ГЛАВА 10 ОПТИЧЕСКАЯ ЭЛЕКТРОНИКА
Оптоэлектроника — раздел электроники, в котором изучают эффекты и явления взаимодействия электромагнитного излучения оптического диапазона (0,5...20,0 мкм) с электронами в твердом теле и методы создания приборов и устройств, использующих эти эффекты для генерации, передачи, хранения и обработки информации.
Оптоэлектроника условно делится на фотонику и оптронику.
Фотоника исследует методы создания устройств, предназначенных для генерации, хранения, передачи, обработки и отображения информации, представленной в виде оптических сигналов.
Оптроника развивает методы создания оптронных схем — электронных устройств с внутренними оптическими связями.
Обработка и хранение информации оптическими методами является центральной задачей оптоэлектроники. Оптическая обработка информации основана на использовании в качестве носителя информации оптического излучения, а в качестве преобразователей — информации оптических и оптоэлектронных элементов.
10.1. Фотоника
Светоизлучающие диоды. Рассмотрим методы создания устройств, предназначенных для генерации, хранения, передачи, обработки и отображения информации, представленной в виде оптических сигналов.
Отличительной особенностью оптоэлектронных приборов является использование электрически нейтральных квантов оптического излучения, с высокой частотой колебаний и соответственно ма-
лым значением длины волны оптического излучения, малой расходимостью светового луча и возможностью его острой фокусировки. В этом плане наибольшее предпочтение отдают когерентным излучателям.
Некогерентные излучатели представляют собой светодиоды на основе полупроводниковой структуры, излучающей свет при пропускании тока через /ья-переход в прямом направлении.
Различают два механизма возбуждения светодиода: инжекция носителей заряда и ударная ионизация. В основе спонтанной генерации света лежат процессы инжекции неосновных носителей заряда в активную область /ья-структуры. В результате рекомбинации носителей заряда происходит исчезновение пары свободных противоположно заряженных носителей с одновременным выделением энергии пропорциональной ширине запрещенной зоны. Может происходить и процесс безызлучательной рекомбинации, при которой происходит рождение фононов.
Процесс инжекции наиболее эффективен в гетероструктурах. Вследствие разрывов в валентной зоне и зоне проводимости при смещении гетероперехода в прямом направлении наблюдается инжекция в прямом направлении: из широкозонного материала в узкозонный. Вывод излучения осуществляется перпендикулярно плоскости гетероструктуры через верхний широкозонный слой. Максимальный квантовый выход, или отношение числа вышедших фотонов к числу рожденных, составляет примерно 40 %. Быстродействие достигает 1 • 10-8...1 ■ 10-9 с.
Ударная ионизация возникает при обратном смещении р-п-перехода до напряжения электрического пробоя. Этот механизм менее эффективен, чем инжекционный.
Излучательная рекомбинация осуществляется в прямозонных полупроводниках ваАБ, 1пАб, растворах ваАБр^Рх, Са1_хА1х Ав. Условием инжекции является соблюдения условия равенства квазиимпульса минимума зоны проводимости и максимума валентной зоны. Этот переход с сохранением квазиимпульса является излучателъным.
Светодиоды на основе гомопереходов в прямозонных полупроводниках имеют сильное поглощение внутри кристалла. В связи с низким квантовым выходом светодиоды этого типа применяют редко.
В непрямозонных полупроводниках излучательная рекомбинация происходит при наличии определенных примесных центров, на которых образуются электроны. После захвата электрона к центру кулоновскими силами подтягивается и дырка, т.е. реализуется излучательный переход.
для расширения спектрального диапазона излучении примени ют тройные и четверные соединения. Эти соединения характеризуются изовалентным замещением элементов III и V групп иериоди ческой системы элементов. Типичные спектры излучения фотодиодов приведены в табл. 10.1.
Светодиоды могут иметь один или несколько (матричных) Р~п-переходов, расположенных на одном монокристалле. Матричные светодиоды используют в качестве индикаторов.
