1-2 лекция. Основы оптоэлектроники
 Скачать 127.82 Kb.
|
|
ОСНОВЫ ОПТОЭЛЕКТРОНИКИ Краткая аннотация Курс "Основы оптоэлектроники" является логическим продолжением общефакультетского курса "Радиофизики". В нем рассматриваются основные принципы передачи и обработки информации с использованием как электрических, так и оптических методов и устройств. Излагаются физические эффекты, принципы работы и конструктивные особенности основных типов оптоэлектронных приборов. Приводятся физические и технические характеристики таких устройств, рассматриваются вопросы их применения в системах обработки информации. Большое внимание уделяется современному состоянию элементной базы оптоэлектроники и тенденциям ее развития, базирующимся на нанотехнологиях. Содержание дисциплины ВВЕДЕНИЕ. Предмет оптоэлектроники. Достоинства оптоэлектронных приборов. Их классификация. Основные элементы оптоэлектронной цепи. ИСТОЧНИКИ ИЗЛУЧЕНИЯ ДЛЯ ОПТОЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМ. Общая характеристика источников света. Естественная ширина спектральной линии. Причины ее уширения. Спонтанное и стимулированное излучение. Условие самовозбуждения для лазеров. Спектр генерации. Методы накачки. Газовые, твердотельные и инжекционные лазеры, их сравнение, достоинства и недостатки, области применения. Принцип действия инжекционных лазеров и светоизлучающих диодов. Пороговая плотность тока. Ватт-амперная характеристика. Инжекционные лазеры с гомо- и гетеропереходами. Эффекты электронного и оптического ограничения. Лазеры с распределенной обратной связью. Лазеры с вертикальным резонатором. Светодиоды, их достоинства и недостатки. ФОТОПРИЕМНИКИ. Типы фотоприемников. Основные характеристики: чувствительность, быстродействие, обнаружительная способность, спектральный диапазон. Приемники с внешним и внутренним фотоэффектом: фотоэлементы, ФЭУ, фоторезисторы, фотодиоды. Шумы фотоприемников. Методы приема модулированного оптического излучения: прямое фотодетектирование и оптическое гетеродинирование. Гетеродинирование в ФЭУ. Приемники оптических изображений видимого и ИК диапазонов спектра. Электронно-оптические преобразователи. Электронно-лучевые передающие трубки. МОП-структуры и их применение в приборах с зарядовой связью и зарядовой инжекцией. Фотоматрицы для ИК области спектра. Методы управления оптическим излучением. Физические эффекты, используемые для управления параметрами оптического излучения: эффект Поккельса, фотоупругий эффект, эффект Фарадея. Прямая модуляция светодиодов и инжекционных лазеров. Применение продольного и поперечного электрооптического эффекта для модуляции света. Фазовая, поляризационная модуляция и модуляция по интенсивности. Основные характеристики электрооптических модуляторов: полоса частот модуляции, потребляемая мощность, динамический диапазон. Особенности СВЧ модуляции. Электрооптические дефлекторы. Акустооптический эффект. Раман-натовский и брэгговский режимы дифракции света на ультразвуке. Особенности акустооптического взаимодействия в анизотропных средах. Модуляторы света с бегущей и стоячей акустической волной. Акустооптические дефлекторы и фильтры. Пространственная модуляция света. Управляемые транспаранты для систем оптической обработки информации. Жидкокристаллические дисплеи. Пространственно- временные модуляторы света на основе электрооптического эффекта. Формирование амплитудно-фазового изображения в акустооптическом транспаранте. ИНТЕГРАЛЬНАЯ ОПТИКА И ОПТИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ. Распространение света в планарных и канальных диэлектрических волноводах. Моды оптических волноводов. Условие существования волноводных мод. Структура поля волноводных мод. Зависимость постоянной распространения от толщины оптического волновода. Обмен энергией между волноводными модами. Методы ввода и вывода излучения. Пассивные и активные устройства интегральной оптики: направленные ответвители, модуляторы, дефлекторы, коммутаторы. Устройства на базе оптических микрорезонаторов. Типы оптических волокон. Моды в волноводах со ступенчатым и плавным изменением показателя преломления. Виды дисперсии: межмодовая, внутримодовая и материальная. Механизмы потерь в световодах. Принципиальная схема оптической линии связи. Примеры практической реализации. ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ ОПТОЭЛЕКТРОНИКИ И ПЕРСПЕКТИВЫ. Применение нанотехнологий при разработке и создании источников оптического излучения и фотоприемников. Волоконные лазеры, лазеры с накачкой фемтосекундными импульсами. Рамановские волоконные усилители излучения. Световоды с ненулевой смещенной дисперсией. Оптические линии связи со спектральным уплотнением информационных каналов (WDM-системы). 