Оптоэлектроника

Введение

Основу современных систем управления и автоматики составляют электронные приборы. Однако они имеют серьезные недостатки: низкую помехозащищенность, необходимость надежного экранирования аппаратуры и линий связи, высокую стоимость и большую массу кабелей управления и передачи сигналов, трудности с обеспечением электрической изоляции, сложность микроминиатюризации таких традиционных элементов, как реле, контакты, трансформаторы, переменные резисторы. Для эффективного использования вычислительной техники в процессе управления уже сегодня необходимо обеспечить скорость передачи информации по линиям связи до 1010 бит/с, для ЭВМ 1010÷1012 бит/с и объем памяти, что превышает емкость мозга человека (приблизительно 1013 бит), а современная электроника близка к теоретическому пределу по скорости передачи информации и объема памяти запоминающих устройств ЭВМ. Значительная часть указанных выше недостатков обусловлена тем, что для передачи информации в электронных приборах используются отрицательно заряженные частицы электроны. Поэтому для успешного решения проблем дальнейшего развития информационной техники необходимо применять устройства, работа которых основана на других физических явлениях. Как показывают исследования, широкие возможности раскрывает совместное использование электронных и оптических методов и средств, то есть переход от электроники к оптоэлектроники.
Объект исследования: оптоэлектроника
Предмет исследования: системы управления и автоматики
Цель работы: рассмотреть оптоэлектронику.
Для осуществления поставленной цели необходимо решить задачи:
- рассмотреть особенность оптоэлектронных устройств;
- описать перспективы оптоэлектроники.
1. Особенность оптоэлектронных устройств
Оптоэлектроника — это раздел науки и техники, изучающий как оптические, так и электронные явления в веществах, их взаимные связи и преобразования, а также приборы, схемы и системы, созданные на основе этих явлений.
Хотя оптоэлектронные приборы разработаны сравнительно недавно, они получили широкое распространение в различных областях науки и техники, благодаря своим уникальным свойствам.
Особенностью оптоэлектронных устройств является то, что передача информации осуществляется электрически нейтральными фотонами, а это дает им принципиальные преимущества по сравнению с электронными приборами, а именно:
1) высокую информационную емкость оптического канала, обусловленную тем, что частота световых колебаний (1013÷1015 Гц) в 103÷105 раз выше, чем в овладевшему радиотехническом диапазоне;
2) большую плотность записи информации (до 106 бит/мм2 ), потому что малое значение длины волны световых колебаний обеспечивает возможность фокусировки луча лазера на площади в 1 мкм2 ;
3) возможность параллельной обработки информации и непосредственного оперирования образами, которые воспринимаются с помощью зрения, потому что минимальная элементарная площадка в плоскости, которая перпендикулярна к направлению распространения и может быть выделена для независимой модуляции части луча близка к 10÷6 мм2 ;
4) высокую помехозащищенность каналов связи и отсутствие взаимных наводок, потому что оптическое излучение не восприимчив к воздействию электромагнитных полей;
5) практически идеальную гальваническую развязку цепей и, соответственно, и возможность создания сильно разветвленных коммуникаций, включающих несогласованные разнородные потребители энергии;
6) однонаправленность передачи сигнала и отсутствие обратного влияния приемника на источник информации, что существенно упрощает анализ и проектирование оптоэлектронных систем;
7) возможность дальнейшей микроминиатюризации компонентов и переход к сред с распределенными параметрами, что открывает реальные перспективы создания устройств функциональной микроэлектроники и интегральной оптики. Элементную базу оптоэлектроники составляют оптоэлектронные приборы, которые используют для своей работы электромагнитное излучение оптического диапазона. Оптический диапазон спектра составляют электромагнитные волны длиной l от 1мм до 1нм (выделяют инфракрасное (l=0,78 мкм ÷ 1 мм), видимое (l= 0,38÷0,78 мкм) и ультрафиолетовое (l=1 нм ÷ 0,38 мкм) излучения).
Элементная база современной оптоэлектроники содержит в себе следующие группы приборов:
1) источники излучения (лазеры, светодиоды);
2) фотоприемники излучения (фоторезисторы, фото диоды, фототранзисторы, фото тиристоры, фоточувствительные приборы с зарядовой связью (ПЗЗ), фоточувствительные приборы с зарядовой инжекцией (ПЗИ));
3) оптроны и оптоэлектронные микросхемы;
4) приборы для отображения информации;
5) оптические каналы связи (ВОК).
Основной особенностью современного развития средств электронной техники является переход от традиционных микро электронных компонентов к оптоэлектронным элементам и устройствам, которые позволяют вполне удовлетворять потребности современных сложных информационных и телекоммуникационных технологий.
Элементы оптоэлектроники рассматриваются не только как традиционные средства относительно обеспечения помехоустойчивости и совместимости различных блоков в едином комплексе, но и как незаменимые и единственные компоненты, которые обеспечивают принципиально новые свойства электронной аппаратуры: функциональную, схемо и системотехническую гибкость, выполнения функций, которые нельзя реализовать в обычных микроэлектронных компонентах (например, высокоскоростная параллельная обработка информации).
