 |
|
Введение в волоконную оптику
ОСНОВЫ ОПТОЭЛЕКТРОНИКИ
Учебное пособие
Рекомендовано УМО по образованию
в области телекоммуникаций в качестве учебного
пособия для студентов, обучающихся по специальности
210401 – Физика и техника оптической связи
Новосибирск
УДК 621.383 (075.32)
Ктн, проф. А.Н. Игнатов
Основы оптоэлектроники. Учебное пособие./ СибГУТИ. – Новосибирск, 2005г. – 291с.
В учебном пособии рассмотрены физические основы работы оптоэлектронных приборов, систематизирован материал по излучающим, фотоприемным приборам и индикаторным приборам; рассмотрены вопросы применения оптоэлектронных приборов в аналоговых и цифровых электронных устройствах.
Основное внимание уделено полупроводниковым оптоэлектронным приборам и устройствам, предназначенным для использования в микроэлектронной аппаратуре телекоммуникационных и информационных систем.
Пособие рассчитано на студентов технических специальностей вузов телекоммуникаций и информатики, изучающих курсы «Физики», «Физические основы электроники», «Электроника», «Оптоэлектронные и квантовые приборы и устройства», направления 210400 «Телекоммуникации».
Кафедра технической электроники
Иллюстраций – 173, таблиц – 27, список литературы – 63 наименования.
Рецензенты: ктн, доц. НГТУ В.И. Серых
ктн, доц. МТУСИ А.М. Копылов
Утверждено редакционно-издательским советом СибГУТИ в качестве учебного пособия.
© Сибирский государственный университет
телекоммуникаций и информатики, 2005
Предисловие
Учебное пособие предназначено студентам, обучающимся по направлению 210400 «Телекоммуникации». Пособие соответствует требованиям ГОС высшего профессионального образования, учебным программам курсов «Физические основы электроники», «Электроника», «Оптоэлектронные и квантовые приборы и устройства». Учебное пособие одобрено УМО по направлению «Телекоммуникации».
В учебном пособии рассмотрены физические основы работы оптоэлектронных приборов, систематизирован материал по излучающим, фотоприемным приборам и индикаторным приборам; рассмотрены вопросы применения оптоэлектронных приборов в аналоговых и цифровых электронных устройствах.
Основное внимание уделено полупроводниковым оптоэлектронным приборам и устройствам, предназначенным для использования в микроэлектронной аппаратуре телекоммуникационных и информационных систем.
Пособие рассчитано на студентов технических специальностей вузов телекоммуникаций и информатики.
Оно будет так же полезным студентам родственных вузов и учащимся колледжей электронного и радиотехнического профилей.
В главах 2 и 3 использованы материалы, предоставленные доц. Селивановым Л.В.
Автор выражает благодарность Дрючило В.Ю., Матвеевой О.С. и Воробьевой С.В. за помощь в подготовке книги к изданию.
Автор проф. Игнатов А.Н.
