість і велику масу кабелів управління і передачі сигналів, труднощі з забезпеченням електричної ізоляції, складність мікромініатюризації таких традиційних елементів, як трансформатори, реле, контакти, перемінні резистори.

Для ефективного використання обчислювальної техніки в процесі управління сьогодні необхідно забезпечити швидкість передачі інформації по лініях зв'язку 10⁸— 10¹⁰ біт/с, у ЕОМ — 10¹⁰—10¹² біт/с і обсяг пам'яті, що перевищує ємкість мозку людини (приблизно 10¹³ біт), а сучасна електроніка близька до теоретичної межі по швидкості передачі інформації й обсягу пам'яті запам’ятовувальних пристроїв ЕОМ.

Більша частина зазначених недоліків обумовлена тим, що для передачі інформації в електронних приладах використовуються негативно заряджені частинки - електрони. Тому для успішного вирішення проблем подальшого розвитку інформаційної техніки необхідно застосовувати пристрої, робота яких основана на інших фізичних явищах. Як показують дослідження, широкі можливості розкриває спільне використання електронних та оптичних методів і засобів, тобто перехід від електроніки до оптоелектроніки.

Оптоелектроніка— це розділ науки і техніки, що вивчає як оптичні, так і електронні явища в речовинах, їхні взаємні зв’язки і перетворення, а також прилади, схеми і системи, створені на основі цих явищ.

В оптоелектронних пристроях передача інформації здійснюється електрично нейтральними фотонами, це надає принципові переваги:

1) високу інформаційну ємність оптичного каналу, обумовлену тим, що частота світлових коливань (10¹³- 10¹⁵ Гц) у 10³-10⁵ разів вища, ніж в опанованому радіотехнічному діапазоні;

2) велику щільність запису інформації (до 10⁶ біт/мм²), тому що мале значення довжини хвилі світлових коливань забезпечує можливість фокусування променя лазера на площі в 1 мкм²;

3) можливість паралельної обробки інформації та безпосереднього оперування образами, що сприймаються за допомогою зору, тому що мінімальна елементарна площадка в площині, що перпендикулярна до напрямку поширення і може бути виділена для незалежної модуляції частини променя, близька до 10^-6 мм²;

4) високу завадозахищеність каналів зв’язку і відсутність взаємних наводок, тому що оптичне випромінювання не сприйнятливе до впливу електромагнітних полів;

5) практично ідеальну гальванічну розв’язку кіл та, відповідно, і можливість створення сильно розгалужених комунікацій, що включають неузгоджені різнорідні споживачі енергії;

6) однонаправленість передачі сигналу і відсутність зворотного впливу приймача на джерело інформації, що істотно спрощує аналіз і проектування оптоелектронних систем;

7) можливість подальшої мікромініатюризації компонентів і перехід до середовищ із розподіленими параметрами, що відкриває реальні перспективи створення пристроїв функціональної мікроелектроніки й інтегральної оптики.

Елементну базу оптоелектроніки складають оптоелектронні прилади, які використовують для своєї роботи електромагнітне випромінювання оптичного діапазону.

Оптичний діапазон спектра складають електромагнітні хвилі довжиною  від 1 мм до 1 нм. Всередині оптичного діапазону виділяють інфрачервоне ІЧ ( = 0,78 мкм  1 мм), видиме ( = 0,38  0,78 мкм) і ультрафіолетове УФ ( = 1 нм  0,38 мкм) випромінювання (рис. 2.9.1.). У ряді випадків в техніці оптичне випромінювання характеризується не довжиною хвилі, а частотою світлових коливань  або енергією фотонів W_ф, при цьому справедливі співвідношення:  = 310¹⁴/ і W_ф = 1,23/, де W_ф [еВ],  [Гц] і  [мкм].

Плоскопаралельний монохроматичний промінь світла, тобто промінь, електромагнітні коливання в якому відбуваються з однією строго постійною частотою, може бути описаний рівнянням

, (2.9.1)

де Е - вектор напруженості електричного поля хвилі; е - одиничний вектор, що характеризує напрямок поляризації; Е₀  амплітуда; t - час; n - показник заломлення середовища; c - швидкість світла у вакуумі; x - координата напрямку поширення променя.

Рис. 2.9.1. Оптичний діапазон електромагнітних хвиль

Відповідно до (2.9.1) для часової модуляції оптичного випромінювання можуть бути використані такі параметри електромагнітної хвилі, як напрямок поляризації, амплітуда, частота і фаза [ = 2t - (2n/с)x].

Напрямок поляризації визначає площина, в якій відбувається коливання вектора Е, і якщо при поширенні променя світла вона залишається незмінною, то таке випромінювання називається плоско- (або лінійно-) поляризованим. Відзначимо, що будь-яке випромінювання може бути подане як накладення двох променів, поляризованих у взаємно перпендикулярних площинах.

Рівняння (2.9.1) описує ідеальне монохроматичне випромінювання, яке на практиці недосяжне. Випромінювання реальних джерел займає визначений інтервал оптичного діапазону, що характеризується шириною спектра випромінювання.

Якщо генерація електромагнітних коливань відбувається в атомах речовини незалежно одна від одної, то параметри е, Е₀,  і  у рівнянні хвилі різні для всіх осциляторів. Таке випромінювання називається природним або некогерентним. У тих випадках, коли спостерігається узгодженість між фазами коливань у різних точках простору в один і той же момент часу або в одній і тій же точці простору в різні моменти часу, відповідно говорять про просторову або часову когерентність.

Абсолютно когерентним є лише монохроматичне точкове джерело випромінювання, проте за допомогою лазерів вдається одержати випромінювання з високим ступенем когерентності. Саме ця властивість випромінювання визначає найбільш вражаючі перспективи оптоелектроніки і виділяє два напрямки її розвитку: когерентну оптоелектроніку, що базується на використанні лазерів, і некогерентну оптоелектроніку, в пристроях якої використовуються джерела природного випромінювання.

Елементна база сучасної оптоелектроніки містить в собі такі групи приладів: 1) джерела випромінювання (лазери, світлодіоди); 2) фотоприймачі випромінювання (фоторезистори, фотодіоди, фототранзистори, фототиристори, фоточутливі прилади з зарядовим зв'язком (ПЗЗ); 3) оптрони і оптоелектронні мікросхеми; 4) прилади для відображення інформації; 5) оптичні канали зв'язку.