Оптоелектроніка

ФУНКЦІОНАЛЬНА МІКРОЕЛЕКТРОНІКА

Функціональна мікроелектроніка пропонує принципово новий підхід до створення електронної апаратури, що дозволяє реалізувати певну функцію того або іншого електронного пристрою шляхом безпосереднього використання фізичних явищ в твердому тілі. В цьому випадку локальному об'єму твердого тіла додаються такі властивості, які потрібні для виконання даної функції. Як матеріал для побудови функціональних пристроїв можуть виступати не лише напівпровідники, але і надпровідники, сегнетоэлектрики, діелектрики і ін. Для переробки інформації у функціональних пристроях використовуються фізичні явища, не пов'язані обов'язково з електропровідністю, наприклад оптичні і магнітні явища, поширення ультразвуку.

До напрямів функціональної мікроелектроніки, що найінтенсивніше розробляються, вже отримали практичне вживання, слід віднести: оптоелектроніку, акустоелектроніку, магнетоелектроніку, кріоелектроніку, хемотроніку, діелектричну електроніку і біоелектроніку.

У справжній главі описуються фізичне єство явищ, покладених в основу вказаних напрямів розвитку функціональної мікроелектроніки, і можливості технічної реалізації їх в деяких електронних пристроях.

Оптоелектроніка

Оптоелектроніка - один з найбільш розвинених напрямів у функціональній мікроелектроніці, оскільки оптичні і фотоелектричні явища досить добре вивчені, а технічні засоби, засновані на цих явищах, тривалий час використовуються в електроніці (фотоелементи, фотоелектронні помножувачі, фотодіоди, фототранзистори і ін.). Проте оптоелектроніка як самостійний науково-технічний напрям виникла порівняно недавно, а її досягнення нерозривно пов'язані з розвитком сучасної мікроелектроніки.

Спочатку оптоелектроніка вважалася порівняно вузькою галуззю електроніки, що вивчає лише напівпровідникові світлові випромінювачі і фотоприймачі. Проте останнім часом поняття «оптоелектроніка» значно розширилося. Тепер в нього включають і такі недавно виниклі напрями, як лазерна техніка, волоконна оптика, голографія і ін. Відповідно до рекомендацій МЕК (Міжнародній електротехнічній комісії) оптоелектронний прилад визначається як прилад, чутливий до електромагнітного випромінювання у видимій, інфрачервоній або ультрафіолетовій областях; або прилад, випромінюючий і перетворюючий некогерентне або когерентне випромінювання в цих же спектральних областях; або ж прилад, що використовує таке електромагнітне випромінювання для своєї роботи.

Оптоелектроніка заснована на електронно-оптичному принципі здобуття, передачі, обробки і зберігання інформації, носієм якої є електрично нейтральний фотон. Поєднання в оптоелектронних функціональних пристроях двох способів обробки і передачі інформації - оптичного і електричного - дозволяє досягати величезної швидкодії, високої щільності розміщення інформації, що зберігається, створення високо ефективних засобів відображення інформації. Дуже важливою перевагою елементів оптоелектроніки є те, що вони оптично зв'язані, а електрично ізольовані між собою. Це забезпечує надійне узгодження різних оптоелектронних ланцюгів, сприяє одно направленості передачі інформації, перешкодостійкості каналів передачі сигналів. Виготовлення напівпровідникових елементів оптоелектроніки - оптроном - сумісно з інтегральною технологією, тому їх створення може бути включене в єдиний технологічний цикл виробництва інтегральних мікросхем.

Розглянемо основні технічні засоби оптоелектроніки.

Основним елементом оптоелектроніки, як вже наголошувалося вище, є оптрон. Простий оптрон є чотириполюсником (мал. 10.1), що складається з трьох елементів: джерела випромінювання (фото випромінювача) 1, світлопроводу 2 і приймача випромінювання (фотоприймача) 3, ув'язнених в герметичний світлонепроникний корпус.

Поєднання фотонвипромінювання і фотоприймача в оптроні отримало назву оптоелектронної пари. Найбільш поширеними випромінювачами є світлодіоди, виконані на основі арсеніду галію, фосфіду галію, фосфіду кремнію, карбіду кремнію і ін. Вони мають високу швидкодію (порядка 0, 5 мкс), мініатюрні і досить надійні в роботі. По своїх спектральних характеристиках світлодіоди добре узгоджуються з фотоприймачами, виконаними на основі кремнію. Оскільки можливості схемотехнік оптрона визначаються головним чином характеристиками фотоприймача, цей елемент і дає назву оптрона в цілому. До основних різновидів оптронів відносяться: резистори (фото прийом ні кому служить фоторезистор); діодні (фотоприймач - фотодіод); транзисторні (фотоприймач-фототранзистор) і тиристори (фотоприймач - фототиристор).