Оглавление
Предисловие.. 3
Введение.. 8
1 Введение в оптоэлектронику.. 9
1.1 Введение в волоконную оптику. 9
1.2 Особенности оптической электроники. 10
1.3 История развития оптоэлектроники. 12
1.4 Современное состояние оптоэлектронной элементной базы.. 16
1.5 Система обозначений оптоэлектронных приборов индикации. 18
1.6 Система обозначений фотоприемных приборов и оптронов. 19
Тестовые вопросы к главе 1 Введение в оптоэлектронику. 19
2 Физические основы оптоэлектроники.. 21
2.1 Различие между фотометрическими и энергетическими характеристиками. 21
2.2 Фотометрические характеристики оптического излучения. 21
2.2.1 Функция видности и ее зависимость от длины электромагнитной волны.. 21
2.2.2 Телесный угол, световой поток и механический эквивалент света. 23
2.2.3 Сила света, IV. 24
2.2.4 Освещенность поверхности, Е.. 24
2.2.5 Закон освещенности. 25
2.2.6 Светимость излучающей поверхности, М... 25
2.2.7 Яркость светящейся поверхности, L.. 26
2.2.8 Закон Ламберта. 26
2.2.9 Световая экспозиция, НV. 27
2.3 Энергетические характеристики оптического излучения. 27
2.3.1 Энергетическая экспозиция, Не 27
2.3.2 Поток излучения, Фе 28
2.3.3 Энергетическая светимость Ме (интегральная излучательная способность) 28
2.3.4 Облученность поверхности, Ее 28
2.4 Энергетические и световые параметры.. 28
2.5 Колориметрические параметры.. 30
2.6 Когерентность оптического излучения. 32
2.6.1 Монохроматическая электромагнитная волна (МЭВ) 32
2.6.2 Особенности излучения электромагнитных волн в ультрафиолетовом (УФ), видимом и инфракрасном (ИК) диапазонах. 33
2.6.3 Время когерентности. 34
2.6.4 Длина когерентности. 35
2.6.5 «Радиус» когерентности. 35
2.6.7 Объем когерентности. 35
2.6.8 Взаимосвязь tК и lК с реальными параметрами оптического излучения. 35
2.7 Квантовые переходы и вероятности излучательных переходов. 35
2.7.1 Энергетические уровни и квантовые переходы.. 36
2.7.2 Спонтанные переходы.. 37
2.7.3 Вынужденные переходы.. 38
2.7.4 Соотношения между коэффициентами Эйнштейна. 39
2.7.5 Релаксационные переходы.. 40
2.8 Ширина спектральной линии. 41
2.9 Использование вынужденных переходов для усиления электромагнитного поля. 43
2.10 Механизм генерации излучения в полупроводниках. 46
2.11 Прямозонные и непрямозонные полупроводники. 51
2.12 Внешний квантовый выход и потери излучения. 55
2.13 Излучатели на основе гетероструктур. 56
2.14 Поглощение света в твердых телах. 59
2.15 Излучательная и спектральная характеристика. 60
2.16 Параметры оптического излучения. 63
Тестовые вопросы к главе 2 Физические основы оптоэлектроники. 64
3 ОПТИЧЕСКИЕ ВОЛНОВОДЫ... 66
3.1 Абсолютный показатель преломления. 66
3.2 Законы отражения и преломления света. 66
3.3 Условие полного внутреннего отражения света от границы раздела двух сред. 67
3.4 Конструкция планарного симметричного оптического волновода. 68
3.5 Эффект Гуса – Хенхена. 68
3.6 Условие поперечного резонанса для планарного волновода. 70
3.7 Мода оптического излучения. 71
3.8 Конструкция цилиндрического диэлектрического волновода – стекловолокна (СВ) 71
3.9 Номинальная числовая апертура стекловолокна. 72
3.10 Квантование углов j и g в стекловолокне. 73
3.11 Уширение импульсных сигналов в стекловолокнах. 74
3.11.1 Уширение импульсного оптического сигнала, обусловленное расходимостью светового пучка. 74
3.12 Рефракция света. 76
3.12.1 Градиентные стекловолокна. 77
3.12.2 Градиентные стекловолокна как способ понижения межмодовой дисперсии. 77
3.13 Стационарное волновое уравнение, для электрической компоненты поля 
световой волны и его решение. 80
3.14 Предельное число мод, способных распространяться по стекловолокнам.. 81
