オプトエレクトロニクスの基礎。オプトエレクトロニクスデバイスの分類

オプトカプラー（オプトカプラー）は、光源と放射受信機（発光体と光検出器）があり、それらの間に1つまたは別のタイプの光接続がある半導体デバイスです。

あらゆる種類のフォトカプラの動作原理は、以下に基づいています。エミッターでは、電気信号のエネルギーが光に変換され、逆に、光検出器では、光信号が電気的応答（信号）を引き起こします。実際には、エミッタから光検出器への直接光接続を備えたフォトカプラのみが普及しており、原則として、これらの要素間のすべてのタイプの電気接続は除外されています。光接続の存在により、入力間の電気的絶縁が提供されます。（エミッター）と出力（光検出器）。

したがって、電子回路では、そのようなデバイスは結合要素の機能を実行し、同時に入力と出力の電気的（ガルバニック）絶縁が実行されます。

オプトエレクトロニクスデバイスの使用は非常に多様です。機器ユニットの通信には、大きな電位差があります。測定デバイスの入力回路を干渉および干渉から保護するため、大電流および高電圧回路（ソリッドステートリレー）の光学的、非接触制御、強力なサイリスタ、トライアックのトリガー、電気機械式リレーデバイスの制御。

「長い」オプトカプラー（光チャネルとして拡張された柔軟な光ファイバーライトガイドを備えたデバイス）の作成により、オプトカプラー製品の使用にまったく新しい方向性が開かれました。光ファイバーを介した距離を超えた通信です。

光電子デバイスは、純粋な無線工学変調回路、自動利得制御などでも使用されます。ここでは、光チャネルの影響を使用して、回路を最適な動作モードにしたり、非接触モード変更などを行います。

主なタイプのオプトカプラーの従来のグラフィック表示を図15.1に示します。

15.1オプトエレクトロニクスデバイスの分類

オプトエレクトロニクスデバイスは、以下の基準に従って分類されます。

使用するエミッターのタイプオプトカプラーは次のように分けられます。

ミニチュア白熱電球にエミッター付き。このようなエミッターのオプトカプラーは慣性であり、抵抗オプトカプラーで使用されていますが、現在は実際には使用されていません。

ネオン-アルゴンガス混合物の放電の輝きを使用するネオン電球のエミッター付き。これらのタイプのエミッターは、低光出力、機械的ストレスに対する低耐性、制限された耐久性、大きな寸法、および統合技術との完全な非互換性を特徴としています。ただし、特定のタイプのオプトカプラーでは、それらを使用できます。

エレクトロルミネッセンスセルは、電気エネルギーを光に変換する効率が低く、耐久性が低く（特に薄膜のもの）、制御が困難です（たとえば、粉末リン光物質の最適モードは、 f = 400 ... 800 Hz）。これらのエミッターの主な利点は、フォトレジスターとの構造的および技術的な互換性であり、これに基づいて多機能の多要素オプトカプラー構造を作成できる可能性があります。それらは現在限定的に使用されています。

発光ダイオードとレーザーダイオードにエミッターが付いています。オプトカプラーで使用される主な最も用途の広いタイプのエミッターは、半導体注入発光ダイオード（LED）です。これは、次の利点によるものです。電気エネルギーを光に変換する効率の価値が高い。狭い発光スペクトル（準単色性）; さまざまなLEDでカバーされるスペクトル範囲の幅。放射線の方向性; 高速; 供給電圧と電流の値が低い; トランジスタおよび集積回路との互換性。順方向電流を変更することによる放射電力変調の容易さ。パルスモードと連続モードの両方で動作する機能。多かれ少なかれ広い範囲の入力電流におけるワットアンペア特性の線形性。高い信頼性と耐久性。小さい寸法; マイクロエレクトロニクス製品との技術的互換性。

使用する光検出器の種類に応じてオプトカプラーは次のように分けられます。

フォトレジスターに基づくオプトカプラー。その特性は、与えられた複雑な法則に従って照明下で変化します。これにより、数学関数のモデリングが可能になり、機能的なオプトエレクトロニクスの作成に向けた一歩となります。ただし、フォトカプラは慣性です。

フォトダイオードに基づくオプトカプラー。

フォトトランジスタに基づくオプトカプラー。

フォトサイリストに基づくオプトカプラー。

最後の3つは、オープンp-n接合で動作する最も用途の広い光検出器です。圧倒的多数の場合、それらはシリコンに基づいて作られ、それらの最大スペクトル感度の領域はλ=0.7...0.9μmに近いです。

使用する光チャネルのタイプ別オプトカプラーは次のように分けられます。

光チャネルが開いているフォトカプラ。このようなオプトカプラーでは、エミッターと光検出器はエアギャップによって分離されています。それらは、回転シャフトの回転数を決定し、位置センサーなどの機械システムの動きを同期させるために広く使用されています。次に、開水路を備えたオプトカプラーは、反射と透過で動作するオプトカプラーに分けられます。