Схематичне зображення вказаних оптронів показане на мал. 10.2, приклади конструктивного оформлення оптронів (у дискретного і микроминиатюрном виконання) і їх цоколівки - на мал. 10.3.

Залежно від сукупності характеристик використовуваної оптронної пари оптрон може виконувати різні функції в електронних ланцюгах: перемикання, посилення, узгодження, перетворення, індикація і ін.

Як приклади технічного використання оптронів на мал. 10.4 приведені деякі прості схеми, що дозволяють реалізувати специфічні властивості цих приладів. Наприклад, резисторний оптрон, включений за схемою мал. 10.4, а, може бути використаний як керований резистивний дільник напруги. Під впливом вхідної напруги иих, що управляє, змінюється прямий струм світлодіода і його випромінювання. Відповідно змінюється і опір фоторезистора, а отже, і розподіл напруги джерела Е2 на фоторезисторі і вихідному (навантаженні) резисторі R2.

Подібний керований резистор може бути використаний в різних електронних схемах, наприклад, для дистанційного керування коефіцієнтом посилення в підсилювачах. Зазвичай для цієї мети застосовуються ручні регулювальники, винесені, що є, з пристрою потенціометрами, регулювальники посилення. Проте такі регулювальники не дають добрих результатів при використанні їх в апаратурі високого класу для дистанційного керування на значній відстані, оскільки про сполучні дроти навіть при ретельному їх екрануванні можливі значні паводки змінних електромагнітних полів, що наводять до появи фону. Для повного усунення наведень необхідно розділити ланцюг сигналу від ланцюга управління. Це завдання і вирішується за допомогою дільника напруги на оптронном керованому резисторі.

На мал. 10.4, би показана проста схема включення діодного оптрона. Ця схема може працювати в ключовому (імпульсному) режимі і при цьому створювати на виході імпульсну напругу, що перевищує по своїй амплітуді рівень вхідних імпульсів, що управляють. Напруга на виході, що є частиною відносно високої (10...20 У) напруги джерела живлення Е, залежить від струму фотодіода. Величина струму фотодіода, і свою чергу, управляється світловим потоком світлодіода, який змінюється (модулюється) за законом зміни імпульсного вхідного сигналу. При цьому амплітуда вхідних імпульсів, що впливають на світлодіод, може бути значно менше, ніж напруга U вих [20). Аналогічним чином можуть бути побудовані ключові схеми на транзисторних і тиристорних оптронах, промовцях як аналоги таких широко поширених електронних елементів, як імпульсні трансформатори, перемикачі, роз'єми і тому подібне

Принципова можливість здійснення оптичного зв'язку за допомогою оптронів ілюструється на мал. 10.4, ст. У передавальному пристрої такої лінії зв'язку головний елемент - випромінювач світла (світлодіод, лазер), в приймальному - фотоприймач (фотодіод, фототранзистор). Зв'язок між передавачем і приймачем здійснюється за допомогою спеціального світлопроводу - волоконно-оптичного кабелю, що забезпечує перешкодостійкість і надійність» зв'язки. Широкополосність такого оптичного каналу величезна (по одній лінії зв'язку може бути одночасно передані 10¹⁰ телефонних розмов або 10⁶ телепередач). Подібні лінії зв'язку можуть бути використані в обчислювальній техніці для передачі величезних масивів інформації, що обробляється в різних блоках ЕОМ.

Мал. 10.5. До пояснення пристрою світлопроводу:

й – заломлення світла на межі розділу двох середовищ (Q, - кут падіння; Qi –кут заломлення); би - світловий промінь в хвилеводі (явище повного внутрішнього віддзеркалення); у -распространение світлового променя в двошаровому світлопроводі

Передача світла по волоконно-оптичних світлопроводах заснована на використанні еффекту повного внутрішнього віддзеркалення. Як відомо, світловий промінь, що проходить через кордон розділу два середовищу показниками заломлення n1, і п2 (мал. 10.5, а), підкоряється закону заломлення, що описується рівнянням

n1, sin и, = п2 sin і 2, (10.1)

звідки

sin і 2 = n1/n2 sin и1. (10.2)

Якщо n1", n2, і sin и1< 1, то sin і 2< 1.