Особый интерес представляют коротковолновые лазерные диоды, позволяющие обеспечить высокую плотность записи информации на уровне гигабайт на сантиметр квадратный. Для изготовления таких коротковолновых диодов используют структуры с набором квантовых ям. На рис. 10.1 приведена одна из конструкций такого лазерного диода. Лазерная структура содержит буферный слой GaN (30 нм), слой л-типа на основе GaNSi (3 мкм), слой л-1п0.05 Ga0,95 N (Si 0,1 мкм), слой я-А1о,о7 Gao,93 N (Si 0,4 мкм), слой «-GaN (Si 0,1 мкм) и квантово-размерную область MGW. Эта область состоит из семи квантово-размерных слоев In0,2 Gao.» (N2,5 нм), слоя р-А10,2 Gao,g N (20 нм), слой /»-GaN (0,1 мкм), слой />-Alo,o7Gao,93N (0,4 мкм), слой /?-GaN (0,2 мкм). Такой нетривиальный слоеный «пирог» позволяет создать лазерный диод с резким пиком стимулированного излучения на длине волны 406,3 нм при токе 140 мА.
Интересной особенностью прибора является коротковолновый сдвиг максимума стимулированного излучения, при этом полуширина линии излучения составляет всего 0,03 нм.
Когерентные излучатели получают на основе тех же ^-«-переходов и при создании условий для вынужденного излучения. Для этого получают положительную обратную связь, перемещая инверсную активную среду в резонатор.
Полупроводниковые лазеры, изготовленные из одного полупроводникового материала {гомолазеры), — малоэффективны. Гетеролазеры создают на основе гетеропереходов двух и более полупроводниковых материалов с отличными друг от друга энергиями запрещенных зон. Это, как правило, твердые растворы типа ГпСаАзР в различном сочетании. Комбинации четверных и тройных соединений А3В5 позволяют получать когерентные излучатели в диапазоне длин волн 0,66...4,00 мкм.
Инжекционные лазеры являются высокоскоростными приборами, максимальная частота модуляции излучения которых может достигать значения 2 • Ю10 Гц. Для хорошего согласования излучения лазера с каналами передачи информации необходимо лазер вводить в одномодовый режим работы. Одномодовые лазеры отличаются низким уровнем шумов и стабильностью.
В большинстве инжекционных лазеров в качестве резонатора Фабри — Перо используются сколотые грани лазерного кристалла» брэгговские зеркала. Это упрощает конструкцию, но затрудняет интеграцию источника когерентного излучения с другими элементами- 274
Для создания положительной обратной связи в лазерах с периодической модуляцией оптических характеристик необходимо менять направление волны, рассеиваемой на неоднородностях, на обратное. Возникают две связанные волны одной частоты, распространяющиеся в противоположных направлениях. Такое возможно, если параметры оптической среды промодулировать по периодическому закону в направлении распространения. Например, по закону, удовлетворяющему условию Брэгга: А = тХ0/2пэф, где А — период; т — порядок брэгговского отражения; Х0 — длина волны излучения; «Эф — эффективный показатель преломления волновой моды. Такой брэгговский резонатор имеет только одну полосу резонансного усиления. В итоге получается одночастотный лазер с высокой спектральной избирательностью (АХ0 « 0,1 мм).
Основной целью интегральной оптоэлектроники является разработка оптоэлектронных интегральных схем. Ключевыми элементами таких схем являются излучатели (микролазеры) и фотоприемники.
Различают два типа излучателей с периодической модуляцией оптических характеристик. В лазерах с распределенным брэгговским отражателем (РБО-лазеры) используют модулированные участки оптической среды, вынесенные из активной области (рис. 10.2, а). Это позволяет гибко подстраивать длину волны излучения, изменяя ток в пассивной секции брэгговского отражателя. Увеличивая ток в диапазоне 0...30 мА, можно изменить длину волны лазера на 4,5 нм. Высокая эффективность РБО-лазеров достигается за счет малых потерь в областях брэгговского отражения и высокоэффективной связи между внешними и внутренними волноводами.