閉じた光チャネルを備えたオプトカプラー。それらでは、光チャネルは外部の影響から保護されています。このようなオプトカプラは、入力と出力のガルバニック絶縁に使用されます電気回路。強力なパワーデバイス（サイリスタ、トライアック、MOSFET）が出力回路として使用される場合、そのようなオプトカプラはソリッドステートリレーと呼ばれます。このようなリレーは現在、電磁リレーの代替品であり、その技術は絶えず改善されています。

「拡張」光チャネルを備えたオプトカプラ。このようなオプトカプラーでは、エミッターと光検出器をかなりの距離に配置できます。それらにおいて、エミッターと光検出器を接続する光チャネルは、ファイバーライトガイドであり得る。このようなオプトエレクトロニクスデバイスは、ローカルコンピュータネットワークで情報を送信するために広く使用されています。

光チャネルのスペクトル範囲に応じてオプトカプラーは次のように分けられます。

0.4〜0.75ミクロンの光放射の波長を持つ可視範囲のオプトカプラー。

光放射の波長が0.8〜1.2ミクロンの近赤外範囲のオプトカプラー。このタイプの放射線は、開水路を備えたオプトエレクトロニクスデバイスに特に効果的です。

建設的かつ技術的にオプトカプラーは次のように分けられます。

1つのエミッターと1つの基本的な光検出器を含むオポカプラー（基本的なオプトカプラー）。使用する光検出器のタイプに応じて、抵抗、ダイオード、トランジスタ、サイリスタなどになります。

基本的なオプトカプラーに加えて、増幅器、コンパレーター、論理回路などの追加の電子デバイスを含むオプトエレクトロニクス（オプトカプラー）集積回路。このような集積回路では、入力と出力は電気的に絶縁されています。

特殊なタイプのオプトカプラー：複数のエミッターと光検出器を含む差動オプトカプラー。存在、煙、位置センサーなどのオプトエレクトロニクスセンサー。

光電子デバイス（OED）は、さまざまな光電子効果の使用に基づいて、人による測定結果のアナログ知覚を提供する、根本的に新しいタイプの読み取りデバイスを備えた測定器です。

OEDの動作原理は、スケールに沿って配置された、またはそれと組み合わされた特別な指標物質に対する測定値の直接的または間接的な影響で構成され、特定の物理化学的効果が発生し、値を判断することができます電気光学的、磁気光学的、電熱的光学的、電気化学的光学的または電気機械的光学的特性を変化させることによる測定値の測定。読み取りは、効果の視覚的表現に従って行われます。最も一般的に使用される変更光学特性物質（色、明るさ、透明度）。測定値の値は、例えば、光学パラメータの幾何学的位置の変化によっても判断されますが、ライトカラムの動きによって判断されます。最新のOEDは、主に電気光学効果とカソードルミネッセンス発光、およびガス放電に基づいて構築されています。電界の作用（吸収、反射、散乱、屈折、または光のスペクトル組成）によって物質の光学状態が変化する、発光のない効果は有望です。このグループの効果の中で最も興味深いのは、液晶の効果です。現在、これらの効果に基づく電気物理的パラメータを備えた材料および元素（発光ダイオード、粉末リン光物質、ケモトロンセルなど）の工業生産が確立されており、十分に高い計測学的パラメータを備えたOEDをそれらに基づいて作成することが可能です。特性。

図に 2.41。読み取りデバイスを備えたオプトエレクトロニクスデバイスの動作原理を説明する簡略化されたブロック図が示されています OU、スケールで構成されています W、測定値の単位で目盛りを付けますバツ、および光電気ポインタで.

米。 2.41。 OEDの簡略化されたブロック図

測定値を適用する場合バツ測定トランスデューサの入力に P感度がY¢の場合、後者では電気信号が形成されます Y= Y¢X、これは作動装置の信頼できる動作を保証します VZU。として P正規化増幅器、インピーダンス変換器、静電容量変換器、機能変換器などを使用してください。 VZU制御信号を生成する Z指示物質の励起に必要な種類の IV視覚的な光電子効果。よく Z電場、磁場、熱場の生成を提供します。

一般的に、依存関係 Zから Y非線形であり、次のように表すことができます。 Z= aZ¢Ym、ここでmは、光電子効果のタイプによって決定される係数です（ほとんどの電気光学効果の場合、m = 1）。およびz¢-感度 VZU.

図2.41より。上記の変換を考慮に入れると、次のようになります。

, (2.61)

どこ a Y = 1 / a Y¢、 a z = a z¢–変換係数。

光学パラメータ IVポインタですで、スケールに対するその位置 W適応症を決定する X P、測定量の値に対応バツ.