За умови п", п2, тобто якщо світло переходить з середовища, оптично щільнішого, в середу, оптично менш щільну, то при зміні кута падіння 0, настає момент, коли sin і 2> 1, що неможливе, оскільки максимальне значення sin і 2 = 1. В цьому випадку промінь не заломлюється, а повністю відбивається від поверхні розділу середовищ. У світловому хвилеводі використовується саме це явище: промінь, послідовно відбиваючись від стінок хвилеводу, поширюється в заданому напрямі (мал. 10.5, б).

У волоконно-оптичних світлопроводах використовується двошарове волокно. Воно складається з «серцевини» (внутрішньої жили) з показником заломлення л, і оболонки з показником заломлення л2.

Оскільки внутрішня жила оптично щільніша, ніж оболонка (n1 > п2), то для променів, що входять в світлопровід під малими кутами по відношенню до осі світлопроводу, виконується умова повного внутрішнього віддзеркалення: при падінні світлової хвилі на кордон з оболонкою вся її енергія відбивається всередину «серцевини». Те ж саме відбувається і при всіх подальших віддзеркаленнях. Таким чином, світло поширюється уздовж осі світлопроводу, не виходячи через оболонку (мал. 10.5, в).

Зазвичай внутрішня (світловедуча) жила виготовляється з чистого кварцу, а светоотражающая оболонка, що має менший показник заломлення, з кварцу, легованого бором. Діаметр внутрішньої жили світлопроводу зазвичай не перевищує десятків мкм, діаметр оболонки - 100 мкм. Як показують експериментальні дослідження, такі світлопроводи відрізняються високою міцністю і в той же час стійкі до вигинів і скручування.

Двошарові світлопроводи можуть об'єднуватися в кабелі, що містять до декількох сотих двошарових волокон (мал. 10.6). Типові технічні дані оптичних кабелів наступні: зовнішній діаметр 2...20 мм; міцність на розрив - від десятків до сотень ньютонів, маса - 2...200 г/м (мінімальні значення порядку 0, 3 г/м), допустимий радіус вигину 5...50 див.

Вельми складним завданням є введення випромінювання в світлопровід. Найкраще сполучення досягається при використанні як випромінювач твердотілого лазера, що створює когерентне випромінювання. Складніше йде справа при з'єднанні світлопроводів зі світловипромінюваними діодами, що мають широку діаграму спрямованості. В цьому випадку световедущая серцевина волокна розміщується безпосередньо над активною областю світлодіода (мал. 10.7, а ). Ефективність введення може бути підвищена за допомогою спеціальних фокусуючих лінзових систем (мал. 10.7, би), проте це істотно ускладнює конструкцію пристрою введення.

Оптоелектронні пристрої знаходять усе більш широке вживання в обчислювальній техніці. Найбільш перспективними в даний час вважаються так звані голографічні пристрої пам'яті ЕОМ, засновані на принципах нового для голографії, такого, що швидко розвивається напряму оптоелектроніки.

Перш ніж познайомитися з роботою оптичного пристрою (ЗУ), що запам'ятовує, необхідно хоч би у загальних рисах розглянути єство голографічного відображення інформації.

Мал. 10.7. Введення випромінювання в світлопровід;

а - бездіодна система U - кристал світлодіоду; 2 –активна випромінювана область; 3 - рахівник; 1 - оптичний клей); б -с допомогою фокусуючої лінзи (/-излучатель; 2 - фокусуючий елемент)

У 1947 р. англійський учений Д. Габор розробив метод запису і відновлення просторової структури світлової хвилі (хвилевого фронту), який отримав назву голографії.

Відомо, що звичайне фотографічне зображення того або іншого об'єкту не дає уявлення про його об'ємні властивості. Це відбувається тому, що фотопластина реагує лише на середню інтенсивність світла при експонуванні і нездібна реагувати на фазу світлової хвилі, яка залежить від відстані між об'єктом і фотопластиною. Д. Габор звернув увагу на те, що при фотографуванні завжди доводиться здійснювати наведення на різкість, інакше зображення буде нечітким. Тим часом, незалежно від наведення ча різкість, з променями світла, створюючими зображення нп фотопластині, жодних змін на ділянці між об'єктом н фі.ю-пластинкой не відбувається. I? зв'язки з цим Д. Габор передбачив, що зображення об'єкту присутнє в прихованому від спостерігача вигляді в будь-якій площині між об'єктом і фотопластиною. Інакше кажучи, зображення в тому або іншому вигляді міститься в самій структурі світлової хвилі, що поширюється від об'єкту до об'єктиву фотоапарата. Саме ця хвиля несе якнайповнішу інформацію про об'єкт, причому ця інформація виявляється зашифрованою в амплітудних і фазових змінах хвилевого фронту. Таким чином, для здобуття необхідної інформації про об'єкт, у тому числі і про його об'єм, досить зафіксувати (записати) просторову структуру світлової хвилі, а потім, використовуючи цей запис, відновити зображення об'єкту. Цей двоступінчатий процес запису н відновлення хвилевого фронту, що несе інформацію про об'єкт, і називається голографією, а зафіксована просторова структура світлової хвилі - голограмою.

