§ 3.4. СВЕТОВОДЫ И ПРОСТЕЙШИЕ ОПТРОНЫ

Между источником излучения и фотоприемником имеется среда, которая выполняет функции световода. Для того чтобы уменьшить потери на отражение от границы раздела светоизлучателя и проводящей среды (световода), последняя должна обладать большим коэффициентом преломления, так как соответствующий коэффициент преломления материалов, служащих источниками света, обычно велик, например для . Среды с большим коэффициентом преломления называются иммерсионными. Иммерсионное вещество должно иметь высокий коэффициент преломления, быть прозрачным в рабочей области спектра, хорошо согласовываться по коэффициентам расширения с материалами фотопреобразователей и т. п.

Перспективными считаются свинцовые с и селеновые стекла с .

На рис. 3.20, а показан один из простейших оптронов с иммерсионным световодом. В состав его входят инжекционный светодиод 2, световод из селенового стекла 3 и фотодиодный фотоприемник 5.

В оптоэлектронике применяется также волоконная оптика, которая во многих случаях имеет и самостоятельное значение. Работа элементов волоконной оптики основана на том, что свет передается по отдельному тонкому волокну, не выходя за его пределы вследствие полного внутреннего отражения.

Рис. 3.20. Конструкция простейшего оптрона (а); распространение света по светодиоду : 1 - омические контакты; 2 - источник света; 3 - свотовод из селенового следа; 4 - контакт с слоем: 5 - фотоприемник

Собранные в один жгут волокна передают световые лучи независимо друг от друга.

Световод волоконной оптики не зависит от его формы, состоит из сердечника 1 и отражающего покрытия 2 (рис. 3.20, б, в). Коэффициент преломления покрытия пп меньше коэффициента преломления сердечника . В таком волокне малого диаметра свет проходит, не выходя за поверхность волокна, если угол изгиба меньше 90° и угол, под которым свет попадает в световод, меньше

Максимальный угол отклонения от оси, при котором еще имеет место полное внутреннее отражение, определяют из уравнения

Коэффициент называется числовой апертурой световода. Волокно можно рассматривать как диэлектрический световод. Распространяясь вдоль волокна, световой луч претерпевает многократные отражения. В результате эффективность светопередачи зависит от качества изготовления волокон, объемных неоднородностей и неровностей поверхностей волокон, а также от коэффициента поглощения материала.

Лучи, падающие на торец под углом (внеапертурные лучи), при взаимодействии с покрытием частично отражаются, а частично уходят из световода. После многих встреч с границей светопроводящая жила - покрытие они полностью рассеиваются.

Следует отметить, что каждое волокно передает информацию только о значении суммарного светового потока, попавшего на его входной торец, гак как в результате многократных отражений на выходном торце будет равномерная освещенность, пропорциональная общей интенсивности света, падающей на входной торец.

Световоды вносят некоторое запаздывание в передачу сигнала, которое мало и на длине составляет с.

Лучи распространяются вдоль волокна и в том случае, если уменьшение показателя преломления происходит не ступенчато, а плавно от центра к краю (обычно по параболическому закону). В таких волокнах из-за наблюдающейся рефракции волн (преломления) лучи самофиксируются вдоль оси, так как любой отрезок волокна действует как короткофокусная линза. Подобные световоды называются градиентными или селфоками.

Показатели преломления света зависят от длины волны, что обусловлено различием скоростей распространения волн различных типов (мод). Поэтому если на торец световода воздействовать световым импульсом немонохроматического излучения, то на выходе будет наблюдаться «размытие» сигнала и увеличение его длительности. Значения этих параметров определяются шириной спектра светового излучения и параметрами волокна. Поэтому иногда различают одномодовые и многомодовые световоды. Одномодовые волокна предназначены для передачи волн одной частоты (монохроматических) и дают большие искажения сигнала в многомодовом режиме. Диаметр их обычно несколько мкм — десятки мкм. Многомодовые волокна позволяют без существенных искажений передавать немонохроматические световые сигналы. При этом увеличение их длительности и «размытие» сравнительно невелики, особенно в селфоках, и могут достигать . Диаметр волокон, предназначенных для передачи многомодовых сигналов, обычно больше, чем у одномодовых.

В зависимости от состава стекла удельное электрическое сопротивление световода можно изменять от до . Это позволяет применять световод для передачи электрического сигнала. В ряде случаев поверхность волокна дополнительно металлизируют.

Материалами для волоконных световодов, в том числе и для покрытия, служат различные стекла: органические и неорганические. Длина световода может быть любой и ограничена лишь ослаблением в нем светового потока, оцениваемого затуханием светового сигнала В, которое обычно имеет размерность :

где - длина световода, км; — мощности входного и выходного сигналов.

Иногда прохождение света оценивают с помощью светопропускания b, выражаемого в .

В высококачественных волокнах затухание составляет мкм и мкм). Светопропускание в не очень прозрачных волокнах .

Для интегральных оптоэлектронных микросхем считаются перспективными пленочные световоды. Они выполняются на стеклянной подложке в виде пленочных полосок стекла толщиной 0,5 мкм и шириной 1 3 мкм, имеющих повышенный коэффициент преломления. Больший, чем в подложке, коэффициент преломления позволяет удерживать световой луч в пределах световода благодаря полному внутреннему отражению на границах подложки. Подобный световод можно легко изготовить с помощью метода фотолитографии. В стеклянной подложке вытравливают канавку требуемой конфигурации, в которую методом напыления или эпитаксиального наращивания наносят стеклянную пленку с необходимыми свойствами. После этого сверху наносят основной материал подложки.