移動方法とポインタ形成の原理に応じて、アナログとディスクリートアナログの読み取りデバイスを備えたオプトエレクトロニクスデバイスが区別されます。図に 2.42。提示他の種類現代のOEPの参照形式。

で使用される光放射源一般的に言って、オプトエレクトロニクスは非常に多様です。ただし、それらのほとんど（超小型白熱灯およびガス放電ランプ、粉末およびフィルムエレクトロルミネッセンスエミッター、真空陰極発光団および他の多くのタイプ）は、最新の要件の全体を満たしていないため、個々のデバイス、主にインジケーターデバイス、および一部でのみ使用されます。オプトカプラー。

特定の発生源の見通しを評価する場合、活性発光物質（または作業量を満たす物質）の凝集状態が決定的な役割を果たします。考えられるすべてのオプション（真空、気体、液体、固体）の中で、デバイスの最大の耐久性と信頼性を提供するものとして、固体物質とその「内部」（単結晶のもの）が優先されます。

オプトエレクトロニクスの基盤は、2つのグループのエミッターによって形成されています。

1）コヒーレント放射の光発生器（レーザー）。その中で半導体レーザーを選び出す必要があります。

1）自発的注入エレクトロルミネッセンスの原理に基づく発光半導体ダイオード。

光電子半導体デバイスは、スペクトルの可視、赤外線、および（または）紫外線領域でこの放射に敏感な電磁放射を放出または変換するか、その要素の内部相互作用にそのような放射を使用します。

オプトエレクトロニクス半導体デバイスは、半導体エミッター、放射線レシーバー、オプトカプラー、オプトエレクトロニクス集積回路に分けることができます（図2.1）。

半導体エミッターは、変換するオプトエレクトロニクス半導体デバイスです。電気エネルギースペクトルの可視、赤外線、紫外線領域の電磁放射のエネルギーに。

多くの半導体エミッターは、インコヒーレントな電磁波しか放出できません。これらには、スペクトルの可視領域の半導体エミッター-半導体情報ディスプレイデバイス（発光ダイオード、半導体サインインジケーター、スケール、スクリーン）、およびスペクトルの赤外線領域の半導体エミッター-赤外線発光ダイオードが含まれます。

コヒーレント半導体エミッター半導体レーザーですさまざまなタイプ覚醒。それらは、コヒーレンスの概念に対応する特定の振幅、周波数、位相、伝搬方向、および偏波を持つ電磁波を放出することができます。

半導体放射受信機は、可視、赤外線、および（または）紫外線領域の電磁放射に敏感な光電子半導体デバイスです。zv電磁放射のエネルギーを直接電気エネルギーにスペクトル化または変換します。

半導体放射線レシーバーには、フォトレジスター、フォトダイオード、フォトセル、フォトトランジスター、フォトサイリストが含まれます。

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オプトエレクトロニクスデバイス

可視域の発光ダイオードの主な特徴

赤外線発光ダイオードの主な機能

広い意味でのオプトエレクトロニクスデバイス

使用されたソースのリスト

オプトエレクトロニクスデバイス

光電子デバイスの仕事は、情報を受信、送信、保存する電子光子プロセスに基づいています。

最も単純なオプトエレクトロニクスデバイスは、オプトエレクトロニックペアまたはオプトカプラーです。放射線源、液浸媒体（光ファイバー）、および光検出器で構成されるオプトカプラーの動作原理は、電気信号を光信号に変換し、次に電気信号に戻すことに基づいています。

機能デバイスとしてのオプトカプラーには、従来の無線要素に比べて次の利点があります。

完全なガルバニック絶縁「入力-出力」（絶縁抵抗が10 12-10 14オームを超える）;

情報伝送チャネルの絶対ノイズ耐性（情報キャリアは電気的に中性の粒子-光子）。

光の伝播の特徴に関連する一方向の情報の流れ。

高周波の光振動によるブロードバンド、

十分な速度（ナノ秒の単位）;

高い絶縁破壊電圧（数十キロボルト）;

低騒音レベル;

良好な機械的強度。

実行される機能に応じて、オプトカプラーはリレー（キー）を備えたトランス（カップリングエレメント）と比較できます。

オプトカプラーでは、半導体放射源が使用されます-グループの化合物の材料から作られた発光ダイオード しかし III B V , その中で最も有望なのはリン化物とガリウムヒ素です。それらの放射のスペクトルは、可視および近赤外放射（0.5〜0.98ミクロン）の領域にあります。リン化ガリウムをベースにした発光ダイオードは、赤と緑の輝きを放ちます。炭化ケイ素LEDは有望で、黄色に光り、高温多湿で過酷な環境で動作します。

スペクトルの可視範囲で発光するLEDは、電子時計やマイクロ計算機で使用されています。

発光ダイオードは、非常に広い放射のスペクトル組成、放射パターンによって特徴付けられます。放出された光量子の数と通過した光量子の数の比率によって決定される量子効率 p-n-電子の遷移; パワー（目に見えない放射がある場合）と明るさ（目に見える放射がある場合）。ボルトアンペア、ルーメンアンペア、ワットアンペアの特性。速度（パルス励起中のエレクトロルミネッセンスの増減）、動作温度範囲。作動温度が上昇すると、LEDの輝度が低下し、放射電力が低下します。

