Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Общая характеристика оптоэлектронных приборов
Оптоэлектроника – это раздел электроники, связанный с изучением эффектов взаимодействия между электромагнитными волнами оптического диапазона и электро нами вещества (преимущественно твердых тел) и охватываю щий проблемы создания оптоэлектронных приборов, в которых эти эффекты используются для генерации, передачи, обработки, хранения и отображения информации.
Согласно этому определению оптоэлектронику как научно-техническое направление характеризуют три отличительные черты.
1. Физическую основу оптоэлектроники составляют явления, методы, средства, для которых принципиальны сочетание и неразрывность оптических и электронных процессов.
2. Техническую основу оптоэлектроники определяют конст руктивно-технологические концепции современной микроэлек троники: миниатюризация элементов; предпочтительное разви тие твердотельных плоскостных конструкций; интеграция эле ментов и функций; ориентация на специальные сверхчистые материалы; применение методов групповой обработки изделий.
3. Функциональное назначение оптоэлектроники состоит в решении следующих задач: генерации, переносе, преобразо вании, хранении и отображении информации.
Для решения перечисленных задач в оптоэлектронных при борах используются информацион ные сигналы в оптической и электрической формах, но определяющими являются оптиче ские сигналы – именно этим достигается то качественно новое, что отличает оптоэлектронику.
Оптоэлектронными называют приборы, чув ствительные к электромагнитному излучению в видимой, инфракрасной и ультрафиолетовой областях, а также при боры, производящие или использующие такое излучение.
В конкретном оптоэлектронном приборе наличие всех трех составляющих данного выше определения является обяза тельным, но перечисленные отличительные признаки могут быть воплощены в большей или меньшей степени. Это по зволяет разделить опто- и фотоэлектронные приборы (фото электронные умножители, электроннолучевые приборы).
На рис. 2.1 представлена классификация оптоэлектронных при боров и указаны физические эффекты, лежащие в основе их работы.
Рис. 2.1
На практике широко используются источники излуче ния (излучатели), приемники излучения (фотоприемни ки) и оптроны (оптопары).
Из источников излучения нашли широкое применение светодиоды и лазеры, а из приемников – фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы и фототиристоры. Широко используются оптроны, в которых применя ются пары светодиод–фотодиод, светодиод–фототранзистор, светодиод–фототиристор.
По виду используемого излучателя выделяют приборы ко герентной (с лазерами) и некогерентной (со светоизлучающими диодами) оптоэлектроники.
Как отдельные приборы, так и сложные оптоэлектронные системы создаются из отдельных элементов. Основными оптоэлектронными элементами являются:
· источники когерентного оптического излучения (полупро водниковый лазер);
· источники некогерентного оптического излучения (светоизлучающий диод);
· активные и пассивные оптические среды;
· приемники оптического излучения (фотодиод);
· оптические элементы (линза);
· волоконно-оптические элементы (волоконно-оптический жгут);
· интегрально-оптические элементы (интегрально-оптическое зеркало).
Как видно из обобщенной структурной схемы оптоэлектронного прибора (ОЭП), приведенной на рис. 2.2, наряду с фо топриемниками и излучателями важным компонентом ОЭП яв ляются входные и выходные согласующие электрические схемы, предназначенные для формирования и обработки оптического сигнала. Особенностью этих достаточно сложных, в основном интегральных, схем является компенсация потерь энергии при преобразованиях «электричество – свет» и «свет – электри чество», а также обеспечение высокой стабильности и устой чивости работы ОЭП при воздействии внешних факторов.
Рис. 2.2
По функциональному назначению в классе оптоэлектронных приборов, кроме миниатюрных источников излучения и одно- и многоэлементных приемников излучения, следует выделить следующие приборы.
Оптопарой называют оптоэлектронный прибор, в котором конструктивно объединены в общем корпусе излучатель на входе и фотоприемник на выходе, взаимодейст вующие друг с другом оптически и электрически.
