Глава 10 оптическая электроника

Оптоэлектроника — раздел электроники, в котором изучают эффекты и явления взаимодействия электромагнитного излучения оптического диапазона (0,5...20,0 мкм) с электронами в твердом теле и методы создания приборов и устройств, использующих эти эффекты для генерации, передачи, хранения и обработки инфор­мации.

Оптоэлектроника условно делится на фотонику и оптронику.

Фотоника исследует методы создания устройств, предназначен­ных для генерации, хранения, передачи, обработки и отображения информации, представленной в виде оптических сигналов.

Оптроника развивает методы создания оптронных схем — элек­тронных устройств с внутренними оптическими связями.

Обработка и хранение информации оптическими методами яв­ляется центральной задачей оптоэлектроники. Оптическая обра­ботка информации основана на использовании в качестве носителя информации оптического излучения, а в качестве преобразовате­лей — информации оптических и оптоэлектронных элементов.

10.1. Фотоника

Светоизлучающие диоды. Рассмотрим методы создания уст­ройств, предназначенных для генерации, хранения, передачи, об­работки и отображения информации, представленной в виде опти­ческих сигналов.

Отличительной особенностью оптоэлектронных приборов явля­ется использование электрически нейтральных квантов оптическо­го излучения, с высокой частотой колебаний и соответственно ма-

лым значением длины волны оптического излучения, малой расхо­димостью светового луча и возможностью его острой фокусировки. В этом плане наибольшее предпочтение отдают когерентным излу­чателям.

Некогерентные излучатели представляют собой светодиоды на основе полупроводниковой структуры, излучающей свет при про­пускании тока через /ья-переход в прямом направлении.

Различают два механизма возбуждения светодиода: инжекция носителей заряда и ударная ионизация. В основе спонтанной гене­рации света лежат процессы инжекции неосновных носителей за­ряда в активную область /ья-структуры. В результате рекомбина­ции носителей заряда происходит исчезновение пары свободных противоположно заряженных носителей с одновременным выделе­нием энергии пропорциональной ширине запрещенной зоны. Мо­жет происходить и процесс безызлучательной рекомбинации, при которой происходит рождение фононов.

Процесс инжекции наиболее эффективен в гетероструктурах. Вследствие разрывов в валентной зоне и зоне проводимости при смещении гетероперехода в прямом направлении наблюдается ин­жекция в прямом направлении: из широкозонного материала в уз­козонный. Вывод излучения осуществляется перпендикулярно плоскости гетероструктуры через верхний широкозонный слой. Максимальный квантовый выход, или отношение числа вышедших фотонов к числу рожденных, составляет примерно 40 %. Быстро­действие достигает 1 • 10^-8...1 ■ 10^-9 с.

Ударная ионизация возникает при обратном смещении р-п-пе­рехода до напряжения электрического пробоя. Этот механизм ме­нее эффективен, чем инжекционный.

Излучательная рекомбинация осуществляется в прямозонных полупроводниках ваАБ, 1пАб, растворах ваАБр^Рх, Са1__хА1_х Ав. Ус­ловием инжекции является соблюдения условия равенства квазиим­пульса минимума зоны проводимости и максимума валентной зоны. Этот переход с сохранением квазиимпульса является излучателъным.

Светодиоды на основе гомопереходов в прямозонных полупро­водниках имеют сильное поглощение внутри кристалла. В связи с низким квантовым выходом светодиоды этого типа применяют редко.

В непрямозонных полупроводниках излучательная рекомбина­ция происходит при наличии определенных примесных центров, на которых образуются электроны. После захвата электрона к центру кулоновскими силами подтягивается и дырка, т.е. реализу­ется излучательный переход.

д_ля расширения спектрального диапазона излучении примени ют тройные и четверные соединения. Эти соединения характеризу­ются изовалентным замещением элементов III и V групп иериоди ческой системы элементов. Типичные спектры излучения фотодио­дов приведены в табл. 10.1.

Светодиоды могут иметь один или несколько (матричных) Р~п-переходов, расположенных на одном монокристалле. Матрич­ные светодиоды используют в качестве индикаторов.