可視域の発光ダイオードの主な特性を表に示します。 1、および赤外線範囲-表。 2.2。

表1 可視域の発光ダイオードの主な特徴

ダイオードタイプ

明るさ、cd / m 2、または光度、mkcd

グローカラー

直接順方向電流、mA

KL101 A-B

AL102 A-G

AL307 A-G

10-20 cd / m 2

40〜250 mcd

150〜1500 mcd

赤、緑

オプトエレクトロニクスデバイスの発光ダイオードは、液浸媒体によって光検出器に接続されます。その主な要件は、損失と歪みを最小限に抑えた信号伝送です。オプトエレクトロニクスデバイスは、固体浸漬媒体（高分子有機化合物（光学接着剤およびワニス）、カルコゲニド媒体、および光ファイバー）を使用します。エミッターと光検出器の間の光チャネルの長さに応じて、オプトエレクトロニクスデバイスは、オプトカプラー（チャネル長100〜300ミクロン）、オプトアイソレーター（最大1 m）、および光ファイバー通信ライン-FOCL（最大数十キロメートルまで）。

表2。 赤外線発光ダイオードの主な機能

ダイオードタイプ

総放射電力、mW

DC順方向電圧、V

放射波長、µm

放射線パルスの立ち上がり時間、ns

放射パルスの崩壊時間、ns

AL106 A-D

0.6-1（50 mAで）

0.2〜1.5（100 mAで）

6-10（100 mAで）

1.5（100 mAで）

0.2（20 mAで）

10（現在50 mAで）

オプトカプラーで使用される光検出器は、スペクトル特性をエミッターと一致させるための要件、光信号を電気信号に変換するときの最小損失、感光性、速度、感光領域のサイズ、信頼性、およびノイズレベルの対象となります。

フォトカプラの場合、特定の物理的特性を持つ材料内の電子と光子の相互作用がこれらの材料の結晶格子の大部分で電子遷移を引き起こす場合、内部光電効果を備えた光検出器が最も有望です。

内部光電効果は、2つの方法で現れます。光の作用下での光検出器の抵抗の変化（フォトレジスタ）、または2つの材料（半導体-半導体、金属-半導体）間の界面での光emfの出現です。（バルブフォトセル、フォトダイオード、フォトトランジスタ）。

内部光電効果を備えた光検出器は、フォトダイオードに分割されます（ p-n-接合部、MIS構造、ショットキーバリア）、フォトレジスタ、内部増幅を備えた光検出器（フォトトランジスタ、複合フォトトランジスタ、フォトサイリスタ、フィールドフォトトランジスタ）。

フォトダイオードはシリコンとゲルマニウムをベースに作られています。シリコンの最大スペクトル感度は0.8µmで、ゲルマニウムの最大スペクトル感度は最大1.8 µmです。彼らは逆バイアスで動作します p-n-遷移。これにより、速度、安定性、および特性の直線性を向上させることができます。

ほとんどの場合、フォトダイオードはさまざまな複雑さのオプトエレクトロニクスデバイスの光検出器として使用されます。 p- 私-n-構造私高電界の空乏領域です。この領域の厚さを変えることにより、キャリアの静電容量と飛行時間が低いため、速度と感度の点で優れた特性を得ることができます。

電荷キャリアの増倍中に光電流の増幅を使用するアバランシェフォトダイオードは、感度と速度が向上しています。ただし、これらのフォトダイオードは温度範囲全体で十分に安定しておらず、高電圧電源が必要です。ショットキーバリアとMIS構造を備えたフォトダイオードは、特定の波長範囲での使用が期待されています。

フォトレジスターは、主に化合物（硫黄とセレンを含むカドミウム）をベースにした多結晶半導体膜から作られています。フォトレジスターの最大スペクトル感度は0.5〜0.7 µmです。フォトレジスターは通常、暗い場所で使用されます。感度の点では、光電子増倍管（外部光電効果を備えたデバイス）に匹敵しますが、低電圧電源が必要です。フォトレジスタの欠点は、速度が遅く、ノイズレベルが高いことです。

内部増幅を備えた最も一般的な光検出器は、フォトトランジスタとフォトサイリストです。フォトトランジスタはフォトダイオードよりも感度が高くなりますが、速度は遅くなります。光検出器の感度を上げるために、光トランジスタと増幅トランジスタを組み合わせた複合フォトトランジスタが使用されていますが、速度は低速です。

オプトカプラーでは、フォトサイリスト（3つの半導体デバイス p- n-トランジション、点灯時に切り替え）、感度と出力信号レベルは高いが、速度が不十分。

フォトカプラの種類は、主に光検出器の特性と特性によって決まります。オプトカプラーの主な用途の1つは、デジタルおよびアナログ信号。この場合、オプトカプラーはコンバーターまたは信号スイッチャーモードで使用できます。オプトカプラーは、許容可能な入力信号（制御電流）、電流伝達比、速度（スイッチング時間）、および負荷容量によって特徴付けられます。

