Оптоэлектронная техника

Оптоэлектронная техника

1.     Оптоэлектроника - что это

Предмет оптоэлектроники.

Оптоэлектроника представляет собой раздел науки и техники, занимающийся вопросами генерации, переноса (передачи и приёма), переработки (преобразования), запоминания и хранения информации на основе использования двойных (электрических и оптических) методов и средств.

Оптоэлектронный прибор - это (по рекомендации МЭК) прибор, чувствительный к электромагнитному излучению в видимой, инфракрасной или ультрафиолетовой областях; или прибор, излучающий и преобразующий некогерентное или когерентное излучение в этих же спектральных областях; или прибор, использующий такое электромагнитное излучение для своей работы.

Обычно подразумевается также "твердотельность" оптоэлектронных приборов и устройств или такая их структура (в случае использования газов и жидкостей), которая допускала бы реализацию с применением методов современной интегральной техники в микроминиатюрном исполнении. Таким образом, оптоэлектроника базируется на достижениях целого ряда достижений науки и техники, среди которых должны быть выделены, прежде всего квантовая электроника, фотоэлектроника, полупроводниковая электроника и технология, а также нелинейная оптика, электрооптика, голография, волоконная оптика.

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:

. Высокая информационная ёмкость оптического канала.

. Острая направленность излучения.

. Возможность двойной модуляции светового луча - не только временной, но и пространственной.

. Бесконтактность, "элетропассивность" фотонных связей.

. Возможность простого оперирования со зрительно воспринимаемыми образами.

Эти уникальные особенности открывают перед оптоэлектронными приборами очень широкие возможности применения в качестве элементов связи, индикаторных приборов, различных датчиков. Тем самым оптоэлектроника вносит свою, очень значительную, долю в комплексную микроминиатюризацию радиоэлектронной аппаратуры. Дальнейшее развитие и совершенствование средств оптоэлектроники служит техническим фундаментом разработки сверх высокопроизводительных вычислительных комплексов, запоминающих устройств гигантской ёмкости, высокоскоростной связи, твердотельного телевидения и инфравидения.

Основу практически любой оптоэлектронной системы составляет источник излучения: именно его свойства и определяют, в первую очередь, лицо этой системы. А все источники можно подразделить на две большие группы: с когерентным (лазеры) и с некогерентным (светоизлучающие диоды и др.) излучением. Устройства с использованием когерентного или некогерентного света обычно резко отличаются друг от друга по важнейшим характеристикам.

Всё это оправдывает использование таких терминов как "когерентная оптоэлектроника" и "некогерентная оптоэлектроника". Естественно, что чёткую грань провести невозможно, но различия между ними очень существенны.

История оптоэлектроники ведёт 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 фотоприёмники, устройства управления световым лучом и другие элементы оптоэлектроники.

Генерация света.

Оптический диапазон составляют электромагнитные волны, длины которых простираются от 1 мм до 1 нм. Оптический диапазон замечателен тем, что именно в нём наиболее отчётливо проявляется корпускулярно-волновой дуализм; энергия фотона и соответствующая частота колебаний и длина волны света связаны следующими соотношениями:

                    7)

n 0[Гц] = 3 77 010 514 0/ 7l 0[мкм] 7 2

                 78

e 4ф 0[эВ] = 1,234/ 7l 0[мкм] 7 2

                  70

При известной удельной мощности P плотность фотонного потока N определяется выражением

N[м 5-2 0с 5-1 0] = 5,035 77 010 512 77l 0[мкм] 77 0P[мкВт 77 0м 5-2 0]

Все светогенерационные эффекты относят либо к тепловому излучению, либо к одному из видов люминесценции. Спектр излучения нагретого тела определяется формулой Планка, которая для так называемого абсолютно чёрного тела имеет вид

f ( 7l 0,T) = 2 7p7 0h 77 0c 52 77l 5-5 0[ exp(hc/(kT 7l 0)) - 1] 5-1 0

где h, c, k - известные универсальные константы; T - абсолютная температура. При достаточно высоких температурах (>2500...3500 К) часть спектра теплового излучения приходится на видимую область.

При этом, однако, всегда значителен длинноволновый "хвост".

Люминесценция представляет собой излучение, характеризующееся тем, что его мощность превышает интенсивность теплового излучения при данной температуре ("холодное" свечение).

Известно, что электроны в атоме могут находиться в ряде дискретных энергетических состояний, при тепловом равновесии они занимают наинизшие уровни. В люминесцирующем веществе за счёт энергии того или иного внешнего воздействия часть электронов переходит на более высокие энергетические уровни E 42 0. Возвращение этих электронов на равновесный уровень E 41 0 сопровождается испусканием фотонов с длиной волны, определяемой простым соотношением:

                          1,23

l 0 = ───────────── [мкм]

            (E 42 0 - E 41 0)[эВ]

Физика люминесценции предопределяет две примечательные особенности процесса: узкий спектр излучения и возможность использования большого числа способов возбуждения. В оптоэлектронике главным образом используются электролюминесценция (пробой и инжекция p-n перехода в полупроводниках), а также фото- и катодолюминесценция (бомбардировка люминофора быстрыми электронами).

При распространении световых лучей важную роль играет дифракция, обусловленная волновой природой света и приводящая, в частности, к тому, что выделенный с помощью оптической системы параллельный пучок становится расходящимся, причём угол расходимости близок к 7f 4D 0 = 7 l 0/D , где D - апертура (диаметр луча света).

Дифракционный предел разрешающей способности оптических систем соизмерим с 7 l 0, а плотность записи информации с помощью световых потоков не может превысить 7 l 5-2 0.

В веществе с показателем преломления n скорость распространения светового луча становится c/n, а поскольку величина n зависит от длины волны (как правило, растёт с уменьшением 7 l 0), то это обуславливает дисперсию.

Источники излучения.

Оптоэлектроника базируется на двух основных видах излучателей: лазерах (когерентное излучение) и светоизлучающих диодах (некогерентное излучение).

В оптоэлектронике находят применение маломощные газовые, твердотельные и полупроводниковые лазеры. Разрежённость газового наполнения в рабочем объёме обусловливает высокую степень монохроматичности, одномодовость, стабильность частоты, острую направленность и, в конечном счёте, когерентность излучения. В то же время значительные габариты, низкий к.п.д., прочие недостатки газоразрядных приборов не позволяют рассматривать этот вид ОКГ как универсальный оптоэлектронный элемент.

Значительные мощности излучения твердотельных лазеров обуславливают перспективность применения этих генераторов в дальнодействующих волоконнооптических линиях связи.

Наибольший интерес для разнообразных оптоэлектронных применений представляют полупроводниковые лазеры благодаря высокому к.п.д., малым габаритам, высокому быстродействию, простоте управления. Особенно выделяются гетеролазеры на основе тройного полупроводникового соединения Ga Al As. В их структуре тонкий слой n-типа проводимости "зажат" между областями n- и p-типов того же материала, но с большими значениями концентраций алюминия и соответственно этому большими ширинами запрещённой зоны. В роли резонатора может также выступать поверхностная дифракционная решётка, выполняющая функцию распределённой оптической обратной связи.

Для оптоэлектроники особый интерес представляют полупроводниковые излучатели - инжекционные (светодиоды) и электролюминесцентные (электролюминофоры). В первых излучение появляется в результате рекомбинации дырок с инжектированными через pn-переход электронами. Чем больше ток через светодиод, тем ярче его высвечивание. В зависимости от материала диода и примесей в нём меняется цвет генерируемого излучения: красный, жёлтый, зелёный, синий (соединения галлия с фосфором и азотом, кремния с углеродом и пр., см. табл.1). Светодиоды на основе соединения галлия с мышьяком генерируют невидимое излучение с длиной волны 0,9...0,92 мкм. На этой длине волны кремниевые фотоприёмники имеют максимальную чувствительность. Для светодиодов характерны малые размеры (0,3 7& 00,3 мм), большие срок службы (до 100 тыс. ч.) и быстродействие (10 5-6 0...10 5-9 0 с), низкие рабочие напряжения (1,6...3,5 В) и токи (10...100 мА).

Таблица 1. Основные материалы для светодиодов.

Излучатели на основе люминофоров представляют собой порошковые или тонкоплёночные конденсаторы, выполненные на стеклянной прозрачной подложке. Роль диэлектрика выполняет электролюминофор на основе соединения цинка с серой, который излучает свет под действием сильного знакопеременного электрического поля. Такие светящиеся конденсаторы могут изготовляться различных размеров (от долей сантиметра квадратного до десяти и более квадратных метров), различной конфигурации, что позволяет изготавливать из них знакобуквенные индикаторы, отображать различные схемы, карты, ситуации.

В последнее время для малогабаритных устройств индикации широко стала использоваться низковольтная катодолюминесценция - свечение люминофора под действием электронного луча. Такие источники излучения представляют собой электровакуумную лампу, анод которой покрыт люминофором, излучающим красный, жёлтый, зелёный, синий свет при попадании на него ускоренных электрическим полем электронов. Простота конструкции, низкая стоимость, большие яркости и большой срок службы сделали катодолюминесценцию удобной для различных применений в оптоэлектронике.

монокристалл оптрон оптоэлектронный

2.   Современная оптоэлектроника

Современная оптоэлектроника решает 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 долговременной и оперативной памяти и др.

В оптических информационных системах перечисленные процессы реализуются путём взаимодействия световых пучков со средой. Это взаимодействие осуществляется с помощью соответствующих материалов, обладающих свойствами которые могут изменятся под воздействием света, механического воздействия, а так же под действием электрического и магнитного полей.

В настоящее время значительная часть радиоэлектронных приборов конструируется на основе монокристаллических элементов с определённой совокупностью физических свойств. Сложные кислородные соединения Bi силленитов типа (mBi2O3×nMexOy) вызывают большой интерес, являясь пьезоэлектриками, обладают электрооптическими и магнитооптическими свойствами, что в сочетании с фотопроводимостью выдвигает их в число перспективных материалов для создания электро - и магнитооптических модуляторов лазерного излучения, запоминающих устройств типа ПРОМ и т.д.

Наибольшую известность среди соединений этого класса приобрели силикаты и германаты висмута, для которых разработана технология выращивания крупных монокристаллов и достаточно полно изучены физико химические свойства и структура.

В последнее время вопросы создания оптоэлектронных элементов методами интегральной технологии становятся всё более насущными. В связи с вышеуказанными преимуществами силленитов в последние годы проводилось много исследований плёнок со структурой силленита, в которых отмечалась перспективность их использования в оптоэлектронике и пьезотехнике.

В связи с заметным влиянием природы структурообразующего иона на свойства позволяющем расширить области применения, а точнее замена р - элементов (Ge, [ ] ns2np2) в Bi12ЭO20 ионами переходных металлов, имеющих не спаренные 3dn-электроны приобретаются новые свойства (изменения окраски, расширение области пропускания в длинноволновой части спектра)

Данная работа посвящена выращиванию плёнок силленитов (в частности Bi12GeO20 легированного Cr2O3) на подложках Bi12GeO20 и изучению некоторых их свойств.

3.   Конструкция и технология изготовления

Соединения со структурой силленита.

Кристаллы со структурой силленита относятся к пентагонтритетраэдрическому классу I 23 кубической сингонии и принадлежит к пространственной группе T3(I23) [1,2].обнаружил, что при взаимодействия Bi2O3 с оксидами Si, Ge, Al, Fe, Zn, Pb и др., образуется объёмоцентрированная кубическая фаза [3,4] с элементарной ячейкой содержащей две формульные единицы.

Позднее более тщательные исследования [5] показали, что соединения со структурой силленита образуются при взаимодействии g-Bi2O3 с оксидами элементов, способных иметь четверную координацию по кислороду.

Параметр элементарной ячейки объёмоцентрированной кубической g-Bi2O3 а=10,245 ± 0,001 Å, а измеренная гидростатическая плотность составляет 9,239 г/см3 [1].

Структура германата висмута.

Атомы кислорода О(3) расположены на главных диагоналях элементарной ячейки вокруг Ge, образуя правильный тетраэдр, на что было обращено внимание в работах [6-8] (рис. 1.1.1.).

На одинаковом расстоянии от каждого атома кислорода О(3) (2,640 Å) расположены три атома висмута. Вi . В кристаллах Bi12GeO20 атомы кислорода связаны с атомами висмута и германия ионно - ковалентными связями из-за значительно большей электроотрицательности атома кислорода.

Каждый атом висмута окружен семью атомами кислорода, расположенными на разных расстояниях от него и представляющих собой искажённый полиэдр (рис. 1.1.2.).

Рис. 1.1.1 Расположение тетраэдров [GeO4] в элементарной ячейке германосилленита

Рис.1.1.2 Строение полиэдра [BiO7]

По мнению [6] ион висмута образует пять ионно - ковалентных связей с ионами кислорода (O(2), O(3), O(1a), O(1b), O(1c)), которые принадлежат одной с ним примитивной ячейке, и смещён на 0,197 Å по отношению к центру плоскости, образованной четырьмя атомами кислорода. Два других атома кислорода (О(1d) и О(1e)) принадлежат соседним примитивным ячейкам и удалены на расстояние 3,08 и 3,17 Å, что вызвало сомнения в отношении характера связи. Каждый [BiO7] окружён девятью подобными комплексами, расположенными таким образом, что образуются винтовые оси.

Модель элементарной ячейки Bi12GeO20 была предложена в работе. Эта модель помогла рассмотреть свойства этих соединений с точки зрения их кристаллической структуры.

Некоторые физические свойства силленитов.

Монокристаллы со структурой силленита, в основном, удовлетворяют требованиям, предъявляемым к электрооптическим и магнитным кристаллам:

·   Высокие прочностные характеристики;

·   Достаточная твёрдость;

·   Нерастворимость в воде;

·   Негигроскопичность;

·   Хорошие диэлектрические характеристики в сильных полях.

·   Кроме того, они принадлежат к кубической сингонии [9-12].

Диаграммы состояний приведены на рис.1.2.1. и 1.2.2..

Свойства Таблица 1.2.2

Примеры использования кристаллов силленитов в различных приборах и свойства, благодаря которым возможно это использование.

Кристаллы силленитов обладают оптической активностью, что несколько усложняет конструкцию модуляторов света на этих кристаллах. Предполагают [22], что оптическая активность может быть обусловлена винтовыми осями или асимметричной координационной сферой висмута.

Измерение оптической активности проводилось различными исследователями. По данным [23-26], дисперсия оптической активности для Bi12GeO20 имеет монотонную зависимость, а по другим данным [9,27] - проходит через максимум в районе 500 нм. Для титаната висмута дисперсия оптической активности имеет монотонную зависимость [28].

По данным работы [29] кристаллы германосилленита прозрачны от 0,41 до 7 мкм., кристаллы силиката висмута от 0,5 до 6 мкм., а кристаллы титаната висмута от 0,35 до 8,2 мкм..

По мнению авторов [11] все силлениты обладают положительным фарадеевским вращением и эффект имеет одинаковую величину. Однако, установлено[23], что Bi12SiO20 и Bi12GeO20 обладают значительным магнитооптическим вращением плоскости поляризации, достигающим величины 0,3 ¸ 0,5 мин/э×см в видимой области, что позволяет использовать их в качестве магнитооптических модуляторов

Силлениты нецентросимметричны и обладают таким важным свойством, как наличие электрооптического эффекта [9,25]. Это явление называется эффектом Поккельса и имеет место только в пьезокристаллах.

Монокристаллы силленитов обладают фотопроводимостью [27].

Лензо [30] обнаружил у силленитов (Gt, Si, Ti) эффект, названный фотоактивностью. Если осветить кристалл, то в его освещённой области будут генерироваться свободные электроны, дырки или пары е-дырка. Под влиянием внешнего поля эти носители будут смещаться, образуя область высокого электрического поля. В этой области наблюдали сильное вращение плоскости поляризации.

В настоящее время большой интерес вызывают акустические свойства силленитов. По данным Лензо [10-12], кристаллы Bi12GeO20 обладают хорошими акустическими свойствами. Низкая скорость распространения звуковых волн ( 3,42 км./сек. параллельно {100}) [12], позволяет использовать относительно короткие кристаллы для получения высокой величины задержки ультразвука.

В германосиллените наблюдалась генерация поперечных звуковых волн, возбуждаемых световым пятном от лазерного импульса с пространственно модулированным распределением интенсивности. Эксперимент ставился в условиях, когда нормально к поверхности кристалла приложено достаточно сильное внешнее электрическое поле (до 5 кВ/см). Звуковые волны принимались торцевым преобразователем на частотах от 20МГц до 70МГц. Поверхностные волны при выбранной конфигурации системы не возбуждались. Картина явления выглядела следующим образом. В момент освещения возникал мгновенный фотоакустический отклик. При повторной засветке, но уже пространственно однородным импульсом света, вновь возникал акустический сигнал, который фиксировал то обстоятельство, что в образце сохранилась память о предыдущем воздействии. Время памяти достигало нескольких минут. Главной особенностью исследованного явления оказалось наличие эффекта фотоакустической памяти при обеих полярностях внешнего поля. Для поверхностных же волн сигнал фотоакустической памяти наблюдался лишь при одном направлении внешнего поля. Полученные результаты доказывают, что существуют разные механизмы фотоакустической памяти. Исследование их может оказать серьезную помощь в понимании самой природы фоторефрактивных явлений.

Дело в том, что для понимания основных механизмов фоторефрактивных явлений многие принципиальные вопросы совершенно не решены. Сюда относятся такие вопросы как характер процессов, происходящих в реальных кристаллах с несколькими типами примесных уровней, динамика фоторефрактивной решетки при импульсной засветке. Для их решения может оказаться полезным изученное явление. Эксперимент выполнялся на поверхностных волнах с частотой 16 МГц, которые отражались от созданной импульсом света фоторефрактивной решетки с вдвое меньшим пространственным периодом, чем период звуковой волны. Сдвиг времени между световым и звуковым импульсами регулировался, так что имелась возможность наблюдать изменение отражательной способности решетки во времени. Эксперимент зафиксировал очень высокую эффективность изучаемого феномена. Были сняты зависимость отраженного сигнала от временной задержки и от световой экспозиции. Как показали расчеты, максимум отражения наступает при такой проводимости, когда произведение максвелловского времени релаксации на круговую частоту звуковой волны примерно равно единице. Т.е. при сильной засветке отраженный сигнал вначале нарастает во времени, а затем начинает спадать.

Все это при некоторых упрощениях характеризуется временем релаксации фотопроводимости. Особо подчеркнем следующее обстоятельство. В стандартных работах по фоторефрактивным явлениям результаты наблюдений определяются величиной наведенного электрического поля. В приведенном же эксперименте вклад наведенного поля пренебрежимо мал. Величина отраженного сигнала определяется распределением по кристаллу свободных носителей. Таким образом, исследование акустических явлений открывает совершенно новые возможности для изучения фоторефракции, открывает путь для получения важной информации о поведении свободных электронов. Анализ экспериментов позволил , в частности, определить величину произведения коэффициента поглощения света на квантовую эффективность фотовозбуждения. На основании анализа данных по электронной структуре номинально нелегированных кристаллов силленитов, а также результатов исследования в них поверхностно-барьерной фотоэдс сделан однозначный вывод о монополярном (электронном) характере фотопроводимости этих материалов в сине-зеленой области спектра. Новые механизмы взаимодействия акустических волн со средой в современных материалах и слоистых структурах, созданных на их основе. [35]

Кристаллы со структурой силленита, выращенные в бескислородной (аргоновой) атмосфере, исследовались методом нестационарной фотоэдс. Обнаружено резкое (более чем на два порядка величины) повышение фотопроводимости на красном свете по сравнению с кристаллами, выращенными в присутствии кислорода. Возможно применение подобных кристаллов в интерферометрических устройствах.

Кристаллы со структурой силленита обладают сложной системой энергетических уровней [I], которая зависит от многих факторов; в частности, свойства кристаллов можно изменить путем слабого дозирования различными элементами. В данной работе исследовались образцы кристаллов силиката и титаната висмута (Bi12SiO20 и Bi12TiO20), выращенные в атмосфере аргона.

w/2p, kHz

Рис. 2. Частотные зависимости приведенной величины сигнала фотоэдс для обоих исследуемых образцов при разных значениях пространственной частоты. Сплошными линиями показаны теоретические зависимости, рассчитанные при q = 3.52 и 2.75 для BSO-a и q = 3.2 и 2.3 для ВТОа (величина q растет с ростом К)

На рис. 2 представлены зависимости J'w от частоты, измеренные на образцах BSO-a и ВТОа при двух разных значениях К. Сплошными линиями показаны теоретические зависимости, причем значения wm, определялись непосредственно из измерений, а величина q использовалась как подгоночный параметр для наилучшего соответствия теоретических кривых с экспериментальными.

Ранее наблюдалось резкое повышение фототока в силленитах, отожженных в вакууме, именно в красной области спектра [I]. Объяснялось это компенсацией ловушек донорными центрами, связанными с возникающими при отжиге кислородными вакансиями.