Оптопары широко используются в микроэлектронной и элек тротехнической аппаратуре для обеспечения электрической развязки при передаче информационных сигналов, бесконтакт ной коммутации сильноточных и высоковольтных цепей и соз дания перестраиваемых фотоприемников в устройствах кон троля и регулирования.
Оптоэлектронные датчики – приборы, преобразующие внешние физические воздействия: температуру, давление, влажность, ускорение, магнитное поле и другие, – в электри ческие сигналы. Действие этих приборов основано на различных принципах. К датчикам относятся формирователи сигналов изо бражения и оптопары с открытым оптическим каналом. Осо бенно интенсивное развитие этого направления связано с по явлением волоконно-оптических датчиков, в которых внешние воздействия изменяют характеристики оптического сигнала, распространяюще гося по волокну.
Волоконно-оптические линии связи (ВОЛС) – устройства и системы, содержащие гибкий волоконно-оптический световод (в виде кабеля), сочлененный с излучателем на одном (пере дающем) конце и с фотоприемником на другом (приемном).
Физическую основу ВОЛС определяют процессы распро странения оптических сигналов по волоконному световоду, а также светогенерационные и фотоэлектрические явления в из лучателе и приемнике.
Индикаторы – электрически управляемые приборы для систем визуального отображения информации. Они находят широчайшее применение, начиная от электронных часов и микро-калькуляторов, табло и приборных щитов и кончая дисплеями в системе «человек – ЭВМ». Физическую основу приборов ин дикаторного типа составляют разные виды электролюминес ценции (для приборов с активным светящимся растром) и электрооптические явления (для приборов с пассивным светоотражающим растром).
В соответствии с классификацией изделий некогерентной оптоэлектроники ОЭП разделяются: по виду оптоэлектронного пре образования сигналов (принцип преобразования «электричест во – свет» реализуется в излучающих приборах), уровню интегра ции, функциональному применению и конструктивному исполне нию. Каждая из выделенных групп ОЭП, по-видимому, будет в дальнейшем пополняться новыми приборами и устройствами.
Перечислим основные достоинства оптоэлектронных приборов:
Высокая пропускная способность оптического канала. Частота колебаний на три-пять порядков выше, чем в осво енном радиотехническом диапазоне. Это значит, что во столько же раз возрастает и пропускная способность оптического ка нала передачи информации.
Идеальная электрическая развязка входа и выхода. Ис пользование в качестве носителя информации электрически нейтральных фотонов обусловливает бесконтактность оптиче ской связи. Отсюда следуют идеальная электрическая развязка входа и выхода; однонаправленность потока информации и отсутствие обратной реакции приемника на источник; помехо защищенность оптических каналов связи; скрытность передачи информации по оптическому каналу связи.
Как недостатки можно выделить следующие особенности ОЭП:
Малый коэффициент полезного действия. Коэффициент полезного действия преобразований вида E (освещенность) > L (яркость) и L > E в лучших современных приборах (лазеры, светодиоды, p-i-n фо тодиоды), как правило, не превышает 10...20%. Поэтому если в устройстве осуществляются такие преобразования лишь два жды (на входе и на выходе), как, например, в оптопарах или волоконно-оптических линиях связи (ВОЛС), то общий КПД падает до единиц процентов. Введение каждого дополнитель ного акта преобразования информационных сигналов из одной формы в другую ведет к уменьшению КПД еще на порядок или более. Малое значение КПД вызывает рост энергопотребления, что недопустимо из-за ограниченных возможностей источников питания; затрудняет миниатюризацию, поскольку практически не удается отвести выделяющуюся теплоту; снижает эффек тивность и надежность большинства оптоэлекронных приборов.
Наличие разнородных материалов, применяемых в оптоэлектронных приборах и системах, обусловливает: малый об щий КПД устройства из-за поглощения излучения в пассивных областях структур, отражения и рассеяния на оптических гра ницах; снижение надежности из-за различия температурных коэффициентов расширения материалов; сложность общей герметизации устройства; технологическую сложность и высокую стоимость.