В лазерах с распределенной обратной связью (РОС-лазеры) модуляция среды осуществляется непосредственно в активной области. Чтобы стабилизировать длину волны, в области /?-«-перехода создают поперечную насечку, образующую дифракционную рещетку. Благодаря этой насечке излучение только с одной длиной волны возвращается обратно в резонатор и участвует в дальнейшем усилении. РСС-лазеры имеют стабильную длину волны излучения, которая определяется на этапе производства шагом насечки, но может незначительно меняться под влиянием температуры. Такие лазеры — основа современных оптических телекоммуникационных систем. Их также используют и в системах многочастотной оптоволоконной связи. В РОС-лазерах качество связи в основном определяет эффективность ввода излучения в элементы оптической схемы.
Лазерные структуры с периодической модуляцией оптических характеристик различаются порядком дифракции. Этот порядок определяется целым числом полуволн лазерного излучения, которые можно уложить на периоде неоднородности. Конструктивно неоднородности выполняют в виде диэлектрика с гофрированной поверхностью. Изменение толщины волновода определяет периодичность неординарности. Коэффициент связи показывает степень связи активной генераторной и пассивной-волноводной компонент. Для увеличения мощности когерентного излучения лазеры объединяют в лазерные решетки.
На рис. 10.3 приведена схема сопряжения в решетку двух гетеролазеров с распределенным брэгговским отражением. Такие источники излучения разработаны для оптических интегральных схем. Дифракционную решетку в РОС-гетеролазерах используют для вывода излучения. Это позволяет улучшить направленность излучения и повысить мощность.
При использовании в устройствах оптоэлектроники когерентных источников излучения достигается наименьшая расходимость излучения, передается энергия излучения в заданную точку пространства с минимальными потерями, обеспечиваются более широкие функциональные возможности устройств фотоники и оп- тронных схем.
В качестве приемников излучения в устройствах оптоэлектроники используют полупроводниковые фотодиоды, фототранзисторы, фототиристоры.
Модуляторы. Модуляция оптического излучения — процесс изменения во времени по заданному закону амплитуды, частоты, фазы или поляризации колебаний оптического излучения с целью управления световыми пучками. Различают амплитудную, фазовую, частотную или поляризационную модуляции. Для излучений видимого и ближнего ИК-диапазонов (10 Гц) возможны частоты модуля
ции с верхним пределом до 10й... 1012 Гц.
Модуляцию, при которой преобразование излучения происходит в процессе его формирования непосредственно в источнике оптического излучения, называют внутренней модуляцией. При внешней модуляции с помощью модуляторов света параметры излучения изменяют после его выхода из источника.
Существует много способов модуляции излучения на основе физических эффектов: электрооптический, магнитооптический, уп- РУгооптический и др.
Для внешних модуляторов применяют управляемый двулуче- преломляющий элемент из материала, обладающего естественной или наведенной анизотропией. Внешнее управляющее поле приводит к изменению оптических характеристик среды. Известны модуляторы на основе эффектов Поккельса, Керра, Фарадея и др.
Для модуляции света используют искусственную оптическую анизотропию, которая возникает в первоначально изотропных твердых телах под действием упругих напряжений, так называемая фотоупругость.
Электрическое управление поглощением света полупроводниками можно осуществить при изменении концентрации свободных носителей или их подвижности. Такой же результат можно получить, сдвигая края полосы поглощения за счет эффекта Келдыша — Франца.
Для оптических интегральных схем предпочтительны методы внутренней модуляции, в основе которых лежат физические явления, основанные на управлении когерентным излучением за счет изменения параметров лазера. Иногда используют эффекты, харак-
горные для внешних модуляторов. Такие модуляторы помещав внутри оптическою резонатора лазера. Частотой излучения лазера управляю!, изменяя добротность резонатора лазера, например меняя оптическую длину резонатора. С этой целью одно из зеркал резонатора укрепляют либо на магнитострикционном стержне, либо на пьезоэлементе и изменяют длину резонатора синхронно с модулирующим напряжением. Частотную модуляцию излучения лазера можно получить также при наложении на активную среду магнитного или электрического полей. Соответственно под действием эффектов Штарка или Зеемана происходит расщепление и смещение рабочих уровней атомов, ответственных за генерацию когерентного излучения. Одним из методов управления когерентным излучением является модуляция обратной связи путем изменения коэффициентов отражения зеркал резонатора. Это изменение можно получить, заменяя одно из зеркал на комплекс зеркал, образующих интерферометр Фабри — Перо.
