Лекция 1 особенности оптоэлектроники и области ее применения

1.1. Зарождение и развитие оптоэлектроники

Оптическая электроника - сравнительно новая и весьма перспективная область науки и техники, соединившая в себе возможности оптики и электроники. Она изучает проблемы генерации, передачи, приема, переработки, запоминания и хранения разнообразной информации с использованием как электронных, так и оптических методов и средств. В основе работы приборов оптической электроники лежат процессы распространения оптического излучения в различных средах, взаимодействия этого излучения с веществом, а также преобразования электрических сигналов в оптические (световые) или наоборот - оптических сигналов в электрические. Можно привести множество примеров использования приборов: исследование строения вещества, обработка материалов, точные измерения, обработка и хранение информации, связь.

Понятие оптоэлектроника появилось в 1955 году. Этим словом назвали электронные схемы с оптической связью. Затем в 1960 году был изобретен лазер, позволивший широко использовать когерентное излучение. Изобретение оптических квантовых генераторов (лазеров) дало толчок развитию новой отрасли оптической электроники - квантовой электроники, значительно расширившей возможности оптоэлектронных приборов и открывшей новые перспективы. Появление лазеров стимулировало развитие голографии, что в свою очередь послужило толчком для дальнейшего совершенствования оптических методов обработки и хранения информации.

Расширению областей применения приборов оптической электроники способствовало изобретение высококачественных волоконно-оптических элементов, на основе которых совершенствуются системы ближней и дальней связи, а также создаются датчики, предназначенные для измерения различных физических величин.

В настоящее время бурно развивается интегральная оптика. Можно отметить, что так же, как в начале 60-х годов на смену дискретным электронным пришли интегральные микроэлектронные приборы, сегодня на смену некоторым дискретным оптоэлектронным приборам пришли лазерные интегрально-оптические системы.

1.2. Достоинства оптоэлектроники

Без различных оптоэлектронных приборов и систем в наши дни не возможен прогресс в различных областях науки и техники. Эти приборы широко применяются в различных измерительных системах. Их отличает высокая точность и скорость измерения. Очень важная область применения оптоэлектронных устройств - оптическая вычислительная техника, оптическая связь.

Известно, что человек не видит предметы размером менее 0,1 мм и предметы, удаленные на большие расстояния. Мы плохо видим в темноте, поскольку наш глаз чувствителен лишь к видимому излучению, а также и при ярком освещении. Оптоэлектронные приборы существенно восполняют эти недостатки нашего зрения, так как позволяют исследовать малые или удаленные объекты и регистрировать невидимые глазом излучения.

Широкое применение оптоэлектронных приборов обусловлено следующими особенностями оптического излучения.

Подавляющее большинство природных явлений и производственных процессов сопровождается оптическим излучением. Оно либо генерируется самим исследуемым объектом, либо возникает вследствие того, что исследуемый объект отражает или рассеивает излучение посторонних источников. При этом характеристики и параметры оптического излучения жестко связаны с характеристиками и параметрами вызывающих его явлений и процессов.

Оптическое излучение возникает при протекании как микропроцессов (на уровне атомов и молекул), так и макропроцессов (в масштабах Вселенной). Свет распространяется с огромной скоростью, которая, как известно, является максимально возможной в природе.

Из этого следует, что, используя оптоэлектронные приборы, можно исследовать атомарные, молекулярные, клеточные и глобальные процессы. Изменение характеристик и параметров оптического излучения объекта - это точная и вполне объективная мера изменения характеристик и параметров происходящих в объекте процессов и явлений. С помощью оптического излучения можно осуществлять бесконтактное исследование различных процессов, не вмешиваясь в их ход. Скорость получения информации при этом очень высока.

Определяющую роль в работе приборов играют процессы распространения света в различных средах и процессы взаимодействия света с веществом.

Можно провести аналогию между радиоэлектронным и оптоэлектронным прибором. В радиоэлектронном приборе электромагнитное излучение радиодиапазона (с длиной волны от нескольких миллиметров до нескольких километров), генерируемое передатчиком, по проводам или в атмосфере распространяется до приемника, где преобразуется в электрический сигнал с использованием электронных устройств. Таким образом, в радиоэлектронном приборе носителем полезной информации является радиоизлучение.

Совершенно аналогично в оптоэлектронном приборе оптическое излучение (электромагнитные колебания с длиной волны от 0,01 мкм до 1 мм), генерируемое источником, распространяется по оптическим кабелям или в атмосфере до приемника, где преобразуется в электрический сигнал. Носителем информации в оптоэлектронных приборах является, следовательно, оптическое излучение.

Оптоэлектронные приборы отличает ряд важных достоинств:

• Во-первых, как будет показано ниже, при переходе к оптическому диапазону (частота световых колебаний f = 10¹⁴...10¹⁵ Гц) увеличивается частота, используемая для передачи полезного сигнала, т. е. несущая. Это значительно расширяет доступную для передачи полосу частот, а, следовательно, и информационную емкость системы. С другой стороны, малая длина световой волны (λ = c/f, где с - скорость света) обеспечивает весьма высокую плотность записи информации в оптических запоминающих устройствах.

• Во-вторых, угловая расходимость светового луча пропорциональна длине волны. Так как длина волны света весьма мала, возможно получение световых пучков с очень малой расходимостью. Это позволяет передавать оптическую энергию с малыми потерями в небольшие области пространства. Именно благодаря этому свойству световых пучков оказалась возможной лазерная локация Луны, находящейся от Земли на расстоянии около 385 тыс. км.

• В-третьих, поскольку источник и приемник в оптоэлектронном приборе не связаны электрически, а связь между ними осуществляется только посредством светового излучения, они не влияют друг на друга. По этой же причине в оптоэлектронном приборе поток информации передается лишь в одном направлении - от источника к приемнику, и приемник никак не воздействует на источник.

• В-четвертых, оптоэлектронные приборы отличает высокая помехозащищенность. Каналы, по которым распространяется оптическое излучение, не воздействуют друг на друга и практически нечувствительны к электромагнитным помехам.

• В-пятых, оптоэлектронные приборы имеют также возможность и временной (как в радиотехнике), и пространственной модуляции сигнала. Например, в световом пучке, в плоскости, перпендикулярной направлению его распространения, можно выделить несколько весьма малых площадок и модулировать соответствующие части пучка независимо друг от друга. Это позволяет производить параллельную обработку информации, что очень важно при создании высокопроизводительных вычислительных комплексов.

Перечисленные достоинства оптоэлектронных приборов делают их применение весьма перспективным. Именно этим и объясняется наблюдаемое сегодня бурное развитие приборов данного класса.

Отметим в заключение, что оптоэлектронный прибор является комплексной системой, включающей в себя разнородные по физическим принципам работы элементы. Именно комплексность обеспечивает прибору те свойства, которые выгодно отличают его как от чисто электронного, так и от чисто оптического.