Результаты работы подтверждают этот вывод, а также впервые дают количественную оценку свойств фотоносителей в силленитах, нестехиометричных по кислороду. Подобные кристаллы могут с успехом использоваться в адаптивных интерферометрах, основанных на эффекте нестационарной фотоэдс.[36]

Подготовка поверхности и выбор подложки к эпитаксии.

Требования к материалу подложки.

Жидкостная эпитаксия отличается от других способов кристаллизации из расплава наличием монокристаллической подложки, на которую кристаллизуется осаждаемое вещество. Поэтому процесс жидкостной эпитаксии и свойства эпитаксиального слоя в значительной степени определяются свойствами подложки. В первый момент после начала кристаллизации процесс жидкостной эпитаксии определяется характером фазового равновесия на границе подложка - расплав и кинетикой поверхностной реакции осаждения атомов кристаллизующегося материала. Подложка оказывает непосредственное влияние только на первый слой толщиной порядка нескольких постоянных решётки кристаллизуемого материала. Дальнейший рост происходит на эпитаксиальном слое, однако, часть параметров подложки определяет свойства всего эпитаксиального слоя (например, ориентация подложки, поскольку она сохраняется и у растущего слоя [37]).

Основными требованиями к материалу подложки являются:

·   Более высокая температура плавления подложки по отношению к кристаллизуемому материалу;

·   Однотипность кристаллохимической структуры подложки и эпитаксиального слоя;

·   Максимальная близость параметров их решёток;

·   Коэффициент термического расширения подложки должен соответствовать коэффициенту термического расширения плёнки для уменьшения напряжений на плёнке, возникающих в случае их несоответствия.

·   Стойкость подложки к термоударам предотвратит её дробление при внезапных термоударах [37].

·   Подложки должны быть инертны к реактивам, применяемым при подготовке пластин к эпитаксии.

Невыполнение этих требований, по мнению авторов [37], затрудняет получение высококачественных эпитаксиальных плёнок.

Подготовка поверхности подложки к эпитаксии.

Чистота поверхности подложки является решающим фактором для выращивания и адгезии плёнок. Хорошо очищенная подложка является необходимым предварительным условием для получения плёнок с воспроизводимыми свойства. Как считают авторы [38], выбор метода очистки зависит от природы подложки, типа загрязнений и степени требуемой чистоты обработки. Остающиеся после изготовления и упаковки волокна, отпечатки пальцев, масло и частицы, осаждённые из воздуха, являются примерами часто встречающихся загрязнений. Следовательно, изготовители тонких плёнок должны обращать внимание на необходимость распознавания загрязнений и эффективного их удаления. Эти вопросы, как правило, находят решение с обычными эмпирическими приближениями.

Процесс очистки подложки, по мнению [38], требует, чтобы были разорваны связи как между молекулами самой примеси, так и между молекулами этой примеси и подложки. Это может быть достигнуто не только химическими средствами, например, очисткой растворителем, но и приложением достаточной энергии для испарения примеси, например, нагревом или ионной бомбардировкой. Осуществление методов физической очистки обычно сопровождается установкой оборудования для нагрева подложек или бомбардировки ионами.

Реагентами, используемыми для очистки подложек, служат водные растворы кислот и щелочей, а так же такие органические растворители, как спирты, кетоны и хлористые углеводороды. Эффект очистки кислотами обусловлен превращением некоторых окислов и жиров в растворимые в воде соединения. Щелочные агенты растворяют жиры омыливанием, что делает их смачиваемыми в воде [39].

Для повышения скорости и эффективности удаления загрязнения обычно применяется нагрев или звуковое возбуждения растворителя. Очистка горячим растворителем чаще всего осуществляется обезжириванием паром, т.е. подложка помещается над кипящей жидкостью в закрытом контейнере. Восходящий пар растворителя конденсируется на очищаемом объекте, нагревая его и увеличивая скорость растворения поверхностных загрязнений [40]. В то время как отработанный раствор стекает обратно в ванну, свежий и чистый дистиллят повторяет процесс.

При ультразвуковой очистке растворение осадка увеличивается интенсивным локальным перемешиванием с помощью ударных волн, создаваемых в растворителе [40]. Таким образом, растворитель, насыщенный примесями, непрерывно удаляется с поверхности подложки и на смену ему поступает свежая, менее насыщенная жидкость. Параметрами, определяющими эффективность ультразвуковой очистки, являются:

·   частота колебаний;

·   приложенная мощность;

·   тип растворителя;

·   температура растворителя;

·   поверхностное натяжение растворителя;

·   вязкость растворителя;

·   наличия ядрообразующих веществ;

·   наличия растворённых газов;

Сушка отмытых пластин является столь же критичной, поскольку при отсутствии специальных предосторожностей может произойти повторное загрязнение. Сушка может происходить в паровом очистителе, чистой печи, с помощью горячего фильтрованного воздуха или азота. Для хранения подложек могут использоваться обезпыленные контейнеры с крышкой или эксикаторы.

Описанный метод наиболее применим для монокристаллических подложек, используемых при гетероэпитаксиальном наращивании плёнок.

Сравнение очистки парами ряда растворителей и ультразвуковой очистки в изопропиловом спирте было проведено Putner [41]. Хотя очисткой в парах изопропилового спирта он и получил самые чистые поверхности, всё же ультразвуковое низкочастотное возбуждение оказалось наиболее эффективным для удаления таких крупных загрязнений, как частицы различных материалов и отпечатки пальцев. Обсуждая эти результаты, Holland [42] предположил, что решающим фактором является более высокая температура растворителя и подложки, достигаемая при очистке в парах.

Были подобраны специальные составы для полирующего травления силленитовых подложек [43]: конц. HCl : глицерин = 10 : 1.

Получение плёнок соединений со структурой силленита.

Термин " эпитаксия " происходит от греческих слов "эпи" и "такси", имеющих значения "над" и "упорядочение". Технологический процесс эпитаксии заключается в выращивании на монокристаллической подложке слоев атомов, упорядоченных в монокристаллическую структуру, полностью повторяющую ориентацию подложки.

Существует три вида эпитаксии: газовая, жидкостная и молекулярно-лучевая. Термин "эпитаксия" применяют к процессам выращивания тонких монокристаллических слоев на монокристаллических подложках. Материал подложки в этом процессе выполняет роль затравочного кристалла.

Если материалы получаемого слоя и подложки идентичны, например, кремний выращивают на кремнии, то процесс называют автоэпитаксиальным или гомоэпитаксиальным. Если же материалы слоя и подложки различаются (хотя их кристаллическая структура должна быть сходной для обеспечения роста монокристаллического слоя), то процесс называют гетероэпитаксиальным.

Перспективность использования силленитов для изготовления разнообразных тонкоплёночных устройств, применяемых для интегральных оптических схем, отмечена Ballman A.A. и Tien P.K. [44].

Для получения плёнок силленитов использовались разнообразные методы:

·   Выращивание из газовой фазы [45],

·   ВЧ - распыление [46],

·   Из жидкой фазы [47],

·   Методы термического испарения [48].

При осаждении Bi12GeO20 с использованием паров Bi и GeCl4 был использован сложный окислитель (N2O+H2O). Осадки Bi12GeO20 на Bi12GeO20, сапфире, шпинели, кварце, MgO были поликристаллическими. Соединения, которые могут быть выращены, имеют ряд составов: Bi12+yGexO20 в которых х может изменятся в пределах от ½ до 1.[45]

При выращивании Bi12GeO20 из газовой фазы при температуре реакционной зоны 860 °С наблюдалась реакция между осадком, подложкой и частями кварцевой трубы . .[45]

В работах [48,49] для получения плёнок использовались различные виды термического испарения исходного соединения с последующей конденсацией на подогреваемых подложках из стекла, скола {001} NaCl, слюды. В качестве исходных материалов брали стехиометрические составы Bi12ЭO20, где Э - Si, Ge. Не зависимо от метода испарения, полученные конденсаты являлись силленитами, на что указывал расчёт рентгенограмм.

При получении плёнок методом ВЧ - распыления [46] большое значение придавалось температуре подложек. Наиболее совершенная структура получена при температуре 500 - 550 °С на кварце. При более низких температурах получаемые слои были аморфны.

В работе [46] предпринимались попытки получить соединение со структурой силленита методом “взрывного” испарения. Тонкие конденсаты, полученные стекле, сколе слюды, пластинках из нержавеющей стали, изучались на электронном микроскопе ЭММ - 2. При напылении плёнок на холодные подложки (tп. = 20 °С) происходило образование аморфных слоёв. При конденсации плёнок на подложки, температура которых превышала 400 °С, образовывался поликристаллический слой германосилленита.

Для получения оптически высококачественных монокристаллических плёнок ряда силленитов был применён метод гетероэпитаксиального наращивания из жидкой фазы [47], причём подложкой в данном случае служило одно из соединений со структурой силленита, которое обладало большим показателем преломления и более высокой температурой плавления. Например, плёнки 12Bi2O3×Ga2O3 на Bi12GeO20.

Объясняя механизм роста плёнки, Ю.М. Смирнов и А.Д. Шуклов [50] рассматривают его как последовательный процесс, состоящий из ряда стадий:

·   Образование кластеров в расплаве;

·   Диффузия кластеров к поверхности роста;

·   Осаждение кластера на поверхности (образование зародыша);

·   Поверхностная диффузия;

·   Рост плёнки.

Образование кластера, как отмечают [51], определяется максимальной величиной энергетического барьера и будет лимитирующей стадией в процессе осаждения плёнки. Основной вклад на этой стадии существования расплава принадлежит температуре. Температура расплава, а точнее, его переохлаждение, будет оказывать определяющее влияние и на вторую стадию процесса - диффузию кластеров к поверхности роста. Однако, влияние переохлаждения на первую и вторую стадии образования плёнки различно: увеличение переохлаждения способствует образованию кластеров в расплаве и одновременно, уменьшает диффузию кластеров к фронту кристаллизации. Поэтому при получении эпитаксиальных плёнок важно установить температурные условия и кинетику осаждения плёнки. Основной выбора оптимальных технологических условий получения эпитаксиальных плёнок являются фазовые равновесия в соответствующих системах.

Для описание роста плёнок авторы [50] предлагают уравнение, описывающее кривую Таммана

¦ =,

Где А - постоянная величина;

ТЕ - равновесная температура фазового перехода;

W1- энергетический барьер стадии образования, равный ;- энергетический барьер стадии диффузии;

W3 - энергетический барьер стадии осаждения кластеров, равный

k1 - константа скорости стадии образования;- константа скорости стадии осаждения кластеров.

Так как химические и физические свойства силленитов зависят от структурообразующих ионов (Si, Ge, Fe, Ga и т. д.) и от содержания этих ионов, то частичная или полная замена их, даёт возможность безошибочно изменять показатель преломления плёнки в достаточно широком интервале.

Возможность получения плёнок силленита на силлените.

Будущие высокоёмкие системы оптической связи, как считают A.A. Ballman и P.K. Tien [44], будут состоять из различных пассивных и активных интегральных оптических устройств, функция которых - проводить и манипулировать световыми волнами, несущими информацию. Со времени публикации [44] проводились интенсивные исследования различных тонкоплёночных светодиодов и, связанных с ними, оптических устройств. Работа в этой области [44] выявила, что окончательный успех предлагаемых оптических систем, в основном, зависит от разработки тонкоплёночных материалов, имеющих приемлемые свойства для применения в системах оптической передачи информации.

Авторами работы [52] было обнаружено, что монокристаллические тонкоплёночные материалы подходят для интегральных оптических устройств, так как они имеют малые потери для проводящих волн, относительно просты и недороги в изготовлении.

Авторы [44] обнаружили новый обещающий класс монокристаллических материалов, идеально подходящий для использования как в пассивных, так и в активных тонкоплёночных светопроводящих оптических устройствах.

Светопроводящие устройство [44] состоит из тонкой плёнки прозрачного силленитового материала на основе оксидов висмута, образованной на подложке так же прозрачного силленитового материала на основе оксидов висмута с более низким показателем преломления, чем у плёнки.

Как было показано ранее (глава 1.2.) семейство силленитов включает множество соединений Bi2O3 с оксидами GeO2, SiO2, TiO2, ZnO, Ca2O3, Al2O3, Fe2O3, B2O3, P205 и т.д.… Частичная или полная замена различных ионов силленитов позволяет изменять показатель преломления как плёнки, так и подложки в относительно широком диапазоне. Монокристаллические силленитовые плёнки совершенно прозрачны в видимом и ИК - спектре, обладают низкими потерями на рассеивание и поглощение световых волн.

Кроме того, было обнаружено [44], что силлениты обладают эффектом Фарадея, являются пьезоэлектриками, оптически активными, оптически нелинейными и фотопроводящими материалами.

Использование Bi12GeO20 в качестве подложки в процессе гетероэпитаксиального получения плёнок силленитов очевидно в связи с тем, что германосилленит имеет наивысшую точку плавления из всех соединений силленитов, приведённых в таблице 1.5.1. Подложка, таким образом может быть погружена во все соединения, чьи температуры плавления ниже. Близкое согласование параметров решётки и коэффициента теплового расширения так же дают возможность получить высококачественные эпитаксиальные слои.

Соединения приведённые в таблице 1.5.1. удовлетворяют этим требованиям в вариантах, где в качестве подложки использовался германосилленит.

Влияние легирования на свойства монокристаллов силленита.

Оптические свойства.

Перспективность материалов со структурой силленита в значительной степени объясняются электрооптическими свойствами этих кристаллов, то есть сравнительно малой величиной полуволнового напряжения, а также значительными продольными и поперечными электрооптическими эффектами.

Известно, [53] что легирование Al, Ga, Sr значительно изменяет спектральную зависимость оптического поглощения и диэлектрические свойства монокристаллов. В работе Копылова с сотрудниками [54] исследовано влияние легирования монокристаллов Bi12SiO20 элементами II и III групп на величину и спектральную зависимость U .

В пространственно-временных модуляторах света типа ПРОМ важно иметь не слишком тонкий слой материала, поскольку к нему прилагается сильное электрическое поле. Коэффициент поглощения определяет максимально допустимую рабочую длину устройства, использующего данный материал.[55] Снижение коэффициента поглощения в области 400-600 нм обеспечивается введением в B12GeO20 0,1 масс % Al2O3 (рис. 1.6.1.)

Рис.1.6.1 Зависимость полуволнового напряжения U от длины волны для легированного силликосилленита:

I. Bi12SiO20;

II.   Bi12SiO20 - Al;

III. Bi12SiO20 - Ga;

IV.Bi12SiO20 - Ca;

V. Bi12SiO20 - Sr;

VI.Bi12GeO20.

Такое легирование даёт возможность увеличения максимальной допустимой рабочей длины от 160 мкм для Bi12GeO20 до 3,2 мм для Bi12GeO20 -0,1 масс. % Al2O3 (при работе на длине волны 420 нм), а при записи голограмм на l = 514,5 нм она составит уже 10 мм[55].

Фотопроводность определяет возможность использования силленитов в устройствах записи оптической информации - пространственно-временных модуляторах света (ПВМС). Увеличение фоточувствительности за счёт легирования кристалла позволяет увеличить чувствительность таких устройств, если оно не вызывает увеличения темновой проводимости, уменьшающей время хранения записанной информации. Однако, в электрооптических лампах, управляемых электронным лучом [56] благоприятным условием использования силленитов является подавление фотопроводимости.

Рис.1.6.2. Спектр фоточувствительности кристаллов [57].

1 - Bi12SiO20

- Bi12SiO20 - Mn           (0,15 масс. % в шихте)

- Bi12SiO20 - Cr            (0,10 масс. % в шихте)

Значительное уменьшение фотопроводимости отмечено у Bi12SiO20 при легировании Cr и Mn [57](рис. 1.6.2.), Al и Ga (до 0,5 вес. % в расплаве) [58]; у Bi12GeO20 - при легированииCa и Ga [56].

Выводы из литературного обзора

Сложные кислородные соединения Bi силленитов типа (mBi2O3×nMexOy) вызывают большой интерес, являясь пьезоэлектриками, обладают электрооптическими и магнитооптическими свойствами, что в сочетании с фотопроводимостью выдвигает их в число перспективных материалов для создания электро- и магнитооптических модуляторов лазерного излучения, запоминающих устройств типа ПРОМ и т.д.

Замена р-элементов (Ge, [ ] ns2np2) в Bi12ЭO20 ионами переходных металлов, имеющих неспаренные 3dn-электроны, позволяет получить новые свойства (изменения окраски, расширение области пропускания в длинноволновой части спектра).

Чистота поверхности подложки является решающим фактором для выращивания и адгезии плёнок. Хорошо очищенная подложка является необходимым предварительным условием для получения плёнок с воспроизводимыми свойства. Будущие высокоёмкие системы оптической связи, как считают A.A. Ballman и P.K. Tien, будут состоять из различных пассивных и активных интегральных оптических устройств, функция которых - проводить и манипулировать световыми волнами, несущими информацию. Работа в этой области  выявила, что окончательный успех предлагаемых оптических систем, в основном, зависит от разработки тонкоплёночных материалов, имеющих приемлемые свойства для применения в системах оптической передачи информации. Светопроводящие устройство состоит из тонкой плёнки прозрачного силленитового материала на основе оксидов висмута, образованной на подложке так же прозрачного силленитового материала на основе оксидов висмута с более низким показателем преломления, чем у плёнки.

Таким образом необходимо нахождения условий получения плёнок заданной толщины твёрдого раствора Bi12GeO20: 6 мольн. % Cr4+ со структурой силленита на германосилленитовой подложке методом жидкофазной эпитаксии.

2. Экспериментальная часть

2.1 Цели и задачи работы

Целью данной дипломной работы являлось получение плёнок заданной толщины твёрдого раствора Bi12GeO20: 6 мольн. % Cr4+ со структурой силленита на германосилленитовой подложке методом жидкофазной эпитаксии.

Для достижения данной цели необходимо выполнить следующие задачи:

1. Подбор ориентации подложки,

2. Выбор оптимальгой температуры эпитаксии,

3. Определение зависимости толщины пленки от времени выдержки подложки в расплаве.

2.2 Характеристики исходных веществ

2.3 Выбор материала тигля

При выращивании монокристаллов силленитов в качестве материала тигля используется платина. Хотя температура плавления германосилленита 930 °С, применять керамические, кварцевые, а также тигли из неблагородных металлов нельзя из-за высокой химической активности расплава Bi2O3.

2.4 Оборудование

В ходе работы использовалось следующее оборудование:

1) Установка для роста кристаллов по Чохральскому.

В качестве нагревательного элемента использовалась нихромовая спираль (R = 2,1 Ом).

Максимальная мощность печи - 2,142 кВт.

Максимальная температура - 1250 °С.

Внутреннее устройство печи приведено на рис. 2.4.1.

Электрическая часть установки питается от сети переменного тока (напряжение 220 В, 50 Гц). Управление и контроль производится с помощью системы высокоточного регулирования температуры ВРТ-2. Система построена по принципу обратной связи по температуре. Напряжение на нагреватель подаётся с блока тиристоров БТ. Сигнал с термопары, расположенной в непосредственной близости от нагревателя, поступает на задатчик И-102, где сравнивается с заданным набором температуры. Сигнал разбаланса, полученный в результате сравнения, поступает на регулятор Р-111, где формируется заданный закон регулирования (в данном случае ПИ-регулирование) печью сопротивления. Сигнал с регулятора (0 ¸ 5 mА) поступает на блок управления тиристоров БУТ, который регулирует выходной сигнал с блока тиристоров БТ, подавая на них изменяющееся по величине, запирающее напряжение. Вытягивающий механизм конструкции ИКАНа.

Скорость вытягивания 3, 6, 12 мм/час.

Скорость вращения штока 47 об/мин.

2) Для синтеза шихты и отжига полученных кристаллов использовали муфельную печь ПМ-8.

Технические данные печи:

2.5 Изготовление подложек из монокристаллов Bi12GeO20 и подготовка поверхности подложек к эпитаксии

Для изготовления подложек, монокристаллы германосилленита распиливали алмазным диском с наружной режущей кромкой перпендикулярно оси роста кристалла на пластины толщиной 1 ¸ 1,5 мм.

Далее пластины наклеивали пиццеином на металлическую планшайбу и шлифовали с применением алмазной шлифовальной пасты “М”.

После того как пластины были отшлифованы, планшайбу с наклеенными на неё подложками тщательно мыли для удаления с неё остатков шлифовальной пасты. Затем планшайбу помещали на полировочный круг и пластины полировались до зеркального блеска. Для полировки применялась полировальная паста “М”. После окончания механической полировки проводили химическую смесью глицерина и соляной кислоты в пропорции 10: 1, соответственно. Химическую полировку проводили в несколько приемов по 10 с. с контролем качества поверхности на микроскопе МИИ-4.

После шлифовки и полировки из пластин вырезались пластины размеров, которые прикреплялись к корундовому стержню тонкой платиновой проволокой.