Одним из примеров амплитудной модуляции оптического сигнала является фазовая модуляция в двух плечах интегрально-оптического интерферометра Маха—Цандера (рис. 10.4). Симметричная конфигурация компланарных электродов бегущей волны позволяет осуществить двухтактную фазовую модуляцию в двух плечах интерферометра. Функция преобразования модулятора имеет вид
л р
I =-^-|1+со8(Ф)], где р — вносимые оптические потери; Ф=
= пС// ип— разность фаз между двумя плечами интерферометра, индуцированная электрическим сигналом, приложенным к управляющим электродам; и — напряжение на электродах; ип — полуволновое напряжение (требуемое для изменения фазы на я).
Эффективным способом внутренней модуляции излучения является режим синхронизации мод, представляющий собой модуляцию добротности резонатора с частотой, близкой к частоте межмодовых биений лазера. В режиме синхронизации мод генерируются короткие и мпшный импульсы. следующие с частотой внешней мплуляпии.
В основе работы акустооптических модуляторов лежит явление дифракции света на фазовой решетке, образованной периодическим изменением показателя преломления среды при прохождении через нее ультразвуковой волны.
10.2. Оптоэлектронные устройства
В оптоэлектронике разработаны различные устройства и системы для обработки информации. Прежде всего это различные индикаторные устройства, оптроны, волоконно-оптические системы связи, оптические процессоры. Провести строгую классификацию и отнести то или иное устройство к оптронному или фотонному направлению в оптоэлектронике весьма затруднительно. Однако оптроны традиционно считают изделиями оптоэлектроники. Эти устройства находят применение в устройствах связи в качестве элементов гальванической развязки.
Оптроны, или оптоэлектронные процессоры, представляют собой совокупность оптоэлектронных элементов, выполняющих операции в соответствии с заданной функцией и алгоритмом обработки информации.
Оптроны обеспечивают высокую электрическую прочность, од- ф нонаправленность потока информации, исключающее реакцию
приемника на источник, широкую полосу пропускания.
По степени сложности структурной схемы среди изделий оп- тронной техники выделяют две группы приборов. Оптопара, или элементарный оптрон, представляет собой оптоэлектронный полупроводниковый прибор, состоящий из излучающего и фотоприем- ного элементов, между которыми имеется оптическая связь, обеспечивающая электрическую изоляцию между входом и выходом.
Оптоэлектронная интегральная микросхема — это микросхема, состоящая из одной или нескольких оптопар и электрически соединенная с одним или несколькими согласующими или усилительными устройствами. Таким образом, в электронной цепи такой прибор выполняет функцию элемента связи, в котором в то же время осуществлена электрическая (гальваническая) развязка входа и выхода. С помощью оптронов удается получить связь между отдельными частями электронных устройств при условии обеспечения полной гальванической развязки между ними. Помехозащен- ность обеспечивается достижением сопротивления изоляции более 1014 Ом и емкости связи порядка 1 • Ю-14 Ф.
Оптроны могут иметь различную конструкцию в зависимости от используемого фотоприемника: резисторный, диодный, транзи- сторый, тиристорный (рис. 10.5). В зависимости от совокупности характеристик генератора и детектора оптрон может выполнять различные процессы обработки информации: усиление, переключение, согласование, преобразование, индикация и т.п. С помощью оптронов осуществляют гальваническую развязку электрических цепей, оптическую связь — волоконно-оптические линии связи (ВОЛС) большой информационной емкости. На фототранзи- сторных оптронах легко собирать логические схемы на основе ячеек типа ИЛИ и И (рис. 10.5, д, ё).
Однако оптроны как элементная база построения вычислительных устройств неконкурентоспособна с транзисторами. Во-первых, двойное преобразование энергии обусловливает низкую энергетическую добротность оптронов. Во-вторых, значительные технологические трудности вызывают необходимость согласования спектральных характеристик светодиодов и фотоприемников при значительном числе оптронов. В-третьих, оптроны являются элементами оптических схем и поэтому принципиальные ограничения, характерные для схемотехнических методов обработки информационных массивов, накладывают серьезные ограничения и на этот тип схем. На основе оптронов возможно формирование обучаемой системы восприятия и распознавания образов — персептрона.