スイッチング時間に対する電流伝達係数の比率は、オプトカプラーの品質係数と呼ばれ、フォトダイオードおよびフォトトランジスターオプトカプラーの場合は10 5〜106です。フォトサイリストをベースにしたオプトカプラーが広く使用されています。フォトレジスタに基づくオプトカプラは、時間と温度の安定性が低いため、広く使用されていません。いくつかのフォトカプラの図を図1に示します。四、 a-さん

コヒーレント放射線源として、安定性が高く、エネルギー特性と効率が良いレーザーが使用されています。オプトエレクトロニクスでは、コンパクトなデバイスの設計に、半導体レーザーが使用されます-レーザーダイオード、たとえば、従来の情報伝送ラインの代わりに光ファイバー通信ラインで使用される-ケーブルとワイヤー。それらは、高い帯域幅（ギガヘルツの帯域幅）、電磁干渉に対する耐性、軽量および寸法、入力から出力への完全な電気的絶縁、爆発および防火性を備えています。 FOCLの特徴は、特殊な光ファイバーケーブルを使用していることです。その構造を図1に示します。 5.このようなケーブルの工業用サンプルは、1〜3 dB/km以下の減衰があります。光ファイバ通信回線は、電話やコンピュータネットワーク、高品質の送信画像を備えたケーブルテレビシステムを構築するために使用されます。これらの回線により、数万の電話での会話といくつかのテレビ番組を同時に送信できます。

最近、光集積回路（OIC）が集中的に開発され、普及してきました。そのすべての要素は、必要な材料を基板上に堆積することによって形成されています。

オプトエレクトロニクスで有望なのは液晶をベースにしたデバイスで、電子時計のインジケーターとして広く使用されています。液晶は有機物（液体）結晶の性質を持ち、結晶相と液体の間の遷移状態にあります。

液晶インジケータは、解像度が高く、比較的安価で、消費電力が少なく、高レベルの照明で動作します。

単結晶（ネマティックス）と同様の性質を持つ液晶は、光インジケータや光メモリデバイスで最もよく使用されます。加熱すると色が変化する液晶（コレステリック）が開発され、広く使用されています。他のタイプの液晶（スメクティック）は情報の熱光学的記録に使用されます。

比較的最近開発されたオプトエレクトロニクスデバイスは、その独特の特性により、科学技術のさまざまな分野で広く使用されています。それらの多くは、真空および半導体技術に類似物を持っていません。しかし、新素材の開発、これらのデバイスの電気的および動作特性の改善、およびそれらの製造のための技術的方法の開発に関連する未解決の問題がまだ多くあります。

光電子半導体デバイス -半導体デバイス。その動作は、スペクトルの可視、赤外線、または紫外線領域での放射、透過、または吸収現象の使用に基づいています。

広い意味でのオプトエレクトロニクスデバイスはデバイスです , 彼らの仕事に光放射を使用する：情報信号の生成、検出、変換、送信。原則として、これらのデバイスには、1つまたは別の光電子素子のセットが含まれています。次に、デバイス自体は、さまざまな業界で広く使用するために大量生産される典型的なものと見なして、典型的なものと特別なものに分けることができ、特定の業界の詳細を考慮して特別なデバイスが生産されます-私たちの場合、印刷。

さまざまなオプトエレクトロニクス要素は、次の製品グループに分類されます。 放射線源とレシーバー、インジケーター、光学素子とライトガイド、およびコントロールの作成、情報の表示と保存を可能にする光学メディア。体系化は網羅的ではないことが知られていますが、1869年に化学元素の周期律を発見した同胞のDmitry Ivanovich Mendeleev（1834-1907）が正しく指摘しているように、科学はカウントが現れるところから始まります。評価、比較、分類、パターンの識別、基準の定義、共通の機能。これを考慮して、特定の要素の説明に進む前に、少なくとも一般的な用語で、オプトエレクトロニクス製品の独特の特性を与える必要があります。

上記のように、オプトエレクトロニクスの主な際立った特徴は、情報とのつながりです。たとえば、鋼製シャフトを硬化させるためにレーザー放射が一部の設備で使用されている場合、この設備をオプトエレクトロニクスデバイスに帰することはほとんど合理的ではありません（レーザー放射源自体がそうする権利を持っていますが）。

また、オプトエレクトロニクスには通常、固体要素が含まれていることにも注意してください（モスクワ電力工学研究所は、「半導体オプトエレクトロニクスのデバイスとデバイス」と呼ばれるコース「オプトエレクトロニクス」に関する教科書を発行しました）。しかし、オプトエレクトロニクスに関する個々の出版物では、光電子増倍管とブラウン管（これらは電気真空装置のタイプに属します）、ガスレーザー、および固体ではないその他の装置の動作について詳細に説明されているため、この規則はそれほど厳密ではありません。しかし、印刷業界では、これらのデバイスはソリッドステート（半導体を含む）デバイスと一緒に広く使用されており、同様の問題を解決しているため、この場合、これらのデバイスを検討する権利があります。