Для очистки от жировых загрязнений, подложки погружались в четырёххлористый углерод и кипятились в нём в течение 15 ¸ 20 минут.

.6 Приготовление шихты для жидкофазной эпитаксии

Для проведения экспериментов брали навески Bi2O3, GeO2 и Cr2O3 из расчёта получения смеси содержащей 3 масс. % Cr2O3 и производили синтез шихты по уравнению реакции приведённому ниже:

6Bi2O3 + 0,94GeO2 + 0,03Cr2O3 ® Ge0,94Cr0,06Bi12O39,97.

Суммарный вес навески составлял 50 г, что определялось размерами тигля. Исходные компоненты отвешивали в рассчитанных соотношениях на аналитических весах АДВ - 200 с точностью до 0,0001 г. Затем проводили твёрдофазный синтез шихты при 820 °С в течении 30 часов.

Для идентификации фаз применялся метод рентгенофазового анализа. Образцы анализировались на двукружном дифрактометре типа ДРОН - 2.0 (CuK α в интервале углов 2° < 2Q < 70°).

2.7 Нанесения эпитаксиального слоя

Эпитаксиальные плёнки получали методом окунания монокристаллической германосилленитовой подложки в расплав.

Платиновый тигель с шихтой помещали в кристаллизационную камеру. Для выравнивания радиального градиента над поверхностью расплава, тигель накрывали диафрагмой из термостойкой керамики. Затем опускали шток с прикреплённой к нему платиновой проволочкой подложкой. Для наращивания эпитаксиальных плёнок Ge0,94Cr0,06Bi12O39,97 использовались подложки Bi12GeO20 с ориентацией [111] и [100]. Шток с подложкой ориентировали таким образом, чтобы подложка находилась точно над центром тигля. Затем температуру с помощью ручного регулятора плавно поднимали до 899 °С за 40 - 50 минут. Это делалось для того, чтобы подложка и нагреватель не подвергались термоудару. После того как шихта расплавлялась, температуру выводили на заданное значение и выдерживали в течение 30 мин. для установления теплового режима. Подложку держали непосредственно над расплавом для прогрева.

Далее подложку опускали в расплав при вращающемся штоке и выдерживали её там, в течение 10 ¸ 30 мин. Затем включали подъём штока. После того как подложка с нанесённой на неё плёнкой вытягивается из расплава, её вручную поднимали на 2 ¸ 3 мм над расплавом и, выключив вращение и подъём штока, выдерживали в течении 1,5 часов. Затем плавно начинали снижать температуру в печи до комнатной. Затем подложку с нанесённой на неё плёнкой извлекали из печи.

Процесс жидкофазной эпитаксии проводился при скоростях подъёма штока 12 мм/час и скорости вращения 47 Об/мин.

После наращивания проводился отжиг эпитаксиальных плёнок в течение 5 - 6 часов при температуре 850 °С.

Температура наращивания плёнок изменялась в пределах от 899 до 914 °С.

2.8 Определение влияния температуры на толщину эпитаксиального слоя

Для приборов магнитооптики требуются плёнки толщиной не менее 20 мкм. На толщину получаемых эпитаксиальных плёнок основное влияние оказывают температура расплава, скорость подъёма штока и время эпитаксиального наращивания плёнки.

Для определения толщины эпитаксиального слоя, из пластин с нанесённой плёнкой изготовлялся срез вдоль оси роста. Измерение толщины производилось с использованием микроскопа МИН-8. Измерение под микроскопом производилось с помощью винтового окулярного микрометра. Он позволяет проводить замеры с большой точностью, нежели линейный. При 20Х объективе цена одного деления барабана составляет 0,375 мкм.

Экспериментальные данные показали, что при скорости менее 12 мм/час происходит налипание расплава на подложку. При постоянных скорости вытягивания и времени наращивания плёнки, основное влияние на ее толщину оказывает температура.

Влияние температуры на толщину плёнки представлено на рис. 2.8.1.

Рис. 2.8.1 Зависимость толщины эпитаксиальной плёнки от температуры при постоянной скорости вытягивания (12 мм/час. и 10- минутной выдержке подложки в расплаве).

На основании эксперимента выбран оптимальный температурный режим выращивания плёнок при скорости вытягивания 12 мм/час.

Важное влияние на толщину получаемых плёнок оказывает время эпитаксиального наращивания. (Рис. 2.8.2.)

Рис. 2.8.2. Зависимость толщины плёнок от времени эпитаксии при разных температурах расплава:

1. 914 °С.

2. 907 °С.

3. 900 °С.

Плёнки оптимальной толщины получались в интервале от 855 до 873 °С и времени эпитаксии 10 мин.

2.9 Выявление микроструктуры эпитаксиальных плёнок

Изучение микроструктуры полученных плёнок производили кристаллооптическим методом на микроскопе МИН - 8 с 160 кратным увеличением.

Определяли положение монокристаллических блоков на поверхности подложки, их форму и размеры в зависимости от ориентации подложки. Определение размеров кристаллических блоков проводилось по методике, изложенной в главе 2.8. На каждом образце производилось 25 - 30 замеров. Результаты усреднялись.

В зависимости от ориентации подложки и температуры расплава, получались монокристаллические блоки различной величины и формы.

На подложках с ориентацией {100} получались кристаллические блоки вытянутые вдоль оси роста. При уменьшении температуры до 904 °С происходило увеличение размеров кристаллических блоков, а при достижении области температур ниже 904 °С происходило их нарастание друг на друга (рис. 2.9.1.).

Рис. 2.9.1 Зависимость средних размеров монокристаллических зёрен от температуры расплава

2.10 СВЕТОДИОДЫ

Наиболее перспективными источниками излучения для оптоэлектроники являются светодиоды. Такими их делают малые габариты и масса (излучающие площади 0,2...0,1 мм 52 0 и менее), большой срок службы, измеряемый годами и даже десятками лет (10 54 0...10 55 0 ч), высокое быстродействие, не уступающее интегральным схемам (10 5-9 0...10 5-5 0 с), низкие рабочие напряжения (1,6...2,5 В), малая потребляемая мощность (20...600 мВт), возможность получения излучения заданного спектрального состава (от синего до красного в видимой части спектра и ближнего инфракрасного излучения). Они используются в качестве источника излучения для управления фотоприёмниками в оптронах, для представления цифро - буквенной информации в калькуляторах и дисплеях, для ввода информации в компьютерах и пр.

Светодиод представляет собой гомо- или гетеро - pn - переход, прохождение тока через который в прямом направлении сопровождается генерацией в полупроводнике излучения. Излучение является следствием инжекционной люминесценции - рекомбинации инжектированных через pn-переход эмиттером не основных носителей тока (электронов) с основными носителями тока в базе (дырками) (люминесценция - испускание света веществом, не требующее для этого нагрева вещества; инжекционная э электролюминесценция означает, что люминесценция стимулирована электрическим током).

Электролюминесценция может быть вызвана также сильным электрическим полем, как в случае электролюминесцентных конденсаторов с диэлектриком из порошка сернистого цинка (предпробойная электролюминесценция Дестрио).

Светодиоды для видимого и ближнего инфракрасного излучения изготавливаются главным образом из монокристаллов материалов типа A 5III 0B 5V 0: фосфида галлия, арсенида галлия и более сложных соединений: GaAs 41-x 0P 4x 0 , Ga 41-x 0Al 4x 0As , где x - доля содержания того или другого элемента в соединении.

Для получения требуемого цвета свечения материалы сильно легируются соответствующими примесями или их состав сильно варьируется. Так, для получения красного излучения фосфид галлия легируется цинком и кислородом, для получения зелёного - азотом.

Если в GaAs 41-x 0P 4x 0 x=0,39 , то светодиод излучает красный свет с 7l 0=660 нм, если x=0,5...0,75, то янтарный с 7 l 0=610 нм.

Из простого соотношения, связывающего длину волны излучения с шириной запрещённой зоны полупроводника, 7 l 0[нм] = 1234/ 7e 0 [эВ] следует, что видимое излучение с 7 l, 0720 нм можно получить лишь от широкозонных полупроводников с шириной запрещённой зоны 7 e. 01,72 эВ. У арсенида галия при комнатной температуре 7 e 0=1,38 эВ. Поэтому светодиоды из арсенида галия излучают невидимое, инфракрасное излучение с 7l 0=900 нм. У фосфида галия 7e 0=2,19 эВ. Он может уже излучать видимый свет с длиной волны 7 l. 0565 нм, что соответствует желто-зелёному свечению. Как преобразователь электрической энергии в световую, светодиод характеризуется внешней эффективностью (или к.п.д.).

               число эмитированных квантов света

7h 0=────────────────────────────

        число инжектированных не основных носителей

Эффективность светодиодов невелика 7 h, 00,1 (10%). В большинстве случаев она не превышает 0,5...5%. Это обусловлено тем, что свет трудно вывести из полупроводника наружу. При высоком значении коэффициентов преломления используемых проводников (для арсенида галия n=3,3 для воздуха - 1) значительная часть рекомбинационного излучения отражается от границы раздела полупроводник-воздух, возвращается в полупроводник и поглощается в нём, превращаясь в тепло. Поэтому сравнительно невелики средние яркости светодиодов и их выходные мощности: L 4ф 0=10...10 53 0 кд/м 52 0, I 4ф 0=10 5-1 0...10 52 0 мкд, P 4ф 0=10 5-1 0...10 52 0 МВт. По этим параметрам они уступают лампочкам накаливания, по остальным - превосходят их.

Светодиод - миниатюрный твердотельный источник света. У него отсутствует отпаянная колба как у лампы накаливания. У него нет нити накала, а значит, отсутствует время разогрева и микрофонный эффект. Он более стоек к механическим ударам и вибрациям.

Излучение светодиода весьма близко к монохроматическому в пределах 7 Dl 0=40...100 нм. Это снижает фоновые шумы источника по сравнению со случаем применения фильтров для монохроматизации излучения немонохроматического источника.

Конструкция светодиодов.

В излучателе плоской конструкции излучающий переход выполнен или диффузией, или эпитаксией. Штриховыми линиями показаны лучи, которые из-за полного внутреннего отражения от границы раздела не выходят из кристалла. Из кристалла выходят только те лучи, которые с нормалью составляют угол 7Q, 0arcsin n 41 0/n 42 0. Для арсенида галия и фосфида галия - это конус с углом у вершины не более 35 5o 0. Такая конструкция является самой дешёвой и простой. Однако она наименее эффективна, ей соответствует узкая диаграмма направленности излучения.

Геометрические размеры полусферической конструкции светодиода таковы, что R 7. 0r 77 0(n 42 0/n 41 0). В этом случае всё излучение попадает на границу раздела под углом, совпадающим с нормалью, и полностью выходит наружу. Эффективность полусферической конструкции - самая высокая. Она примерно в десять раз превышает эффективность плоской конструкции. Однако она намного дороже и сложнее в изготовлении.

Плоский кристалл светодиода может быть покрыт каплей эпоксидной смолы, выполняющей роль линзы. Смола имеет коэффициент преломления промежуточный между воздухом и кристаллом.

Это позволяет несколько увеличить светящуюся поверхность диода.

В последнем случае смола подкрашивается под цвет излучения светодиода. Большинство сигнальных и отображающих светодиодов выполняется такой конструкции.

Светодиоды могут изготавливаться и бес корпусными. Тогда их размеры определяются размерами кристалла (0,4 7& 00,4 мм 52 0).

Свойства светодиодов.

Вольтамперная характеристика светодиода аналогична вольтамперной характеристике кремниевого диода: она имеет круто возрастающую прямую ветвь. На этом участке динамическое сопротивление мало и не превышает нескольких Ом. Обратные напряжения невелики (3,5...7,5 В). Светодиод не рассчитан на значительные обратные напряжения и легко может быть пробит, если не принять соответствующих мер защиты. Если светодиод должен работать от сети переменного тока, то последовательно с ним включается кремниевый диод, который работает как выпрямляющий вентиль. В статическом режиме номинальный ток в зависимости от типа светодиода лежит в пределах от 5...10 мА до 100 мА.

Яркость высвечивания светодиода или мощность излучения практически линейно зависит от тока через диод в широком диапазоне изменения токов. Исключение составляют красные GaP - светодиоды, у которых с ростом тока наступает насыщение яркости. Это необходимо иметь в виду, когда светодиод используется в импульсном режиме для получения больших выходных яркостей.

При постоянном токе через светодиод его яркость с ростом температуры уменьшается. Для красных GaP - светодиодов повышение температуры по сравнению с комнатной на 20 5o 0 уменьшает их яркость примерно на 10%, а зелёных - на 6%. С ростом температуры сокращается срок службы светодиодов. Так, если при 25 5o 0C срок службы хороших светодиодов достигает 100000 ч, то при 100 5o 0C он сокращается до 1000 ч. Также сокращается срок службы светодиода с увеличением его тока. Поэтому завышать ток по сравнению с его максимально допустимым паспортным значением не рекомендуется.

Спектральный состав излучения светодиодов определяется материалом, из которого они изготовлены, и легирующими примесями.

В табл. 2 даны основные параметры некоторых промышленных типов светодиодов.

Таблица 2. Параметры некоторых типов светодиодов.

2.11 ДВУХЦВЕТНЫЕ СВЕТОДИОДЫ

В рассмотренных до сих пор светодиодах для получения различного цвета излучения необходимо было использовать различные полупроводниковые материалы. Однако можно создать монолитные структуры на основе светодиодов, которые в зависимости от их включения или соотношения токов в них будут излучать в различных спектральных областях. Проще всего такие структуры реализуются на фосфиде галия, который в зависимости от введённых в него примесей излучает зелёный, жёлтый, и красный цвет. Для этого на кристалле фосфида галия создают два pn-перехода, один из которых излучает красный, а другой зелёный свет. При смешивании обоих цветов получается жёлтый цвет.

Используя три вывода от структуры, можно отдельно управлять обеими полупроводниковыми системами. Когда оба основных цвета (красный и зелёный) излучаются одновременно, человеческий глаз воспринимает результирующее излучение как жёлтый цвет. Точно так же путём изменения величины тока, текущего через элементы светодиода, удаётся изменять цвет излучения от жёлто-зелёного до красно-жёлтого оттенка. Одноцветные свечения - красное или зелёное - находятся на краях цветовой шкалы. Когда требуется получить излучение определённого цветового восприятия, лежащее в данной цветовой области, необходимо перед кристаллом GaP расположить соответствующие фильтры, слабо поглощающие красные и зелёные лучи.

Двухцветные светодиоды используются в качестве четырёхпозиционных (красный - жёлтый - зелёный - выключенное состояние) сигнализаторов. Они находят применение в многоцветных буквенных и цифровых индикаторах, а также в цвето - аналоговых сигнализаторах. Например, в легковых автомобилях, используя соответствующую электронику, с их помощью можно контролировать степень зарядки батареи аккумуляторов. При измерении скорости их можно использовать в качестве оптических индикаторов скорости.

.12 ИНДИКАТОРЫ НА СВЕТОДИОДАХ

Для миниатюрных устройств отображения информации широко используются светодиоды на основе арсенида-фосфида галия (GaAsP), галия алюминия - арсенида (GaAlAs), а также фосфида галия (GaP).

Все они высвечивают в видимой области спектра, характеризуются большой яркостью, большим быстродействием и большим сроком службы.

Для изготовления светодиодов, цифровых и цифробуквенных дисплеев из таких материалов используются технологические методы, широко применяемые в производстве интегральных схем. В зависимости от размеров дисплеи на светодиодах изготовляются как по монолитной, так и по гибридной технологии. В первом случае это интегральный блок светодиодов, выполненный на одном полупроводниковом кристалле. Так как размеры кристалла ограничены, то монолитные индикаторы - индикаторы малых размеров. Во втором случае излучающая часть индикатора представляет собой сборку дискретных светодиодов на миниатюрной печатной плате. Гибридный вариант является основным для средних и больших светодиодных индикаторов.

Для светодиодных индикаторов разработаны и стандартизованы схемы управления и согласования на серийных интегральных схемах, что упрощает их схемотехнику и расширяет области применения.

Размеры рабочего кристалла светодиода малы (400 7& 0400 мкм). Излучающий кристалл - это светящаяся точка. Для того же, чтобы хорошо различать символы и цифры, их размеры не должны быть менее 3 мм. Для увеличения масштаба светоизлучающего кристалла в дисплее применяют линзы, рефлекторы, фоконы. Размеры знаков - от 3 до 1,5 мм и от 25 до 50 мм, что позволяет визуально контролировать изображение на расстоянии до 3 и 10 м соответственно.

Индикаторы на светодиодах изготовляются двух типов: сегментные (цифровые) и матричные (универсальные). Семи сегментный индикатор позволяет воспроизводить все десять цифр (и точку) и некоторые буквы. Матричный индикатор содержит 7 7& 05 светодиодов (светящихся точек) и позволяет воспроизводить все цифры, буквы и знаки стандартного кода для обмена информацией.

Оба типа индикаторов могут выполняться как одноразрядными, так и много разрядными, что позволяет создавать на их основе системы отображения различной сложности.

2.13 Оптоэлектронные приборы

Основные определения.

Оптронами называют такие оптоэлектронные приборы, в которых имеются источник и приемник излучения (светоизлучатель и фотоприемник) с тем или иным видом оптической и электрической связи между ними, конструктивно связанные друг с другом.

Принцип действия оптронов любого вида основан на следующем. В излучателе энергия электрического сигнала преобразуется в световую, в фотоприемнике, наоборот, световой сигнал вызывает электрический отклик.

Практически распространение получили лишь оптроны, у которых имеется прямая оптическая связь от излучателя к фотоприемнику и, как правило, исключены все виды электрической связи между этими элементами.

По степени сложности структурной схемы среди изделий оптронной техники выделяют две группы приборов. Оптопара (говорят также “элементарный оптрон”) представляет собой оптоэлектронный полупроводниковый прибор, состоящий из излучающего и фотоприемного элементов, между которыми имеется оптическая связь, обеспечивающая электрическую изоляцию между входом и выходом. Оптоэлектронная интегральная микросхема представляет собой микросхему, состоящую из одной или нескольких оптопар и электрически соединенных с ними одного или нескольких согласующих или усилительных устройств.

Таким образом, в электронной цепи такой прибор выполняет функцию элемента связи, в котором в то же время осуществлена электрическая (гальваническая) развязка входа и выхода.

Обобщенная структурная схема (рис. 1.1).

Как элемент связи оптрон характеризуется коэффициентом передачи Кi, определяемым отношением выходного и входного сигналов, и максимальной скоростью передачи информации F. Практически вместо F измеряют длительности нарастания и спада передаваемых импульсов тнар (сп) или граничную частоту. Возможности оптрона как элемента гальванической развязки характеризуются максимальным напряжением и сопротивлением развязки Uразв и Rразв и проходной емкостью Cразв.

В структурой схеме рис. 1.1 входное устройство служит для оптимизации рабочего режима излучателя (например, смещения светодиода на линейный участок ваттамперной характеристики) и преобразования (усиления) внешнего сигнала. Входной блок должен обладать высоким КПД преобразования, высоким быстродействием, широким динамическим диапазоном допустимых входных токов (для линейных систем), малым значением “порогового” входного тока, при котором обеспечивается надежная передача информации по цепи.

Рис 1.1 Обобщенная структурная схема оптрона

Назначение оптической среды - передача энергии оптического сигнала от излучателя к фотоприемнику, а также во многих случаях обеспечение механической целостности конструкции.

Принципиальная возможность управления оптическими свойствами среды, например с помощью использования электрооптических или магнитооптических эффектов, отражена введением в схему устройства управления, В этом случае мы получаем оптрон с управляемым оптическим каналом, функционально отличающийся от “обычного” оптрона: изменение выходного сигнала может осуществляться как по входу, так и по цепи управления.

В фотоприемнике происходит “восстановление” информационного сигнала из оптического в электрический; при этом стремятся иметь высокую чувствительность и высокое быстродействие.

Наконец, выходное устройство призвано преобразовать сигнал фотоприемника в стандартную форму, удобную для воздействия на последующие за оптроном каскады. Практически обязательной функцией выходного устройства является усиление сигнала, так как потери после двойного пpeобразования очень значительны. Нередко функцию усиления выполняет и сам фотоприемник (например, фототранзистор).

Общая структурная схема рис. 1.1 реализуется в каждом конкретном приборе лишь частью блоков. В соответствии с этим выделяют три основные группы приборов оптронной техники; ранее названные оптопары (элементарные оптроны), использующие блоки светоизлучатель - оптическая среда - фотоприемник; оптоэлектронные (оптронные) микросхемы (оптопары с добавлением выходного, а иногда и входного устройства); специальные виды оптронов - приборы, функционально и конструктивно существенно отличающиеся от элементарных оптронов и оптоэлектронных ИС

Реальный оптрон может быть устроен и сложнее, чем схема на рис. 1.1; каждый из указанных блоков может включать в себя не один, а несколько одинаковых или подобных друг другу элементов, связанных электрически и оптически, однако это не изменяет существенно основ физики и электроники оптрона.