1-2. Лекция 1. Введение Предмет оптоэлектроники. Достоинства оптоэлектронных приборов. Их классификация. Основные элементы оптоэлектронной цепи. Оптоэлектроника является важной самостоятельной областью функциональной электроники и микроэлектроники. Оптоэлектронный прибор - это устройство, в котором при обработке информации происходит преобразование электрических сигналов в оптические и обратно. Существенная особенность оптоэлектронных устройств состоит в том, что элементы в них оптически связаны, а электрически изолированы друг от друга. Благодаря этому легко обеспечивается согласование высоковольтных и низковольтных, а также высокочастотных и низкочастотных цепей. Кроме того, оптоэлектронным устройствам присущи и другие достоинства: возможность пространственной модуляции световых пучков, что в сочетании с изменениями во времени дает три степени свободы (в чисто электронных цепях две); возможность значительного ветвления и пересечения световых пучков в отсутствие гальванической связи между каналами; большая функциональная нагрузка световых пучков ввиду возможности изменения многих их параметров (амплитуды, направления, частоты, фазы, поляризации). Оптоэлектроника охватывает два основных независимых направления - оптическое и электронно-оптическое. Оптическое направление базируется на эффектах взаимодействия твердого тела с электромагнитным излучением. Оно опирается на голографию, фотохимию, электрооптику и другие явления. Оптическое направление иногда называют лазерным. Электронно-оптическое направление использует принцип фотоэлектрического преобразования, реализуемого в твердом теле посредством внутреннего фотоэффекта, с одной стороны, и электролюминесценцией, с другой. В основе этого направления лежит замена гальванических и магнитных связей в традиционных электронных цепях оптическими. Это позволяет повысить плотность информации в канале связи, его быстродействие, помехозащищенность. Для микроэлектроники представляет интерес в основном электронно-оптическое направление, которое позволяет решить одну из важных проблем интегральной микроэлектроники - существенное уменьшение паразитных связей между элементами как внутри одной интегральной микросхемы, так и между микросхемами. На оптоэлектронном принципе могут быть созданы безвакуумные аналоги электронных устройств и систем: дискретные и аналоговые преобразователи электрических сигналов (усилители, генераторы, ключевые элементы, элементы памяти, логические схемы, линии задержки и др.); преобразователи оптических сигналов - твердотельные аналоги электронно-оптических преобразователей, видиконов, электронно-лучевых преобразователей (усилители света и изображения, плоские передающие и воспроизводящие экраны); устройства отображения информации (индикаторные экраны, цифровые табло и другие устройства картинной логики).  Рис.1.1. Оптрон с внутренней (а) и внешними (б) фотонными связями: 1, 6 – источники света; 2 – световод; 3, 4 – приемники света; 5 – усилитель. Основным элементом оптоэлектроники является оптрон. Различают оптроны с внутренней (рис.1.1, а) и внешними (рис.1.1, б) фотонными связями. Простейший оптрон представляет собой четырехполюсник (рис.1.1, а), состоящий из трех элементов: фотоизлучателя 1, световода 2 и приемника света 3, заключенных в герметичном светонепроницаемом корпусе. При подаче на вход электрического сигнала в виде импульса или перепада входного тока возбуждается фотоизлучатель. Световой поток по световоду попадает в фотоприемник, на выходе которого образуется электрический импульс или перепад выходного тока. Этот тип оптрона является усилителем электрических сигналов, в нем внутренняя связь фотонная, а внешние - электрические. Другой тип оптрона - с электрической внутренней связью и фотонными внешними связями (рис.1.1, б) - является усилителем световых сигналов, а также преобразователем сигналов одной частоты в сигналы другой частоты, например сигналов инфракрасного излучения в сигналы видимого спектра. Приемник света 4 преобразует входной световой сигнал в электрический. Последний усиливается усилителем 5 и возбуждает источник света 6. В настоящее время разработано большое число оптоэлектронных устройств различного назначения. В микроэлектронике, как правило, используются только те оптоэлектронные функциональные элементы, для которых имеется возможность интеграции, а также совместимость технологии их изготовления с технологией изготовления соответствующих интегральных микросхем. Фотоизлучатели. К источникам света оптоэлектроникой предъявляются такие