Особый интерес представляют коротковолновые лазерные дио­ды, позволяющие обеспечить высокую плотность записи информа­ции на уровне гигабайт на сантиметр квадратный. Для изготовле­ния таких коротковолновых диодов используют структуры с набо­ром квантовых ям. На рис. 10.1 приведена одна из конструкций та­кого лазерного диода. Лазерная структура содержит буферный слой GaN (30 нм), слой л-типа на основе GaNSi (3 мкм), слой л-1п₀.05 Ga₀,95 N (Si 0,1 мкм), слой я-А1о,о7 Gao,93 N (Si 0,4 мкм), слой «-GaN (Si 0,1 мкм) и квантово-размерную область MGW. Эта об­ласть состоит из семи квантово-размерных слоев In₀,2 Gao.» (N2,5 нм), слоя р-А1₀,2 Gao,g N (20 нм), слой /»-GaN (0,1 мкм), слой />-Alo,o7Gao,93N (0,4 мкм), слой /?-GaN (0,2 мкм). Такой нетривиаль­ный слоеный «пирог» позволяет создать лазерный диод с резким пиком стимулированного излучения на длине волны 406,3 нм при токе 140 мА.

Интересной особенностью прибора является коротковолновый сдвиг максимума стимулированного излучения, при этом полуши­рина линии излучения составляет всего 0,03 нм.

Когерентные излучатели получают на основе тех же ^-«-перехо­дов и при создании условий для вынужденного излучения. Для это­го получают положительную обратную связь, перемещая инверс­ную активную среду в резонатор.

Полупроводниковые лазеры, изготовленные из одного полупро­водникового материала {гомолазеры), — малоэффективны. Гетеро­лазеры создают на основе гетеропереходов двух и более полупро­водниковых материалов с отличными друг от друга энергиями за­прещенных зон. Это, как правило, твердые растворы типа ГпСаАзР в различном сочетании. Комбинации четверных и тройных соеди­нений А³В⁵ позволяют получать когерентные излучатели в диапазо­не длин волн 0,66...4,00 мкм.

Инжекционные лазеры являются высокоскоростными прибора­ми, максимальная частота модуляции излучения которых может достигать значения 2 • Ю¹⁰ Гц. Для хорошего согласования излуче­ния лазера с каналами передачи информации необходимо лазер вводить в одномодовый режим работы. Одномодовые лазеры отлича­ются низким уровнем шумов и стабильностью.

В большинстве инжекционных лазеров в качестве резонатора Фабри — Перо используются сколотые грани лазерного кристалла» брэгговские зеркала. Это упрощает конструкцию, но затрудняет ин­теграцию источника когерентного излучения с другими элементами- 274

Для создания положительной обратной связи в лазерах с перио­дической модуляцией оптических характеристик необходимо ме­нять направление волны, рассеиваемой на неоднородностях, на об­ратное. Возникают две связанные волны одной частоты, распро­страняющиеся в противоположных направлениях. Такое возможно, если параметры оптической среды промодулировать по периодиче­скому закону в направлении распространения. Например, по зако­ну, удовлетворяющему условию Брэгга: А = тХ₀/2п_эф, где А — пе­риод; т — порядок брэгговского отражения; Х₀ — длина волны из­лучения; «_Эф — эффективный показатель преломления волновой моды. Такой брэгговский резонатор имеет только одну полосу ре­зонансного усиления. В итоге получается одночастотный лазер с высокой спектральной избирательностью (АХ₀ «0,1 мм).

Основной целью интегральной оптоэлектроники является разра­ботка оптоэлектронных интегральных схем. Ключевыми элементами таких схем являются излучатели (микролазеры) и фотоприемники.

Различают два типа излучателей с периодической модуляцией оптических характеристик. В лазерах с распределенным брэгговским отражателем (РБО-лазеры) используют модулированные участки оптической среды, вынесенные из активной области (рис. 10.2, а). Это позволяет гибко подстраивать длину волны излучения, изменяя ток в пассивной секции брэгговского отражателя. Увеличивая ток в диапазоне 0...30 мА, можно изменить длину волны лазера на 4,5 нм. Высокая эффективность РБО-лазеров достигается за счет малых потерь в областях брэгговского отражения и высокоэффективной связи между внешними и внутренними волноводами.

В лазерах с распределенной обратной связью (РОС-лазеры) моду­ляция среды осуществляется непосредственно в активной области. Чтобы стабилизировать длину волны, в области /?-«-перехода созда­ют поперечную насечку, образующую дифракционную рещетку. Благодаря этой насечке излучение только с одной длиной волны возвращается обратно в резонатор и участвует в дальнейшем усиле­нии. РСС-лазеры имеют стабильную длину волны излучения, кото­рая определяется на этапе производства шагом насечки, но может незначительно меняться под влиянием температуры. Такие лазе­ры — основа современных оптических телекоммуникационных сис­тем. Их также используют и в системах многочастотной оптоволо­конной связи. В РОС-лазерах качество связи в основном определяет эффективность ввода излучения в элементы оптической схемы.

