Особенности оптической электроники

Необходимость дальнейшего освоения оптического диапазона и перенесение на него хорошо развитых в настоящее время методов радиофизики, радиотехники и электроники опре­деляются рядом принципиальных обстоятельств:

· Частота электромагнитных колебаний (несущая частота ν₀) в оптическом диапазоне существенно выше, чем в радиодиапазоне. Например, частота световых колебаний в наиболее освоенной видимой и ближней инфракрасной областях спектра (~10¹⁵...10¹³ Гц) в миллионы раз превышает частоту радиоволн в областях радио - и телевещания. Это определяет высокую информационную емкость оптического канала связи. Напомним, что для передачи обычного телевизионного изображения требуется полоса частот Δν≈ 5МГц. Поэтому в метровом диапазоне (при λ=1м ν₀=300 МГц) можно передать лишь около десятка телевизионных программ. В оптическом диапазо­не при том же отношении Δν/ν₀ это число возрастает в миллионы раз;

· Длина световых волн существенно меньше, чем длина радиоволн. Это позволяет полу­чить высокую концентрацию оптического излучения в пространстве, поскольку мини­мальный объем, в котором можно сфокусировать электромагнитное излучение, имеет характерные размеры порядка длины волны. Размеры волноводов, по которым может передаваться излучение с малыми потерями, также должны быть порядка длины вол­ны. Поэтому оптические волноводы (световоды) при прочих равных условиях облада­ют существенно меньшими (на несколько порядков) размерами по сравнению с СВЧ-волноводами, что важно с точки зрения микроминиатюризации электронной ап­паратуры. И наконец, в оптическом диапазоне нетрудно сформировать узкую диа­грамму направленности излучения с углом расходимости 0,1° и менее. Для формиро­вания подобной диаграммы в радиодиапазоне (при λ=1м) потребовалась бы антенна диаметром порядка сотен метров. В оптическом диапазоне функцию такой антенны способно выполнить, например, сферическое зеркало или линза умеренных размеров, поскольку для получения одинаковой диаграммы направленности размер антенны пропорционален длине волны;

· Передача информации осуществляется фотонами. В отличие от электронов, которые служат основными носителями информации в обычных электронных приборах, фотоны являются электрически нейтральными частицами, не взаимодействующими между собой и с внешним электрическим, и магнитным полями. Это определяет возможность идеальной гальванической развязки входа и выхода, однонаправленность потока информации, высокую помехозащищенность, исключение взаимных наводок и паразитных связей между различными элементами схемы. Поэтому ис­пользование оптических методов в современной микроэлектронике заметно расши­ряет ее функциональные возможности, позволяя выполнять многоканальные слож­ные связи и осуществлять «оптический монтаж» исходя лишь из требуемых функ­циональных задач. Так как фотон в оптоэлектронных системах является основным носителем информации, то по аналогии с электроникой, оптоэлектронику называют также фотоникой.

· применение оптических методов записи, хранения и обработки информации открывает новые возможности для построения ЭВМ. Это обусловлено, с одной стороны, воз­можностью реализации новых принципов параллельной обработки информации (на­пример, на основе голографических методов), а с другой — возможностью достиже­ния высокой плотности записи информации (~10⁸ бит/см2) в оптических запоминаю­щих устройствах.

На сегодняшний день использована лишь небольшая часть перечисленных преиму­ществ оптической электроники, которая, по мнению специалистов, будет в значительной мере определять технику завтрашнего дня. Для реализации этих преимуществ необходимо прежде всего понимать физические процессы взаимодействия оптического излучения с веществом, ибо они служат фундаментом всей квантовой и оптической электроники.

Оптоэлектроника представляет собой раздел науки и техники, занимающийся вопросами генерации, переноса (передачи и приёма), переработки (преобразования), запоминания и хранения информации на основе использования двойных (электрических и оптических) методов и средств.

Оптоэлектронный прибор - это (по рекомендации МЭК) прибор, чувствительный к электромагнитному излучению в видимой, инфракрасной или ультрафиолетовой областях; или прибор, излучающий и преобразующий некогерентное или когерентное излучение в этих же спектральных областях; или прибор, использующий такое электромагнитное излучение для своей работы.

Обычно подразумевается также "твердотельность" оптоэлектронных приборов и устройств или такая их структура (в случае использования газов и жидкостей), которая допускала бы реализацию с применением методов современной интегральной техники вмикроминиатюрном исполнении. Таким образом, оптоэлектроника базируется на достижениях целого ряда достижений науки и техники, среди которых должны быть выделены прежде всего квантовая электроника, фотоэлектроника, полупроводниковая электроника и технология, а также нелинейная оптика, электрооптика, голография, волоконная оптика.

Принципиальные особенности оптоэлектронных устройств связаны с тем, что в качестве носителя информации в них наряду с электронами выступают электрически нейтральные фотоны. Этим обуславливаются их основные достоинства:

1. Высокая информационная ёмкость оптического канала.

2. Острая направленность излучения.

3. Возможность двойной модуляции светового луча - не только временной, но и пространственной.

4. Бесконтактность, "электропассивность" фотонных связей.

5. Возможность простого оперирования со зрительно воспринимемыми образами.

Эти уникальные особенности открывают перед оптоэлектронными приборами очень широкие возможности применения в качестве элементов связи, индикаторных приборов, различных датчиков. Тем самым оптоэлектроника вносит свою, очень значительную, долю в комплексную микроминиатюризацию радиоэлектронной аппаратуры. Дальнейшее развитие и совершенствование средств оптоэлектроники служит техническим фундаментом разработки сверхвыскопроизводительных вычислительных комплексов, запоминающих устройств гигантской ёмкости, высокоскоростной связи, твердотельного телевидения и инфравидения.

Основу практически любой оптоэлектронной системы составляет источник излучения: именно его свойства и определяют, в первую очередь, лицо этой системы. А все источники можно подразделить на две большие группы: с когерентным (лазеры) и с некогерентным(светоизлучающие диоды и др.) излучением. Устройства с использованием когерентного или некогерентного света обычно резко отличаются друг от друга по важнейшим характеристикам.

Всё это оправдывает использование таких терминов как "когерентная оптоэлектроника" и "некогерентная оптоэлектроника". Естественно, что чёткую грань провести невозможно, но различия между ними очень существенны.