Изготовляют пленочные световоды также методом ионного обмена. Сущность его сводится к тому, что участки плавленого кварца облучают ионами высокой энергии. Вследствие захвата ионов, а также структурных смещений и химических взаимодействий в соответствующих областях исходного материала создаются зоны с более высоким показателем преломления.

В простейших оптронах, выпускаемых промышленностью, обычно применяют прямую оптическую связь. В некоторых случаях к оптической связи добавляется электрическая. Тогда говорят об электрооптической связи между источником излучения и фотоприемниками.

В интегральных оптоэлектронных схемах в качестве источников излучения широко применяются инжекционные светодиоды, что позволяет обеспечить достаточно высокое быстродействие оптронов.

Обозначение диодного оптрона и его возможная структура показаны на рис. 3.21, а, б. Источником света служит светодиод из арсенида галлия, а фотоприемником - кремниевый фотодиод. Оптрон используется в качестве ключа и может коммутировать ток с частотой Гц. Сопротивление в закрытом состоянии (темновое) Ом, в открытом - порядка сотен Ом — нескольких кОм. Сопротивление между входной и выходной цепями Ом. Таким образом, диодный оптрон позволяет практически полностью гальванически развязать между собой входную и выходную цепи и обеспечивает хорошие характеристики переключения. Так как в структуре оптрона предусмотрен воздушный зазор между источником излучения и фотоприемником, то для минимизации потерь за счет внутреннего отражения на границе сред с разными коэффициентами преломления для воздуха; для источник света делают сферической формы.

Рис. 3.21. Простейшие оптроны: диодный (а) и его структура (б); транзисторный (в); тиристорный (г); с двухэмиттерным фототранзистором (Э); резисторный (е)

Транзисторные оптроны (рис. 3.21, в) благодаря большей чувствительности фотоприемника экономичнее диодных. Однако быстродействие их меньше, максимальная частота коммутации обычно не превышает 105 Гц. Так же как и диодные оптроны, транзисторные имеют малое сопротивление в открытом состоянии и большое в закрытом и обеспечивают полную гальваническую развязку входных и выходных цепей.

Если в фототранзисторе имеется два эмиттера с внешними выводами (рис. 3.21, д), то получится ключевая цепь, позволяющая коммутировать малые измерительные сигналы как постоянного, так и переменного токов. Фототранзистор в этом случае представляет компенсированный ключ. От обычного компенсированного ключа на биполярных транзисторах (транзисторного прерывателя) он отличается только способом управления и имеет симметричную выходную вольт-амперную характеристику (рис. 3.22, а).

Рис. 3.22. Выходная характеристика двухэмиттерного транзисторного опторона (а); диодный оптрон с усилителем (б) и его структура (в): 1 - фотодиод; 2 - прозрачный экран; 3 - светодиод; 4 - световод; 5 - транзисторы -типа

Во включенном состоянии остаточное напряжение на фототранзисторе (напряжение между выводами выходной цепи при достаточно мало и составляет сотни — несколько десятков при динамическом сопротивлении в несколько десятков Ом. В выключенном состоянии сопротивление фототранзистора велико — более Ом. Эти оптроны позволяют исключить в схемах громоздкие навесные трансформаторы, неизбежные при использовании транзисторных прерывателей на обычных биполярных транзисторах.

Замена фототранзистора на кремниевый фототиристор (см. рис. 3.21, г) позволяет увеличить импульс выходного тока до 5 А и более. При этом время включения менее с, а входной ток включения не превышает . Такие оптроны позволяют непосредственно управлять сильноточными устройствами различного назначения.

Диодные, транзисторные и тиристорные оптроны в основном используют в ключевых режимах в качестве быстродействующих высокоэффективных ключей различного функционального назначения. Аналоговые оптроны реализуют на основе фоторезисторов (см. рис. 3.21, е) и применяют для различного рода бесконтактных регулировок в цепях автоматического управления. В цепях точного преобразования сигналов их использование ограничено из-за невысокой временной стабильности и зависимости характеристик преобразования от температуры. В качестве излучателей используют или светодиоды (часто на основе фосфида галлия ), или электролюминесцентные конденсаторы. Роль фотоприемников выполняют обычно пленочные фоторезисторы.

Темновое сопротивление резисторных оптронов может достигать Ом. При освещении сопротивление снижается до нескольких сотен Ом — нескольких кОм. Быстродействие их невелико, а максимальная рабочая частота без принятия специальных мер повышения быстродействия ограничена несколькими .

Резисторные оптроны успешно используют и в ключевом режиме. При этом по сравнению с оптронами других типов они имеют более широкий динамический диапазон входных сигналов и меньшие значения темповых токов. Однако по быстродействию они существенно уступают диодным оптронам.

Устойчивой тенденцией в создании оптоэлектронных устройств является выполнение оптронов и электронных преобразователей на одной подложке (рис. 3.22, о, в). Это позволяет уменьшить размеры преобразователей, снизить их стоимость, повысить надежность и улучшить характеристики преобразования. Роль фотодиода 1 в оптоэлектронпом импульсном усилителе играют подложка и -область, полученная диффузионным путем в одном технологическом цикле с коллекторами транзисторов усилителя 5.

Светодиод 3 выполнен плоским и связан с фотоприемником световодом из селенового стекла 4. Для устранения электрической емкости между излучателем и фогоприемником введен оптически прозрачный слой . изготовленный диффузионным путем и электрически соединенный с подложкой. Он выполняет роль электростатического жрана и снижает емкость до 4-5 пФ. Весь усилитель представляет собой твердотельный блок, вход и выход которого гальванически развязаны между собой.