オプトエレクトロニクスの分野で有名なスペシャリストであるユーリ・ロマノビッチ・ノソフによれば、それを科学的および技術的な方向性として特徴づける、さらに3つの際立った特徴について言及する価値があります。

オプトエレクトロニクスの物理的基盤は、光学的プロセスと電子的プロセスの組み合わせと連続性が基本となる現象、方法、および手段で構成されています。広い意味で、オプトエレクトロニクスデバイスは、可視、赤外線（IR）、または紫外線（UV）領域の電磁放射に敏感なデバイス、または同じスペクトルのインコヒーレントまたはコヒーレント放射を放出および変換するデバイスとして定義されます。地域。

オプトエレクトロニクスの技術的基盤は、現代のマイクロエレクトロニクスの建設的および技術的概念によって決定されます。固体平面構造の優先的な開発; 要素と機能の統合。

オプトエレクトロニクスの機能的な目的は、コンピュータサイエンスの問題を解決することです。さまざまな外部の影響を対応する電気信号と光信号に変換することによる情報の生成（形成）。情報の転送; 与えられたアルゴリズムに従った情報の処理（変換）。記録、実際の保存、非破壊読み取り、消去などのプロセスを含む情報の保存。情報表示、すなわち情報システムの出力信号の人間が知覚できる形式への変換。

使用されたソースのリスト

http://www.hi-edu.ru/e-books/xbook138/01/index.html?part-004.htm

http://www.hi-edu.ru/e-books/xbook138/01/index.html?part-003.htm

http://revolution.allbest.ru/radio/00049966_0.html

http://revolution.allbest.ru/radio/00049842.html

教育のための連邦機関

高等専門教育の州教育機関

チュメニ州立石油ガス大学

運輸研究所

概要

トピック「オプトエレクトロニクスデバイス」について。

完了：

OBDグループ-08

チェッカーディン

チェック済み：

シドロワA.E.

ベラルーシ共和国教育省

教育機関

「ベラルーシ国立大学

情報学と無線電子工学」

EVS学科

「オプトエレクトロニクスの基礎。分類オプトエレクトロニクスデバイス"

ミンスク、2008年

オプトエレクトロニクスは、機能性エレクトロニクスとマイクロエレクトロニクスの重要な独立した分野です。光電子デバイスは、情報を処理するときに、電気信号が光信号に変換され、その逆も行われるデバイスです。

オプトエレクトロニクスデバイスの本質的な特徴は、それらの要素が光学的に結合されているが、互いに電気的に絶縁されていることです。

これにより、高電圧回路と低電圧回路、および高周波回路と低周波回路のマッチングが容易になります。さらに、他の利点はオプトエレクトロニクスデバイスに固有です。光ビームの空間変調の可能性。これは、時間の変化と組み合わせて、3つの自由度（純粋な電子回路では2つ）を与えます。チャネル間にガルバニック接続がない場合に、光線が大きく分岐して交差する可能性。それらのパラメータ（振幅、方向、周波数、位相、偏光）の多くを変更する可能性があるため、光線の大きな機能的負荷。

オプトエレクトロニクスは、光学と電子光学の2つの主要な独立した領域をカバーしています。光学方向は、固体と電磁放射との相互作用の影響に基づいています。それは、ホログラフィー、光化学、電気光学および他の現象に依存しています。光学方向は、レーザー方向と呼ばれることもあります。

電子光学方向は、一方では内部光電効果によって固体に実装され、他方ではエレクトロルミネッセンスによって実装される光電変換の原理を使用します。この方向性は、従来の電子回路のガルバニック接続と磁気接続を光接続に置き換えることに基づいています。これにより、通信チャネル内の情報の密度、速度、ノイズ耐性を高めることができます。

図1。内部（a）および外部（b）フォトニックカップリングを備えたオプトカプラー：1、6 –光源。 2-ライトガイド; 3、4-光レシーバー; 5-アンプ。

オプトエレクトロニクスの主な要素はオプトカプラーです。内部（図1、a）と外部（図1、b）のフォトニックカップリングを備えたオプトカプラーがあります。最も単純なオプトカプラーは4端子ネットワーク（図1、a）で、3つの要素で構成されています。フォトエミッター1、ライトガイド2、ライトレシーバー3で、密閉された遮光ハウジングに収められています。電気信号がパルスまたは入力電流の低下の形で入力に印加されると、光エミッタが励起されます。光ガイドを通る光束は光検出器に入り、その出力で電気パルスまたは出力電流の低下が形成されます。このタイプのオプトカプラーは電気信号の増幅器であり、内部結合はフォトニックであり、外部結合は電気的です。

別のタイプのオプトカプラー-電気的相互結合とフォトニック対外関係（図1、b）-は、光信号の増幅器であり、ある周波数の信号を別の周波数の信号に変換するものです。たとえば、赤外線信号を可視スペクトル信号に変換します。光受信機４は、入力光信号を電気に変換する。後者は増幅器５によって増幅され、光源６を励起する。