требования, как миниатюрность, малая потребляемая мощность, высокие эффективность и надежность, большой срок службы, технологичность. Они должны обладать высоким быстродействием, допускать возможность изготовления в виде интегральных устройств. Наиболее широкое распространение в качестве электролюминесцентных источников получили инжекционные светодиоды, в которых испускание света определяется механизмом межзонной рекомбинации электронов и дырок. Если пропускать достаточно большой ток инжекции через p-n-переход (в прямом направлении), то часть электронов из валентной зоны перейдет в зону проводимости (рис.1.2). В верхней части валентной зоны образуются свободные состояния (дырки), а в нижней части зоны проводимости - заполнение состояния (электроны проводимости). Такая инверсная заселенность не является равновесной и приводит к хаотическому испусканию фотонов при обратных переходах электронов. Возникающее при этом в р-n-переходе некогерентное свечение и является электролюминесценцией.  Рис. 1.2. К объяснению принципа действия инжекционного светодиода. Фотон, испускаемый при люминесцентном переходе из заполненной части зоны проводимости в свободную часть валентной зоны, вызывает индуцированное излучение идентичного фотона, заставив еще один электрон перейти в валентную зону. Однако фотон такой же энергии (от ∆E=E2-E1 до ∆E=2δE) не может поглотиться, так как нижнее состояние свободно (в нем нет электронов), а верхнее состояние уже заполнено. Это означает, что p-n-переход прозрачен для фотонов такой энергии, т.е. для соответствующей частоты. Наоборот, фотоны с энергией, большей ∆E+2δE, могут поглощаться, переводя электроны из валентной зоны в зону проводимости. В то же время для таких энергий индуцированное испускание фотонов невозможно, так как верхнее исходное состояние не заполнено, а нижнее состояние заполнено. Таким образом, вынужденное излучение возможно в узком диапазоне около частоты, соответствующей энергии запрещенной зоны ∆Е с шириной спектра δE. Наилучшими материалами для светодиодов являются арсенид галлия, фосфид галлия, фосфид кремния, карбид кремния и др. Светодиоды имеют высокое быстродействие (порядка 0,5 мкс), но потребляют большой ток (около 30 А/см2). В последнее время разработаны светодиоды на основе арсенида галлия - алюминия, мощности которых составляют от долей до нескольких милливатт при прямом токе в десятки миллиампер. КПД светодиодов не превышает 1 - 3%. Перспективными источниками света являются инжекционные лазеры, позволяющие концентрировать высокие энергии в узкой спектральной области при высоких КПД и быстродействии (десятки пикосекунд). Эти лазеры можно изготовлять в виде матриц на одном базовом кристалле по той же технологии, что и интегральные микросхемы. Недостатком простых инжекционных лазеров является то, что они имеют приемлемые характеристики лишь при использовании охлаждения до очень низких температур. При нормальной температуре галлий-арсенидовый лазер имеет малую среднюю мощность, низкий КПД (порядка 1%), небольшие стабильность работы и срок службы. Дальнейшее усовершенствование инжекционного лазера путем создания перехода сложной структуры с использованием гетеропереходов (гетеропереход - граница между слоями с одинаковыми типами электропроводности, но с разной шириной запрещенной зоны) позволило получить малогабаритный источник света, работающий при нормальной температуре с КПД 10 - 20% и приемлемыми характеристиками. Фотоприемники. Для преобразования световых сигналов в электрические используют фотодиоды, фототранзисторы, фоторезисторы, фототиристоры и другие приборы. Фотодиод представляет собой смещенный в обратном направлении p-n-переход, обратный ток насыщения которого определяется количеством носителей заряда, порождаемых в нем действием падающего света (рис. 1.3). Параметры фотодиода выражают через значения тока, протекающего в его цепи. Чувствительность фотодиода, которую принято называть интегральной, определяют как отношение фототока к вызвавшему его световому потоку Фυ. Порог чувствительности фотодиодов оценивают по известным значениям интегральной (токовой) чувствительности и темнового тока Id, т.е. тока, протекающего в цепи в отсутствие облученности чувствительного слоя. Основными материалами для фотодиодов являются германий и кремний. Кремниевые фотодиоды обычно чувствительны в узкой области спектра (от λ = 0,6 – 0,8 мкм до λ = 1,1 мкм) с максимумом при λ = 0,85 мкм, а германиевые фотодиоды имеют границы чувствительности λ = 0,4 - 1,8 мкм с максимумом при λ ≈ 1,5 мкм. В фотодиодном режиме при напряжении питания 20 В темновой ток кремниевых фотодиодов обычно не превышает 3 мкА, в то время как у германиевых; фотодиодов при напряжении питания 10 В он достигает 15-20 мкА.  