Лазерные структуры с периодической модуляцией оптических характеристик различаются порядком дифракции. Этот порядок определяется целым числом полуволн лазерного излучения, кото­рые можно уложить на периоде неоднородности. Конструктивно неоднородности выполняют в виде диэлектрика с гофрированной поверхностью. Изменение толщины волновода определяет перио­дичность неординарности. Коэффициент связи показывает степень связи активной генераторной и пассивной-волноводной компо­нент. Для увеличения мощности когерентного излучения лазеры объединяют в лазерные решетки.

На рис. 10.3 приведена схема сопряжения в решетку двух гете­ролазеров с распределенным брэгговским отражением. Такие ис­точники излучения разработаны для оптических интегральных схем. Дифракционную решетку в РОС-гетеролазерах используют для вывода излучения. Это позволяет улучшить направленность из­лучения и повысить мощность.

При использовании в устройствах оптоэлектроники когерент­ных источников излучения достигается наименьшая расходимость излучения, передается энергия излучения в заданную точку про­странства с минимальными потерями, обеспечиваются более ши­рокие функциональные возможности устройств фотоники и оп- тронных схем.

В качестве приемников излучения в устройствах оптоэлектро­ники используют полупроводниковые фотодиоды, фототранзисто­ры, фототиристоры.

Модуляторы. Модуляция оптического излучения — процесс изме­нения во времени по заданному закону амплитуды, частоты, фазы или поляризации колебаний оптического излучения с целью управ­ления световыми пучками. Различают амплитудную, фазовую, час­тотную или поляризационную модуляции. Для излучений видимо­го и ближнего ИК-диапазонов (10 Гц) возможны частоты модуля­

ции с верхним пределом до 10^й... 10¹² Гц.

Модуляцию, при которой преобразование излучения происхо­дит в процессе его формирования непосредственно в источнике оптического излучения, называют внутренней модуляцией. При внешней модуляции с помощью модуляторов света параметры излу­чения изменяют после его выхода из источника.

Существует много способов модуляции излучения на основе физических эффектов: электрооптический, магнитооптический, уп- РУгооптический и др.

Для внешних модуляторов применяют управляемый двулуче- преломляющий элемент из материала, обладающего естественной или наведенной анизотропией. Внешнее управляющее поле приво­дит к изменению оптических характеристик среды. Известны моду­ляторы на основе эффектов Поккельса, Керра, Фарадея и др.

Для модуляции света используют искусственную оптическую анизотропию, которая возникает в первоначально изотропных твердых телах под действием упругих напряжений, так называемая фотоупругость.

Электрическое управление поглощением света полупроводни­ками можно осуществить при изменении концентрации свободных носителей или их подвижности. Такой же результат можно полу­чить, сдвигая края полосы поглощения за счет эффекта Келды­ша — Франца.

Для оптических интегральных схем предпочтительны методы внутренней модуляции, в основе которых лежат физические явле­ния, основанные на управлении когерентным излучением за счет изменения параметров лазера. Иногда используют эффекты, харак-

горные для внешних модуляторов. Такие модуляторы помещав внутри оптическою резонатора лазера. Частотой излучения лазера управляю!, изменяя добротность резонатора лазера, например ме­няя оптическую длину резонатора. С этой целью одно из зеркал ре­зонатора укрепляют либо на магнитострикционном стержне, либо на пьезоэлементе и изменяют длину резонатора синхронно с моду­лирующим напряжением. Частотную модуляцию излучения лазера можно получить также при наложении на активную среду магнит­ного или электрического полей. Соответственно под действием эф­фектов Штарка или Зеемана происходит расщепление и смещение рабочих уровней атомов, ответственных за генерацию когерентного излучения. Одним из методов управления когерентным излучением является модуляция обратной связи путем изменения коэффициен­тов отражения зеркал резонатора. Это изменение можно получить, заменяя одно из зеркал на комплекс зеркал, образующих интерфе­рометр Фабри — Перо.

Одним из примеров амплитудной модуляции оптического сигна­ла является фазовая модуляция в двух плечах интегрально-оптиче­ского интерферометра Маха—Цандера (рис. 10.4). Симметричная конфигурация компланарных электродов бегущей волны позволяет осуществить двухтактную фазовую модуляцию в двух плечах интер­ферометра. Функция преобразования модулятора имеет вид

л р

I =-^-|1+со8(Ф)], где р — вносимые оптические потери; Ф⁼

= пС// и_п— разность фаз между двумя плечами интерферометра, индуцированная электрическим сигналом, приложенным к управ­ляющим электродам; и — напряжение на электродах; и_п — полу­волновое напряжение (требуемое для изменения фазы на я).