Яким же чином можна зафіксувати на фотопластині і амплітуду, і фазу світлової хвилі: " Д. Габор запропонував використовувати для запису голограми явище інтерференції двох когерентних світлових променів, а для відновлення зображення з голограми - явище дифракції світла.

Як відомо, при інтерференції хвилі від двох однакових джерел світла, розташованих на деякій відстані один від одного, в будь-якій крапці простори накладатимуться один на одного, причому в деяких крапках станеться подвоєння амплітуди, а в деяких амплітуда коливань виявиться рівною нулю. Це дає підставу стверджувати, що в інтерференційній картині міститься певна фазова інформація, що дозволяє визначити відстань від якогось місця інтерференційної картини до джерела (або джерел) випромінювання. Величина максимумів розподілу нуля в інтерференційній картині дозволяє оцінити інтенсивність випромінювання, а співвідношення між максимумами і мінімумами - когерентність. Отже, і інтерференційній картині (голограмі) записана вся можлива інформація про випромінювання джерел.

Когерентний промінь світла, яке освітлює об'єкт і розсіюється їм, називають сигнальним; промінь, що створює когерентний фон, - опорним

Одна з найважливіших особливостей голографії - можливість запису великого числа голограм на одній і тій же фотопластині при використанні по-різному направлених опорних променів.

Якщо для запису голограми необхідно два джерела когерентною випромінюванні, то для відновлення зображення об'єкту голограму досі а-точно освічені лише одним опорним променем. Для витягання інформації з голограми зазвичай користуються тією ж установкою, що і для голографирования. Голограма встановлюється на те ж місце, де знаходилася фотопластина при виготовленні голограми, і опромінюється променем лазера.

За рахунок явища дифракції промінь світла після проходження голограми розділяється на три складових: одна з них проходить через голограму без зміни напряму (так званий промінь нульового дифракційного порядку); два інших відхиляються від первинного напряму на деякий кут, залежний від довжини хвилі і кроку інтерференційних смуг, зафіксованих на голограмі (промені першого і другого дифракційного порядків). Ці промені містять всю інформацію про голограму, а спостерігач, що фіксує їх, отримує якнайповніше уявлення про форму і об'єм відповідного об’єкту.

Розглянемо тепер можливості запису інформації в голографічних ЗУ обчислювальних машин (мал. 10.8).

Об'єктом запису в обчислювальній техніці зазвичай є двовимірна матриця двійкових знаків. При записі інформації промінь лазера за допомогою системи дзеркал розділиться на два: сигнальний, такий, що проходить через об'єкт, що запам'ятовується, і опорный. Напрям опорного променя управляється дефлектором - пристроєм, що складається з модулятора поляризації світла і лучепреломляющего кристала. Залежно від комбінації напруги, що управляє, поступають на вхід модулятора, можна отримати безліч Просторових положень світлового променя. Зміна дефлектором напряму опорного променя дозволяє послідовно записати необхідне число голограм.

Цифрова інформація, що підлягає запису, наноситься на так званий транспарант, що є двовимірною матрицею прозорих і непрозорих ділянок, відповідних одиницям н кулям двійкової коди.

При відтворенні інформації дефлектор налаштовується на певне положення опорної хвилі і таким чином вибирається зображення необхідного транспаранта. Сигнальний промінь при цьому перекривається затвором. Подальша вибірка потрібної інформації здійснюється електронною дорогою при обробці сигналів, зафіксованих при відтворенні па матриці фотоприймачів.

Стандартні фотопластини, використовувані в голографічних ЗУ, забезпечують поєднання високої роздільної здатності (до З • 1О3 ліній/мм) і фоточуттєвості (порядку 10 -5Дж/см2). Ємкість пам'яті типового голографічного ЗУ складає 108 біт/с.

Підвищений інтерес до голографічних ЗУ пояснюється не лише великою інформаційною ємкістю голограм. Основним чинником є висока перешкодостійкість голографічного запису, оскільки при будь-яких видах перешкод інтерференційна картина записаного зображення практично не порушується.