現在、さまざまな目的のための多数のオプトエレクトロニクスデバイスが開発されてきた。マイクロエレクトロニクスでは、原則として、統合の可能性があり、それらの製造技術と対応する集積回路の製造技術との互換性がある光電子機能要素のみが使用されます。

フォトエミッター。オプトエレクトロニクス光源は、小型化、低消費電力、高効率そして信頼性、長い耐用年数、製造可能性。それらは高速でなければならず、統合されたデバイスの形で製造する可能性を可能にします。

最も広く使用されているエレクトロルミネッセンス光源は注入LEDであり、発光は電子と正孔のバンド間再結合のメカニズムによって決定されます。十分に大きな注入電流がp-n接合を（順方向に）流れると、価電子帯からの電子の一部が伝導帯に流れます（図2）。価電子帯の上部には自由状態（正孔）が形成され、伝導帯の下部には状態の充満（伝導電子）が形成されます。

このような逆集団は平衡状態ではなく、逆電子遷移中に光子の無秩序な放出を引き起こします。この場合、pn接合で発生するインコヒーレントグローはエレクトロルミネッセンスです。

図2。インジェクションLEDの動作原理を説明します。

伝導帯の満たされた部分から価電子帯の自由な部分への発光遷移中に放出された光子は、同一の光子の誘導放出を引き起こし、別の電子を価電子帯にジャンプさせます。ただし、同じエネルギー（∆E = E2-E1から∆E =2δE）の光子は、下部の状態が自由で（電子が含まれていない）、上部の状態がすでに満たされているため、吸収できません。これは、p-n接合がこのエネルギーの光子に対して透明であることを意味します。対応する周波数について。逆に、ΔE+2δEより大きいエネルギーを持つ光子は吸収され、電子を価電子帯から伝導帯に移動させることができます。同時に、そのようなエネルギーの場合、上部の初期状態が満たされていないのに対し、下部の状態が満たされているため、光子の誘導放出は不可能です。したがって、誘導放出は、スペクトル幅δEのバンドギャップエネルギーΔÅに対応する周波数付近の狭い範囲で可能です。

LEDに最適な材料は、ヒ化ガリウム、リン化ガリウム、リン化シリコン、炭化ケイ素などです。LEDは高速（約0.5μs）ですが、大電流（約30 A / cm2）を消費します。最近、ガリウムヒ素（アルミニウム）をベースにしたLEDが開発されました。その出力は、数十ミリアンペアの直流で数分の1から数ミリワットの範囲です。 LEDのp.d.は1〜3％を超えません。

有望な光源は注入レーザーであり、狭いスペクトル領域に高効率かつ高速（数十ピコ秒）で高エネルギーを集中させることができます。これらのレーザーは、集積回路と同じ技術を使用して、単一のベースチップ上にマトリックスの形で作ることができます。単純な注入レーザーの欠点は、非常に低い温度に冷却する場合にのみ許容できる性能を発揮することです。で常温ガリウム砒素レーザーは小さい平均パワー、低効率（約1％）、低安定性および耐用年数。ヘテロ接合（ヘテロ接合-同じタイプの電気伝導率を持つがバンドギャップが異なる層間の境界）を使用して複雑な構造の接合を作成することによる注入レーザーのさらなる改善により、 10〜20％の効率と許容可能な特性を備えた常温。

光検出器。光信号を電気信号に変換するには、フォトダイオード、フォトトランジスタ、フォトレジスタ、フォトサイリスタ、その他のデバイスが使用されます。

フォトダイオードは逆バイアスされたp-n接合であり、逆電流その飽和は、入射光の作用によって生成される電荷キャリアの数によって決まります（図3）。フォトダイオードのパラメータは、その回路を流れる電流の値で表されます。一般に積分と呼ばれるフォトダイオードの感度は、光電流とそれを引き起こした光電流の比率として定義されます。光束 Fυ。フォトダイオードの感度しきい値は、積分（電流）感度と暗電流Idの既知の値から推定されます。敏感な層の照射がない場合に回路を流れる電流。

フォトダイオードの主な材料はゲルマニウムとシリコンです。シリコンフォトダイオードは通常、スペクトルの狭い領域（λ= 0.6-0.8μmからλ=1.1μm）で感度が高く、最大値はλ=0.85μmです。ゲルマニウムフォトダイオードの感度限界はλ=0.4-1.8 µmで最大値です。 λ≈1.5µmで。供給電圧が20Vのフォトダイオードモードでは、シリコンフォトダイオードの暗電流は通常3μAを超えませんが、ゲルマニウムの暗電流は3μAを超えません。 10 Vの供給電圧でフォトダイオードを使用すると、15〜20μAに達します。