Эффективным способом внутренней модуляции излучения явля­ется режим синхронизации мод, представляющий собой модуляцию добротности резонатора с частотой, близкой к частоте межмодовых биений лазера. В режиме синхронизации мод генерируются короткие и мпшный импульсы. следующие с частотой внешней мплуляпии.

В основе работы акустооптических модуляторов лежит явление дифракции света на фазовой решетке, образованной периодиче­ским изменением показателя преломления среды при прохождении через нее ультразвуковой волны.

10.2. Оптоэлектронные устройства

В оптоэлектронике разработаны различные устройства и систе­мы для обработки информации. Прежде всего это различные инди­каторные устройства, оптроны, волоконно-оптические системы связи, оптические процессоры. Провести строгую классификацию и отнести то или иное устройство к оптронному или фотонному направлению в оптоэлектронике весьма затруднительно. Однако оптроны традиционно считают изделиями оптоэлектроники. Эти устройства находят применение в устройствах связи в качестве эле­ментов гальванической развязки.

Оптроны, или оптоэлектронные процессоры, представляют собой совокупность оптоэлектронных элементов, выполняющих опера­ции в соответствии с заданной функцией и алгоритмом обработки информации.

Оптроны обеспечивают высокую электрическую прочность, од- ф нонаправленность потока информации, исключающее реакцию

приемника на источник, широкую полосу пропускания.

По степени сложности структурной схемы среди изделий оп- тронной техники выделяют две группы приборов. Оптопара, или элементарный оптрон, представляет собой оптоэлектронный полу­проводниковый прибор, состоящий из излучающего и фотоприем- ного элементов, между которыми имеется оптическая связь, обес­печивающая электрическую изоляцию между входом и выходом.

Оптоэлектронная интегральная микросхема — это микросхема, состоящая из одной или нескольких оптопар и электрически со­единенная с одним или несколькими согласующими или усили­тельными устройствами. Таким образом, в электронной цепи такой прибор выполняет функцию элемента связи, в котором в то же время осуществлена электрическая (гальваническая) развязка входа и выхода. С помощью оптронов удается получить связь между от­дельными частями электронных устройств при условии обеспече­ния полной гальванической развязки между ними. Помехозащен- ность обеспечивается достижением сопротивления изоляции более 10¹⁴ Ом и емкости связи порядка 1 • Ю^-14 Ф.

Оптроны могут иметь различную конструкцию в зависимости от используемого фотоприемника: резисторный, диодный, транзи- сторый, тиристорный (рис. 10.5). В зависимости от совокупности характеристик генератора и детектора оптрон может выполнять различные процессы обработки информации: усиление, переклю­чение, согласование, преобразование, индикация и т.п. С помо­щью оптронов осуществляют гальваническую развязку электриче­ских цепей, оптическую связь — волоконно-оптические линии свя­зи (ВОЛС) большой информационной емкости. На фототранзи- сторных оптронах легко собирать логические схемы на основе яче­ек типа ИЛИ и И (рис. 10.5, д, ё).

Однако оптроны как элементная база построения вычислитель­ных устройств неконкурентоспособна с транзисторами. Во-первых, двойное преобразование энергии обусловливает низкую энергети­ческую добротность оптронов. Во-вторых, значительные техноло­гические трудности вызывают необходимость согласования спек­тральных характеристик светодиодов и фотоприемников при зна­чительном числе оптронов. В-третьих, оптроны являются элемен­тами оптических схем и поэтому принципиальные ограничения, характерные для схемотехнических методов обработки информаци­онных массивов, накладывают серьезные ограничения и на этот тип схем. На основе оптронов возможно формирование обучаемой системы восприятия и распознавания образов — персептрона.

В оптоэлектронике важнейшей проблемой является увеличение функциональной насыщенности элементов, создание приборов и устройств, в которых сочетались бы функции генерирования, де­тектирования, модуляции, запоминания и избирательности в про­цессах оптической обработки информации.

Разработаны приемо-передатчики с открытым оптическим ка­налом, развитие которых связано с решением проблемы формиро­вания высокоэффективных систем беспроводной оптической свя­зи. Такая связь необходима в современной вычислительной техни­ке вообще и в компьютерах в частности.