Применение

В качестве элементов гальванической развязки оптроны применяются: для связи блоков аппаратуры, между которыми имеется значительная разность потенциалов; для защиты входных цепей измерительных устройств от помех и наводок; и т.д.

Другая важнейшая область применения оптронов - оптическое, бесконтактное управление сильноточными и высоковольтными цепями. Запуск мощных тиристоров, триаков, симисторов, управление электромеханическими релейными устройствами

Специфическую группу управляющих оптронов составляют резисторные оптроны, предназначенные для слаботочных схем коммутации в сложных устройствах визуального отображения информации, выполненных на электролюминесцентных (порошковых) индикаторах, мнемосхемах, экранах.

Создание “длинных” оптронов (приборов с протяженным гибким волоконно-оптическим световодом) открыло совершенно новое направление применения изделий оптронной техники - связь на коротких расстояниях.

Различные оптроны (диодные, резисторные, транзисторные) находят применение и в чисто радиотехнических схемах модуляции, автоматической регулировки усиления и др. Воздействие по оптическому каналу используется здесь для вывода схемы в оптимальный рабочий режим, для бесконтактной перестройки режима и т. п.

Возможность изменения свойств оптического канала при различных внешних воздействиях на него позволяет создать целую серию оптронных датчиков: таковы датчики влажности и загазованности, датчика наличия в объеме той или иной жидкости, датчики чистоты обработки поверхности предмета, скорости его перемещения и т. п.

Достаточно специфическим является использование оптронов в энергетических целях, т. е. работа диодного оптрона в фотовентильном режиме. В таком режиме фотодиод генерирует электрическую мощность в нагрузку и оптрон до определенной степени подобен маломощному вторичному источнику питания, полностью развязанному от первичной цепи;

Создание оптронов с фоторезисторами, свойства которых при освещении меняются по заданному сложному закону, позволяет моделировать математические функции, является шагом на пути создания функциональной оптоэлектроники.

Универсальность оптронов как элементов гальванической развязки и бесконтактного управления, разнообразие и уникальность многих других функций являются причиной того, что сферами применения этих приборов стали вычислительная техника, автоматика, связная и радиотехническая аппаратура, автоматизированные системы управления, измерительная техника, системы контроля и регулирования, медицинская электроника, устройства визуального отображения информации.

История

Идея создания и применения оптронов относится к 1955 г., когда в работе Loebner E. E. “Opto-electronic devices network” была предложена целая серия приборов с оптическими и электрическими связями между элементами, что позволяло осуществлять усиление и спектральное преобразование световых сигналов, создавать приборы с двумя устойчивыми состояниями - бистабильные оптроны, оптоэлектронные устройства накопления и хранения информации логические схемы, регистры сдвига. Там же был предложен и термин “оптрон”, образованный как сокращение от английского “optical-electronic device”.

Описанные в этой работе оптроны, отлично иллюстрируя принципы, оказались непригодными для промышленной реализации, так как основывались на несовершенной элементарной базе - неэффективных и инерционных порошковых злектролюминесцентных конденсаторах (излучатель) и фоторезисторах (приемник). Несовершенны были и важнейшие эксплуатационные характеристики приборов: низкотемпературная и временная стабильность параметров, недостаточная устойчивость к механическим воздействиям. Поэтому. на первых порах оптрон оставался лишь интересным научным достижением не находящим применения в технике.

Лишь в середине 60-х годов развития полупроводниковых светоизлучающих диодов и технологически совершенных высокоэффективных быстродействующих кремниевых фотоприемников с р - n-переходами (фотодиоды и фототранзисторы) начала создаваться элементарная база современной оптронной техники. К началу 70-х годов производство оптронов в ведущих странах мира превратилось в важную и быстро развивающуюся отрасль электронной техники, успешно дополняющую традиционную микроэлектронику.

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОПТРОННОЙ ТЕХНИКИ. ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА И УСТРОЙСТВО ОПТРОНОВ

Элементную основу оптронов составляют фотоприемники и излучатели, а также оптическая среда между ними. Ко всем этим элементам предъявляются такие общие требования, как малые габариты и масса, высокая долговечность и надежность, устойчивость к механическим и климатическим воздействиям, технологичность, низкая стоимость. Желательно также чтобы элементы прошли достаточно широкую и длительную промышленную апробацию.

Функционально (как элемент схемы) оптрон характеризуется в первую очередь тем, какой вид фотоприемника в нем используется.

Успешное использование фотоприемника в оптроне определяется выполнением следующих основных требований: эффективность преобразования энергии квантов излучения в энергию подвижных электрических; наличие и эффективность внутреннего встроенного усиления; высокое быстродействие; широта функциональных возможностей.

В оптронах используются фотоприемники различных структур, чувствительные в видимой и ближней инфракрасной области, так как именно в этом диапазоне спектра имеются интенсивные источники излучения и возможна работа фотоприемников без охлаждения.

Наиболее универсальными являются фотоприемники с р - n-переходами (диоды, транзисторы и т, п.), в подавляющем большинстве случаев они изготовляются на основе кремния и область их максимальной спектральной чувствительности находится вблизи ,7...0,9мкм.

Многочисленные требования предъявляются и к излучателям оптронов. Основные из них: спектральное согласование с выбранным фотоприемником; высокая эффективность преобразования энергии электрического тока в энергию излучения; преимущественная направленность излучения; высокое быстродействие; простота и удобство возбуждения и модуляции излучения.

Для использования в оптронах пригодны и доступны несколько разновидностей излучателей:

Миниатюрные лампочки накаливания.

Неоновые лампочки, в которых используется свечение электрического разряда газовой смеси неон-аргон.

Этим видам излучателей свойственны невысокая светоотдача, низкая устойчивость к механическим воздействиям, ограниченная долговечность, большие габариты, полная несовместимость с интегральной технологией. Тем не менее, в отдельных видах оптронов они могут находить применение.

Порошковая электролюминесцентная ячейка использует в качестве светящегося тела мелкокристаллические зерна сульфида цинка (активированного медью, марганцем или другими присадками), взвешенные в полимеризующемся диэлектрике. При приложении достаточно высоких напряжений переменного тока идет процесс предпробойной люминесценции.

Тонкопленочные электролюминесцентные ячейки. Свечение здесь связано с возбуждением атомов марганца “горячими” электронами.

И порошковые, и пленочные электролюминесцентные ячейки имеют невысокую эффективность преобразования электрической энергии в световую, низкую долговечность (особенно- тонкопленочные), сложны в управлении (например, оптимальный режим для порошковых люминофоров ~220. В при f=400 ... 800Гц). Основное достоинство этих излучателей - конструктивно-технологическая совместимость с фоторезисторами, возможность создания на этой основе многофункциональных, многоэлементных оптронных структур.

Основным наиболее универсальным видом излучателя, используемым в оптронах, является полупроводниковый инжекционный светоизлучающий диод - светодиод. Это обусловлено следующими его достоинствами: высокое значение КПД преобразования электрической энергии в оптическую; узкий спектр излучения (квазимонохроматичность); широта спектрального диапазона, перекрываемого различными светодиодами; направленность излучения; высокое быстродействие; малые значения питающих напряжений и токов; совместимость с транзисторами и интегральными схемами; простота модуляции мощности излучения путем изменения прямого тока; возможность работы, как в импульсном, так и в непрерывном режиме; линейность ваттамперной характеристики в более или менее широком диапазоне входных токов; высокая надежность и долговечность; малые габариты; технологическая совместимость с изделиями микроэлектроники.

Общие требования, предъявляемые к оптической иммерсионной среде оптрона, следующие: высокое значение показателя преломления nим; высокое значение удельного сопротивления им; высокая критическая напряженность поля Еим кр, достаточная теплостойкость им раб; хорошая адгезия с кристаллами кремния и арсенида галлия; эластичность (это необходимо, так как не удается обеспечить согласование элементов оптрона по коэффициентам термического расширения); механическая прочность, так как иммерсионная среда в оптопаре выполняет не только светопередающие, но и конструкционные функции; технологичность (удобство использования, воспроизводимость свойств, дешевизна и т. п.).

Основным видом иммерсионной среды, используемой в оптронах являются полимерные оптические клеи.

Для них типично nим =1,4... 1,6, им > 1012... 1014 Ом см, Еим кр =80 кВ/мм, им раб = - 60 ... 120 C. Клеи обладают хорошей адгезией к кремнию и арсениду галлия, сочетают высокую механическую прочность и устойчивость к термоциклированию.

Используются также незатвердевающие вазелиноподобные и каучукоподобные оптические среды

ФИЗИКА ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭHEPГИИ В ДИОДНОМ ОПТРОНЕ

Рассмотрение процессов преобразования энергии в оптроне требует учитывать квантовую природу света. Известно, что электромагнитное излучение может быть представлено в виде потока частиц - квантов (фотонов), энергия. каждого из которых определяется соотношением;

ф=h=hc/n

где h - постоянная Планка ;

с - скорость света в вакууме ;- показатель преломления полупроводника ;

, - частота колебаний и длина волны оптического излучения.

Если плотность потока квантов (т. е. число квантов, пролетающих через единицу площади в единицу вpeмени) равна Nф, то полная удельная мощность излучения составит:

ф= Nф ф

и, как видно из (2.1), при заданном Nф она тем больше, чем короче длина волны излучения. Поскольку на практике заданной бывает Pф (энергетическая облученность фотоприемника), то представляется полезным следующее соотношение

ф = Pф/ ф=51015 Pф

где Nф, см-2с-1;, мкм; Pф, мВт/см.

Рис.2.1 Энергетическая диаграмма прямозонного полупроводника (на примере тройного соединения GaAsP)

Механизм инжекционной люминесценции в светодиоде состоит из трех основных процессов: излучательная (и без излучательная) рекомбинация в полупроводниках, инжекция избыточных не основных носителей заряда в базу светодиода и вывод излучения из области генерации.

Рекомбинация носителей заряда в полупроводнике определяется, прежде всего его зонной диаграммой, наличием и природой примесей и дефектов, степенью нарушения равновесного состояния. Основные материалы оптронных излучателей (GaAs и тройные соединения на его основе GaA1As и GaAsP) относятся к прямозонным полупроводникам т.е. к таким, в которых разрешенными являются прямые оптические переходы зона-зона (рис.2.1.). Каждый акт рекомбинации носителя заряда по этой схеме сопровождается излучением кванта, длина волны которого в соответствии с законом сохранения энергии определяется соотношением

изл[мкм] =1,23/ф[эB]

Следует отметить, Что имеются и конкурирующие без излучательные - механизмы рекомбинации . К числу важнейших из них относятся:

. Рекомбинация на глубоких центрах. Электрон может переходить в валентную зону не прямо, а через те или иные центры рекомбинации, образующие разрешенные энергетические уровни в запрещенной зоне (уровень Et на рисунке 2.1).

2. Ожерекомбинация (или ударная). При очень высоких концентрациях свободных носителей заряда в полупроводнике растет вероятность столкновения трех тел, энергия рекомбинирующей электронно - дырочкой пары при этом отдается третьему свободному носителю в форме кинетической энергии, которую он постепенно растрачивает при соударениях с решеткой.

Относительная роль различных механизмов рекомбинации описывается введением понятия внутреннего квантового выхода излучения int, определяемого отношением вероятности излучательной рекомбинации к полной (излучательной и безызлучательной) вероятности рекомбинации (или, иначе, отношением числа генерированных квантов к числу инжектированных за то же время неосновных носителей заряда).

Значение int является важнейшей характеристикой материала, используемого в светодиоде; очевидно, что 0int100%.

Рис.2.2 Электрическая (a) и оптическая (b) модели светодиода- оптически “прозрачная” часть кристалла; B - активная часть кристалла; C -“непрозрачная” часть кристалла; D - омические контакты; E - область объемного заряда

Создание избыточной концентрации свободных носителей в активной (излучающей) области кристалла светодиода осуществляется путем инжекции их р - n-переходом, смещенным в прямом направлении.

“Полезной” компонентной тока, поддерживающей излучательную рекомбинацию в активной области диода, является ток электронов In (рис.2.2,а), инжектируемых р - n-переходом. К “бесполезным” компонентам прямого тока относятся:

. Дырочная составляющая Ip, обусловленная инжекцией дырок в n-область и отражающая тот факт, что р - n-переходов с односторонней инжекцией не бывает, Доля этого тока тем меньше чем сильнее легирована n-область по сравнению с р-областью.

. Ток рекомбинации (безызлучательной) в области объемного заряда р - n-перехода Iрек. В полупроводниках с большой шириной запрещенной зоны при малых прямых смещениях доля этого тока может быть заметной.

. Туннельный ток Iтун , обусловленный “просачиванием” носителей заряда через потенциальный барьер. Ток переносится основными носителями и вклада в излучательную рекомбинацию не дает. Туннельный ток тем больше, чем уже р - n-переход, он заметен при сильной степени легирования базовой области и при больших прямых смещениях.

. Ток поверхностных утечек Iпов, обусловленный отличием свойств поверхности полупроводника от свойств объема и наличием тех или иных закорачивающих включений.

Эффективность р - n-перехода характеризуется коэффициентом инжекции

Очевидно, что пределы возможного изменения  те же, что и у int, т. е. 0 100%.

При выводе излучения из области генерации имеют место следующие виды потерь энергии (рис. 2.2,6):

. Потери на самопоглощение (лучи 1). Если длина волны генерируемых квантов в точности соответствует формуле (2.4), то она совпадает с “красной границей” поглощения (см. ниже), и такое излучение быстро поглощается в толще полупроводника (самопоглощение).В действительности, излучение в прямозонных полупроводниках идет не по приведенной выше идеальной, схеме. Поэтому длина волны генерируемых квантов несколько больше, чем по (2.4):

. Потери на полное внутреннее отражение (лучи 2).Известно, что при падении лучей света на границу раздела оптически плотной среды (полупроводник) с оптически менее плотной (воздух) для части этих лучей выполняется условие полного внутреннего отражения такие лучи, отразившиеся внутрь кристалла, в конечном счете теряются за счет самопоглощения.

. Потери на обратное и торцевое излучение (луч 3 и 4).

Количественно эффективность вывода оптической энергии из кристалла характеризуется коэффициентом вывода Копт определяемым отношением мощности излучения, выходящего в нужном направлении, к мощности излучения, генерируемой внутри кристалла. Так же, как и для коэффициентов int и , всегда выполняется условие 0 Копт 100%.

Интегральным показателем излучеательной способности светодиода является величина внешнего квантового выхода ext. Из сказанного ясно, чтоext=int  Копт.

Перейдем к приемному блоку. Принцип действия используемых в оптронах фотприемников основан на внутреннем фотоэффекте , заключающемся в отрыве электронов от атомов внутри тела под действием электромагнитного (оптического) излучения.

Кванты света, поглощаясь в кристалле, могут вызывать отрыв электронов от атомов как самого полупроводника, так и примеси. В соответствии с этим говорят о собственном (беспримесном) и примесном поглощении (фотоэффекте). Поскольку концентрация примесных атомов мала, фотоэлектрические эффекты, основанные на собственном поглощении, всегда существеннее, чем основанные на примесном. Все используемые в оптронах фотоприемники “работают” на беспримесном фотоэффекте. Для того чтобы квант света вызывал отрыв электрона от атома, необходимо выполнение очевидных энергетических соотношений:

ф1=hEc-Evф2=hEc-Et   

Таким образом, собственный фотоэффект может иметь место лишь при воздействии на полупроводник излучения с длиной волны, меньшей некоторого значения гр

гр=hc/( Ec-Ev)1.23/ Eg

Второе равенство в (2.8) справедливо, если гр выражено в микрометрах, а ширина запрещенной зоны полупроводника Eg - в электроновольтах. Величинугр называют длинноволновой или “красной” границей спектральной чувствительности материала.

Интенсивность протекания фотоэффекта (в той спектральной области, где он может существовать) зависит от квантового выхода, определяемого отношением числа генерированных пар электрон-дырка к числу поглощенны фотонов. Анализ экспериментальных зависимостей от показывает, что в интересной для оптронов спектральной области =1.

Образование свободных носителей заряда под действием облучения проявляется в полупроводнике в виде двух фотоэлектрических эффектов: фотопроводимости (возрастание проводимости образца при засветке) и фотовольтаического (возникновение фото-ЭДС на р - n-переходе или другом виде потенциального барьера в полупроводнике при освещении). Оба эффекта используются в практике конструирования фотоприемников; для оптронов предпочтительным и доминирующим является использование фото-ЭДС-эффекта.

Основные параметры и характеристики фотоприемников (безотносительно к физической природе и конструкции этих приборов) можно подразделить на несколько групп , К оптическим характеристикам относятся площадь фоточувствительной поверхности, материал, размеры и конфигурация оптического окна; максимальный и минимальный уровни мощности излучения. К электрооптическим - фоточувствительность, степень однородности распределения чувствительности по фотоприемной площадке; спектральная плотность чувствительности (зависимость параметра, характеризующего чувствительность, от длины волны); собственные шумы фотоприемника и их зависимость от уровня засветки и диапазона рабочих частот; разрешающее время (быстродействие); коэффициент качества (комбинированный показатель, позволяющий сопоставлять различные фотоприемники друг с другом); показатель линейности; динамический диапазон. Как элемент электрической цепи фотоприемник характеризуется прежде всего параметрами его эквивалентной схемы, требованиями к рабочим режимам, наличием (или отсутствием) встроенного механизма усиления, видом и формой выходного сигнала. Прочие характеристики: эксплуатационные, надежностные, габаритные, технологические - ничего специфически “фотоприемното” не содержат.

В зависимости от характера выходного сигнала (напряжение, ток) говорят о вольтовой или токовой фоточувствительности приемника S, измеряемых соответственно в В/Вт или А/Вт. Линейность (или нелинейность) фотоприемника определяется значением показателя степени n в уравнении, связывающем выходной сигнал с входным: Uвых( или Iвых)~Pф. При n1 фотоприемник линеен; область значений Pф(от Pф max до Pф min), в которой это выполняется, определяет динамический диапазон линейности фотоприемника , выражаемый обычно в децибелах: =10 lg(Pф max /Pф min).

Важнейшим параметром фотоприемника, определяющим порог его чувствительности, является удельная обнаружительная способность D, измеряемая в Вт-1мГц1/2. При известном значении D порог чувствительности (минимальная фиксируемая мощность излучения) определяется как

ф min=/D

где А - площадь фоточувствительной площадки; - диапазон рабочих частот усилителя фотосигналов. Иными словами, параметр D играет роль коэффициента качества фотоприемника.

В применении к оптронам не все перечисленные характеристики оказываются одинаково важными. Как правило, фотоприемники в оптронах работают при облученностях, очень далеких от пороговых, поэтому использование параметров Pф min и D оказывается практически бесполезным. Конструктивно фотоприемник в оптроне обычно, “утоплен” в иммерсионную. среду, соединяющую его с излучателем, поэтому знание оптических характеристик входного окна теряет смысл (как правило, специально такого окна нет). Не очень важно знать и распределение чувствительности по фоточувствительной площадке, так как интерес представляют интегральные эффекты.

Механизм работы фотоприемников, базирующихся на фотовольтаическом эффекте, рассмотрим на примере планарно-эпитаксиальных фотодиодов с р - n-переходом и с р - i - n-структурой, в которых можно выделить n+- подложку, базу n- или i-типа (слабая проводимость n-типа) и тонкий р+-слой. При работе в фотодиодном режиме приложенное извне напряжение заставляет подвижные дырки и электроны уходить от р - n(р - i)-перехода; при этом картина распределения поля в кристалле оказывается резко различной для двух рассматриваемых структур.

Световое излучение, поглощаясь в базовой области диода, генерирует электронно-дырочные пары, которые диффундируют к р - n-переходу, разделяются им и вызывают появление дополнительного тока во внешней цепи. В р - i - n-диодах это разделение происходит в поле i-o6лaсти и вместо процесса диффузии имеет место дрейф носителей заряда под влиянием электрического поля. Каждая генерированная электронно-дырочная пара, прошедшая через р - n-переход, вызывает прохождение во внешней цепи заряда, равного заряду электрона. Чем больше облученность диода, тем больше фототок. Фототок протекает и при смещении диода в прямом направлении (рис. 2.4,а), однако уже при небольших напряжениях он оказывается намного меньше прямого тока, поэтому его выделение оказывается затруднительным.

Рис. 2 3 Схемы измерения и семейства вольт-амперных характеристик в фотодиодном (а) и фотовентильном (б) режимах работы диода

Рабочей областью вольт-амперных характеристик фотодиода является III квадрант соответственно этому в качестве важнейшего параметра выступает токовая чувствительность

Второе равенство получено в предположении линейной зависимости Iф=f(Pф), а третье - при условии пренебрежения темновым током (), что для кремниевых фотодиодов обычно выполняется.

