Оптоэлектроника

 Оптоэлектроника является важной  самостоятельной областью функциональной  электроники и микроэлектроники. Оптоэлектронный прибор - это устройство, в котором при обработке информации  происходит преобразование электрических  сигналов в оптические и обратно. 

Существенная особенность оптоэлектронных  устройств состоит в том, что  элементы в них оптически связаны, а электрически изолированы друг от друга.

Благодаря этому легко обеспечивается согласование высоковольтных и низковольтных, а также высокочастотных и  низкочастотных цепей. Кроме того, оптоэлектронным  устройствам присущи и другие достоинства: возможность пространственной модуляции световых пучков, что в  сочетании с изменениями во времени  дает три степени свободы (в чисто  электронных цепях две); возможность  значительного ветвления и пересечения  световых пучков в отсутствие гальванической связи между каналами; большая  функциональная нагрузка световых пучков ввиду возможности изменения  многих их параметров (амплитуды, направления, частоты, фазы, поляризации).

Оптоэлектроника охватывает два основных независимых направления - оптическое и электронно-оптическое. Оптическое направление базируется на эффектах взаимодействия твердого тела с электромагнитным излучением. Оно опирается на голографию, фотохимию, электрооптику и другие явления. Оптическое направление иногда называют лазерным.

Электронно-оптическое направление  использует принцип фотоэлектрического преобразования, реализуемого в твердом  теле посредством внутреннего фотоэффекта, с одной стороны, и электролюминесценцией, с другой. В основе этого направления  лежит замена гальванических и магнитных  связей в традиционных электронных  цепях оптическими. Это позволяет  повысить плотность информации в  канале связи, его быстродействие, помехозащищенность.

Для микроэлектроники представляет интерес  в основном электронно-оптическое направление, которое позволяет решить одну из важных проблем интегральной микроэлектроники - существенное уменьшение паразитных связей между элементами как внутри одной интегральной микросхемы, так  и между микросхемами. На оптоэлектронном  принципе могут быть созданы безвакуумные аналоги электронных устройств и систем: дискретные и аналоговые преобразователи электрических сигналов (усилители, генераторы, ключевые элементы, элементы памяти, логические схемы, линии задержки и др.); преобразователи оптических сигналов - твердотельные аналоги электронно-оптических преобразователей, видиконов, электронно-лучевых преобразователей (усилители света и изображения, плоские передающие и воспроизводящие экраны); устройства отображения информации (индикаторные экраны, цифровые табло и другие устройства картинной логики).

Рис.1. Оптрон с внутренней (а) и внешними (б) фотонными связями: 1, 6 - источники  света; 2 - световод; 3, 4 - приемники света; 5 - усилитель.

Основным элементом оптоэлектроники  является оптрон. Различают оптроны  с внутренней (рис.1, а) и внешними (рис.1, б) фотонными связями. Простейший оптрон представляет собой четырехполюсник (рис.1, а), состоящий из трех элементов: фотоизлучателя 1, световода 2 и приемника  света 3, заключенных в герметичном  светонепроницаемом корпусе. При подаче на вход электрического сигнала в  виде импульса или перепада входного тока возбуждается фотоизлучатель. Световой поток по световоду попадает в  фотоприемник, на выходе которого образуется электрический импульс или перепад  выходного тока. Этот тип оптрона  является усилителем электрических  сигналов, в нем внутренняя связь  фотонная, а внешние - электрические.

Другой тип оптрона - с электрической  внутренней связью и фотонными внешними связями (рис.1, б) - является усилителем световых сигналов, а также преобразователем сигналов одной частоты в сигналы  другой частоты, например сигналов инфракрасного излучения в сигналы видимого спектра. Приемник света 4 преобразует входной световой сигнал в электрический. Последний усиливается усилителем 5 и возбуждает источник света 6.

В настоящее время разработано  большое число оптоэлектронных  устройств различного назначения. В  микроэлектронике, как правило, используются только те оптоэлектронные функциональные элементы, для которых имеется  возможность интеграции, а также  совместимость технологии их изготовления с технологией изготовления соответствующих  интегральных микросхем.

Фотоизлучатели. К источникам света  оптоэлектроникой предъявляются такие  требования, как миниатюрность, малая  потребляемая мощность, высокие эффективность  и надежность, большой срок службы, технологичность. Они должны обладать высоким быстродействием, допускать  возможность изготовления в виде интегральных устройств.