Рис. 1.3. Схема и вольт-амперные характеристики фотодиода. Рис. 1.4. Схема и вольт-амперные характеристики фототранзистора. Фототранзисторы представляют собой приемники лучистой энергии с двумя или с большим числом p-n-переходов, обладающие свойством усиления фототока при облучении чувствительного слоя. Фототранзистор соединяет в себе свойства фотодиода и усилительные свойства транзистора (рис. 1.4). Наличие у фототранзистора оптического и электрического входов одновременно позволяет создать смещение, необходимое для работы на линейном участке энергетической характеристики, а также компенсировать внешние воздействия. Для обнаружения малых сигналов напряжение, снимаемое с фототранзистора, должно быть усилено. В этом случае следует увеличить сопротивление выхода переменному току при минимальном темновом токе в цепи коллектора, создавая положительное смещение на базе. Световоды. Между источником и приемником света в оптроне находится световод. Для уменьшения потерь при отражении от границы раздела светодиода и проводящей среды (световода) последняя должна обладать большим коэффициентом преломления. Такие среды называются иммерсионными. Иммерсионный материал должен обладать также хорошей адгезией к материалам источника и приемника, обеспечивать достаточное согласование по коэффициентам расширения, быть прозрачным в рабочей области и т.д. Наиболее перспективными являются свинцовые стекла с показателем преломления 1,8-1,9 и селеновые стекла с показателем преломления 2,4-2,6. На рис. 1.5 показано поперечное сечение твердотельного оптрона с иммерсионным световодом. В качестве световодов в оптоэлектронике находят применение тонкие нити стекла или прозрачной пластмассы. Это направление получило название волоконной оптики. Волокна покрывают светоизолирующими материалами и соединяют в многожильные световые кабели. Они выполняют те же функции по отношению к свету, что и металлические провода по отношению к току. С помощью волоконной оптики можно: осуществлять поэлементную передачу изображения с разрешающей способностью, определяемой диаметром световолокна (порядка 1 мкм); производить пространственные трансформации изображения благодаря возможности изгибания и скручивания волокон световода; передавать изображения на значительные расстояния и т.д. На Рис. 1.6 показан световод в виде кабеля из светопроводящих волокон. Интегральная оптика. Одним из перспективных направлений функциональной микроэлектроники является интегральная оптика, обеспечивающая создание сверхпроизводительных систем передачи и обработки оптической информации. Область исследований интегральной оптики включает распространение, преобразование и усиление электромагнитного излучения оптического диапазона в диэлектрических тонкопленочных волноводах и волоконных световодах. Основным элементом интегральной оптики является объемный или поверхностный оптический микроволновод. Простейший симметричный объемный оптический микроволновод представляет собой локализованную по одной или двум пространственным измерениям область с показателем преломления, превышающим показатель преломления окружающей оптической среды. Такая оптически более плотная область есть нечто иное, как канал или несущий слой диэлектрического волновода.  Рис. 1.5. Разрез твердотельного оптрона с иммерсионным световодом: 1 – планарная диффузия; 2 - селеновое стекло; 3 – омические контакты; 4 – диффузионная мезаструктура; 5 – источник света; 6 – приемник света.  Рис. 1.6. Световод в виде кабеля из светопроводящих волокон: 1 - источник света; 2 – приемник света; 3 – световой кабель. Примером несимметричного поверхностного диэлектрического волновода может служить тонкая пленка оптически прозрачного диэлектрика или полупроводника с показателем преломления, превышающим показатель преломления оптически прозрачной подложки. Степень локализации электромагнитного поля, а также отношение потоков энергии, переносимых вдоль несущего слоя и подложки, определяются эффективным поперечным размером несущего слоя и разностью показателей преломления несущего слоя и подложки при заданной частоте излучения. Сравнительно простым и наиболее подходящим для твердотельных оптических устройств является оптический полосковый микроволновод, выполненный в виде тонкой диэлектрической пленки (рис. 1.7), нанесенной на подложку методами микроэлектроники (например, вакуумным напылением). С помощью маски на диэлектрическую подложку можно наносить с высокой степенью точности целые оптические схемы. Применение электронно-лучевой литографии обеспечило успехи в создании, как одиночных оптических полосковых волноводов, так и оптически связанных на определенной длине, а впоследствии расходящихся волноводов, что существенно для создания направленных ответвителей и частотно-избирательных фильтров в системах интегральной оптики.  