Если освещать фотодиод без приложения к нему внешнего смещения, то процесс разделения генерируемых электронов и дырок будет протекать благодаря действию собственного встроенного поля р - n-перехода. При этом дырки будут перетекать в р-область и частично компенсировать встроенное поле р - n-перехода. Создается некоторое новое равновесное (для данного значения: Pф) состояние, при котором на внешних выводах диода возникает фото-ЭДС Uф. Если замкнуть освещенный фотодиод на некоторую нагрузку, то он будет отдавать в нее полезную электрическую мощность Рэ.

Характеристическими точками вольт-амперных характеристик диода, работающего в таком - фотовентильном - режиме, являются ЭДС холостого хода Uxx и ток короткого замыкания Iкз.

Схематически фотодиод в вентильном режиме работает как своеобразныйный вторичный источник питания, поэтому его определяющим параметром является КПД преобразования световой энергии в электрическую:

КПД=Pэ/APф=aUxxIкз/ Apф

В фотовентильном режиме действует важный класс фотоэлектрических приборов - солнечные батареи.

3. ПАРАМЕТРЫ И ХАРАКТЕРИСТИКИ ОПТОПАР И ОПТОЭЛЕКТРОННЫХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ

.1 КЛАССИФИКАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ ИЗДЕЛИЙ ОПТРОННОИ ТЕХНИКИ

При классификации изделий оптронной техники учитывается два момента: тип фотоприемного устройства и конструктивные особенности прибора в целом .

Выбор первого классификационного признака обусловлен тем, что практически у всех оптронов на входе помещен светодиод и функциональные возможности прибора определяются выходными характеристиками фотоприемного устройства.

В качестве второго признака принято конструктивное исполнение, которое определяет специфику применения оптрона.

Используя этот смешанный конструктивно-схемотехнический принцип классификации, логично выделить три основные группы изделий оптронной техники: оптопары (элементарные оптроны), оптоэлектронные (оптронные) интегральные микросхемы и специальные виды оптронов. К каждой из этих групп относится большое число видов приборов.

Для наиболее распространенных оптопар используются следующие сокращения:

Д - диодная, Т - транзисторная, R - резисторная, У - тиристорная, Т2 - с составным фототранзистором, ДТ - диодно-транзисторная, 2Д (2Т) - диодная (транзисторная) дифференциальная.

Система параметров изделий оптронной техники базируется на системе параметров оптопар, которая формируется из четырех групп параметров и режимов.

Рис 3.1 К определению импульсных параметров оптопар

Первая группа характеризует входную цепь оптопары (входные параметры), вторая - ее выходную цепь (выходные параметры), третья - объединяет параметры, характеризующие степень воздействия излучателя на фотоприемник и связанные с этим особенности прохождения сигнала через оптопару как элемент связи (параметры передаточной характеристики), наконец, четвертая группа объединяет параметры гальванической развязки, значения которых показывают, насколько приближается оптопара к идеальному элементу развязки. Из четырех перечисленных групп определяющими, специфически “оптронными” являются параметры передаточной характеристики и параметры гальванической развязки.

Важнейшим параметром диодной и транзисторной оптопар является коэффициент передачи тока. Определение импульсных параметров оптронов ясно из (рис. 3.1). Отсчетными уровнями при измерении параметров tнар(сп), tзд, и tвкл(выкл) обычно служат уровни 0.1 и 0.9, полное время логической задержки сигнала определяется по уровню 0,5 амплитуды импульса.

Рис. 3.2 Условные обозначения оптопар

Параметрами гальванической развязки. Оптопар являются: максимально допустимое пиковое напряжение между входом и выходом Uразв п max; максимально допустимое напряжение между входом и выходом Uразв max; сопротивление гальванической развязки Rразв; проходная емкость Cразв; максимально допустимая скорость изменения напряжения между входом в выходом (dUразв/dt)max. Важнейшим является параметр Uразв п max. Именно он определяет электрическую прочность оптопары и ее возможности как элемента гальванической развязки.

Рассмотренные параметры оптопар полностью или с некоторыми изменениями используются и для описания оптоэлектронных интегральных микросхем.

ДИОДНЫЕ ОПТОПАРЫ

Диодные оптопары (рис. 3.2,а) в большой степени, чем какие-либо: другие приборы, характеризуют уровень оптронной техники. По величине Кi можно судить о достигнутых КПД преобразования энергии в оптроне; значения временных параметров позволяют определить предельные скорости распространения информации. Подключение к диодной оптопаре тех или иных усилительных элементов, весьма полезное и удобное, не может тем не менее дать выигрыша ни по энергетике, ни по предельным частотам.

ТРАНЗИСТОРНЫЕ И ТИРИСТОРНЫЕ ОПТОПАРЫ

Транзисторные оптопары (рис. 3.2, c) рядом своих свойств выгодно отличаются от других видов оптронов. Это прежде всего схемотехническая гибкость, проявляющаяся в том, что коллекторным током можно управлять как по цепи светодиода (оптически), так и по базовой цепи (электрически), а также в том, что выходная цепь может работать и в линейном и в ключевом режиме. Механизм внутреннего усиления обеспечивает получение больших значений коэффициента передачи тока Кi, так что последующие усилительные каскады не всегда необходимы. Важно, что при этом инерционность оптопары не очень велика и для многих случаев вполне допустима. Выходные токи фототранзисторов значительно выше, чем, например, у фотодиодов, что делает их пригодными для коммутации широкого круга электрических цепей. Наконец, следует отметить, что все это достигается при относительной технологической простоте транзисторных оптопар.

Тиристорные оптопары (рис. 3.2, b) наиболее перспективны для коммутации сильноточных высоковольтных цепей: по сочетанию мощности, коммутируемой в нагрузке, и быстродействию они явно предпочтительнее Т2 -оптопар. Оптопары типа АОУ103 предназначены для использования в качестве бесконтактных ключевых элементов в различных радиоэлектронных схемах: в цепях управления, усилителях мощности, формирователях импульсов и т. п.

РЕЗИСТОРНЫЕ ОПТОПАРЫ

Резисторные оптопары (рис. 3.2, d) принципиально отличаются от всех других видов оптопар физическими и конструктивно-технологическими особенностями, а также составом и значениями параметров.

В основе принципа действия фоторезистора лежит эффект фотопроводимости, т. е. изменения сопротивления полупроводника при освещении.

ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ ОПТОПАРЫ ДЛЯ ПЕРЕДАЧИ АНАЛОГОВОГО СИГНАЛА

Весь изложенный выше материал касается вопросов передачи цифровой информации по гальванически развязанной цепи. Во всех случаях, когда говорилось о линейности, об аналоговых сигналах, речь шла о виде выходной характеристики оптопары. Во всех случаях управление по каналу излучатель - фотоприемник не описывалось линейной зависимостью. Важную задачу представляет собой передача аналоговой информации с помощью оптопары, т.е., обеспечение линейности передаточной характеристики вход - выход [36]. Лишь при наличии таких оптопар становится возможным непосредственное распространение аналоговой информации по гальванически развязанным цепям без преобразования ее к цифровой форме (последовательности импульсов).

Сопоставление свойств различных оптопар по параметрам, важным с точки зрения передачи аналоговых сигналов приводит к заключению, что если эта задача и может быть решена, то только с помощью диодных оптопар, обладающих хорошими частотными и шумовыми характеристиками. Сложность проблемы заключается прежде всего в узком диапазоне линейности передаточной характеристики и степени этой линейности у диодных оптопар.

Следует отметить, что в создании приборов с гальванической развязкой, пригодных для передачи аналоговых сигналов, сделаны лишь первые шаги и можно ожидать дальнейшего прогресса.

ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ МИКРОСХЕМЫ И ДРУГИЕ ПРИБОРЫ ОПТРОННОГО ТИПА

Оптоэлектронные микросхемы представляют собой один из наиболее широко применяемых, развивающихся, перспективных классов изделий оптронной техники. Это обусловлено полной электрической и конструктивной совместимостью оптоэлектронных микросхем с традиционными микросхемами, а также их более широкими по сравнению с элементарными оптронами функциональными возможностями. Как и среди обычных микросхем, наиболее широкое распространение получили переключательные оптоэлектронные микросхемы.

Специальные виды оптронов резко отличаются от традиционных оптопар и оптоэлектронных микросхем. К ним относятся прежде всего оптроны с открытым оптическим каналом. В конструкции этих приборов между излучателем и фотоприемником имеется воздушный зазор, так что, помещая в него те или иные механические преграды, можно управлять световым потоком и тем самым выходным сигналом оптрона. Таким образом, оптроны с открытым оптическим каналом выступают в качестве оптоэлектронных датчиков, фиксирующих наличие (или отсутствие) предметов, состояние их поверхности, скорость перемещения или поворота и т. п.

Перспективные направления развития н применения оптронной техники в значительной степени определились. Оптроны и оптронные микросхемы эффективно применяются для передачи информации между устройствами, не имеющими замкнутых электрических связей. Традиционно сильными остаются позиции оптоэлектронных приборов в технике получения и отображения информации. Самостоятельное значение в этом направлении имеют оптронные датчики, предназначенные для контроля процессов и объектов, весьма различных по природе и назначении. Заметно прогрессирует функциональная оптронная микросхемотехника, ориентированная на выполнение разнообразных операций, связанных с преобразованием, накоплением и хранением информации. Эффективной и полезной оказывается замена громоздких, недолговечных и нетехнологичных (с позиций микроэлектроники) электромеханических изделий (трансформаторов, потенциометров, реле) оптоэлектронными приборами и устройствами. Достаточно специфическим, но во многих случаях оправданным и полезным является использование оптронных элементов в энергетических целях.

4. ПЕРЕДАЧА ИНФОРМАЦИИ

При передаче информации оптроны используются в качестве элементов связи, и, как правило, не несут самостоятельной функциональной нагрузки. Их применение позволяет осуществить весьма эффективную гальваническую развязку устройств управления и нагрузки (рис 4.1), действующих в различных электрических условиях и режимах. С введением оптронов резко повышается помехоустойчивость каналов связи; практически устраняются “паразитные” взаимодействия по цепям “земли” и питания.

Рис 4.1 Схема межблочной гальванической развязки

Интерес представляет также рациональное и надежное согласование цифровых интегральных устройств с разнородной элементной базой (ТТЛ, ЭСЛ, И2Л , КМОП и т. п).

Рис 4.2 Схема сопряжения ТТЛ и МДП элементов по оптическому каналу

Схема согласования элемента транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ) с интегральным устройством на МДП-транзисторах построена на транзисторном оптроне (рис. 4.2). В конкретном варианте: E1 = Е2 =5 В, Е3 = 15 В, R1 = 820 Ом, R2 = 24 кОм - светодиод оптрона возбуждается током (5 мА), достаточным для насыщения транзистора и уверенного управления устройством на МДП-транзисторах.

Активно используются оптические связи в телефонных устройствах и системах. С помощью оптронов технически несложными средствами удается подключать к телефонным линиям микроэлектронные устройства, предназначенные для вызова, индикации, контроля и других целей.

Введение оптических связей в электронную измерительную аппаратуру, кроме полезной во многих отношениях гальванической развязки исследуемого объекта и измерительного прибора, позволяет также резко уменьшить влияние помех, действующих по цепям заземления и питания.

Значительный интерес представляют возможности и опыт использования оптоэлектронных приборов и устройств в биомедицинской аппаратуре. Оптроны позволяют надежно изолировать больного от действия высоких напряжений, имеющихся, например, в электрокардиографических приборах.

Бесконтактное управление мощными, высоковольтными цепями по оптическим каналам весьма удобно и безопасно в сложных технических режимах, характерных для многих устройств и комплексов промышленной электроники. В этой области сильны позиции тиристорных оптронов (рис 4.3).

Рис 4.3 Схема коммутации нагрузки переменного тока

ПОЛУЧЕНИЕ И ОТОБРАЖЕНИЕ ИНФОРМАЦИИ

Оптроны и оптронные микросхемы занимают прочные позиции в бесконтактной дистанционной технике оперативного получения и точного отображения информации о характеристиках и свойствах весьма различных (по природе и назначению) процессов и объектов. Уникальными возможностями в этом плане обладают оптроны с открытыми оптическими каналами. Среди них оптоэлектронные прерыватели, реагирующие на пересечение оптического канала непрозрачными объектами (рис 4.4), и отражательные оптроны, у которых воздействие светоизлучателей на фотоприемники всецело связано с отражением излучаемого потока от внешних объектов.

Рис 4.4 Оптоэлектронный датчик

Круг применений оптронов с открытыми оптическими каналами обширен и разнообразен. Уже в 60-е годы оптроны подобного типа эффективно использовались для регистрации предметов и объектов. При такой регистрации, характерной в первую очередь для устройств автоматического контроля и счета объектов, а также для обнаружения и индикации различного рода дефектов и отказов, важно четко определить местонахождение объекта или отразить факт его существования. Функции регистрации оптроны выполняют надежно и оперативно.

КОНТРОЛЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

Мощность излучения, генерируемого светодиодом, и уровень фототока, возникающего в линейных цепях с фотоприемниками, прямо пропорциональны току электрической проводимости излучателя. Таким образом, по оптическим (бесконтактным, дистанционным) каналам можно получить вполне определенную, информацию о процессах в электрических цепях, гальванически связанных с излучателем. Особенно эффективным оказывается использование светоизлучателей оптронов в качестве датчиков электрических изменений в сильноточных, высоковольтных цепях. Четкая информация о подобных изменениях важна для оперативной защиты источников и потребителей энергии от электрических перегрузок.

Оптроны успешно действуют в высоковольтных стабилизаторах напряжения, где они создают оптические каналы отрицательных обратных связей. Рассматриваемый стабилизатор (рис. 4.5) относятся к устройству последовательного типа, причем регулирующим элементом является биполярный транзистор, а кремниевый стабилитрон действует как источник, опорного (эталонного) напряжения. Сравнивающим элементом служит светодиод.

Рис. 4.5 Стабилизатор напряжения с контролирующим оптроном

Если выходное напряжение в схеме рис. 4.5 возрастает, то увеличивается и ток проводимости светодиода. Фототранзистор оптрона воздействует на транзистор, подавляя возможную нестабильность выходного напряжения.

ЗАМЕНА ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИИ

В комплексе технических решений, ориентированных на повышение эффективности и качества устройств автоматики, радиотехники, электросвязи, промышленной и бытовой электроники, целесообразной и полезной мерой является замена электромеханических изделий (трансформаторов, реле, потенциометров, реостатов, кнопочных и клавишных переключателей) более компактными, долговечными, быстродействующими аналогами. Ведущая роль в этом направлении отводится оптоэлектронным приборам и устройствам. Дело в том, что весьма важные технические достоинства трансформаторов и электромагнитных реле (гальваническая развязка цепей управления и нагрузки, уверенное функционирование в мощных, высоковольтных, сильноточных системах) свойственны и оптронам. Вместе с тем оптоэлектронные изделия существенно превосходят электромагнитные аналоги по надежности, долговечности, переходным и частотным характеристикам. Управление компактными и бытродействующими оптоэлектронными трансформаторами, переключателями, реле уверенно осуществляется с помощью интегральных микросхем цифровой техники без специальных средств электрического согласования.

Пример замены импульсного трансформатора приведен на рис 4.6.

Рис 4.6 Схема оптоэлектронного трансформатора

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ФУНКЦИИ

В энергетическом режиме оптроны используются в качестве вторичных источников ЭДС и тока. КПД оптронных преобразователей энергии невелик. Однако возможность введения дополнительного источника напряжения или тока в любую цепь устройства без гальванической связи с первичным источником питания дает разработчику новую степень свободы, особенно полезную при решении нестандартных технических зада.

Голографические ИС (ГИС).

Основу датчиков составляют лазеры, представляющие собой когерентные источники света, когерентная оптика и оптоэлектронные преобразователи. Голографические измерительные системы отличаются высокой чувствительностью и повышенной точностью, что послужило основой широкого их применения в голографической интерферометрии. Голографическая интерферометрия обеспечивает бесконтактное измерение и одновременное получение информации от множества точек наблюдаемой поверхности с использованием меры измерения - длины световой волны, известной с высокой метрологической точностью.

Выполнение условий минимальной сложности ИС приводит к необходимости последовательного многократного использования отдельных устройств измерительного тракта, а следовательно, к применению ИС параллельно-последовательного действия, которые носят название многоточечных ИС. Работа таких ИС основана на принципе квантования измеряемых непрерывных величин по времени.

Измерительные системы с общей образцовой величиной - мультиплицированные развертывающие измерительные системы - содержат множество параллельных каналов. Структура системы включает датчики и устройство сравнения (одно для каждого канала измерения), источник образцовой величины и одно или несколько устройств представления измерительной информации. Мультиплицированные развертывающие измерительные системы позволяют в течение цикла изменения образцовой величины (развертки) выполнять измерение значений, однородных по физической природе измеряемых величин, без применения коммутационных элементов в канале измерения. Такие ИС имеют меньшее количество элементов по сравнению с ИС параллельного действия и могут обеспечить практически такое же быстродействие.

5. Применение в технике

Оптическая цифровая память

Для становящейся все более тесной связи между обработкой данных, текста и изображения необходимо применять новые методы записи информации, к которым предъявляются следующие требования:

более высокая емкость запоминающего устройства;

более высокая эффективность хранения архивных материалов,

лучшее соотношение между ценой и производительностью.

Это может быть достигнуто с помощью записи и считывания цифровой информации.

Принцип действия. Информация (речь, музыка, изображения, данные), содержащиеся в виде электрических сигналов, преобразуется в цифровые величины и выражается тем самым в виде последовательности импульсов, которая записывается в различной форме (в виде углублений или отверстий различной длины и расстояний между ними или магнитным способом) на диске запоминающего устройства.

При считывании считывающий свет, отраженный (рассеянный в обратном направлении) от этих углублений (отверстий), модулируется и с помощью фотоприемника преобразуется в соответствующий электрический сигнал.

Лазерно-оптическое считывание информации. С помощью этого способа в приборе, аналогичном проигрывателю, воспроизводится неконтактным способом записанная на диске информация (диаметр дисков до 30 см), причем применяются лазерные диски только для считывания, например видеодиски, компакт-диски.

Принцип действия. Кодирование информации происходит путем создания информационных микроуглублений, имеющих различную длину и различные расстояния между ними. Информация на диске сохраняется, таким образом, в цифровой форме, записанной по спирали, которая состоит из информационных ямок.

Лазерный видеодиск характеризуется следующими параметрами:

расстояние между двумя профилирующими дорожками 1,6 мкм;

ширина углубления 0,4 мкм;

максимальная длина углубления 3,3 мкм;

минимальная длина углубления 0,9 мкм;

максимальное расстояние между углублениями 3,3 мкм;

минимальное расстояние между углублениями 0,9 мкм.

При изготовлении видеодисков нанесенный прежде на подложку из стекла фотолак экспонируется с помощью специальной оптической системы излучением коротковолнового лазера (криптоновый лазер, l=0,35 мкм). После этого следует многоступенчатый процесс проявления, в результате которого образуется образцовый диск, который используется затем для изготовления других дисков путем оттиска. На полученные после отделения от образцового диска оттиски наносится зеркальное покрытие и слой лака, так что полученные при записи микроуглубления не могут быть закрыты частицами пыли. Пыль и царапины на защитном слое не мешают, поскольку они находятся вне плоскости фокусировки считывающей оптики (рис.2 ).

При считывании микроскопических маленьких структур используются эффекты дифракции и интерференции света. Оптическая считывающая система для видеодисков состоит из:

He-Ne-лазера (мощность мВт), который излучает линейно поляризованный свет;

делителя пучка, который разделяет свет на три пучка с соотношениями интенсивностей 1:3:1 (дифракционная решетка. Работающая на просвет с минус первым, нулевым и плюс первым порядками дифракции);

призмы Волластона (оптическая длина пути зависит от направления поляризации);

пластинки l/4;

считывающего объектива, перемещаемого по принципу катушки с подвижным сердечником в направлении оптической оси (ограниченный дифракцией микрообъектив очень малой массы);

системы фотоприемников (квадратных приемников), а также цилиндрической линзы.

Рассеянный в обратном направлении от диска свет лазерного пучка отображается на квадратном приемнике, лучи, использованные для слежения за дорожкой, попадают на приемники (рис. 3)

Таким образом, становится возможным формирование управляющих сигналов для корректной фокусировки считывающих лучей на информационной дорожке и обеспечение слежения за дорожкой.

Оптическая считывающая головка для цифрового лазерного проигрывателя. Обратно рассеянный от лазерной пластинки свет попадает на фотодиоды F1-F4 . Возникающие при этом фототоки комбинируются друг с другом таким образом, что становится возможным получение как управляющих сигналов для радиальной коррекции, так и управляющего сигнала для установки на резкость считывающей оптики (рис. 4).

Радиальный управляющий сигнал формируется комбинацией токов фотодиодов (F1+F2) - (F3+F4). Если считывающий объектив сфокусирован на информационную плоскость диска, то после призм 4 появляются два резких изображения между фотодиодами F1, F2, а также F3, F4. Если фокальная плоскость считывающего объектива находится за или перед информационной плоскостью, то изображения становятся нерезкими и движутся друг к другу или друг от друга. Тогда с помощью комбинации токов фотодиодов (F1+F2) - (F3+F4) может быть получен управляющий сигнал для установки на резкость считывающей головки.

