6.2.7. Добротность оптронов

Оптроны характеризуются добротностью Q, которая рассчитывается по формуле

Q = K_I /τ . (3.13)

где:  - быстродействие (время переключения).

В электронных устройствах в качестве аналогичного параметра используется произведение - К∆f, где ∆f - ширина полосы частот устройства. Величина Q существенным образом зависит от электрической прочности U_из, так как увеличение последней за счет протяженности ОК, приводит к росту оптических потерь и, как следствие, к уменьшению K_I. График экспериментальной зависимости Q(U_из) для диодных, транзисторных оптопар и оптопар на составных фототранзисторах изображен на рис.39.

Из графика видно, что добротность Q имеет линейную зависимость от U_из и для типичных значений U_из = 1-5 кВ составляет более 0,1 мкс^-1. Разработка современных оптронов идет по пути решения одной из основных задач оптоэлектроники - увеличения добротности.

6.2.8. Оптические вносимые потери w

Оптические вносимые потери W определяются отношением

W [дБ] = 10 lg(Ф₂ ∕ Ф₁), (3.14)

где: Ф₁ - входной поток, излучаемый ОИ в ОК; Ф₂ - выходной поток, поступающий из ОК на ФП.

В зависимости от типа используемого ОК потери могут зависеть от различных факторов. Параметр W определяется суммой:

W[дБ] = , (3.15)

где: W₁ = W_1Р+W_1Ф - потери при вводе света в ОК, вызванные, в основном:

• потерями W_1Р из-за расходимости ∆₁ излучаемого потока Ф₁ ;

• френелевскими потерями W_1Ф, обусловленными разностью ∆n₂₁ = n₂ - n₁ показателей преломления материалов n₂ оптического канала и n₁ оптического излучателя;

• W₂ - потери, вызванные затуханием света при распространении в ОК;

• W₃ = W_3Р+W_3Ф - потери при выводе света из ОК, обусловленные:

• потерями W_3Р из-за расходимости ∆₂ выходного потока Ф₂, засвечивающего ФП;

• френелевскими потерями W_3Ф, вызванными разностью ∆n₃₂ = n₃ - n₂ показателей преломления материалов n₃ фотоприемника и n₂ оптического канала.

Френелевские потери W_ф возникают из-за отражения части светового потока от границы раздела сред, имеющих разные коэффициенты преломления. Величина W_ф с учетом показателей преломлений n₂ и n₁ двух сред рассчитывается по формуле

W_ф [дБ] = 10lg{4/[2+(n₂/n₁) +(n₁/n₂)]. (3.16)

Например, если в качестве ОИ используется СИД на основе GaAsP c n₁ = 3,6, а ОК -воздушная среда с n₂ ~ 1, то потери W_ф = -1,67 дБ.

В оптронах с открытыми ОК потери W₂, вызванные затуханием света в воздушном канале малы, поэтому суммарные оптические потери W определяются, в основном, слагаемыми потерь из-за расходимости W_1Р и W_3Р, а также френелевскими потерями W_1Ф и W_3Ф.

Для уменьшения оптических вносимых потерь W_1Р и W_3Р, вызванных расходимостью излучения, используются микрооптические сферические линзы и стержневые линзы типа "градан". Последние представляют собой стержень, изготовленный из градиентного оптического волокна, имеющего квадратичный профиль показателя преломления, и используются как в качестве линз, так , и оптического канала оптрона. Линза применяется для формирования коллимированного светового пучка с целью уменьшения расходимости светового пучка, излучаемого ОИ, и его фокусировки на светочувствительной площадке ФП. Параметры линз (размеры, фокусные расстояния) выбираются, исходя из согласования диаметра светового пучка с размерами фотоплощадки ФП.

Уменьшение френелевских потерь W_1Ф и W_3Ф обеспечивается с помощью просветляющих диэлектрических покрытий, которые наносятся на поверхности излучающей и фотоприемной площадок соответственно ОИ и ФП. Просветляющее покрытие - это материал с коэффициентом преломления, имеющим промежуточное значение между показателями преломления двух сред n₂ и n₁. Такие покрытия применяются для оптического согласования, т.е. уменьшения разности ∆n показателей преломления между средами. Например, если в оптроне используются ОИ из GaAsP (n₁=3,6), ОК в виде воздушного канала n₂~1 и кремниевый (Si) ФП c n₃=3,5, то получим, что суммарные френелевские потери W_0ф, вызванные границами разделов "ОИ-ОК" и "ОК-ФП", рассчитываются по формуле

W_0ф [дБ] = W_1Ф + W_3Ф, (3.17)

где: W_1Ф рассчитыается по формуле (2.15), W_3Ф определяется также по формуле (3.16), но с заменой n₁ на n₃.

Подставляя в (3.17) численные значения получим W_0ф= - 3,3 дБ. При нанесении просветляющих покрытий, например в виде пленок MgF₂, на светоизлучающую и фотоприемную площадки соответственно излучателя и фотоприемника оптические вносимые потери W могут быть уменьшены до -1…- 1,5 дБ.

Использование в интегральных оптронах закрытого ОК в виде просветляющего покрытия позволяет в несколько раз уменьшить оптические потери. Например, если в оптроне в качестве ОИ и ФП используются те же элементы, что и в рассмотренном выше примере, а ОК представляет собой пластмассовое просветляющее покрытие ( n₂=1,5), то, проведя вычисления по формуле (3.17), получим W_0ф = -1,6 дБ, что на 1,7 дБ меньше, чем для воздушного канала.

При использовании закрытого канала в виде ОВС протяженность ОК составляет от нескольких см до нескольких десятков м. Оптические потери W₂, вызванные затуханием света в ОК, составляют для:

• полимерных оптических волокон -0,05…-0,15 дБ/м,

• кварцевых -0,0005…-0,01 дБ/м.

Выбирая соответствующие типы ОВС в зависимости от протяженности ОК, можно свести к минимуму потери, вызванные затуханием и пренебречь слагаемым W₂ в выражении (3.15). В связи с этим суммарные оптические потери W в оптроне определяются, в основном, потерями W₁ и W_3, представляющими собой потери в оптических соединителях (оптических разъемах, сварочных или склеенных узлах). Изготавливаемые современные оптические разъемы имеют потери -0,5…-3 дБ. При соединениях методом сварки и склеивания потери составляют -0,01…-0,2 дБ. Поэтому при соединении ОВС с ОИ и ФП суммарные вносимые потери W, в зависимости от метода стыковки, могут составить от десятых долей до единиц дБ.