оптоэлектроника

ОПТОЭЛЕКТРОНИКА - область физики и техники, использующая эффекты взаимного преобразования элек-трич. и оптич. сигналов. Хотя эффекты преобразования световой энергии в электрическую (детектирование света с помощью фотоприёмников) и обратное преобразование (электролюминесцентные источники) были известны давно, термин "О." возник лишь после того, как эти преобразования стали использоваться в вычислит. технике, и прежде всего для взаимных превращений световых и электрич. сигналов при отображении, хранении, передаче и обработке информации. Термин "О." вошёл в употребление в 1960-х гг., когда появились приборы - оптроны ,в к-рых для обеспечения надёжных гальванич. развязок между электронными цепями используется пара "источник света (светодиод) - приёмник этого излучения".
Применение оптич. сигналов в принципе позволяет увеличить скорость передачи и обработки информации благодаря более высокой несущей частоте и возможности параллельного функционирования мн. каналов. Однако в наиб. степени пока используются такие свойства оптич. сигналов, как высокая помехозащищённость, обеспечение надёжных гальванических развязок между электронными цепями, слабое затухание в волоконных световодах и возможность острой фокусировки.
Поскольку оптоэлектронные приборы предназначены прежде всего для вычислит. техники и информац. систем, они должны обладать компактностью, малым потреблением энергии и высоким кпд.
Осн. элементами О. являются источники излучения (когерентные и некогерентные), фотоприёмники, модуляторы, дефлекторы, волоконные световоды и согласующие элементы, мультиплексоры и демультиплексоры, а также пространственно-временные модуляторы света (управляемые транспаранты), используемые для двумерного динамич. отображения и обработки информации.
Источники излучения. К некогерентным источникам излучения относят источники спонтанного излучения. Это - светодиоды (СД), из к-рых наиб. распространёнными являются СД на основе гетероструктур системы AlGaAs. Рекордный кпд этих СД превышает 20% (однако при ВЧ электрич. модуляции он уменьшается), их быстродействие достигает 0,1 нс. В отличие от когерентных источников СД обладают большой угл. апертурой и спектральной шириной излучения. Изготовляются матрицы СД.
Когерентными источниками излучения в О. служат гл. обр. инжекционные лазеры. Применяются гетероструктуры, из к-рых также наиб. распространёнными являются системы AlGaAs. Вследствие лазерного эффекта ширина линии ~ 0,1 нм, расходимость луча не более 30°, кпд до 50%. Длина волны меняется в зависимости от состава твёрдого раствора активной области. Наиб. освоен (на 1990) диапазон длин волн от
0,78 мкм до 1,55 мкм, хотя существуют более длинноволновые и коротковолновые лазеры. Частота модуляции излучения инжекц. лазеров достигает 20 Ггц. В монолитном (интегральном) виде изготовляются строчки (до 100 элементов на см^-1) и матрицы инжекц. лазеров.
Приёмники излучения. В качестве них используются фотодиоды (ФД), гл. обр. pin-диоды и фотодиоды Шоттки. В pin-диодах быстродействие1 нc, квантовая эффективность до 90%, усиление фототока практически отсутствует, материалы: GaAs (0,8 мкм), InGaAs ( = 1,3 - 1,55 мкм). В фотодиодах Шоттки быстродействие также1 нc; квантовая эффективность до 40%, материалы: п - GaAs, GaAs - AlGaAs, InGaAs ( = 0,82 - 1,6 мкм).
Там, где требуется высокая чувствительность, применяются фототранзисторы и лавинные ФД. Они обладают внутр. усилением до 100 и более; материалы: Ge, InGaAs, InGaPAs, GaAs, Si. В качестве фотоприёмников используются также планарные фотосопротивления с малым зазором между омическими контактами и экстрагирующими электродами, быстродействие 80 - 200 пс, материалы: InGaAs ( = 1,3 - 1,5 мкм), р - GaAs ( 0,85 мкм) и др.
Особое значение для О. приобретают строчки и матрицы фотоприёмников, использующие эффект зарядовой связи в полупроводниках (см. Прибор с зарядовой связью ).Эти приёмники позволяют принимать, хранить нек-рое время и последовательно передавать при считывании оптич. сигналы. Такие фотоприёмники широко применяются для регистрации изображений и их последоват. передачи по каналам связи. По чувствительности они не уступают обычным фотоприёмникам. Осн. материал - Si.
Модуляторы. Как правило, в СД и инжекц. лазерах осуществляется внутр. модуляция путём изменения питающего тока. Для внеш. модуляции используется в осн. эл--оптич. эффект в LiNbО₃. Однако полуволновое напряжение в этом кристалле более 1 кВ. Разрабатываются др. материалы - с меньшим полуволновым напряжением и технологически интегрально совместимые с излучателями системы AlGaAs и InGaPAs на тех же растворах.