Однократная запись информации. Этот принцип позволяет осуществить однократную запись и многократные считывания информации. Для этого на нижней стороне очень плоской стеклянной пластины наносится слой теллура. Две круглые стеклянные пластины юстируются относительно друг друга таким образом, что слои теллура защищены снаружи стеклянными пластинами.

На слоях теллура, находящихся на внутренних сторонах пластин, записывается информация. Пластины снабжены спиральной дорожкой (спиральной канавкой глубиной примерно l/4), которая служит для юстировки считывающего или записывающего луча. При записи одного бита информации в слое теллура импульсно повышается мощность полупроводникового лазера за время 50 нс до 12 мВт, при этом в слое возникает отверстие диаметром примерно 1 мкм. Запись и считывание осуществляются с помощью одинакового устройства, причем при считывании мощность полупроводникового лазера уменьшается до 1 мВт (рис. 5).

С помощью таких методов записи и считывания достигаются емкости запоминающего устройства (диаметр диска 30 см) 1010 бит информации (передняя и задняя сторона); свободно выбираемые времена доступа составляют 150 мс.

Применяемые лазеры:

He-Ne-лазер;

полупроводниковый лазер (все более часто).

Области применения:

запоминающее устройство для хранения банка данных с частым доступом;

запоминающее устройство для хранения архивных данных с отсроченным доступом;

внешнее дополнительное запоминающее устройство со свободно выбираемой адресацией в ЭВМ;

видеодиски для обучения;

видеодиски для библиотек и архивов;

запоминающие диски для управления и канцелярского дела;

аудиодиски с высококачественным воспроизведением звука.

Оптическая цифровая запись информации в магнитных слоях. В качестве носителя информации используется тонкий магнитооптический слой (преимущество: повторная запись данных).

Принцип действия. Запись информации происходит благодаря тому, что маленькие области магнитного слоя нагреваются с помощью сфокусированного лазерного луча, причем одновременно накладывается магнитное поле, напряженность которого меньше, чем коэрцитивная сила. В нагретых таким образом при наложенном магнитном поле областях исчезает намагниченность (запись точки Кюри). Считывание осуществляется таким же лазером при уменьшенной мощности, причем плоскость поляризации отраженного от диска света в зависимости от направления намагничивания маленьких областей поворачивается на величину 0,5 - 8 град (в зависимости от магнитооптического слоя) (магнитооптический эффект Керра).

Оптическое устройство записывающей и считывающей головки аналогично системам, используемым в описанных выше устройствах считывания и записи информации.

Дополнительно следует обратить внимание на рис. 6.

Свет, отраженный от маленьких перемагниченных областей, является эллиптически поляризованным и с помощью соответствующей фазовой пластинки преобразуется в линейно поляризованный. Линейно поляризованный свет разделяется на две составляющие, которые могут регистрироваться отдельно. Оба принятых сигнала подаются на дифференциальный усилитель и усиливаются. Усиленный сигнал прямо пропорционален поляризационному эффекту Керра.

Магнитооптическая запись позволяет в настоящее время иметь:

емкость памяти запоминающего устройства 105 бит/см2;

число циклов (запись, считывание, стирание) 106;

свободно выбираемые времена доступа 150 мс;

применение в качестве оперативной памяти в ЭВМ.

Оптический цифровой метод записи требует максимальной оптической и механической точности, а также:

предельно малого ограниченного дифракцией считывающего объектива;

считывающего объектива (микрообъектива) очень малой массы (0,6 г и меньше)

радиальных отклонений считывающего объектива с точностью ± 1 мкм;

ширины распределения интенсивности считывающего пятна по половине интенсивности примерно 1 мкм.

Цифровое оптическое запоминающее устройство позволяет производить неразрушающее считывание накопленной информации.

Оптическая передача информации

Применение света для передачи сообщения известно давно. Прежде всего в первой половине этого столетия были успешно применены инфракрасные устройства для передачи информации в специальных системах, однако вследствие некогерентности излучения и тем самым сильно ограниченной дальности действия (недостаточная направленность светового пучка) и модуляционной способности подобные системы передачи не получили широкого распространения. Лишь с разработкой лазера в распоряжении специалистов оказался источник света с отличными когерентными свойствами (большая длина когерентности), излучение которого при большой частоте n (не более 1015 Гц) и тем самым большой возможной полосе модуляции и малой ширине линии подходит для оптической передачи информации.

Развитие в этой области в последние годы происходило интенсивно и привело к тому, что в настоящее время уже существует большое число линий с лазером в качестве источника света. Оптические системы передачи информации работают с несущими частотами 1013 - 1015 Гц, соответствующими длинам волн l=33¸0,33 мкм. Применяемая длина волны из этого диапазона для передачи информации зависит от:

постановки задачи по передаче информации (требуемая полоса частот модуляции, расстояние, передающая среда);

источники света, имеющегося в распоряжении (в основном полупроводниковые инжекционные лазеры и светодиоды, в отдельных случаях миниатюрные твердотельные лазеры, СО2 лазеры);

модуляционной способности;

системы передачи (через вакуум, воздух, специальные газы, стекловолокно);

возможности демодуляции.

Принципиально система для оптической передачи информации состоит из шести компонентов.

При использовании полупроводниковых лазеров в качестве источников света внешний модулятор может быть исключен (напосредственная модуляция лазера с помощью возбуждающего тока в этом случае имеет преимущество).

Задача оптической передачи информации является передача излучения от передатчика к приемнику, и тем самым решающее значение приобретает среда распространения сигнала. Свойства среды в основном определяют конструкцию и размеры всей системы передачи, включая выбор источника света и приемника.

Передающие среды

Следует различать передачу информации в следующих средах: земной атмосфере, линзовых световодах, оптических волноводах.

Передача информации в земной атмосфере.

Соответствующие потери называются потерями свободного пространства. К этим потерям следует добавить потери при распространении излучения через атмосферу за счет поглощения, рассеяния, рефракции.

Для определения суммарных потерь на затухание для выбранной линии передач необходимы обширные измерения в течение больших промежутков времени при самых разнообразных атмосферных условиях при использовании источников света различных длин волн (рис. 9)

Оптическая передача информации в земной атмосфере рассматривается только для относительно коротких расстояний, при этом должны допускаться определенные кратковременные сбои при передаче информации: надежность линии передачи не более 99%.

Линзовые световоды. Возможность исключения мешающего влияния атмосферы на распространение лазерного пучка состоит в том, чтобы провести свет в определенной атмосфере (газ с малым поглощением) внутри трубы, при этом необходимы линзовые и зеркальные системы для подфокусировки и отклонения излучения.

В качестве линз применяются стеклянные или даже газовые линзы.

Преимущество: малые потери на поглощение и рассеяние.

Недостаток: необходима весьма точная юстировка многих оптических элементов, что трудно достигнуть при колебаниях температуры и вибрациях для больших промежутков времени; кроме того, прокладка линзовых световодов с большими длинами требует больших затрат.

Оптические волноводы. Оптический волновод - это стекловолокно, состоящее из сердцевины и оболочки, причем сердцевина имеет более высокий показатель преломления (nK) по сравнению с показателем преломления оболочки (nM). Вследствие полного внутреннего отражения свет распространяется в пределах сердцевины волокна, при этом необходимо использовать стекла с малым затуханием и дисперсией.

В зависимости от структуры световода рассматривают различные механизмы распространения (рис.10).

. Многомодовые световоды со ступенчатым профилем показателя преломления. Полное внутреннее отражение имеет место, если излучение падает на границу под углом меньшим, чем 2amax (угол ввода световых лучей в волновод).

. Одномодовые световоды со ступенчатым профилем показателя преломления. Диаметр сердцевины 5-10 мкм обусловливает распространение только одной моды, при этом теоретически ширина полосы передачи В>100 ГГц. Изготовление крайне малого диаметра сердцевины требует очень большой точности, при этом возникает проблема ввода излучения в оптическое волокно.

. Многомодовые световоды с градиентным профилем показателя преломления. Показатель преломления в области сердцевины непрерывно уменьшается от середины к краю. Излучение за счет преломления волнообразно распространяется около оси оптического волокна. Поскольку все лучи имеют примерно одинаковые времена распространения, то градиентные волокна имеют очень большую ширину пропускания.

Существенными требованиями к оптическому световоду являются необходимость слабого затухания и большой ширины полосы пропускания.

Затухание в оптических волокнах обусловлено поглощением и рассеянием, в частности, на примесях. Дополнительные потери возникают из-за неоднородностей в поперечном сечении волокна и из-за его кривизны. Само затухание зависит от применяемого стекла для сердцевины и оболочки, от различных примесей, а также от длины волны (рис. 11).

Световые лучи, распространяющиеся под различными углами к оси стекловолокна (моды), проходят различные длины путей, что приводит к различным временам распространения. Разброс во времени распространения приводит за счет межмодовой дисперсии к ограничению ширины полосы пропускания. Для конечной ширины спектра Dl источников света дисперсия материала световода приводит также к дополнительному ограничению ширины полосы передачи (рис. 12).

Вследствие высокой несущей частоты светового пучка можно использовать для модуляции практически очень высокие частоты. Используемую для передачи информации полосу частот называют шириной полосы частот сигнала, она может достигать несколько гигагерц. Тем самым возможна одновременная передача очень большого объема информации.

Для достижения хороших характеристик передачи оптического волновода существенными являются:

малые изменения геометрических размеров, а также хорошая центровка сердцевины;

малые изменения профиля показателя преломления.

Для применения в оптических системах передачи информации световоды должны быть выполнены в виде оптических кабелей. Существует большое количество конструкций кабеля.

Источники света для волоконно-оптических систем связи

Для оптической передачи информации в диапазоне длин волн от 0,4 до 30 мкм в качестве источников света применяют светодиоды, лазеры во всем диапазоне длин волн.

Источники света для оптической связи в свободном пространстве.

He-Ne-лазер, l=0,63 мкм - излучение лежит в видимом оптическом диапазоне, что сильно облегчает юстировку линии передачи;

CO2- лазер, l=10,6 мкм - пригоден для более протяженных линий передач, поскольку с помощью этих лазеров достигаются более высокие выходные мощности в непрерывном режиме (10-15 Вт).

Недостатками обоих лазеров являются их низкий КПД, а также их большие размеры.

Nd-ИАГ- лазер, l=1,06 мкм, и его вторая гармоника, l=0,53 мкм - этот лазер используется преимущественно для передачи информации между наземными станциями и спутниками.

Источники света для оптической связи по световодам. Эти источники должны удовлетворять следующим условиям:

длина волны излучения должна лежать в диапазоне минимального затухания;

излучающая поверхность должна соответствовать примерно диаметру световода для хорошего согласования источника света и световода без фокусирующих элементов.

Эти требования выполняются с помощью полупроводниковых элементов. Поэтому в качестве источников света служат:

светодиоды полупроводниковые инжекционные лазеры, работающие в непрерывном и импульсном режимах

Из-за малого затухания в световоде на длине волны l-1,3 мкм и l=1,55 мкм разработаны специально для этих длин волн лазеры на двойной гетероструктуре InGaAsP/InP, причем достигается выходная мощность 15 мВт.

Для протяженных линий связи в качестве источников света используются лазеры. Они имеют, правда, также некоторые существенные недостатки по сравнению со светодиодами. К ним относятся:

более сильная зависимость от температуры частоты излучения;

более низкий срок службы;

более высокая стоимость.

Модуляция.

Модуляция - это изменение параметров светового луча в зависимости от управляющего (модулирующего) сигнала, несущего информацию, при этом различают две основные формы модуляции: внешнюю и прямую.

При внешней модуляции поляризованный световой луч проходит вне источника света в модулятор, в котором в такте передаваемого сигнала изменяется амплитуда или фаза излучения. Модулятор работает, в общем, на основе электрооптического эффекта.

При прямой модуляции излучение модулируется непосредственно за счет возбуждения источника света, т.е. источник света сам излучает модулированный свет. Прямая модуляция может быть реализована только в светодиодах и инжекционных лазерах, что достигается путем модуляции тока накачки.

Аналоговая модуляция имеет недостаток в сравнении с другими различными возможностями импульсной модуляции, включая и КИМ.

Отношение сигнал/ шум на приемнике, необходимое для неискаженного обнаружения сигнала, должно быть более высоким по сравнению с импульсно-кодовой модуляцией на 20 дБ.

В оптических системах передачи информации особенно выгодны системы с ИКМ.

Приемники

Обнаружение модулированного излучения при одновременной демодуляции, т.е. воспроизведение передаваемой информации, осуществляется с помощью оптоэлектронных приемников (детекторов).

Применяемые фотодетекторы должны иметь следующие характеристики:

высокую чувствительность в спектральном диапазоне применяемого источника света;

высокое временное разрешение;

малые шумы;

нечувствительность к температуре;

простую возможность соединения со световодом;

большой срок службы;

низкую стоимость.

Применяются специальные фотодиоды, которые наиболее полно удовлетворяют этим требованиям.

Ретрансляторы

Из-за потерь и дисперсии в световоде возникает ослабление и искажение распространяющегося импульса, так что после определенного расстояния необходима регенерация импульса. Эта регенерация осуществляется в ретрансляторе. Задача этого устройства состоит в том, чтобы осуществить усиление, а также формирование (регенерацию) импульса.

Принцип действия такого устройства состоит в том, что приходящий оптический сигнал в приемнике преобразуется в электрические импульсы, а затем происходит их усиление, а также формирование в электронном усилителе. Регенерированный и усиленный сигнал служит затем в качестве управляющего сигнала в источнике света передатчика, который снова передает сигнал по следующей волоконно-оптической линии.

Регенерация импульсов должна повторяться через определенное расстояние в линии передачи. Допустимое максимальное расстояние между двумя ретрансляторами зависит от параметров системы, в частности от скорости передачи двоичных единиц информации, источника света и применяемого типа световода.

Системы связи.

Оптические системы передачи информации в настоящее время используются в тех случаях, когда должно быть использовано преимущество большой ширины полосы канала передачи и могут быть реализованы большие линии связи.

Волоконно-оптические системы передачи информации разделяют на системы передачи ближнего действия, системы передачи дальнего действия, системы передачи среднего действия.

В системах передачи информации ближнего действия длины каналов передачи, предусмотренных преимущественно для промышленного применения, достигают от нескольких метров до нескольких сот метров. Области применения - управление с помощью вычислительной машины, связь с ЭВМ и использование в системах автоматики.

Системы передачи среднего действия имеют длины линий передач до нескольких километров. Типичными областями применения являются передача данных, видеосигнала, например кабельное телевидение.

Система передачи дальнего действия служит для перекрытия больших расстояний.

6. Обзор существующих методов передачи на волоконно-оптических системах передачи городских телефонных сетей

Принципы построения и основные особенности ВОСП на ГТС

Особенностью соединительных линий (С.Л) является относительно небольшая их длина за счет глубокого районирования сетей. Статистика распределения протяженности С.Л городской телефонной сети в крупнейших городах России свидетельствует, что С.Л протяженностью

до 6 км составляют 65% от всего числа СЛ. Значительные расстояния между регенерационными пунктами ВОСП дают возможность отказаться от оборудования регенераторов в колодцах телефонной канализации, а также от организации дистанционного питания.

На передающей стороне на излучатель света, в качестве которого в ВОСП используется светодиод или полупроводниковый лазер, поступает электрический сигнал, предназначенный для передачи по линии связи. Этот сигнал модулирует оптическое излучение источника света, в результате чего электрический сигнал преобразуется в оптический. На приемной стороне оптический сигнал из О.В. вводится в фотодетектор (Ф.Д). В современных ВОСП в качестве Ф.Д. используют p-i-n или лавинный фото диод (ЛФД).

Фотодетектор преобразует падающее на него оптическое излучение в исходный электрический сигнал. Затем электрический сигнал поступает на усилитель (регенератор) и отправляется получателю сообщения.

Внедрение ВОСП на местных сетях началось в 1986 г. вводом в эксплуатацию на ГТС вторичной цифровой волоконно-оптической системы передачи на базе аппаратуры “Соната-2”. С её использованием во многих городах сооружены линии связи. Аппаратура “Соната-2” сопрягается со стандартным канало- и группо-образующим оборудованием типов ИКМ-30 и ИКМ-120. В 1990 г. начат промышленный выпуск оборудования вторичной цифровой системы передачи (ЦСП) для городских сетей ИКМ-120-5, предназначенной для передачи по градиентному оптическому кабелю (О.К.) линейного тракта, работающего на длинах волн 0,85 или 1,3 мкм. Разработана ВОСП “Сопка-Г”, предназначенная для организации оптического линейного тракта со скоростью передачи 34,368 Мбит/с по одномодовому и градиентному оптическому кабелю, с рабочей длиной волны 1,3 мкм. Аппаратура “Сопка-Г” выполнена в конструкции ИКМ-30-4, ИКМ-120-5 и аналогична им по системе технического обслуживания, то есть является продолжением единого семейства ЦСП для городской сети.

Выбор элементной базы при реализации ВОСП и параметры её линейного тракта зависят от скорости передачи символов цифрового сигнала. МККТТ установлены правила объединения цифровых сигналов и определена иерархия аппаратуры временного объединения цифровых сигналов электросвязи. Сущность иерархии состоит в ступенчатом расположении указанной аппаратуры, при котором на каждой ступени объединяется определённое число цифровых сигналов, имеющих одинаковую скорость передачи символов, соответствующую предыдущей ступени. Цифровые сигналы во вторичной, третичной, и т.д. системах получаются объединением сигналов предыдущих иерархических систем. Для европейских стран установлены следующие стандартные скорости передачи для различных ступеней иерархии (соответственно ёмкости в телефонных каналах): первая ступень-2.048 Мбит/с (30 каналов), вторая-8.448 Мбит/с (120 каналов), третья-34.368 Мбит/с (480 каналов), четвертая-139.264 Мбит/с (1920 каналов). В соответствии с приведенными скоростями можно говорить о первичной, вторичной, третичной и четвертичной группах цифровых сигналов электрической связи (в этом же порядке присвоены названия системам ИКМ).

Аппаратура, в которой выполняется объединение этих сигналов, называется аппаратурой временного объединения цифровых сигналов. На выходе этой аппаратуры цифровой сигнал скремблируется скремблером, то есть преобразуется по структуре без изменения скорости передачи символов для того, чтобы приблизить его свойства к свойствам случайного сигнала (рис.1.3). Это позволяет достигнуть устойчивой работы линии связи вне зависимости от статистических свойств источника информации. Скремблированный сигнал может подаваться на вход любой цифровой системы передачи, что осуществляется при помощи аппаратуры электрического стыка.

Для каждой иерархической скорости МККТТ рекомендует свои коды стыка, например для вторичной - код HDB-3, для четверичной - код CMI и т.д. Операцию преобразования бинарного сигнала, поступающего от аппаратуры временного объединения в код стыка, выполняет преобразователь кода стыка. Код стыка может отличаться от кода принятого в оптическом линейном тракте. Операцию преобразования кода стыка в код цифровой ВОСП выполняет преобразователь кода линейного тракта, на выходе которого получается цифровой электрический сигнал, модулирующий ток излучателя передающего оптического модуля. Таким образом, волоконно-оптические системы передачи строятся на базе стандартных систем ИКМ заменой аппаратуры электрического линейного тракта на аппаратуру оптического линейного тракта.

Линейные коды ВОСП на ГТС

Оптическое волокно, как среда передачи, а также оптоэлектронные компоненты фотоприёмника и оптического передатчика накладывают ограничивающие требования на свойства цифрового сигнала, поступающего в линейный тракт. По этому между оборудованием стыка и линейным трактом ВОСП помещают преобразователь кода. Выбор кода оптической системы передачи сложная и важная задача. На выбор кода влияет, во первых, нелинейность модуляционной характеристики и температурная зависимость излучаемой оптической мощности лазера, которые приводят к необходимости использования двухуровневых кодов.

Во вторых, вид энергетического спектра, который должен иметь минимальное содержание низкочастотных (НЧ) и высокочастотных (ВЧ) компонент. Энергетический спектр содержит непрерывную и дискретную части. Непрерывная часть энергетического спектра цифрового сигнала зависит от информационного сигнала и типа кода. Для того, чтобы цифровой сигнал не искажался в усилителе переменного тока фотоприёмника желательно иметь низкочастотную составляющую непрерывной части энергетического спектра подавленной, в противном случае для реализации оптимального приёма перед решающим устройством регенератора требуется введение дополнительного устройства, предназначенного для восстановления НЧ составляющей, что усложняет оборудование линейного тракта. Существует ещё одна причина для уменьшения низкочастотной составляющей сигнала. Дело в том, что оптическая мощность, излучаемая полупроводниковым лазером, зависит от окружающей температуры и может быть легко стабилизирована посредством отрицательной обратной связи (ООС) по среднему значению излучаемой мощности только в том случае, когда отсутствует НЧ часть спектра, изменяющаяся во времени. Иначе в цепь ООС придется вводить специальные устройства, компенсирующие эти изменения.

