Оптоелектроніка

Оптоелектроніка – галузь функціональної електроніки, в якій для запису, обробки, збереження, передачі та відображення інформації використовують взаємоперетворення електричних та оптичних сигналів,а також сполучення електронних та оптичних методів. Основною ознакою оптоелектроніки є наявність оптичного фотонного зв’язку, який забезпечує електрон-фотонне або фотон-електронне перетворення.

Типовими оптоелектронними приладами та пристроями є оптрони, просторово-часові модулятори світла та рідкокристалічні монітори.

Оптрони – це найпростіші оптоелектронні прилади, що перетворюють електричний сигнал в оптичний та оптичний – в електричний. Вони складаються зі джерела випромінювання, імерсійного середовища (світловода) і фотоприймача. Існує три основних типи оптронів: оптрон з внутрішнім оптичним зв’язком, з внутрішнім позитивним або негативним зворотнім електрооптичним зв’язком, з внутрішнім електричним зв’язком (рис. 3.5). У першому випадку між джерелом світла (наприклад, світло діодом СД) та фотоприймачем (фоторезистором R_Ф) відсутній електричний зв’язок. Коли до світлодіода прикладають вхідну напругу U_вх та через нього проходить струм i_вх він випромінює світло з певною інтенсивністю та довжиною хвилі J_λ(U_вх, i_вх). Світловий потік падає на фоторезистор, опір якого стримко зменшується. Внаслідок цього відбувається перерозподіл напруги від джерела U₀: на фоторезисторі вона зменшується, а на вихідному, не чутливому до світла, резисторі навантаження R_Н – зростає. З цього резистора і знімають вихідну напругу U_вих (рис. 3.5, а). Перетворення сигналів відбувається за схемою: електричний сигнал – оптичний сигнал – електричний сигнал.

Можливості розглянутого оптрона підсилюються, якщо в оптроні присутній позитивний (або негативний) електричний зв’язок (рис.3.5,б). В цьому випадку зміна інтенсивності світіння світлодіода можлива не лише за рахунок зміни вхідної напруги U_вх, але й за рахунок зміни опору R_Ф, коли на нього падає світлопий потік J_λвх від світлодіода. Таким чином, оптрон має два входи: електричний з U_вх та оптичний з J_λвх. Це значно розширює область його використання.

Оптрон з внутрішнім електричнимзв’язком (рис. 3.5, в) відрізняється тим, що сигналом управління є світловий потік J_λвх, зміна якого за інтенсивністю, або довжиною хвилі обумовлює зміну опору фоторезистора R_Ф, перерозподіл напруги між ним та послідовно з ним включеним світлодіодом СД. Після досягнення певної напруги світлодіод випромінює світло, але не с тією довжиною хвилі, що має потік J_λвх. Перетворення сигналів відбувається за схемою: оптичний сигнал – електричний сигнал – оптичний сигнал. Ці оптрони використовують для перетворення невидимого інфрачервоного світла у світло видимого діапазону, тобто це є найпростіший видикон.

Основні переваги оптронів перед подібними суто напівпровідниковими приладами: гальванічний розв‘язок між входом та виходом; абсолютна захищеність каналу передачі інформації, носієм якої є електрично нейтральні фотони); швидкодія та широка полоса частот передачі інформації, які обумовлені високою частотою оптичних коливань.

В оптронах використовують світлодіоди, які виготовляють зі сполук групи А ^III B ^V, найбільш перспективні з них GaAs та GaP зі спектральним діапазоном випромінювання (0,5 – 0,98 мкм). Крім світло діодів використовують також електролюмінісцентні конденсатори.

 

Світлодіоди з’єднують із фотоприймачами світловодами з полімерних органічних сполук (клеї, лаки), халькогенідних середовищ та волокон.

Фотоприймачі для оптронів повинні володіти внутрішнім фотоефектом.

Це не лише розглянуті вище фоторезистори, а й фотодіоди (з p-n- переходом, МДП структурой або бар’єром Шоттки), фотоелементи та фототранзистори.

Фоторезисторы виготовляють, в основному, з полікристалічних напівпровідникових плівок на основі сполу Cd-S-Se).

Просторово-часові модулятори світла (ПЧМС) – надзвичайно важливі елементи запису, передачі, обробки та збереження інформації.

Розглянемо принцип дії одного з таких модуляторів (типу PROM), де робочим середовищем є платівка монокристалу Bi₁₂SiO₂₀ (рис. 3.6). Цей кристал має в одночас електрооптичні (ефект Поккельса) та фотопровідні властивості. Платівку покривають прозорими електродами та тонкими (~3 мкм) шарами діелектричної плівки з парилену. До електродів прикладають високу напругу.