Наиболее широкое распространение  в качестве электролюминесцентных  источников получили инжекционные светодиоды, в которых испускание света определяется механизмом межзонной рекомбинации электронов и дырок. Если пропускать достаточно большой ток инжекции через p-n-переход (в прямом направлении), то часть электронов из валентной  зоны перейдет в зону проводимости (рис.2). В верхней части валентной  зоны образуются свободные состояния (дырки), а в нижней части зоны проводимости - заполнение состояния (электроны  проводимости).

Такая инверсная заселенность не является равновесной и приводит к хаотическому испусканию фотонов при обратных переходах электронов. Возникающее  при этом в р-n-переходе некогерентное  свечение и является электролюминесценцией.

Рис.2. К объяснению принципа действия инжекционного светодиода.

Фотон, испускаемый при люминесцентном переходе из заполненной части зоны проводимости в свободную часть  валентной зоны, вызы ........... вает индуцированное излучение идентичного фотона, заставив еще один электрон перейти в валентную  зону. Однако фотон такой же энергии (от ?E=E2-E1 до ?E=2?E) не может поглотиться, так как нижнее состояние свободно (в нем нет электронов), а верхнее  состояние уже заполнено. Это  означает, что p-n-переход прозрачен  для фотонов такой энергии, т.е. для соответствующей частоты. Наоборот, фотоны с энергией, большей ?E+2?E, могут  поглощаться, переводя электроны из валентной зоны в зону проводимости. В то же время для таких энергий  индуцированное испускание фотонов  невозможно, так как верхнее исходное состояние не заполнено, а нижнее состояние заполнено. Таким образом, вынужденное излучение возможно в узком диапазоне около частоты, соответствующей энергии запрещенной  зоны ?Е с шириной спектра ?E.

Наилучшими материалами для  светодиодов являются арсенид галлия, фосфид галлия, фосфид кремния, карбид кремния и др. Светодиоды имеют  высокое быстродействие (порядка 0,5 мкс), но потребляют большой ток (около 30 А/см2). В последнее время разработаны  светодиоды на основе арсенида галлия - алюминия, мощности которых составляют от долей до нескольких милливатт  при прямом токе в десятки миллиампер.К. п. д. светодиодов не превышает 1 - 3%.

Перспективными источниками света  являются инжекционные лазеры, позволяющие  концентрировать высокие энергии  в узкой спектральной области  при высоких к. п. д. и быстродействии (десятки пикосекунд). Эти лазеры можно изготовлять в виде матриц на одном базовом кристалле по той же технологии, что и интегральные микросхемы. Недостатком простых  инжекционных лазеров является то, что они имеют приемлемые характеристики лишь при использовании охлаждения до очень низких температур. При  нормальной температуре галлий-арсенидовый  лазер имеет малую среднюю  мощность, низкий к. п. д. (порядка 1%), небольшие  стабильность работы и срок службы. Дальнейшее усовершенствование инжекционного  лазера путем создания перехода сложной  структуры с использованием гетеропереходов (гетеропереход - граница между слоями с одинаковыми типами электропроводности, но с разной шириной запрещенной зоны) позволило получить малогабаритный источник света, работающий при нормальной температуре с к. п. д.10 - 20% и приемлемыми характеристиками.

Фотоприемники. Для преобразования световых сигналов в электрические  используют фотодиоды, фототранзисторы, фоторезисторы, фототиристоры и  другие приборы.

Фотодиод представляет собой смещенный  в обратном направлении p-n-переход, обратный ток насыщения которого определяется количеством носителей  заряда, порождаемых в нем действием  падающего света (рис.3). Параметры  фотодиода выражают через значения тока, протекающего в его цепи. Чувствительность фотодиода, которую принято называть интегральной, определяют как отношение  фототока к вызвавшему его световому  потоку Ф?. Порог чувствительности фотодиодов оценивают по известным значениям  интегральной (токовой) чувствительности и темнового тока Id, т.е. тока, протекающего в цепи в отсутствие облученности чувствительного слоя.

Основными материалами для фотодиодов являются германий и кремний. Кремниевые фотодиоды обычно чувствительны  в узкой области спектра (от ? = 0,6 - 0,8 мкм до ? = 1,1 мкм) с максимумом при ? = 0,85 мкм, а германиевые фотодиоды  имеют границы чувствительности ? = 0,4 - 1,8 мкм с максимумом при ? ? 1,5 мкм. В фотодиодном режиме при  напряжении питания 20 В темновой ток  кремниевых фотодиодов обычно не превышает 3 мкА, в то время как у германиевых; фотодиодов при напряжении питания 10 В он достигает 15-20 мкА.