В третьих, для выбора кода существенно высокое содержание информации о тактовом синхросигнале в линейном сигнале. В приёмнике эта информация используется для восстановления фазы и частоты хронирующего колебания, необходимого для управления принятием решения в пороговом устройстве. Осуществить синхронизацию тем проще, чем больше число переходов уровня в цифровом сигнале, то есть чем больше переходов вида 0-1 или 1-0. Лучшим с точки зрения восстановления тактовой частоты и простоты реализации схемы выделения хронирующей информации, является сигнал, имеющий в энергетическом спектре дискретную составляющую на тактовой частоте.

В четвертых, код не должен каких-либо ограничений на передаваемое сообщение и обеспечивать однозначную передачу любой последовательности нулей и единиц.

В пятых, код должен обеспечивать возможность обнаружения и исправления ошибок. Основной величиной, характеризующей качество связи, является частость появления ошибок или коэффициент ошибок, определяемый отношением среднего количества неправильно принятых посылок к их общему числу. Контроль качества связи необходимо производить, не прерывая работу линии. Это требование предполагает использование кода, обладающего избыточностью, тогда достаточно фиксировать нарушение правил формирования кода, чтобы контролировать качество связи.

Кроме вышеперечисленных требований на выбор кода оказывает влияние простота реализации, низкое потребление энергии и малая стоимость оборудования линейного тракта.

В современных оптоволоконных системах связи для городской телефонной сети ИКМ-120-4/5 и ИКМ-480-5 для передачи в качестве линейного кода используется код CMI, отвечающий большинству вышеперечисленных требований. Особенностью данного кода является сочетание простоты кодирования и возможности выделения тактовой частоты заданной фазы с помощью узкополосного фильтра. Код строится на основе кода HDB-3 (принцип построения представлен на рис.1.4). Здесь символ +1 преобразуется в кодовое слово 11, символ -1 -в кодовое слово 00, символ 0 -в 01. Из рисунка 4 видно, что для CMI характерно значительное число переходов, что свидетельствует о возможности выделения последовательности тактовых импульсов. Текущие цифровые суммы кодов имеют ограниченное значение. Это позволяет контролировать величину ошибки достаточно простыми средствами. Число одноименных следующих друг за другом символов не превышает двух - трех. Избыточность кода CMI можно использовать для передачи служебных сигналов. Применяя для этой цели запрещенный в обычном режиме блок 10, а также нарушение чередований 11 и 00.

Источники света ВОСП

Источники света волоконно-оптических систем передачи должны обладать большой выходной мощностью, допускать возможность разнообразных типов модуляции света, иметь малые габариты и стоимость, большой срок службы, КПД и обеспечить возможность ввода излучения в оптическое волокно с максимальной эффективностью. Для ВОСП потенциально пригодны твердотельные лазеры, в которых активным материалом служит иттрий-алюминиевый гранат, активированный ионами ниодима с оптической накачкой (например СИД), у которого основной лазерный переход сопровождается излучением с длиной волны 1,064 мкм. Узкая диаграмма направленности и способность работать в одномодовом режиме с низким уровнем шума являются плюсами данного типа источников. Однако большие габариты, малый КПД, потребность во внешнем устройстве накачки являются основными причинами, по которым этот источник не используется в современных ВОСП. Практически во всех волоконно-оптических системах передачи, рассчитанных на широкое применение, в качестве источников излучения сейчас используются полупроводниковые светоизлучающие диоды и лазеры. Для них характерны в первую очередь малые габариты, что позволяет выполнять передающие оптические модули в интегральном исполнении. Кроме того, для полупроводниковых источников света характерны невысокая стоимость и простота обеспечения модуляции.

Первое поколение передатчиков сигналов по оптическому волокну было внедрено в 1975 году. Основу передатчика составлял светоизлучающий диод, работающий на длине волны 0.85 мкм в многомодовом режиме. В течение последующих трех лет появилось второе поколение - одномодовые передатчики, работающие на длине волны 1.3 мкм. В 1982 году родилось третье поколение передатчиков - диодные лазеры, работающие на длине волны 1.55 мкм. Исследования продолжались, и вот появилось четвертое поколение оптических передатчиков, давшее начало когерентным системам связи - то есть системам, в которых информация передается модуляцией частоты или фазы излучения. Такие системы связи обеспечивают гораздо большую дальность распространения сигналов по оптическому волокну. Специалисты фирмы NTT построили безрегенераторную когерентную ВОЛС STM-16 на скорость передачи 2.48832 Гбит/с протяженностью в 300 км, а в лабораториях NTT в начале 1990 года ученые впервые создали систему связи с применением оптических усилителей на скорость 2.5 Гбит/с на расстояние 2223 км.

Детекторы ВОСП

Функция детектора волоконно-оптических систем передачи сводится к преобразованию входного оптического сигнала, который затем, как правило, подвергается усилению и обработке схемами фотоприемника. Предназначенный для этой цели фотодетектор должен воспроизводить форму принимаемого оптического сигнала, не внося дополнительного шума, то есть обладать требуемой широкополосностью, динамическим диапазоном и чувствительностью. Кроме того, Ф.Д. должен иметь малые размеры (но достаточные для надежного соединения с оптическим волокном), большой срок службы и быть не чувствительным к изменениям параметров внешней среды. Существующие фотодетекторы далеко не полно удовлетворяют перечисленным требованиям. Наиболее подходящими среди них для применения в волоконно-оптических системах передачи являются полупроводниковые p-i-n фотодиоды и лавинные фотодиоды (ЛФД). Они имеют малые размеры и достаточно хорошо стыкуются с волоконными световодами. Достоинством ЛФД является высокая чувствительность (может в 100 раз превышать чувствительность p-i-n фотодиода), что позволяет использовать их в детекторах слабых оптических сигналов. Однако, при использовании лавинных фотодиодов нужна жесткая стабилизация напряжения источника питания и температурная стабилизация, поскольку коэффициент лавинного умножения, а следовательно фототок и чувствительность ЛФД, сильно зависит от напряжения и температуры. Тем не менее, лавинные фотодиоды успешно применяются в ряде современных ВОСП, таких как ИКМ-120/5, ИКМ-480/5, “Соната”.

Оптические кабели ВОСП

Оптический кабель (ОК) предназначен для передачи информации, содержащейся в модулированных электромагнитных колебаниях оптического диапазона. В настоящее время используется диапазон длин волн от 0.8 до 1.6 мкм, соответствующий ближним инфракрасным волнам. В будущем возможно расширение рабочего диапазона в область дальних инфракрасных волн с длинами волн от 5 до 10 мкм. Оптический кабель содержит один или несколько световодов. Световод - это направляющая система для электромагнитных волн оптического диапазона. Практическое значение имеют только волоконные световоды, изготовленные из высоко прозрачного диэлектрика: стекла или полимера. Для концентрации поля волны вблизи оси световода используется явление преломления и полного отражения в волокне с показателем преломления, уменьшающимся от оси к периферии плавно либо скачками. Световод состоит из оптического волокна и покрытия. Оптическое волокно (ОВ) из стекла изготавливается обычно с внешним диаметром 100 - 150 мкм. Конструкция ОВ показана на рис.1.5. Оптическое волокно состоит из сердечника с показателем преломления n1 и оболочки с показателем преломления n2, причем n1>n2. Спецификой ОВ является их высокая чувствительность к внешним механическим воздействиям. Кварцевое оптическое имеет малый температурный коэффициент расширения, высокий модуль упругости и низкий предел упругого растяжения; при относительном удлинении 0.5 - 1.5% оно ломается. Обрыв волокна происходит в сечении, наиболее ослабленном микротрещинами, возникающими на его поверхности. Микротрещины развиваются при попадании на поверхность влаги, поэтому прочность непокрытого волокна быстро уменьшается, особенно во влажной атмосфере. Механические характеристики оптического волокна, поступающего на кабельное производство, столь же важны и подлежат такой же тщательной проверке, как и оптические его параметры.

Передача света по любому световоду может осуществляться в двух режимах: одномодовом и многомодовом. Одномодовым называется такой режим, при котором распространяется только одна основная мода

Если неравенство (1.1) не удовлетворено, то в световоде устанавливается многомодовый режим. Очевидно, что тип модового режима зависит от характеристик световода (а именно радиуса сердцевины и величины показателей преломления) и длины волны передаваемого света. Оптические волокна, предназначенные для работы в одномодовом режиме, называют одномодовыми оптическими волокнами. Соответственно ОВ для многомодового режима называют многомодовыми.

Различают световоды со ступенчатым профилем, у которых показатель преломления сердцевины n1 одинаков по всему поперечному сечению, и градиентные - с плавным профилем, у которых n1 уменьшается от центра к периферии (рис.1.6).

Фазовая и групповая скорости каждой моды в световоде зависят от частоты, то есть световод является дисперсной системой. Вызванная этим волноводная дисперсия является одной из причин искажения передаваемого сигнала. Различие групповых скоростей различных мод в многомодовом режиме называется модвой дисперсией. Она является весьма существенной причиной искажения сигнала, поскольку он переносится по частям многими модами. В одномодовом режиме отсутствует модовая дисперсия, и сигнал искажается значительно меньше, чем в многомодовом, однако в многомодовый световод можно ввести большую мощность.

Оптические волокна имеют очень малое (по сравнению с другими средами) затухание светового сигнала в волокне. Лучшие образцы российского волокна имеют затухание 0.22 дБ/км на длине волны 1.55 мкм, что позволяет строить линии связи длиной до 100 км без регенерации сигналов. Для сравнения, лучшее волокно Sumitomo на длине волны 1.55 мкм имеет затухание 0.154 дБ/км. В оптических лабораториях США разрабатываются еще более "прозрачные", так называемые фтороцирконатные волокна с теоретическим пределом порядка 0,02 дБ/км на длине волны 2.5 мкм. Лабораторные исследования показали, что на основе таких волокон могут быть созданы линии связи с регенерационными участками через 4600 км при скорости передачи порядка 1 Гбит/с.

На сегодняшний день для городской телефонной сети отечественной промышленностью выпускаются кабели марки ОК имеющие четыре и восемь волокон. Конструкция ОК-8 приведена на рис.1. 7. Оптические волокна 1 (многомодовые, ступенчатые) свободно располагаются в полимерных трубках 2. Скрутка оптических волокон - повивная, концентрическая. В центре - силовой элемент 3 из высокопрочных полимерных нитей в пластмассовой трубке 4. Снаружи - полиэтиленовая лента 5 и оболочка 6. Кабель ОК-4 имеет принципиально те же конструкцию и размеры, но четыре ОВ в нем заменены пластмассовыми стержнями.

Недостатки волоконно-оптической технологии:

А.Необходимы также оптические коннекторы (соединители) с малыми оптическими потерями и большим ресурсом на подключение-отключение. Точность изготовления таких элементов линии связи должна соответствовать длине волны излучения, то есть погрешности должны быть порядка доли микрона. Поэтому производство таких компонентов оптических линий связи очень дорогостоящее.

Б.Другой недостаток заключается в том, что для монтажа оптических волокон требуется прецизионное, а потому дорогое, технологическое оборудование.

В.Как следствие, при аварии (обрыве) оптического кабеля затраты на восстановление выше, чем при работе с медными кабелями

Тем не менее, преимущества от применения волоконно-оптических линий связи (ВОЛС) настолько значительны, что, несмотря на перечисленные недостатки оптического волокна, эти линии связи все шире используются для передачи информации.

Одноволоконные оптические системы передачи.

Широкое применение на городской телефонной сети волоконно-оптических систем передачи для организации межузловых соединительных линий позволяет в принципе решить проблему увеличения пропускной способности сетей. В ближайшие годы потребность в увеличении числа каналов будет продолжать быстро расти. Наиболее доступным способом увеличения пропускной способности ВОСП в два раза является передача по одному оптическому волокну двух сигналов в противоположных направлениях. Анализ опубликованных материалов и завершенных исследований и разработок одноволоконных оптических (ОВОСП) систем передачи позволяет определить принципы построения таких систем.

Наиболее распространенные и хорошо изученные ОВОСП, работающие на одной оптической несущей, кроме оптического передатчика и приемника содержат пассивные оптические разветвители. Замена оптических разветвителей н оптические циркуляторы позволяет уменьшить потери в линии 6 дБ, а длину линии - соответственно увеличить. При использовании разных оптических несущих и устройств спектрального уплотнения каналов можно в несколько раз повысить пропускную способность и соответственно снизить стоимость в расчете на один канало - километр.

Увеличить развязку между противонаправленными оптическими сигналами, снизить требования к оптическим разветвителям, а следовательно, уровень помех и увеличить длину линии можно путем специального кодирования, при котором передача сигналов одного направления осуществляется в паузах передачи другого направления. Кодирование сводится к уменьшению длительности оптических импульсов и образованию длительных пауз, необходимых для развязки сигналов различных направлений. В ВОСП, построенных подобным образом, могут быть использованы эрбиевые волоконно-оптические усилители. Дуплексная связь организуется по принципу разделения по времени, которое изменяется с помощью изменения направления накачки.

Развязку между оптическими сигналами можно увеличить, не прибегая к обужению импульсов, если доя передачи в одном направлении когерентное оптическое излучение и соответствующие методы модуляции, а в другом - модуляцию сигнала по интенсивности. При этом существенно уменьшается влияние как оптических разветвителей, так и обратного рассеяния оптического волокна.

Если позволяет энергетический потенциал аппаратуры, на относительно коротких линиях может быть использован только один оптический источник излучения на одном конце линии. На другом конце вместо модулируемого оптического источника применяется модулятор отраженного излучения. Такой метод дуплексной связи по одному ОВ обеспечивает высокую надежность оборудования и применение волоконно-оптических систем передачи в экстремальных условиях эксплуатации.

По достижении высокого уровня развития волоконно-оптической техники, когда станет практически возможным передавать оптически сигналы на различных модах ОВ с достаточной для ВОСП развязкой, дуплексная связь по одному ОВ может быть организована на двух разных модах, распространяющихся в разных направлениях, с использованием модовых фильтров и формирователей мод излучения.

Каждая одноволоконная ВОСП рассмотренных типов имеет достоинства и недостатки. В таблице 1 показаны достоинства (знаком “+”) систем, их возможности в отношении достижения наилучших параметров.

На сетях связи находят применение одноволконные ВОСП с оптическими разветвителями и со спектральным уплотнением. Впервые практически спектральное уплотнение реализовано на одной из волоконно-оптических систем передачи ГТС в Петербурге. Здесь примененено отечественное оборудование - четырехволоконный оптический кабель, аппаратура “Соната-2” (длина волны 0.85 мкм) и ИКМ-120-4/5 (длина волны 1.3 мкм). В качестве устройств спектрального уплотнения использовались устройства спектрального объединения и деления УСОД-0.85/1.3. Они представляют собой пассивные оптические устройства, обеспечивающие с помощью интерференционного светофильтра объединение в одном ОВ и разделение сигналов с несущими на волнах 0.85 и 1.3 мкм. Схема организации световодного тракта со спектральным уплотнением показана на рис.1.8.

Построение передающих и приемных устройств ВОСП ГТС.

Виды модуляции оптических колебаний.

Для передачи информации по оптическому волокну необходимо изменение параметров оптической несущей в зависимости от изменений исходного сигнала. Этот процесс называется модуляцией.

Существует три вида оптической модуляции:

Прямая модуляция. При этом модулирующий сигнал управляет интенсивностью (мощностью) оптической несущей. В результате мощность излучения изменяется по закону изменения модулирующего сигнала.

Внешняя модуляция. В этом случае для изменения параметров несущей используют модуляторы, выполненные из материалов, показатель преломления которых зависит от воздействия либо электрического, либо магнитного, либо акустического полей. Изменяя исходными сигналами параметры этих полей, можно модулировать параметры оптической несущей.

Внутренняя модуляция. В этом случае исходный сигнал управляет параметрами модулятора, введённого в резонатор лазера.

Для внешней модуляции электрооптические (ЭОМ) и акустооптические (АОМ) модуляторы.

Принцип действия ЭОМ основан на электрооптическом эффекте - изменении показателя преломления ряда материалов под действием электрического поля. Эффект, когда показатель преломления линейно зависит от напряженности поля, называется эффектом Поккельса. Когда величина показателя преломления не линейно зависит от напряженности электрического поля, то это эффект Керра. Эффект Поккельса наблюдается в некоторых анизотропных кристаллах, когда эффект Керра в ряде жидкостей (нитроглицерине, сероуглероде). Акустооптические модуляторы основаны на акустооптическом эффекте - изменении показателя преломления вещества под воздействием ультразвуковых волн.

Ультразвуковые волны возбуждаются в веществе с помощью пъезокристалла, на который подается сигнал от генератора с малым выходным сопротивлением и большой акустической мощностью.

Наиболее простым с точки зрения реализации видом модуляции является прямая модуляция оптической несущей по интенсивности на основе полупроводникового источника излучения. На рис.1.12 представлена схема простейшего прямого модулятора. Здесь исходный сигнал через усилитель подаётся на базу транзистора V1, в коллектор которого включен излучатель V2. Устройство смещения позволяет выбрать рабочую точку на ватт-амперной характеристике излучателя. Именно прямая модуляция используется на городской телефонной сети в системах “Соната-2” и ИКМ-120.

Оптический передатчик.

На рис.1.13 представлена структурная схема оптического передатчика (ОП) с прямой модуляцией несущей. Преобразователь кода ПК преобразует стыковой код, в код, используемый в линии, после чего сигнал поступает на модулятор. Схема оптического модулятора исполняется в виде передающего оптического модуля (ПОМ), который помимо модулятора содержит схемы стабилизации мощности и частоты излучения полупроводникового лазера или светоизлучающего диода. Здесь модулирующий сигнал через дифференциальный усилитель УС-1 поступает в прямой модулятор с излучателем (МОД). Модулированный оптический сигнал излучается в основное волокно ОВ-1. Для контроля мощности излучаемого оптического сигнала используется фотодиод (ФД), на который через вспомогательное волокно ОВ-2 подается часть излучаемого оптического сигнала. Напряжение на выходе фотодиода, отображающее все изменения оптической мощности излучателя, усиливается усилителем УС-2 и подается на инвертирующий вход усилителя УС-1. Таким образом, создается петля отрицательной обратной связи, охватывающая излучатель. Благодаря введению ООС обеспечивается стабилизация рабочей точки излучателя. При повышении температуры энергетическая характеристика лазерного диода смещается (рис.1.14), и при отключенных цепях стабилизации мощности уровень оптической мощности при передаче “0” (Р0) и при передаче “1” (Р1) уменьшаются, разность тока смещения Iб и порогового тока Iп увеличивается, а разность Р1-Р0 уменьшается. После времени установления переходных процессов в цепях стабилизации устанавливаются новые значения Iб и Iп и восстанавливаются прежние значения Р1-Р0 и Рср. Для уменьшения температурной зависимости порогового тока в передающем оптическом модуле имеется схема термокомпенсации (СТК), поддерживающая внутри ПОМ постоянную температуру с заданным отклонением от номинального значения. Современные микрохолодильники позволяют получать отклонения не более тысячных долей градуса.

Оптический приемник.

Структурная схема оптического приемника (ОПр) показана на рис.1.15. Приемник содержит фотодетектор (ФД) для преобразования оптического сигнала в электрический. Малошумящий усилитель (УС) для усиления полученного электрического сигнала до номинального уровня. Усиленный сигнал через фильтр (Ф), формирующий частотную характеристику приемника, обеспечивающую квазиоптимальный прием, поступает в устройство линейной коррекции (ЛК). В ЛК компенсируются частотные искажения электрической цепи на стыке фотодиода и первого транзистора усилителя. После преобразований сигнал поступает на вход решающего устройства (РУ), где под действием тактовых импульсов, поступающих от устройства выделения тактовой частоты (ВТЧ), принимается решение о принятом символе. На выходе оптического приёмника имеется преобразователь кода (ПК), преобразующий код линейный в стыковой код.

Таблица 6.1 - Сравнительная характеристика принципов построения одноволконных ВОСП

Выводы

В главе рассмотрены основополагающие принципы построения волоконно-оптических систем передачи на городской телефонной сети.

На ГТС ВОСП используются для уплотнения соединительных линий, для которых характерна небольшая длина, что позволяет отказаться от оборудования регенераторов в колодцах телефонной канализации. Волоконно-оптические системы передачи ГТС строятся на базе стандартного каналообразующего оборудования ИКМ, что позволяет легко модернизировать существующие соединительные линии для работы по оптическому кабелю.

В качестве линейного кода ВОСП ГТС используется код CMI, который позволяет выделять последовательность тактовых импульсов, контролировать величину ошибки. Число одноименных следующих друг за другом символов не превышает двух - трех, что положительно сказывается на устойчивости работы ВОСП.