3.15Причины ослабления импульсных оптических сигналов в процессе их распространения по стекловолокнам.. 82
3.16 Фотонно – кристаллическое волокно. 93
3.17 Сравнительная характеристика коаксиальных медных кабелей и стекловолокон. 95
3.18 Разрушение волоконных световодов под действием лазерного излучения. 96
Тестовые вопросы к главе 3 Оптические волноводы.. 97
4 ПРИБОРЫ НЕКОГЕРЕНТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ.. 99
4.1 Источники света. 99
4.1.1 Разновидности источников. 99
4.2 Основные характеристики и параметры светодиодов. 100
4.2.1 Параметры светодиодов. 100
4.2.3 Определение и оценка параметров светодиодов. 106
4.2.4 Схемы возбуждения, обеспечивающие высокую световую эффективность светодиодов 108
4.2.5 Влияние температуры.. 109
4.2.6 Срок службы.. 109
4.2.7 Ограничение тока. 110
4.2.8 Достоинства твердотельных излучателей. 111
4.3 Конструкции светодиодов. 111
4.5 Выбор типа светодиода. 114
4.5.1 Основные соображения для выбора типа светодиода. 114
4.5.2 Памятка разработчику. 117
4.6 Электрическая модель светодиода. 117
4.7 Светодиоды инфракрасного излучения. 119
Тестовые вопросы к главе 4 Источники некогерентного излучения. 120
5 ПРИБОРЫ КОГЕРЕНТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ.. 123
5.1 Физические основы усиления и генерации лазерного излучения. 123
5.2 Структурная схема лазера. 125
5.3 Лазеры на основе кристаллических диэлектриков. 129
5.4 Жидкостные лазеры.. 131
5.5 Газовые лазеры.. 135
5.6 Устройство и принцип действия полупроводникового инжекционного моно лазера. 136
5.7 Устройство и принцип действия полупроводниковых лазеров с гетероструктурами. 139
5.8 Волоконно-оптические усилители и лазеры.. 141
5.8.1 Волоконные усилители. 141
5.8.2 Волоконные лазеры.. 142
5.8.3 Волоконные лазеры на основе вынужденного комбинационного рассеяния. 144
5.9 Светоизлучающие диоды для волоконно-оптических систем.. 146
5.10 Сравнительная характеристика лазеров и светодиодов. 150
5.10.1 Параметры отечественных полупроводниковых лазеров и оптических модулей. 152
5.11 Светодиодные источники повышенной яркости и белого света. 153
Тестовые вопросы к главе 5 Приборы когерентного излучения. 159
6 ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ФОТОПРИЕМНЫЕ ПРИБОРЫ... 161
6.1 Принцип работы фотоприемных приборов. 161
6.2 Характеристики, параметры и модели фотоприемников. 163
6.2.1 Параметры фотоприемников. 163
6.2.2 Характеристики фотоприемников. 165
6.2.3 Параметры фотоприемника как элемента оптопары.. 166
6.2.4 Электрические модели фотоприемников. 166
6.3 Фотодиоды на основе p-n - перехода. 171
6.4 Фотодиоды с p–i–n структурой. 173
6.5 Фотодиоды Шоттки. 176
6.6 Фотодиоды с гетероструктурой. 179
6.7 Лавинные фотодиоды.. 180
6.8 Фототранзисторы.. 182
6.9 Фототиристоры.. 185
6.10 Фоторезисторы.. 187
6.11 Основные характеристики и параметры фоторезистора. 189
6.12 ПЗС приемные фотоприборы.. 191
6.13 Фотодиодные СБИС на основе МОП – транзисторов. 193
6.14 Пиротехнические фотоприемники. 197
Тестовые вопросы к главе 6 Полупроводниковые фотоприемные приборы.. 200
7 ОПТРОНЫ... 202
7.1 Устройство и принцип действия оптронов. 202
7.2 Структурная схема оптрона. 205
7.3 Классификация и параметры оптронов. 206
7.4 Электрическая модель оптрона. 209
7.5 Резисторные оптопары.. 211
7.6 Диодные оптопары.. 212
7.7 Транзисторные оптопары.. 214
7.8 Тиристорные оптопары.. 216
Тестовые вопросы к главе 7 Оптроны.. 217
8 ИНДИКАТОРНЫЕ ПРИБОРЫ... 220
8.1 Жидкокристаллические индикаторы.. 220
8.1.1 Основы теории. 220
8.1.2 Ячейки на основе эффекта динамического рассеяния (ДР – ячейки) 222