図3。フォトダイオードのスキームと電流-電圧特性。

図4。フォトトランジスタのスキームと電流-電圧特性。

フォトトランジスタは、2つ以上のpn接合を備えた放射エネルギーの受信機であり、敏感な層が照射されたときに光電流を増幅する特性があります。フォトトランジスタは、フォトダイオードの特性とトランジスタの増幅特性を兼ね備えています（図4）。フォトトランジスタに光入力と電気入力が同時に存在することで、エネルギー特性の線形セクションでの動作に必要なバイアスを作成し、補償することができます。外部からの影響。小信号を検出するには、フォトトランジスタから取得した電圧を増幅する必要があります。この場合、出力抵抗を大きくしてください。交流電流コレクタ回路の暗電流を最小限に抑え、ベースに正のバイアスを生成します。

ライトガイド。オプトカプラーの光源とレシーバーの間には、ライトガイドがあります。 LEDと導電性媒体（光ファイバー）の間の界面からの反射損失を減らすために、後者は高い屈折率を持たなければなりません。このような媒体は浸漬と呼ばれます。液浸材料はまた、ソースおよびレシーバー材料への良好な接着性を有し、膨張係数に関して十分なマッチングを提供し、作業領域などで透明でなければならない。最も有望なのは、屈折率が1.8〜1.9の鉛ガラスと屈折率が2.4〜2.6のセレンガラスです。図5は、液浸光ガイドを備えたソリッドステートオプトカプラーの断面を示しています。

ガラスまたは透明なプラスチックの細いフィラメントは、オプトエレクトロニクスのライトガイドとして使用されます。この方向は光ファイバーと呼ばれます。ファイバは光絶縁材料で覆われ、マルチコアライトケーブルに接続されています。それらは、光に関しては、電流に関して金属線と同じ機能を果たします。光ファイバーの助けを借りて、それは可能です：光ファイバーの直径（約1ミクロン）によって決定される解像度で画像の要素ごとの送信を実行します。ライトガイドのファイバーを曲げたりねじったりする可能性があるため、画像の空間変換を生成します。長距離などで画像を送信します。図6は、光伝導ファイバーのケーブルの形をしたライトガイドを示しています。

統合された光学。機能性マイクロエレクトロニクスの有望な分野の1つは、光学情報の送信と処理のための超効率的なシステムの作成を保証する統合光学です。統合光学の研究分野には、誘電体薄膜導波路および光ファイバーの光学範囲での電磁放射の伝搬、変換、および増幅が含まれます。集積光学系の主な要素は、バルクまたは表面の光マイクロ波ガイドです。最も単純な対称体積光学マイクロ波ガイドは、周囲の光学媒体の屈折率よりも大きい屈折率を持つ、1つまたは2つの空間次元に局在する領域です。このような光学的に密度の高い領域は、誘電体導波路のチャネルまたはキャリア層以外のものです。

図5。液浸光ガイドを備えたソリッドステートオプトカプラーのセクション：1 –平面拡散。 2-セレンガラス; 3 –オーミック接触; 4-拡散メサ構造; 5 –光源; 6-光レシーバー。

図6。光伝導繊維のケーブルの形の光ガイド：1-光源; 2-光レシーバー; 3-ライトケーブル。

非対称表面誘電体導波路の例は、光学的に透明な基板の屈折率よりも大きい屈折率を有する光学的に透明な誘電体または半導体の薄膜である。電磁場の局在化の程度、およびキャリア層と基板に沿って伝達されるエネルギーフラックスの比率は、キャリア層の有効な横方向のサイズと、キャリア層と与えられた放射周波数での基板。比較的単純で固体光学デバイスに最も適しているのは、マイクロエレクトロニクス法（たとえば真空堆積）によって基板上に堆積された、薄い誘電体膜の形で作られた光学ストリップマイクロ波ガイド（図7）です。マスクを使用することで、光回路全体を誘電体基板に高精度で適用できます。電子ビームリソグラフィーの使用により、単一の光学ストリップ導波路と特定の長さにわたって光学的に結合された導波路、およびその後の発散導波路の両方の作成に成功しました。これは、統合光学システムでの方向性結合器と周波数選択フィルターの作成に不可欠です。。

図7.長方形の光学ストリップマイクロ波ガイド断面：1-基板; 2-誘電体フィルム。

光電子マイクロ回路。オプトエレクトロニクスに基づいて、多数のマイクロ回路が開発されてきました。国内産業によって製造されたいくつかのオプトエレクトロニクスマイクロ回路を考えてみましょう。マイクロエレクトロニクスでは、ガルバニック絶縁のオプトエレクトロニクスマイクロ回路が最も広く使用されています。これらには、アナログ信号機能処理システムで使用するための高速スイッチ、アナログ信号スイッチ、スイッチ、およびアナログオプトエレクトロニクスデバイスが含まれます。

光電子マイクロ回路の主な要素は、入力信号によって制御される光源1、光源に光学的に結合された浸漬媒体2、および光検出器3で構成されるオプトカプラーペア（図8、a、b）です。オプトカプラーペアパラメーターは、に沿ったデカップリング抵抗です。直流、電流伝達比（レシーバーの光電流とエミッター電流の比）、スイッチング時間、およびスルー容量。

光電子ペアに基づいて、さまざまな目的のための光電子マイクロ回路が作成されます。