Рис.3. Схема и вольт-амперные характеристики фотодиода.

Рис.4. Схема и вольт-амперные характеристики фототранзистора.

Фототранзисторы представляют собой  приемники лучистой энергии с  двумя или с большим числом р-п-переходов, обладающие свойством  усиления фототока при облучении  чувствительного слоя. Фототранзистор соединяет в себе свойства фотодиода  и усилительные свойства транзистора (рис.4). Наличие у фототранзистора  оптического и электрического входов одновременно позволяет создать  смещение, необходимое для работы на линейном участке энергетической характеристики, а также компенсировать внешние воздействия. Для обнаружения  малых сигналов напряжение, снимаемое  с фототранзистора, должно быть усилено. В этом случае следует увеличить  сопротивление выхода переменному  току при минимальном темновом токе в цепи коллектора, создавая положительное  смещение на базе.

Световоды. Между источником и приемником света в оптроне находится  световод. Для уменьшения потерь при  отражении от границы раздела  светодиода и проводящей среды (световода) последняя должна обладать большим  коэффициентом преломления. Такие  среды называются иммерсионными. Иммерсионный материал должен обладать также хорошей  адгезией к материалам источника  и приемника, обеспечивать достаточное  согласование по коэффициентам расширения, быть прозрачным в рабочей области  и т.д. Наиболее перспективными являются свинцовые стекла с показателем  преломления 1,8-1,9 и селеновые стекла с показателем преломления 2,4-2,6. На рис.5 показано поперечное сечение  твердотельного оптрона с иммерсионным световодом.

В качестве световодов в оптоэлектронике  находят применение тонкие нити стекла или прозрачной пластмассы. Это направление  получило название волоконной оптики. Волокна покрывают светоизолирующими  материалами и соединяют в  многожильные световые кабели. Они  выполняют те же функции по отношению  к свету, что и металлические  провода по отношению к току. С  помощью волоконной оптики можно: осуществлять поэлементную передачу изображения  с разрешающей способностью, определяемой диаметром световолокна (порядка 1 мкм); производить пространственные трансформации  изображения благодаря возможности  изгибания и скручивания волокон  световода; передавать изображения  на значительные расстояния и т.д. На Рис.6 показан световод в виде кабеля из светопроводящих волокон.

Интегральная оптика. Одним из перспективных  направлений функциональной микроэлектроники является интегральная оптика, обеспечивающая создание сверхпроизводительных систем передачи и обработки оптической информации. Область исследований интегральной оптики включает распространение, преобразование и усиление электромагнитного излучения  оптического диапазона в диэлектрических  тонкопленочных волноводах и волоконных световодах. Основным элементом интегральной оптики является объемный или поверхностный оптический микроволновод. Простейший симметричный объемный оптический микроволновод представляет собой локализованную по одной или двум пространственным измерениям область с показателем преломления, превышающим показатель преломления окружающей оптической среды. Такая оптически более плотная область есть нечто иное, как канал или несущий слой диэлектрического волновода.

Рис.5. Разрез твердотельного оптрона  с иммерсионным световодом: 1 - планарная  диффузия; 2 - селеновое стекло; 3 - омические  контакты; 4 - диффузионная мезаструктура; 5 - источник света; 6 - приемник света.

Рис.6. Световод в виде кабеля из светопроводящих  волокон: 1 - источник света; 2 - приемник света; 3 - световой кабель.

Примером несимметричного поверхностного диэлектрического волновода может  служить тонкая пленка оптически  прозрачного диэлектрика или  полупроводника с показателем преломления, превышающим показатель преломления  оптически прозрачной подложки. Степень  локализации электромагнитного  поля, а также отношение потоков  энергии, переносимых вдоль несущего слоя и подложки, определяются эффективным  поперечным размером несущего слоя и  разностью показателей преломления  несущего слоя и подложки при заданной частоте излучения. Сравнительно простым  и наиболее подходящим для твердотельных  оптических устройств является оптический полосковый микроволновод, выполненный  в виде тонкой диэлектрической пленки (рис.7), нанесенной на подложку методами микроэлектроники (например, вакуумным  напылением). С помощью маски на диэлектрическую подложку можно  наносить с высокой степенью точности целые оптические схемы. Применение электронно-лучевой литографии обеспечило успехи в создании как одиночных  оптических полосковых волноводов, так  и оптически связанных на определенной длине, а впоследствии расходящихся волноводов, что существенно для  создания направленных ответвителей и  частотно-избирательных фильтров в  системах интегральной оптики.