Увеличение числа каналов связи в волоконных СД достигается также путём передачи информации по одному каналу на разных длинах волн, т. е. от разл. источников с соответствующим разделением на приёмных концах. С этой целью применяются мультиплексоры и демультиплексоры, к-рые обычно изготовляются в интегральном виде путём соединения или ветвления оптич. волноводов. Селекторами длин волн являются дифракц. решётки, вводящими и выводящими элементами - призмы. Материалом служит, как правило, LiNbО₃ с вводимыми в него легирующими добавками для создания волноводов; большие надежды связываются с твёрдыми растворами соединений A^III B^v и A^IIB^VI.
Дефлекторы лазерного излучения - необходимые элементы в системах оптич. записи и считывания информации. Они могут быть применены также как модуляторы излучения. Используется либо эл--оптич. эффект в двулучепреломляющих кристаллах либо дифракция на акустич. волнах. Дефлекторы на основе эл--оптич. эффекта более быстродействующие, чем эл--акустические, но обладают меньшей эффективностью.
Пространственно-временные модуляторы света (ПВМС) - матрицы светоклапанных устройств, позволяющие создавать и обрабатывать двумерные изображения. Управление пропусканием ПВМС может осуществляться электрич. или магн. полями (эл--оптически или магн--оптически управляемые транспаранты соответственно) или слабыми световыми сигналами (оптически управляемые транспаранты). Наиб. распространение получили ПВМС на жидких кристаллах. Они обладают наим. полуволновым напряжением (~1В), но их быстродействие не превышает десятков мкс. Применение спец. керамик для ПВМС обеспечивает быстродействие до 10^-7 с, но полуволповое напряжение значительно выше (~100 В).
Для передачи оптич. сигналов в О. возможно использование как свободного пространства, так и волоконных световодов, обеспечивающих исключительно высокую домехозащитность при потерях менее 1 дБ/км.
Увеличение кол-ва и ассортимента выпуска элементов О. происходит очень интенсивно, составляя ежегодный прирост ок. 20%, что связано с большим коммерч. выпуском систем, базирующихся на оптоэлек-тронных элементах. Наиб. распространение получили лазерные звукопроигрыватели, в к-рых информация записана в цифровом представлении на жёстких или гибких дисках (компакт-диски) и считывается острофокусируемым лучом инжекц. лазера. Выпускаются (в Японии) видеопроигрыватели, работающие по этому же принципу.
Большое значение приобретают оптоэлектронные элементы для волоконно-оптич. линий связи, к-рые должны заменить совр. кабельные линии связи на длинные и короткие дистанции, решить проблемы кабельного телевидения и видеотелефонов. Несколько свето-волоконных кабелей соединили Америку с Европой, прокладываются кабели через Тихий океан. Источниками световых сигналов в этих линиях являются инжекц. лазеры, приёмники - быстродействующие лавинные ФД; через неск. десятков км располагаются ретрансляц. узлы (лазер - фотоприёмник), компенсирующие ослабление и дисперсию световых сигналов.
О. позволяет создать перестраиваемые процессоры ,управляемые ПВМС и матрицами фотоприёмников, а также обеспечивает построение БИС и СБИС (см. Интегральная схема ),допускающих интеграцию в третьем (вертикальном) измерении. С О. связывают надежды на возможность дальнейшего совершенствования вычислит. техники: передача информации будет осуществляться оптич. сигналами, что позволит вести обработку одновременно по мн. параллельным каналам, близко расположенным друг к другу, но обладающим высокой помехозащитностью. Проводятся интенсивные исследования по созданию новых оптоэлектронных элементов, к-рые имели бы два устойчивых состояния с разл. оптич. свойствами (оптич. бистабильные элементы) и выполняли бы в оптике роль, аналогичную роли транзисторов в электронике. Создание таких элементов позволит начать конструирование оптических (или оптоэлектронных) вычислит. машин (ОВМ и ОЭВМ), превосходящих по производительности ЭВМ и способных выполнять 10¹² операций в с и более.

Лит.: 3 и С. М., Физика полупроводниковых приборов, пер. с англ., кн. 1 - 2, М., 1984; Хансперджер Р., Интегральная оптика, пер. с англ., М., 1985; Морозов В. Н., Оптоэлектронные матричные процессоры, М., 1986; Пространственные модуляторы света, М., 1987; Инжекционные лазеры в системах передачи и обработки информации, М., 1987.

Ю. М. Попов.

   <<      Предметный указатель      >>