Итак, преимуществами оптронов являются: возможность обеспечения идеальной электрической (гальвани­ческой) развязки между входом и выходом;

возможность реализации бесконтактного оптического управле­ния электронными объектами и обусловленные этим разнообразие и гибкость конструкторских решений управляющих цепей;

однонаправленность распространения информации по оптиче­скому каналу, отсутствие обратной реакции приемника на излуча­тель;

широкая частотная полоса пропускания оптрона, отсутствие ог­раничения со стороны низких частот (что свойственно импульс­ным трансформаторам);

возможность передачи по оптронной цепи как импульсного сигнала, так и постоянной составляющей;

возможность управления выходным сигналом оптрона путем воздействия (в том числе и неэлектрического) на материал оптиче­ского канала и вытекающая отсюда возможность создания разно­образных датчиков и приборов для передачи информации;

возможность создания функциональных микроэлектронных устройств с фотоприемниками, характеристики которых при осве­щении изменяются по сложному заданному закону;

невосприимчивость оптических каналов связи к воздействию электромагнитных полей, что в случае «длинных» оптронов (с про-

тяженным волоконно-оптическим световодом между излучателем и приемником) обусловливает их защищенность от помех и утечки информации, а также исключает взаимные наводки;

физическая и конструктивно-технологическая совместимость с другими полупроводниковыми и микроэлектронными приборами. К недостаткам оптронов можно отнести:

значительную потребляемую мощность, обусловленную необхо­димостью двойного преобразования энергии (электричество — свет — электричество) и невысокие КПД этих переходов;

повышенную чувствительность параметров и характеристик к воздействию повышенной температуры и проникающей радиации;

относительно высокий уровень собственных шумов, обуслов­ленный, как и два предыдущих недостатка, особенностями физики

светодиодов; ^

конструктивно-технологическое несовершенство, связанное с использованием гибридной непланарной технологии (необходи- мость объединения в одном приборе нескольких отдельных щ. сталлов из различных полупроводников, располагаемых в разных плоскостях).

Оптические интегральные схемы содержат электронную и фотон­ную части. С помощью многократных ростовых операций и селек­тивного травления на одной пластине размещаются электронные и фотонные устройства. Пространственное разделение фотонной и электронной частей может производиться как с помощью верти­кальной, так и горизонтальной интеграции (рис. 10.6).

В вертикально интегрированной структуре различные слои ма­териалов разделены полуизолирующими материалами такой тол­щины, чтобы избежать паразитных связей между различными участками. К недостаткам вертикально интегрированных структур можно отнести непланарное расположение электрических соедине­ний между фотонными и электронными частями схемы. Это за­трудняет изготовление сложных схем. Горизонтальная геометрия позволяет разнести в пространстве электронную и фотонную части и тем самым уменьшить паразитные связи.

При проектировании оптических интегральных схем необходи­мо придерживаться трех принципов.

1. Сохранение объема сигнала. Это означает, что оптоэлектрон­ное преобразование информации должно происходить без потерь информации, т.е. объем сигнала определяется соотношением V = TFL = const, где Т — длительность сигнала; F —ширина слек-

Разделительный Соединение

ура частот; I = 1п(Р_с/Р_ш) — динамический диапазон; Р_с — мош ность сигнала; Р_ш — мощность шума. Этот принцип определис! возможность изменения параметров сигнала в процессе оптоэлск тронного преобразования.

2. Оптимальность структуры выражает необратимость фо тон-электронного и электрон-фотонного преобразования сигнала и

■ 1 одной системе. При оптоэлектронном преобразовании потери им формации должны быть минимальными. С этой целью фотоприем ные звенья следует формировать в полупроводнике с меньшей ши­риной запрещенной зоны, чем излучающие звенья.

3. Информативность преобразования — при равных информаии онных объемах сигналов в результате оптоэлектронного преобразо­вания информативность ансамбля фотонов больше информативно­сти ансамбля электронов. Это следует из физических свойств элек­тронов и фотонов. Электрон обладает зарядом и спином. Вектор скорости электрона при его движении определяется векторами внешнего электрического и магнитного полей. Фотон движется с постоянной скоростью и независимо от внешних электромагнит­ных полей.

Можно надеяться на создание интегрально-оптических схем, превосходящих полупроводниковые ИС по скорости обработки ин­формации, высокой помехоустойчивости. Они найдут широкое применение в системах оптической обработки информации, вклю­чая ВОЛС.

Контрольные вопросы

1. Что такое оптоэлектроника?

2. Когерентные и некогерентные излучатели.

3. Что такое РОС-лазеры?

4. Что такое РБО-лазеры?

5. Что такое оптрон?

6. Какие типы оптронов вы знаете?

7. Каково функциональное назначение оптронов?

8. Как вы представляете себе оптическую интегральную схему?