В оптоэлектронике важнейшей проблемой является увеличение функциональной насыщенности элементов, создание приборов и устройств, в которых сочетались бы функции генерирования, детектирования, модуляции, запоминания и избирательности в процессах оптической обработки информации.
Разработаны приемо-передатчики с открытым оптическим каналом, развитие которых связано с решением проблемы формирования высокоэффективных систем беспроводной оптической связи. Такая связь необходима в современной вычислительной технике вообще и в компьютерах в частности.
Итак, преимуществами оптронов являются: возможность обеспечения идеальной электрической (гальванической) развязки между входом и выходом;
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 и 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 про-
тяженным 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. К недостаткам оптронов можно отнести:
значительную потребляемую мощность, обусловленную необходимостью двойного преобразования энергии (электричество — свет — электричество) и невысокие КПД этих переходов;
повышенную чувствительность параметров и характеристик к воздействию повышенной температуры и проникающей радиации;
относительно высокий уровень собственных шумов, обусловленный, как и два предыдущих недостатка, особенностями физики
светодиодов; ^
конструктивно-технологическое несовершенство, связанное с использованием гибридной непланарной технологии (необходи- мость объединения в одном приборе нескольких отдельных щ. сталлов из различных полупроводников, располагаемых в разных плоскостях).
Оптические интегральные схемы содержат электронную и фотонную части. С помощью многократных ростовых операций и селективного травления на одной пластине размещаются электронные и фотонные устройства. Пространственное разделение фотонной и электронной частей может производиться как с помощью вертикальной, так и горизонтальной интеграции (рис. 10.6).
В вертикально интегрированной структуре различные слои материалов разделены полуизолирующими материалами такой толщины, чтобы избежать паразитных связей между различными участками. К недостаткам вертикально интегрированных структур можно отнести непланарное расположение электрических соединений между фотонными и электронными частями схемы. Это затрудняет изготовление сложных схем. Горизонтальная геометрия позволяет разнести в пространстве электронную и фотонную части и тем самым уменьшить паразитные связи.
При проектировании оптических интегральных схем необходимо придерживаться трех принципов.
1. Сохранение объема сигнала. Это означает, что оптоэлектронное преобразование информации должно происходить без потерь информации, т.е. объем сигнала определяется соотношением V = TFL = const, где Т — длительность сигнала; F —ширина слек-
Разделительный Соединение
ура частот; I = 1п(Рс/Рш) — динамический диапазон; Рс — мош ность сигнала; Рш — мощность шума. Этот принцип определис! возможность изменения параметров сигнала в процессе оптоэлск тронного преобразования.
2. Оптимальность структуры выражает необратимость фо тон-электронного и электрон-фотонного преобразования сигнала и
■ 1 одной системе. При оптоэлектронном преобразовании потери им формации должны быть минимальными. С этой целью фотоприем ные звенья следует формировать в полупроводнике с меньшей шириной запрещенной зоны, чем излучающие звенья.
3. Информативность преобразования — при равных информаии онных объемах сигналов в результате оптоэлектронного преобразования информативность ансамбля фотонов больше информативности ансамбля электронов. Это следует из физических свойств электронов и фотонов. Электрон обладает зарядом и спином. Вектор скорости электрона при его движении определяется векторами внешнего электрического и магнитного полей. Фотон движется с постоянной скоростью и независимо от внешних электромагнитных полей.
Можно надеяться на создание интегрально-оптических схем, превосходящих полупроводниковые ИС по скорости обработки информации, высокой помехоустойчивости. Они найдут широкое применение в системах оптической обработки информации, включая ВОЛС.
Контрольные вопросы
1. Что такое оптоэлектроника?
2. Когерентные и некогерентные излучатели.
3. Что такое РОС-лазеры?
4. Что такое РБО-лазеры?
5. Что такое оптрон?
6. Какие типы оптронов вы знаете?
7. Каково функциональное назначение оптронов?
8. Как вы представляете себе оптическую интегральную схему?
Дата добавления: 2016-06-13; просмотров: 2207;