Спецификой оптоэлектроники являются
фокусировка до ½ длины волны в диаметре,
направленность, малая расходимость до десятков и единиц угловых секунд,
секретность передачи по оптическому каналу,
несмешиваемость оптических потоков, возможность модулировать поток фотонов не только во времени, но и в пространстве.
В начале 70-х годов ХХ столетия было получено оптическое волокно с потерями до 20 дБ/км, создаются световоды. В настоящее время потери в оптических волокнах составляют ~ 0.2 дБ/км. Первая оптоволоконная линия связи была создана между Европой и Америкой, которая прошла по дну океана и имела минимум повреждений, так как вокруг нее не возникало электромагнитного поля. Передовыми странами в новых технологиях и, в частности, в оптоэлектронике являются Япония и США. Япония рассматривает оптоэлектронику как одну из ведущих отраслей своей экономики, от уровня её развития зависят социальные преобразования в обществе. К 2010 г. страна восходящего Солнца провозгласила: волоконный кабель в каждую квартиру!
Приведем некоторые сравнительные характеристики радиотехнической и оптической связи. В обоих случаях мы имеем дело с электромагнитной волной.
Название |
Радиотехническая связь |
Оптическая связь |
Носитель информации |
Заряженная частица, электрон |
Нейтральные фотоны |
Шкала электромагнитных колебаний |
Приемник фиксирует амплитуду, одномерная волна, 108 – 109 Гц |
Приемник фиксирует мощность, квадрат амплитуды, до 1013 – 1015 Гц |
Помехозащищенность |
Низкая |
Высокая |
Многоканальность |
Ограничена |
Высокая |
Соединение |
Жесткий электрический контакт |
Нет жесткого контакта |
Способность к перегрузкам |
Ограничена мощностью рассеивания проводников |
Не ограничена |
Структурная надежность |
Влияют друг на друга |
Не зависят друг от друга, возможна замена |
Глава 1. Введение в оптоэлектронику.
1. 1.Оптический диапазон электромагнитного излучения.
Оптоэлектроника охватывает широкий спектральный диапазон – от ультрафиолета (УФ) до инфракрасной (ИК) области спектра. Это – оптический диапазон излучения. В шкале электромагнитных волн он простирается от 0.18 до 2000 мкм и занимает 18 октав (рис.2). Октава – интервал частот между произвольной частотой w и ее гармоникой 2w. УФ область занимает (0,18 – 0,40) мкм, или (180 – 400) нм. Видимая область спектра – (0,40 – 0,76) мкм, или (400 – 760) нм. ИК область – (0,76 – 2000) мкм.
Рис. 2. Спектр электромагнитных излучений.
g–γ-излучение, РИ - рентгеновское излучение, ОД - оптический диапазон, УФ - ультрафиолетовое излучение, В - видимое излучение, ИК - инфракрасное излучение, Р - радиоволны.
Единицы измерения.
Общепринятыми являются следующие единицы для обозначения длины волны (l) различных участков спектра:
1 мкм = 104 Å,
1 мкм = 103 нм,
1 мкм = 10-4 см.
Шкала в Å, нм и мкм – неравномерная. Равномерная шкала обозначается в волновых числах:
1 мкм = 10000/см-1.
Длина электромагнитной волны связана с частотой, числом колебаний в секунду, n, Гц. Известно, что частота n = с/l, где с – скорость света, равная 3×1010 см/с, l - длина волны. Легко подсчитать, что оптический диапазон занимает область частот от 1015 до 1011 Гц.
На практике широко применяются величины, обозначающие, какую энергию несет квант света, фотон. Вводится внесистемная единица энергии – электронвольт, эВ. 1 эВ – энергия, которую приобретает электрон при прохождении разности потенциала в 1 В. Тепловая энергия kТ = 1эВ соответствует Т = 11600 К (k – постоянная Больцмана).
Какую энергию несет излучение, квант света, фотон с длиной волны l = 1 мкм? Энергия электромагнитной волны Е = h·n = hс/l, h – постоянная Планка, равная 6,63·10-27 эрг·с. Так как 1 эВ = 1,6·10-12 эрг, имеем, что фотон с длиной волны l = 1 мкм несет энергию Е = 1,24 эВ.
Таким образом, в оптическом диапазоне излучения длина волны кванта света, фотона, l, измеряется
в Å, нм, мкм,
в волновых числах, см-1 = 10000/l, (l в мкм),
в частотах, Гц = с/l, с-1,
энергия фотона, эВ = 1.24/l, (l в мкм).
Длина волны – расстояние между двумя ближайшими точками волны, находящимися в одинаковой фазе колебания (или разность начальных фаз волны равна 2p). Если волну представить синусоидой, то расстояние между двумя пучностями и будет длиной волны. Длина волны l связана с периодом колебания n и скоростью распространения волнового процесса соотношением l = с/n.