Рис 1.7. Оптический полосковый микроволновод с прямоугольным поперечным сечением: 1 – подложка; 2 – диэлектрическая пленка. Оптоэлектронные микросхемы. На основе оптоэлектроники разработано большое число микросхем. Рассмотрим некоторые оптоэлектронные микросхемы, выпускаемые отечественной промышленностью. В микроэлектронике наиболее широко применяют оптоэлектронные микросхемы гальванической развязки. К ним относят быстродействующие переключатели, коммутаторы аналоговых сигналов, ключи и аналоговые оптоэлектронные устройства, предназначенные для использования в системах функциональной обработки аналоговых сигналов. Основным элементом любой оптоэлектронной микросхемы является оптронная пара (рис. 1.8, а, б), состоящая из источника света 1, управляемого входным сигналом, иммерсионной среды 2, оптически связанной с источником света, и фотоприемника 3. Параметрами оптронной пары являются сопротивление развязки по постоянному току, коэффициент передачи тока (отношение фототока приемника к току излучателя), время переключения и проходная емкость. На базе оптоэлектронных пар создаются оптоэлектронные микросхемы различного назначения.  Рис. 1.8. Схема и технологическое выполнение оптронной пары: 1 – источник света; 2 – иммперсионная среда; 3 – фотоприемник. Оптоэлектронный прибор — это элемент или узел применяемой в оптоэлектронике аппаратуры. Классификация оптоэлектронных приборов по выполняемым функциям приведена на рис. 1.9. Из приборов, излучающих свет, на рисунке собраны в отдельную группу лазеры — источники когерентного излучения. Источники света — это, как правило, приборы с непосредственным преобразованием энергии электронов. Самые типичные из них: светодиод, полупроводниковый и газовый лазер. А у твердотельного лазера и лазера на красителях преобразование идет двухступенчато. Энергия электронов сначала преобразуется в свет, который и возбуждает когерентное излучение лазера. Дисплеи — это устройства связи между людьми и машинами. Если в качестве рабочего тела используется электролюминесцентный или флюоресцентный материал, то это активные, излучающие свет приборы. Дисплеи на жидких кристаллах и электрохромных материалах — устройства пассивные. Они работают благодаря свойствам этих веществ отражать или пропускать свет в зависимости от действия электрического тока или поля. Фотоприемные приборы преобразуют свет в электрический ток. Такие из них, как фотодиод, фототранзистор, лавинный фотодиод, приборы с зарядовой связью, работают на основе использования контактных явлений в полупроводниках. А приборы типа передающей телевизионной трубки работают на основе фотоэффекта в материалах с малой работой выхода или на основе фотопроводимости. Работа фотоэлемента и фотоэлектронного умножителя также основана на фотоэффекте. Работа пироэлектронных приборов основана на пироэлектрическом эффекте. Рис. 1.9. Генеалогическое дерево оптоэлектронных приборов. Модуляторы света, изменяя параметры излучения источника, заставляют свет нести полезную информацию. Для управления ходом светового луча применяются оптические отклоняющие системы. И те, и другие приборы могут основываться на одних и тех же принципах (например, механический — повороты и перемещение зеркал) и явлениях (электро-, магнито-, акустооптический эффект и др.). В инжекционных излучателях мощность излучения управляется током, и поэтому они допускают непосредственную модуляцию. Созданы элементы оптической памяти, позволяющие записывать и считывать информацию при помощи света. Здесь наряду с классическим необратимым фотоматериалом, таким, как фотопленка, используются обратимые фотохромные материалы, термопластики и аморфные полупроводники. Созданы и другие оптоэлектронные приборы на основе светочувствительных материалов — это преобразователь некогерентного образа в когерентный, оптический бистабильный элемент и оптический изолятор. Для передачи излучения применяют оптические волокна, пленочные и волноводные линзы. Кроме передачи излучения волноводы способны выполнять и другие функции. Оптические и оптоэлектронные интегральные схемы (ИС) — это новые элементы аппаратуры, полученные путем изготовления на одной базовой пластине большого числа названных выше приборов. Эти элементы позволяют миниатюризировать аппаратуру, повышают ее надежность и расширяют функциональные возможности. |