Перспективными в оптоэлектронике являются приборы на основе жидких кристаллов, которые широко используются как индикаторы в электронных часах. Жидкие кристаллы представляют собой органическое вещество (жидкость) со свойствами кристалла и находятся в переходном состоянии между кристаллической фазой и жидкостью. Индикаторы на жидких кристаллах имеют высокое разрешение, сравнительно дешевы в производстве, потребляют малую мощность и работают при больших уровнях освещенности.
Жидкие кристаллы со свойствами, подобными монокристаллов (нематики), наиболее часто используют в световых индикаторах и устройствах оптической памяти. Разработаны и широко применяются жидкие кристаллы, изменяющие цвет при нагреве (холестерики). Другие типы жидких кристаллов (смектики) используют для термооптической записи информации. В последнее время также интенсивно разрабатываются и получают распространение оптические интегральные микросхемы (ОИМС), все элементы которых формируются осаждением на подложку необходимых материалов. Современные устройства оптоэлектроники решают задачи, связанные с исследованием процессов обработки, передачи, хранения, воспроизведения информации и конструированием соответствующих функциональных систем. К числу важнейших элементов таких систем относятся: оптические модуляторы, дефлекторы, дисплеи, элементы долгосрочной и оперативной памяти и др.
2. Перспективы оптоэлектроники
Оптоэлектроника начиналась с оптронов, приборов гальванической развязки, в которых сигнал на небольшом отрезке своего пути превращался из электрического в оптический и обратно в электрический. Со временем пришло понимание, что оптоэлектроника является чем-то значительно большим, чем просто источники излучения, фотоприемники, модуляторы, оптические волокна и тому подобное. Оптоэлектроника становится важнейшей составляющей электроники, потому что электроны уже не справляются с огромными информационными потоками в современных электронных системах. Электрические сигналы медленнее оптических, на них влияют электрические и магнитные поля, они не могут конкурировать с информационными возможностями оптических сигналов. Процессы рождения и поглощения фотонов неразрывно связаны с изменением энергетического состояния электронов, как свободных, так и связанных внутри атомов. О взаимосвязи оптических и электрических процессов в источниках излучения шла речь в первом томе этого учебного пособия [3], в других оптоэлектронных приборах – в этом томе. Что дальше? Какие горизонты открываются перед оптоэлектроникой в начале третьего тысячелетия? В оптоэлектронике остаются нерешенными или решенными лишь частично довольно много проблем. Рассмотрим некоторые из них.
Источники излучения. В 2010 г. прошло 50 лет, как был изобретен лазер. С появлением лазера зародились и стали стремительно развиваться волоконно-оптическая связь, оптическая дисковая память, лазерные измерительные системы, голография, технология обработки материалов, лазерная медицина

. Фактически во всех этих направлениях развития оптоэлектроники важную роль сыграло создание в 1968 г. первых полупроводниковых гетероструктурных приборов, а в 1970 г. лазеров с двойной гетероструктурой, работавших при комнатной температуре в непрерывном режиме [1]. Чтобы оценить роль гетероструктуры в лазерном диоде достаточно вспомнить, что лазер на p–n-переходе работал при температуре 77 К и лишь в импульсном режиме, потому что большие токи инжекции, нужные для лазерной генерации (до 20 кА/см2 ), могли вызвать тепловое разрушение полупроводника. Трудно представить лазерные принтеры или приводы оптических дисков, в которых лазерные диоды надо было бы охлаждать жидким азотом. Двойная гетеро структура дала возможность за счет встречной инжекции электронов и дырок через гетеропереходы и ограничения их области растекания тонким слоем полупроводника (сначала 500 нм, а затем и десятки нанометров) на много порядков увеличить вероятность встречи электрона и дырки и, соответственно, их излучательной рекомбинации. Лазерная генерация достигалась при значительно меньших токов и отвода тепла от полупроводникового кристалла можно было осуществлять такими же радиаторами, которыми охлаждают мощные транзисторы. Лазерные диоды и светодиоды благодаря появлению новых полупроводниковых материалов и созданию гетероструктур быстро распространялись в информационных, измерительных и технологических системах. Совершенствование этих систем требует: создание ультрафиолетовых лазерных диодов и светодиодов в спектральном диапазоне 200-250 нм; разработка полупроводниковых квантово-каскадных лазеров среднего инфракрасного диапазона, которые благодаря возможности перестройки частоты широкодиапазонного позволяют настраиваться на линии поглощения газов, которые загрязняют атмосферу и используют в экологических лидарах; увеличение частоты модуляции тока инжекции лазерного диода до 50 ГГц; повышение температурной стабильности лазерных диодов; обеспечение эффективного охлаждения мощных лазерных диодов и их матриц. Если лазерные диоды и светодиоды способны осуществлять модуляцию излучения просто изменяя ток инжекции, то для газовых и твердотельных лазеров нужна внешняя модуляция. Наименее инерционной среди различных видов оптической модуляции (акусто-, электро и магнитооптической) является электрооптическая модуляция с постоянной времени до 10-12 с, поэтому актуальным является создание электрооптических модуляторов с частотой модуляции более 100 ГГц (пока что есть экспериментальные образцы, промышленные имеют частоту до 40 ГГц). Для мощных лазеров существенной проблемой является отвод тепла от активной среды: перспективными являются волоконные лазеры, в которых благодаря значительной длине волокна (до нескольких километров) теплообмен активной среды с окружающей средой происходит более эффективно, чем в других лазерах. Волоконные лазеры мощностью несколько десятков киловатт постепенно вытеснят газовые и твердотельные лазеры с рынка технологического оборудования. Гибкое волокно можно подвести к труднодоступным местам и резать или сваривать элементы сложной конструкции, что практически невозможно сделать с помощью других лазеров. Твердотельные и волоконные лазеры с ультракороткими импульсами (менее 1 пс), генерируемыми в результате модуляции добротности резонатора, позволяют получать очень сильные электрические поля (более 108 В/см), которые даже воздух превращают в нелинейное оптическое среду. Ультракороткие импульсы также способствуют развитию фемтохимии – нового раздела физической химии, который изучает химические реакции в реальном масштабе времени (например, в родопсине, окрасочному пигменте сетчатки глаза, который менее чем за 6 пс превращается в прелюмиродопсин, молекулу, которая является начальным кольцом в цепи фотохимических преобразований в механизме зрения).