Предмет, зображення якого потрібно записати, освітлюється He-Cd-лазером із довжиною хвилі λ = 0.44 мкм, до такого світла кристал Bi₁₂SiO₂₀ має найбільшу фоточутливість. Проекція зображення падає на передню поверхню кристала. Інтенсивність освітлення поверхні розподілена просторово- неоднорідно у відповідності до зображення. Так само просторово-неоднорідно збуджується фотопровідність та відбувається перерозподіл напруженості електричного поля Е. В освітлених ділянках опір, падіння напруги та напруженість Е зменшуються, в темних ділянках – навпаки зростають. На цьому етапі спрацьовує ефект Поккельса: у різних ділянках кристала пропорційно напруженості поля Е змінюється коефіцієнт заломлення на величину Δn(Е ). Розподіл Δn за поверхнею кристала просторово-неоднорідний у відповідності до розподілу освітлення у зображенні предмета. Цей розподіл деякий час не зникає після припинення освітлення і може бути прочитаним (просканованим) за допомогою He-Ne- лазера із довжиною хвилі λ = 0.66 мкм. До цього світла кристал Bi₁₂SiO₂₀ не чутливий. Світло He-Ne-лазера спрямовують на задню поверхню кристала, воно проходить крізь кристал та відбивається від передньої поверхні, покритої дихроїчною дзеркальною плівкою. Кут відбиття та інтенсивність світла на виході з кристалу залежать від напруженості поля Е та коефіцієнта заломлення у кожній точці кристала. Таким чином, у віддзеркаленому світлі читають (бачать) записану інформацію – зображення предмета.

Рідкокристалічні монітори На сучасному етапі науково-технічного розвитку досягнуті значні успіхи в розробці та масовому поширенні систем відображення інформації на рідких кристалах. Справа в тому, що вони споживають мізерні потужності і можуть бути виготовлені у вигляді мініатюрних індикаторів або плоских екранів (моніторів).

Принципи роботи такого монітору базується на явищі поляризації світла. Поляризація світла – це здатність матеріалу пропускати лише світло із вектором електромагнітної індукції, що лежить в одній площині. З таких матеріалів виготовляють поляроїди. Властивістю поляризувати світло володіють деякі кристали, плівки, а також рідкі кристали. Екран монітора складається з кількох шарів (рис. 3.7). Ключову роль грають дві скляні панелі, виготовлені з чистого TFT-скла та два тонких шари-поляроїдів. На панелях нанесені тонкі плівки спеціального пластику, а у ньому зроблені канавки. На кожній панелі вони паралельні між собою, але перпендикулярні до канавок іншої панелі. Коли панелі складають у «сендвіч», то між канавками утворюються маленькі комірки – пікселі. У кожній комірці знаходяться молекули рідкого кристала –нематика. Над кожною коміркою у пластику вмонтовані прозорі електроди. Позаду від перелічених шарів розташовують лампу освітлення.

У кожній комірці молекули рідкого кристала-нематика (показані короткими паличками на рис. 3.8) вишукуються вздовж одного напрямку і пропускають світло, площина поляризації якого є паралельною до них (широка прозора стрілка на рис. 3.8.). Молекули мають дипольний момент, тому їх орієнтацію можна змінювати електричним полем.

У відсутності електричного поля кожна комірка екрану монітора буде прозорою, якщо верхній та нижній поляроїди пропускають світло тієї ж самої орієнтації площини поляризації, що може пропустити комірка. Якщо орієнтація площини поляризації світла, що пропускає верхній поляроїд, буде перпендику лярною до площини поляризації світла для нижнього поляроїду, то світло через систему поляроїд – комірка – поляроїд не проходить. На екрані ця точка буде темною. Прикладання електричного поля напруженості Е повертає молекули рідкого кристала на кут α ~ Е, тобто повертає й площину поляризації світла, яке може пропустити комірка. Коли площина поляризації співпаде з тією орієнтацією, що пропускає верхній поляроїд, відповідна точка екрану буде світлою.

Електричне поле, що прикладається до різних комірок екрану, є різним за величиною Е, відповідно до того, скільки світла потрібно пропустити, що сформувати зображення предмету (рис.3.7?). Кольорове зображення одержують завдяки використанню кольорових фільтрів (рис.3.7). Роздільна здатність екрану монітора. визначається кількістю пікселів, що створюють матрицю.

За приклад візьмемо рідкокристалічний екран (LCD-екран) телевізора LG RZ-23LZ20. Він має роздільну здатність 1280х768 пикселів та передає близько 17 мильонів кольорів с контрастом 400:1.