Загальний колекторний струм фототранзистора

І_С = І’_С + І”_С = І_ф + н_21ЕI_ф = І_ф(н_21Е + 1). (3.16)

Сім'я вольт-амперних характеристик фототранзистора, що являє собою залежність струму колектора І_С від напруги на колекторі U_СЕ , показана на рис. 3.12, б. Збільшення освітлення фототранзистора призводить згідно з рівнянням (3.16) до зростання колекторного струму.

Інтегральна чутливість фототранзистора К_т в (1 + н_21E) раз біль­ша, ніж у фотодіода. Це пояснюється тим, що у фототранзистора підсилюється І_ф в (1 + н_21E) раз.

Фототиристори (рис. 3.13, а) є фотоприймачами з ключовою поро­говою характеристикою і застосовуються для перемикання значних струмів та напруг. Вольт-амперна характеристика з відкриваючою дією світлового потоку Ф показана на рис. 3.13, б. Засвічення базової області тиристора обумовлює генерацію надлишкових носіїв заряду, що призводить до перемикання чотиришарової структури із закритого стану у відкритий так само, як це буває при перемиканні керуючим струмом.

За наявності підсилювальних властивостей фототранзистори та фототиристори є універсальними фотоприймачами для оптоелектронних пристроїв та систем. Фототранзистори широко використовують у клю­чових пристроях з пам'яттю. Транзисторні фотоматриці (число елементів в матриці порядку 100 100) виготовляють за інтегральною технологією. Фототиристори широко використовуються в силовій оптоелектроніці при проектуванні безконтактних пристроїв керуван­ня випрямлячами, систем контролю високовольтних ліній електро­передач тощо. Фотоприймачі з внутрішнім підсиленням широко використовуються в оптронах.

3.4. Оптичні лінії зв'язку

Передавання світлового променя, який несе інформацію через від­криті (повітряні) канали зв'язку, дуже залежить від метеорологічних умов. Лише поява в кінці 60-х років аналогів електричних кабелів ­скляних волокнооптичних світловодів дала змогу реалізувати великі потенціальні можливості оптичного зв'язку в інформаційно густій та високошвидкісній передачі сигналів.

Оптичні лінії зв'язку, що включають волокнооптичні світловоди, призначені для передавання та обробки оптичних сигналів, які несуть інформацію. Повна структура оптичної лінії, зображена на рис. 3.14, складається з таких елементів: електронний кодуючий пристрій (ЕКП), передавач, волокнооптичний кабель, приймач, електронний декодую­чий пристрій (ДКП). Передавач - це електронний пристрій збуджен­ня з вихідним джерелом світла. Приймач складається з одинокого або матричного фотоприймача та підсилювача слабких фотосигналів.

Рис. 3.14

В залежності від складності системи, її швидкодії та якості вико­ристаних елементів схема, що на рис. 3.14, може зазнавати змін. Дуже коротка і функціонально проста лінія зв'язку складається лише із джерела світла (світлодіода), оптичного кабеля та фотоприймача (фотодіода) без електронних пристроїв збудження (з боку передавача) і підсилення (з боку приймача), тобто це оптрон з гнучким світловодом.

Як джерела світла використовуються світлодіоди, напівпровідникові та твердотільні лазери, як приймачі - фоторезистор и, фотодіо­ди, фототранзистори, фототиристори.

Світловод, незалежно від його форми, складається із серцевини та віддзеркалюючої оболонки. Серцевина виготовляється а органічного або неорганічного скла. На рис. 3.15, а зображено класичний світловод циліндричної форми, серцевина якого з коефіцієнтом заломлення n_с оптично густіша, ніж оболонка з коефіцієнтом заломлення n_n .

Оскільки n_с > n_n, промені, які входять у світловод під малим ку­том відносно осі циліндра, повніс­тю віддзеркалюються на межі з оболонкою всередину серцевини. При цьому світло. не виходить за межі оболонки і вся його енергія поширюється вздовж осі світлово­ду. Максимальний кут входження променя в світловод відносно осі φ₀, при якому ще виконується умова повного внутрішнього віддзеркалення, визначається виразом

(3.17)

Величина А₀ - чисельна апертура волоконного світловоду. Промені, які входять у світловод під кутом φ > φ₀, називаються позаапер­турними променями. При цьому взаємодія променів з оболонкою при­водить не тільки до ефекту віддзеркалення, а також до ефекту залом­лення, внаслідок чого частина світлової енергії виходить за межі обо­лонки. За визначеної довжини світловоду ефект багаторазового залом­лення обумовлює повне розсіювання променів із світловоду.

Кількісно позаапертурні втрати для плоского джерела оцінюють­ся приблизним співвідношенням

(3.18)

Так, для високоапертурного скляного світловоду, виготовленого з простого неочищеного скла, А₀ = 0,54 і В_аn ≈ 5,4 дБ.

Таким чином, при проектуванні оптичних ліній зв'язку необхідно насамперед приділити увагу конструкції вузла узгодження джере­ла світла із світловодом і вибору високоапертурного скла світловоду. Кращого узгодження світловоду з джерелом світла досягають при по­кращанні діаграми напрямленості останнього, а також при малій йо­го площі. Найбільш високу напрямленість випромінювання мають твердотільні лазери, дещо гіршу - напівпровідникові. Світлодіоди мають широку діаграму напрямленості, тому конструкцію вузла уз­годження виконують так, як це показано на рис. 3.15, 6, з малою площею випромінювача 4 світлодіода 3, який кріпиться за допомогою оп­тичного клею 2 до світловоду 1, що знижує позаапертурні втрати.

