Цель работы: исследовать процессы работы диодной, тиристорной и транзисторной оптопар, а также оптопар с открытым оптическим каналом.
Оптоэлектроника
Оптоэлектроника – раздел функциональной электроники, связанный с изучением процессов взаимодействия между электромагнитными волнами оптического диапазона и электронами твердого тела и охватывающий проблемы создания оптоэлектронных приборов (в основном методами микроэлектронной технологии), в которых эти эффекты используются для генерации, передачи, обработки, хранения и отображения информации. Оптоэлектронику, как научно-техническое направление, характеризуют три отличительные черты.
1. Физическую основу оптоэлектроники составляют явления, методы, средства, для которых принципиальны сочетание и неразрывность оптических и электрических процессов. В широком смысле слова оптоэлектронное устройство определяется как прибор, чувствительный к электромагнитному излучению в видимой, инфракрасной и ультрафиолетовой областях; как прибор, излучающий и преобразующий некогерентное или когерентное излучение.
2. Технологическую основу оптоэлектроники определяют конструктивно-технологические концепции современной микроэлектроники: миниатюризация элементов; предпочтительное развитие твердотельных конструкций; ориентация на специальные сверхчистые материалы; применение методов групповой обработки изделий, таких как эпитаксия, фотолитография, нанесение тонких пленок, диффузия, ионная имплантация и другие.
3. Функциональное назначение оптоэлектроники состоит в решении задач информатики: генерации информации путем преобразования различных внешних воздействий в соответствующие электрические и оптические сигналы; перенос информации; переработка информации по заданному алгоритму; хранение информации; записи и неразрушающее считывание; отображение информации. В конкретном оптоэлектронном приборе перечисленные отличительные признаки могут присутствовать в большой или меньшей мере, но наличие всех трех составляющих данного определения представляется обязательным. Принципиальные достоинства оптоэлектроники обусловлены специфическими особенностями электромагнитных волн оптического диапазона, отличительными особенностями фотона как носителя информации. Достоинства: высокочастотность, острая фокусировка, направленность, развязка, визуализация, пространственная модуляция, фоточувстви-тельность.
Специфика оптоэлектроники обуславливает и ряд недостатков, присущих оптоэлектронным приборам: неудовлетворительная энергетика, гибридность, деградация.
Оптоэлектронные пары
Основным элементом оптоэлектроники является оптоэлектронная пара. Оптопарой называют прибор, в котором конструктивно объединены в общем корпусе излучатель и фотоприемник, взаимодействующие друг с другом оптически и электрически. Связи между компонентами оптопары могут быть прямыми или обратными, положительными или отрицательными. Одна из связей (оптическая или электрическая) может отсутствовать. В состав единого прибора вместе с оптопарой или несколькими оптопарами могут входить дополнительно микроэлектронные или оптические элементы. И конструктивно, и функционально такие приборы существенно отличаются от элементарной оптопары, поэтому в литературе принят термин “оптрон”.
Основные функциональные разновидности приборов представлены на рис.15. Оптопара с прямой оптической и оборванной электрической связью используется как элемент развязки, получила широкое распространение (рис. 15,а). Оптрон с прямой электрической и оборванной оптической связями (рис. 15,б) т. е. оптрон с оптическим входом и выходом, представляет собой преобразователь спектра или направления поляризации, некогерентное в когерентное и т.д. В оптроне с электрической и оптической связями (рис.15,в) при определенных условиях может осуществляться частичная регенерация (восстановление) входного сигнала – регенеративный оптрон. Такой прибор может использоваться для контроля оптических (и других) свойств сред.
Важным элементом оптопары является оптический канал между излучателем и приемником. Существуют три разновидности каналов. Прежде всего это простой светопровод, предназначенный для передачи энергии излучения. Чаще всего он выполняется в виде прозрачной иммерсионной среды. Возможно и такое конструктивное решение, при котором в зазор между излучателем и приемником имеется доступ извне. В этом случае мы имеем оптопару с открытым оптическим каналом.
 |  | ||||
 |
Рис. 15. Электрические и оптические связи в оптронах:
а – оптопара для электрической развязки; б – оптрон с оптическим входом и выходом; в – регенеративный оптрон; И - излучатель; УС - усилительное устройство схемы питания; ФП – фотоприемник
 |
Рис. 16. Основные виды оптопар
Наконец, иммерсионная среда может быть выполнена из материала, светопередача которого изменяется при внешних воздействиях, такой прибор называют оптопарой с управляемым оптическим каналом. В качестве элементов оптопары, используемых для приема излучения, могут использоваться различные элементы: диоды, резисторы, транзисторы, тиристоры и т.д. (рис. 16).
Функциональные возможности оптронов очень широки (табл.). Отметим, что в каждой строке таблицы оптрон выступает не просто как аналог того или иного традиционного элемента, а как прибор, осуществляющий заданную функцию принципиально по-иному, с добавлением новых важных свойств. Так, переменные резисторы на основе оптопар не содержат подвижных механических контактов - источников шумов и ненадежности; волострон, в отличие от металлического провода, кроме передачи сигнала обеспечивает и электрическую развязку, помехозащищенность, скрытность. Несомненно, что по мере совершенствования конструкций и технологии, улучшения параметров функциональная значимость оптронов в микроэлектронике будет возрастать.
Таблица 3
| Электрорадиокомпонент или устройство | Оптронный аналог |
| Импульсный трансформатор | Диодная и транзисторная оптопары; оптоэлектронный переключатель; оптоэлектронный развязывающий усилитель |
| Переключатель | Тиристорная, транзисторная и резисторная оптопары |
| Переменный резистор, потенциометр | Резисторная оптопара, её комбинации |
| Переменный конденсатор, варикап | Оптопара с фотоварикапом |
| Электрическая батарея | Диодная оптопара и её наборы |
| Линия связи | Волострон |
| Полевой транзистор, радиолампа | Оптопара с управляемым оптическим каналом |
| Бистабильное устройство, триггер | Регенеративный оптрон и его комбинации |
| Датчик (преобразователь неэлектрических воздействий в электрические сигналы) | Оптопара с открытым оптическим каналом, оптопара с управляемым оптическим каналом |
| Электронно-оптический преобразователь | Оптрон с оптическим входом |