8.1.3 Ячейки на основе твист-эффекта. 223
8.1.4 Основные типы и параметры.. 225
8.1.5 Схемы включения жидкокристаллических индикаторов. 231
8.1.6 Схемы управления многоразрядными индикаторами. 233
8.2 Электролюминесцентные индикаторы.. 236
8.2.1 Устройство и принцип действия. 236
8.2.2 Типы и параметры.. 236
8.2.3 Схемы включения электролюминесцентных индикаторов. 238
8.3 Плазменные панели и устройства на их основе. 240
8.4 Электрохромные индикаторы.. 244
Тестовые вопросы к главе 8 Индикаторные приборы.. 246
9 ПРИМЕНЕНИЕ ОПТОЭЛЕКТРОННыХ ПРИБОРОВ.. 250
9.1 Устройство и принцип действия оптоэлектронных генераторов. 250
9.1.1 Блокинг - генератор. 250
9.1.2 Генератор линейно изменяющегося напряжения. 252
9.1.3 Генератор с мостом Вина. 252
9.2 Применение оптоэлектронных приборов в аналоговых ключах и регуляторах. 253
9.3 Применение оптронов для выполнения логических функций. 256
9.4 Применение оптронов как аналогов электрорадиокомпонентов. 257
9.5 Устройство и принцип действия оптоэлектронных усилителей. 259
9.6 Устройство и принцип действия оптоэлектронных цифровых ключей. 260
9.7 Применение оптоэлектронных приборов для измерения высоких напряжений и управления устройствами большой мощности. 262
9.8 Устройство и принцип действия оптических устройств записи информации. 264
9.9 Принцип лазерно-оптического считывания информации. 267
9.10 Принципы цифровой оптической записи и воспроизведения информации с компакт дисков 269
9.10.1 Устройство компакт-диска. 269
9.10.2 Запись на компакт диски. 270
9.10.3 Отличия CD-R/CD-RW дисков от штампованных. 272
9.10.4 Маркировка дисков. 272
9.10.5 Надежность дисков CD-R/RW в сравнении со штампованными. 273
9.10.6 Изготовление и тиражирование компакт-дисков. 273
9.10.7 Воспроизведение компакт-диска. 276
9.10.8 Устройство накопителей на CD-ROM... 277
9.10.9 Представление и параметры звукового сигнала на CD.. 279
9.10.10 Джиттер. 282
Тестовые вопросы к главе 9 Применение оптоэлектронных приборов. 282
Приложение П1. 285
Приложение П2. 287
Список цитированной литературы... 289
Введение
Физическую основу оптоэлектроники составляют процессы преобразования электрических сигналов в оптические, и оптические в электрические, процессы распространения излучения в видимой, инфракрасной и ультрафиолетовой областях спектра в различных средах, а также процессы взаимодействия электромагнитных излучений оптического диапазона с веществом.
Оптоэлектроника синтезирует достижения ряда областей науки и техники: квантовой электроники, полупроводниковой электроники, микроэлектроники. При разработке оптоэлектронных приборов широко используются возможности технологии производства интегральных микросхем. Основу практически любой оптоэлектронной системы составляют генераторы когерентного и некогерентного излучения. Генераторы когерентного излучения получили название – лазеры. Большую группу источников некогерентного излучения составляют светодиоды. Применение оптоэлектронных приборов позволяет решить следующие проблемы:
- создавать каналы связи с высокой информационной емкостью;
- создавать запоминающие устройства с высокой плотность записи информации (108 бит/см2);
- передавать электромагнитную энергию концентрированно и с малыми потерями;
- обеспечивать параллельную обработку больших объемов информации при использовании временной и пространственной модуляции светового луча;
- создать близкие к идеальным элементы развязки входов и выходов устройств связи;
- создать устройства индикации и отображения информации;
- создать системы распространения образов;
- создавать перспективные типы интегрально-оптических устройств и систем.