Рис. 3.15

Крім втрат на введення променя світла, існують також втрати про­пускання, які обумовлені згасанням світлового сигналу в самій сер­цевині. Ці втрати пов'язані з розсіюванням випромінювання вздовж світловоду внаслідок поглинання світла фарбуючими центрами – ­іонами домішок. Крім того, розсіювання світла обумовлене наявністю дефектів у структурі серцевини та оболонки, нерівномірним мікрорельєфом серцевини. Ослаблення світлового потоку в серцевині визначається експоненційною залежністю

(3.19)

де В₀, В_Х - інтенсивність випромінювання відповідно на вході світло­воду і в точці, віддаленій від входу на відстань х; К_п - коефіцієнт лі­нійного ослаблення, що визначається сумою коефіцієнтів поглинання та розсіювання; l_еф - ефективна довжина шляху променя, яка зале­жить від показника заломлення і форми волокна, кута падіння світла та довжини його хвилі. З урахуванням (3.19) пропускання склово­локна визначається відношенням

(3.20)

Найбільш низькі втрати пропускання характерні для кварцового волокна.

Рис. 3.16

На основі елементарних світловодів створюють світловолоконні жгути (радіус волокна 10 мкм). Жгут світловодів оточують спочатку загальною внутрішньою еластичною оболонкою, а потім зовнішньою об­пліткою, що забезпечує стійкість до зовнішніх дій і міцність волокно­оптичного кабеля. На рис. 3.16, а зображена конструкція скловолоконного жгута для одного каналу передачі інформації. Він набраний одиничних елементарних скловолокон 1, скріплених фіксуючою обо­лонкою жгута 2. На рис. 3.16, б зображена конструкція найбільш ти­пового оптичного кабеля, у якого семижильний жгут l із зміцнюючим нейлоновим або кевларовим елементом 2, оточений внутрішньою (ела­стичною) 3 і зовнішньою (захисною) 4 оболонками. Шістнадцятика­нальний кабель з полімерним еластичним покриттям 1 в металічному рукаві 2, що являє собою броньове покриття, показаний на рис. 3.16, в.

Канали волокнооптичного зв'язку широко застосовуються для зв'язку всередині блоків і між ЕОМ, у монтажі літакової, корабельної та іншої контрольно-вимірювальної апаратури, що працює в умовах сильних електромагнітних та корпускулярних полів.

Для з'єднання плівкових активних елементів оптоелектронних систем застосовують діелектричні плівки, які виконують функції хви­леводів оптичного діапазону. На рис. 3.17, а зображений оптичний хвилевід, що являє собою смужку діелектричного матеріалу 3, нанесе­ну на підкладку з кремнію, вкриту тонким шаром двооксиду кремнію SіО₂. Показник заломлення діелектричної смужки більший, ніж по­казник заломлення навколишнього матеріалу, тобто n₁ > n₂ > n₀. Товщина діелектричної смужки від частин до одиниць мікрометрів, ширина - від десятків до сотень мікрометрів. Технологічні методи створення діелектричних плівок, які наносяться на діелектричну під­кладку, - це іонний обмін та імплантація. Вони забезпечують по­трібні показники заломлення, контрольовану товщину світловоду і його розташування. Для різних плівок значення втрат 0,3 ... 10 дБ/см.

Тепер для світловодів використовують плівки з таких матеріалів: ZnО, боросилікатного скла з додаванням іонів талію, скла типу SіО₂ + РbО, GаАs, суміші SіО₂ та Sі₃N₄, деяких фоторезистів, LіNbО₃, Та₂О₅, поліуретану. Інтегрально-оптичне відгалуження на кремнієвій підкладці здійснюється з допомогою планарних та експланарних відгалужувачів. Введення світлової хвилі 1 в оптичний хвилевід і ви­ведення світлової хвилі б у навколишнє середовище (рис. 3.17, б) здійснюється з допомогою експланарних відгалужувачів (дифракцій­них решіток) 2 та 5. Таким чином, світловий промінь переводиться з одного оптичного середовища в інше. Поворот променя 4 в межах то­го самого оптичного середовища здійснюється планарними відгалужу­вачами 3.

На основі викладеного проглядаються такі особливості волоконно­оптичних ліній зв'язку:

малі габаритні розміри та маса, обумовлені малою густиною ви­хідних матеріалів і відсутністю важких металевих екрануючих оболо­нок. Це особливо важливо для бортової апаратури;

абсолютна захищеність від дії зовнішніх електромагнітних полів та міжканальних наведень;

широка смуга пропускання (до 1 ... 3 ГГц). При цьому дуже важ­ливо, що затухання в оптичному тракті не залежить від частоти, як у коаксіальному кабелі;

Рис. 3.17

однонапрямленіcть потоку інформації та гальванічна розв'язка, характерні для всіх елементів оптоелектроніки;

відсутність випромінювання в навколишнє середовище, що забезпечує секретність передаваної інформації;

потенціально низька ціна, обумовлена заміною дорогих кольоро­вих металів (мідь, алюміній) склом, кварцем, полімерами - матеріалами з необмеженими сировинними ресурсами.