Практически во всех волоконно-оптических системах передачи, рассчитанных на широкое применение, в качестве источников излучения сейчас используются полупроводниковые светоизлучающие диоды и лазеры. Для них характерны в первую очередь малые габариты, что позволяет выполнять передающие оптические модули в интегральном исполнении. Кроме того, для полупроводниковых источников света характерны невысокая стоимость и простота обеспечения модуляции.

В качестве приемников света в волоконно-оптических систем передачи на ГТС применяются лавинные фотодиоды, достоинством которых является высокая чувствительность. Однако, при использовании лавинных фотодиодов нужна жесткая стабилизация напряжения источника питания и температурная стабилизация, поскольку коэффициент лавинного умножения, а следовательно фототок и чувствительность ЛФД, сильно зависит от напряжения и температуры.

Передача оптических сигналов в ВОСП на ГТС осуществляется в многомодовом режиме, поскольку соединительные линии относительно коротки и дисперсионные процессы в оптических волокнах незначительны. На сегодняшний день для городской телефонной сети используются кабели марки ОК имеющие четыре или восемь ступенчатых многомодовых волокон.

В ближайшие годы потребность в увеличении числа каналов будет расти. Наиболее доступным способом увеличения пропускной способности ВОСП в два раза является передача по одному оптическому волокну двух сигналов в противоположных направлениях. Сегодня на городских сетях связи находят применение одноволконные ВОСП с оптическими разветвителями и со спектральным уплотнением.

Принимая материалы обзора существующих методов передачи на волоконно-оптических системах передачи городских телефонных сетей за основу переходим к рассмотрению следующей главы.

Выбор и обоснование структурной схемы передатчика

Возможные методы построения структурных схем одноволоконных ВОСП.

Как упоминалось в предыдущей главе, на сетях связи находят широкое применение волоконнооптические системы передачи со спектральным уплотнением. Кроме того, на низких скоростях передачи, до 140 Мбит\сБ где наблюдается взаимодействие между противонаправленными сигналами из-за обратного рассеяния, могут быть эффективно использованы системы с разделением по времени.

Рассмотрим несколько методов и схем построения одноволоконных ВОСП различных типов и различного назначения.

ВОСП, на основе различных способов разветвления оптических сигналов.

Данная группа схем включает в себя овдноволоконные ВОСП с оптическими разветвителями, с оптическими циркуляторами, устройствами спектрального уплотнения, а также фильтрами разделения мод оптического излучения. На рисунке 2.1 показана схема оптической системы передачи с модуляцией сигнала по интенсивности, содержащая блоки оптического передатчика (ОП), оптического приемника (ОП) устройства соединения станционного и линейного кабеля (УССЛК), разъемные соединители (РС), устройства объединения и разветвления оптических сигналов (УОРС).

Оптический передатчик (ОП) содержит преобразователь кода (ПК), преобразующий стыковой код в код, используемый в линии; усилитель (УC), усиливающий электрический сигнал до уровня, необходимого для модуляции полупроводникового лазера (ПЛ); лазерный генератор (ЛГ), включающий в себя устройство термостабилизации и прямой модулятор; согласующие устройства (С) полупроводникового лазера с оптическим волокном.

Оптический приёмник (ОПр) содержит согласующие устройства (С) оптического волокна с фотодиодом; фотодетектор (ФД); малошумящий транзисторный усилитель (У); фильтр (Ф), формирующий частотную характеристику приёмника, обеспечивающую квазиоптимальный приём сигнала; устройство линейной коррекции (ЛК), компенсирующее частотные искажения электрической цепи на стыке фотодиода и первого транзистора усилителя; решающее устройство (РУ), устройство выделения тактовой частоты (ВТЧ) и преобразователь кода (ПК), преобразующий код линии в стыковой код.

УОРС, в зависимости от типа одноволоконной ВОСП, может представлять собой: оптический разветвитель или циркулятор при работе на одной оптической частоте в обоих направлениях; устройство спектрального уплотнения при работе на разных оптических частотах; модовый фильтр при работе на разных модах излучения оптического волокна.

С целью оценки основных характеристик одноволоконной ВОСП можно использовать приближенные соотношения для расчета длины регенерационного участка (РУ).

ВОСП, основанная на использовании разделения разнонаправленных сигналов по времени.

Во второй группе схем для разделения разнонаправленных сигналов по времени используются оптические разветвители, переключатели и оптические усилители (ОУ). В схеме одноволоконной ВОСП сигнала с модуляцией по интенсивности, в отличие от первой группы схем, вместо УОРС использованы устройства оптического переключения УОП (рисунок 2.2).

Будем рассматривать устройства оптического переключения двух вариантов - оптические переключатели (П) и соединение оптического разветвителя ОР с оптическим усилителем ОУ. Управляющий сигнал поступает в первом случае на управляющий вход переключателя, во втором - по цепи управления направлением оптической волны накачки ОУ.

ВОСП, на основе использования различных видов модуляции.

Третья группа схем одноволоконных ВОСП основана на использовании разных видов модуляции оптических и электрических сигналов и соответствующих методов обработки сигналов с целью устранения взаимного влияния разнонаправленных сигналов.

В схеме этой группы (рисунок 2.3) применены когерентные методы передачи и приема оптического сигнала, амплитудная (для одного направления передачи) и частотная (для другого направления) модуляция сигнала. В отличие от ВОСП первой группы (рисунок 2.1), оптические передатчики - когерентные (КОП) и содержат системы стабилизации оптической частоты и формирования узкой линии излучения (СЧУЛ) и блоки, обеспечивающие обработку сигналов с заданной модуляцией.

В когерентных оптических приемниках (КОПр) используется местный лазерный генератор (МЛГ) с узкой линией излучения и устройство автоматической подстройки его частоты (АПЧ), оптический сумматор (ОС), усилитель промежуточной частоты (УПЧ), а также демодулятор (ДМ), амплитудный или частотный, в зависимости от вида модуляции принимаемого сигнала. В такой схеме достигается максимальная длина регенерационного участка.

Кроме того возможна другая схема одноволоконной ВОСП третьей группы, в которой в одном направлении передачи использована модуляция по интенсивности, а в другом - когерентная модуляция (КОИ-АМ или КОИ-ЧМ) оптического сигнала.

Для передачи информационного сигнала может быть использована поднесущая частота, расположенная выше диапазона частот, где несущественно влияние обратного рассеяния в оптическом волокне на характеристики одноволоконной ВОСП (выше 200 Мгц). Таким образом, устраняется шум обратного рассеяния и тем самым повышается энергетический потенциал. В отличие от ВОСП первой группы, в данной системе используются генераторы поднесущей частоты, полосовые фильтры и устройства восстановления поднесущей частоты.

В отличие от рассмотренных выше одноволоконных ВОСП первой и второй групп, системы данной группы могут быть несимметричными, а максимальные длины регенерационных участков для передачи в разных направлениях - различными. В частности Э11’больше Э33’ на 10..15 ДБ, а Э22’ больше Э11’ на 3 ДБ.

Длина регенерационного участка для направления передачи, где используется КОИ-АМ (Э11’=45ДБ) и аппаратура, имеющая приведенные в пункте 2.1.1 параметры, составляет:

Стоимость когерентных полупроводниковых лазеров и систем стабилизации частоты лазеров, используемых в ВОСП третьей группы, пока ещё высока, что в значительной степени ограничивает область применения одноволоконных ВОСП с использованием когерентных методов передачи и обработки сигнала. Показатели надежности определяются главным образом надежностью работы полупроводниковых лазеров и систем стабилизации их частоты.

ВОСП с одним источником излучения.

В особых условиях эксплуатации могут быть использованы методы построения одноволоконных ВОСП по схеме на рисунке 2.5. В оптическом передатчике на одном конце линии вместо полупроводникового лазера используется модулятор отраженного излучения (МОИ), устройство снятия модуляции (УСМ) и оптический разветвитель с большим отношением мощности на выходах 1 и 2. Большая мощность поступает в МОИ, а меньшая в оптический приёмник. В оптическом передатчике примятый сигнал подвергается модуляции вторым информационным сигналом и через УОРС поступает в оптический кабель и далее в оптический приёмник на другом конце линии.

Такие ВОСП могут быть использованы в экстремальных условиях эксплуатации на одном конце линии, так как полупроводниковые лазеры чрезвычайно чувствительны к нестабильности условий эксплуатации.

Максимальная длина регенерационного участка рассматриваемой одноволоконной ВОСП значительно меньше, чем у систем, описанных выше, и определяется соотношением:

Показатели надежности одноволоконной ВОСП в данном случае определяются главным образом надежностью оптоэлектронных элементов оборудования, находящегося в экстремальных условиях экплуатации.

Окончательный выбор структурной схемы передатчика.

Выбор способа организации одноволоконого оптического тракта.

При проектировании одноволоконных оптических систем передачи с оптимальными характеристиками выбор структурной схемы системы и используемых технических средств определяется критериями оптимальности. Если критерием является минимальная стоимость, то в оптимальной системе должны использоваться оптические разветвители. Максимальная длина регенерационного участка требует применения оптических циркуляторов, переключателей, оптических усилителей, когерентных методов передачи сигнала. Требования высокой надежности и стойкости к внешним воздействиям определяют выбор системы с оптическим источником на одном конце линии, а требование максимального объема передаваемой информации - системы со спектральным уплотнением или с когерентными методами передачи.

С учётом того, что проектируемый оптический передатчик предназначен для использования на соединительных линиях ГТС, для него характерны следующие критерии оптимальности:

Минимальная стоимость и простота реализации;

Длина регенерационного участка не менее 8 км;

Относительно низкая скорость передачи (8.5 Мбит\с).

Наилучшим вариантом реализации одноволоконной ВОСП, с точки зрения приведённых критериев оптимальности, является схема волоконооптической системы связи с модуляцией по интенсивности, с применением оптических разветвителей (рисунок 2.1). Данная схема отличается простотой реализации оптического передатчика и приемника, невысокой стоимостью устройств объединения и разветвления оптических сигналов (оптических разветвителей). Схема обеспечивает длину регенерационного участка до 18 км, что удовлетворяет вышеприведённым критериям оптимальности.

Структурная схема оптического передатчика.

Структурная схема оптического передатчика представлена на рисунке2.6. Сигнал в коде HDB от цифровой системы уплотнения каналов поступает на преобразователь кода (ПК), в котором код HDB преобразуется в линейный код оптической системы передачи CMI. Полученный электрический сигнал поступает на усилитель (УС), состоящий из двух каскадов: предварительного каскада усиления (ПКУ) и оконечного каскада усиления (ОКУ), где усиливается до уровня, необходимого для модуляции оптической несущей. Усиленный сигнал поступает на прямой модулятор (МОД), состоящий из устройства смещения (УСМ), служащего для задания рабочей точки на ватт - амперной характеристике излучателя и, собственно, самого прямого модулятора, собранного по классической схеме из полупроводникового оптического излучателя V1 и транзистора V2. Для обеспечения стабильности работы излучателя, в схему лазерного генератора (ЛГ) введены устройство обратной связи (УОС) и система термостабилизации (СТС). С выхода модулятора оптический сигнал, промодулированный по интенсивности цифровым электрическим сигналом в коде CMI, поступает на устройство согласования полупроводникового излучателя с оптическим волокном (СУ).

Фирмы лидеры по производству оптоэлектроники

1. ЗАО Протон

. King bright

. ЗАО ЮЕ - Интернейшейнел Litcon(оптоэлектронные компоненты)

. ЗАО Эксимер

. INCROM

. НПК «Планар»

Измерения оптоэлектронными многоканальными системами.

Применение информационных технологий как средство повышения качества выпускаемой продукции находит все более широкое применение в машино- и станкостроении, особенно в области контроля линейных и угловых размеров.

В настоящее время в области применения оптоэлектронных средств контроля линейных и угловых размеров актуальной является задача снижения погрешности измерения, вносимой наличием пленки смазочно-охлаждающей жидкости на поверхности измеряемой детали. Без качественной очистки поверхности измеряемой детали точность измерения может быть неудовлетворительной. Качественная же очистка поверхности детали возможна лишь в условиях метрологической лаборатории, в условиях автоматизированного производства очистка каждой детали - трудоемкая или дорогостоящая операция, значительно повышающая себестоимость изделия. Поэтому необходимо изыскание способа измерения, который позволил бы контролировать параметры загрязненный деталей с приемлемой точностью или сократить затраты на очистку деталей [1].

Погрешность измерения оптоэлектронными многоканальными системами деталей с поверхностью, загрязненной пленкой смазочно-охлаждающей жидкости, выражается в уменьшении амплитуды отраженного от детали излучения вследствие поглощения в пленке смазочно-охлаждающей жидкости. Предлагается два пути учета и снижения погрешности измерения от наличия пленки смазочно-охлаждающей жидкости. Первый путь заключается в организации измерений методом "опорный канал - измерительный канал", второй заключается в анализе измерительной информации, полученной по одному измерительному каналу.
 Сущность первого способа снижения погрешности заключается в том, что смазочно-охлаждающие жидкости на различных длинах волн имеют существенно различающееся поглощение, поэтому подбором значений длин волн опорного и измерительного каналов можно добиться появления разности амплитуд сигналов опорного и измерительного каналов при наличии на поверхности детали пленки смазочно-охлаждающей жидкости. Таким образом, оптоэлектронная многоканальная система будет вырабатывать измерительную информацию и о параметрах измеряемой детали, и о состоянии ее поверхности. Разность амплитуд отраженного сигнала на опорном и измерительном каналах пропорциональна толщине пленки смазочно-охлаждающей жидкости.

Сущность второго способа снижения погрешности измерения от наличия пленки смазочно-охлаждающей жидкости на поверхности детали заключается в анализе функции измерительного преобразования датчика измерительного канала оптоэлектронной многоканальной системы. Например, функция измерительного преобразования рефлектометрического оптрона при измерении любых чистых участков детали неизменна и имеет холмообразный вид (с единственной вершиной). При измерении участков детали, загрязненных пленкой смазочно-охлаждающей жидкости вид функции качественно не меняется, но максимум функции измерительного преобразования уменьшается вследствие поглощения излучения пленкой смазочно-охлаждающей жидкости. В случае, если значение максимума совпадает со значением максимума для эталонной детали (без пленки смазочно-охлаждающей жидкости), то делают вывод о том, что поверхность детали не загрязнена. Если же значение максимума функции измерительного преобразования меньше, чем для эталонной детали, то делают вывод о том, что на поверхности детали присутствует пленка смазочно-охлаждающей жидкости и измерение параметров детали оптоэлектронной многоканальной системой будет вестись с погрешностью.

Оба способа снижения погрешности являются составной частью специфической информационной технологии, представляющей собой совокупность аппаратных средств (измерительные преобразователи, спектрофотометр и компьютер) и программного обеспечения (программы, анализирующие сигналы и спектры).

Таким образом, информационные технологии заняли в производственном процессе место наравне с технологической оснасткой и средствами измерения и по праву могут считаться полноценной составной частью современного автоматизированного машиностроительного производства.

Преимущества и недостатки

Достоинства этих приборов базируются на общем оптоэлектронном принципе использования электрически нейтральных фотонов для переноса информации. Основные из них следующие:

возможность обеспечения идеальной электрической (гальванической); развязки между входом и выходом; для оптронов не существует каких-либо принципиальных физических или конструктивных ограничений по достижению сколь угодно высоких напряжений и сопротивлений развязки и сколь угодно малой проходной емкости;

возможность реализации бесконтактного оптического управления электронными объектами и обусловленные этим разнообразие и гибкость конструкторских решений управляющих цепей;

однонаправленность распространения информации по оптическому каналу, отсутствие обратной реакции приемника на излучатель;

широкая частотная полоса пропускания оптрона, отсутствие ограничения со стороны низких частот (что свойственно импульсным трансформаторам); возможность передачи по оптронной цепи как импульсного сигнала, так и постоянной составляющей;

возможность управления выходным сигналом оптрона путем воздействия (в том числе и неэлектрического) на материал оптического канала и вытекающая отсюда возможность создания разнообразных датчиков, а также разнообразных приборов для передачи информации;

возможность создания функциональных микроэлектронных устройств с фотоприемниками, характеристики которых при освещении изменяются по сложному заданному закону;

невосприимчивость оптических каналов связи к воздействию электромагнитных полей, что в случае “длинных” оптронов (с протяженным волоконно-оптическим световодом между излучателем и приемником) обусловливает их защищенность от помех и утечки информации, а также исключает взаимные наводки ;

физическая и конструктивно-технологическая совместимость с другими полупроводниковыми и микроэлектронными приборами.

Оптоволоконный кабель идеально подходит для создания сетевых магистралей, и в особенности для соединения между зданиями, так как он нечувствителен к влажности и другим внешним условиям. Также он обеспечивает повышенную по сравнению с медью секретность передаваемых данных, поскольку не испускает электромагнитного излучения, и к нему практически невозможно подключиться без разрушения целостности.

Оптронам присущи и определенные недостатки:

значительная потребляемая мощность, обусловленная необходимостью двойного преобразования энергии (электричество - свет - электричество) и невысокими КПД этих переходов;

повышенная чувствительность параметров и характеристик к воздействию повышенной температуры и проникающей ядерной радиации;

более или менее заметная временная деградация (ухудшение) параметров;

относительно высокий уровень собственных шумов, обусловленный , как и два предыдущих недостатка, особенностями физики светодиодов;

сложность реализации обратных связей, вызванная электрической разобщенностью входной и выходной цепей;

конструктивно-технологическое несовершенство, связанное с использованием гибридной непланарной технологии, (с необходимостью объединения в одном приборе нескольких - отдельных кристаллов из различных полупроводников, располагаемых в разных плоскостях).

Перечисленные недостатки оптронов по мере совершенствования материалов, технологии, схемотехники частично устраняются, но тем не менее еще длительное время будут носить достаточно принципиальный характер. Однако их достоинства столь высоки, что обеспечивают уверенную внеконкурентность оптронов среди других приборов микроэлектроники.

Недостатки оптоволокна в основном связаны со стоимостью его прокладки и эксплуатации, которые обычно намного выше, чем для медной среды передачи данных. Эта разница стала привычной, тем не менее, в последние годы она стала сглаживаться. Сама оптоволоконная среда только слегка дороже UTP категории 5. Но независимо от указанных преимуществ и недостатков применение оптоволокна приносит с собой другие проблемы, такие как процесс прокладки. Разводка оптоволоконного кабеля в основном ничем не отличается от укладки медного, но присоединение коннекторов требует принципиально иного инструмента и технических навыков.

Недостатки волоконно-оптической технологии:

А.Необходимы также оптические коннекторы (соединители) с малыми оптическими потерями и большим ресурсом на подключение-отключение. Точность изготовления таких элементов линии связи должна соответствовать длине волны излучения, то есть погрешности должны быть порядка доли микрона. Поэтому производство таких компонентов оптических линий связи очень дорогостоящее.

Другой недостаток заключается в том, что для монтажа оптических волокон требуется прецизионное, а потому дорогое, технологическое оборудование.

Тем не менее, преимущества от применения волоконно-оптических линий связи (ВОЛС) настолько значительны, что, несмотря на перечисленные недостатки оптического волокна, эти линии связи все шире используются для передачи информации.

После проведения этой научной работы мы заключили что использования оптоэлектронной технике не только позволяет передавать информацию на большие расстояния с огромной скоростью, но и сохранить окружающую природу и большое количества внутренних сырьевых ресурсов в виде различных дорогих металлов как медь.

При изготовлении оптоэлектронных приборов экология не так страдает как при изготовлении электрических кабелей.

Уменьшается вероятность поражения электрическим ток животных, птиц, людей.

Вокруг оптокабель не создается внешних электромагнитных полей которые влияют на человеческий организм.

Список литературы

1.   Цапенко М. П. Измерительные информационные системы: Структуры и алгоритмы, системотехническое проектирование. - М.: Энергоатомиздат, 1985

2.       Кузьмичев Д. А., Радкевич И. А., Смирнов А. Д. Автоматизация экспериментальных исследований. - М.: Наука, 1983.

.        Государственная система приборов и средств автоматизации / Под ред. Г. И. Кавалерова. - М.: ЦНИИТЭИ приборостроения, средства автоматизации и систем управления,1981.

.        Хазанов Б. И. Интерфейсы измерительных систем. - М.: Энергия, 1979.

.        Алиев Т. М., Тер - Хачатуров А.А. Измерительная техника: Учебное пособие для техн. вузов. - М.: Высш. шк.,1991.

6. К. Закер - Компьютерные Сети, Модернизация, Поиск Неисправностей

. В. Леонтьев - Новейшая Энциклопедия Персонального Компьютера

. Нососв Ю.Р. Оптоэлектроника. Физические основы, приборы и устройства. М. 1978.

. Мадьяри Б. Элементы оптоэлектроники и фотоэлектрической автоматики. М. 1979.

. Панков Ж. "Оптические процессы в полупроводниках"

. Носов Ю.Р. "Оптоэлектроника"