Оптоэлектроника является перспективным направлением микроэлектроники и относится к разделу функциональной электроники. Использование оптоэлектронных приборов облегчает решение проблемы комплексной микроминиатюризации аппаратуры связи путем замены традиционных элементов связи (трансформаторов, реле, контактов и др.) и создания принципиально новых устройств хранения, отображения и обработки информации.
Настоящее пособие рассчитано на студентов технических специальностей вузов телекоммуникации и информатики, изучающих курсы физики, электронные приборы, физические основы электроники. В пособии рассмотрены принцип действия, типы, характеристики и параметры полупроводниковых светоизлучающих и фотоприемных приборов и устройств, а также вопросы их применения.
1 Введение в оптоэлектронику
Введение в волоконную оптику
С фундаментальной точки зрения между световыми и другими электромагнитными волнами как, например, радиоволнами, не существует отличий, за исключением того, что световые волны имеют значительно более высокую частоту. Как показано на рисунке 1.1, спектр электромагнитных волн простирается от нескольких тысяч километров до космических лучей с длинами волн в триллионную часть метра [4]. В этом спектре нет пробелов, однако, существуют наложения или слияния некоторых областей, что означает отсутствие четких границ между смежными областями.
Рисунок 1.1 – Электромагнитный спектр и области
его использования в волоконной оптике
Поэтому использование того или иного диапазона данного спектра для передачи информации в первую очередь определяется параметрами среды распространения электромагнитных волн, в частности, показателем затухания, стабильностью постоянных распространения и др. Диапазоны частот, для которых обеспечиваются наилучшие условия распространения электромагнитных волн, носят название окон прозрачности среды. По этой причине для передачи информации посредством световых волн используется не весь оптический спектр, который располагается между микроволнами и х-лучами и включает длины волн в диапазоне от 10 нм до 1 мм. В пределах этого диапазона находятся ультрафиолетовое излучение, видимый свет и инфракрасное излучение. Термин «видимый свет» кажется избыточным, однако, использование его в ряде случаев необходимо, так как в некоторых книгах ультрафиолетовое и инфракрасное излучение называются ультрафиолетовым и инфракрасным светом, соответственно. Видимый свет определяется как излучение, которое оказывает влияние на наши зрительные рецепторы и включает излучение от 380 нм до 780 нм, т.е., от фиолетового до красного цвета, охватывая тем самым лишь малую часть электромагнитного спектра. Свет сам по себе не имеет цвета, но эти длины волн, возбуждая рецепторы глаза, создают цветовые образы, что позволило использовать это свойство световой волны реализовать простейшие способы передачи информации на расстояния прямой видимости. По аналогии с проводной связью для увеличения дальности передачи за счет направленного распространения световой волны были исследованы различные оптически прозрачные материалы, на основе которых разработаны оптические волноводы, называемые впоследствии оптическими волокнами. Последние, в свою очередь, открыли возможность успешного использования отработанных к тому времени оптоэлектронных технологий для высокоскоростной передачи большого объема информации на значительные расстояния. Данное направление техники носит название волоконной оптики и в настоящее время интенсивно развивается. Отметим, что сейчас в волоконной оптике используются длины волн приблизительно от 820 нм до 1650 нм, что определяется как инфракрасное излучение (в соответствии с рисунком 1.1), хотя иногда оно также называется просто светом, потому что его можно контролировать и измерять при помощи приборов, сходных с приборами, используемыми для измерений в области видимого света.
Очевидно, что для осуществления передачи информации по оптическому волокну недостаточно наличия самого волокна, для этой цели необходимы еще как минимум источник и приемник излучения, а для передачи на дальние и сверхдальние расстояния – ретрансляторы или оптические усилители. Кроме этого, исходную информацию необходимо представить в виде оптического сигнала, что осуществляется путем модуляции источника оптического излучения, а затем восстановить ее, на приемной стороне с помощью оптического приемника, включающего демодулятор. Таким образом, простейшая система передачи как минимум должна состоять из модулируемого источника оптического излучения, оптического волокна, оптических ретрансляторов или усилителей и оптического приемника.