Появилась возможность проследить в пространстве и времени, как атомы образуют молекулы, а молекулы обмениваются атомами, а это может стать инструментом в процессе синтеза новых химических соединений. Лазеры на свободных электронах еще в 2012 г. продемонстрировали возможность генерировать импульсы рентгеновского излучения с длиной волны 63 пм и длительностью 10 фс. Обычно такие лазеры создают на основе многокилометровых ускорителей элементарных частиц и их стоимость достигает миллиарда долларов. В ускорителе электроны разгоняются внутри системы цилиндрических электродов, вдоль которой с субсветовой скоростью движется волна высокого напряжения.
Значительно удешевить и в сотни раз уменьшить размеры лазера позволяет переход от межэлектродного ускорения к ускорению в сильном электрическом поле излучения фемтосекундного лазера. Лучшим источником излучения для оптической измерительной системы всегда был одночастотный гелий-неоновый лазер, у которого полосу частот можно было уменьшить даже до 1 Гц. Источник белого света (суперконтинуума с полосой частот свыше 500 ТГц), который образуется при пропускании фемтосекундных лазерных импульсов через фотонно-кристаллическое или суженное на конце волокно, неожиданно оказалось полезным в создании измерительных систем с точностью измерения частоты до 10-18. Такая точность позволит проверить неизменность фундаментальных постоянных и уменьшит погрешность определения местоположения с помощью GPS. Принципиальным отличием суперконтинууму от белого света теплового источника (например, лампочки накаливания) является его фазовая когерентность, которая сделала возможным построение оптической частотной гребенки (множества реперных частот) вдоль всего видимого диапазона и немного вдоль ультрафиолетового и инфракрасного диапазонов. Это позволило на три порядка повысить точность измерения промежутков времени, за которые находят некоторые физические величины. Генерировать много фотонов просто, а как надежно генерировать один фотон, который будет нести 1 бит информации? Как не потерять образованный им фотоэлектрон в многоэлектронных шумах фотоприемника? Однофотонные источники излучения и фотоприемники нужны для квантовой криптографии – наиболее надежного метода защиты информации в каналах связи. Во время передачи 1 бит информации 1000 фотонами 100 из них могут быть перехвачены и на приемной стороне этого не заметят. Согласно распределению Пуассона в случае приема N фотонов неопределенность результата измерения их количества составляет примерно N . Однофотонная связь делает невозможным перехват информации, незаметный для ее получателя. Источники излучения на квантовых точках и лавинные диоды, работающие в режиме Гейгера, являются перспективными для использования в квантово-криптографических линиях связи, поэтому актуальным является повышение их надежности.
Дисплеи. Гибкие дисплеи на органических светодиодах позволяют получать яркие изображения с насыщенными цветами. Сочетание интегральных схем, изготовленных на гибких подложках (из полимерных полупроводников или даже кремния, который становится гибким при толщине несколько десятков микрометров), сделает возможным создание компьютеров и телевизоров, которые можно будет сворачивать в трубочку. Другое перспективное направление – лазерные проекторы на основе матричных зеркал, которые можно разместить даже в смартфоне и получать большие изображения просто на стене.
3D-печать как технология послойного изготовления деталей, в частности путем фотополимеризации и затвердевания жидкого мономера или спекания металлического или керамического порошка лазерным излучением. Конструкторы имеют возможность с помощью 3D-принтеров быстро изготавливать прототипы будущих машин и механизмов, оптимизировать их параметры и совершенствовать 3D-модели, чтобы затем использовать их для печати деталей во время серийного производства. Такую технологию уже используют для изготовления турбинных лопаток, шестерен, крыльев самолетов, деталей морских судов и тому подобное. Японские ученые планируют отправить на Луну робота с 3D-принтером, чтобы с помощью лунного грунта и порошка, привезенного с Земли, построить укрытие для космонавтов.
Оптические материалы