ИНЖЕНЕРНАЯ
ОММУНИКАЦИИ^
А.Н. Игнатов
ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ
ПРИБОРЫ И УСТРОЙСТВА
Рекомендовано УМО по образованию в области
телекоммуникаций в качестве учебного пособия для
студентов высших учебных заведний, обучающихся
по направлению подготовки дипломированных спе-
циалистов 210400 (654400) — Телекоммуникации
ЭК®ТРЕНДЗ
Москва, 2006
УДК 621.383(075.32)
ББК 32.86
И 27
Рецензенты-, канд. техн, наук, доцент НГТУ В.И. Серых
канд. техн, наук, доцент МТУ СИ А.М. Копылов
А.Н. Игнатов
И 27 Оптоэлектронные приборы и устройства: Учеб, пособие. — М.: Эко-Трендз,
2006. — 272 с.: ил.
ISBN 5-88405-074-7
Изложены физические основы работы оптоэлектронных приборов, систематизирован
материал по излучаюшим, фотоприемным и индикаторным приборам; рассмотрены вопро-
сы применения оптоэлектронных приборов в аналоговых и цифровых электронных устрой-
ствах.
. Главное внимание уделено полупроводниковым оптоэлектронным приборам и устрой-
ствам, предназначенным для использования в микроэлектронной аппаратуре телекоммуни-
кационных и информационных систем.
Для студентов технических специальностей вузов телекоммуникаций и информатики,
изучающих курсы «Физика», «Физические основы электроники», «Электроника», «Опто-
электронные и квантовые приборы и устройства», а также обучающихся по направлению
210400 «Телекоммуникации».
ББК 32.86
ISBN 5-88405-074-7
© Игнатов А.Н., 2006
СОДЕРЖАНИЕ
ПРЕДИСЛОВИЕ...................................................................6
ВВЕДЕНИЕ......................................................................7
Глава 1.	ВВЕДЕНИЕ В ОПТОЭЛЕКТРОНИКУ...........................................8
1.1.	Введение в волоконную оптику.....................................8
1.2.	Особенности оптической электроники...............................9
1.3.	История развития оптоэлектроники................................11
1.4.	Современное состояние оптоэлектронной элементной базы...........14
1.5.	Система обозначений оптоэлектронных приборов индикации..........16
1.6.	Система обозначений фотоприемных приборов и оптронов............16
Тесты................................................................17
Глава 2.	ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОПТОЭЛЕКТРОНИКИ...................................18
2.1.	Фотометрические характеристики оптического излучения............18
2.2.	Энергетические характеристики оптического излучения.............24
2.3.	Энергетические и световые параметры.............................25
2.4.	Колориметрические параметры.....................................26
2.5.	Когерентность оптического излучения.............................28
2.6.	Квантовые переходы и вероятности излучательных переходов........31
2.7.	Ширина спектральной линии.......................................36
2.8.	Использование вынужденных переходов для усиления
электромагнитного поля...............................................37
2.9.	Механизм генерации излучения в полупроводниках..................40
2.10.	Прямозонные и непрямозонные полупроводники.....................44
2.11.	Внешний квантовый выход и потери излучения.....................46
2.12.	Излучатели на основе гетероструктур............................48
2.13.	Поглощение света в твердых телах...............................50
2.14.	Излучательная и спектральная характеристики....................51
2.15.	Параметры оптического излучения................................53
Тесты................................................................54
Глава 3. ОПТИЧЕСКИЕ ВОЛНОВОДЫ................................................56
3.1.	Законы отражения и преломления света............................56
3.2.	Конструкция планарного симметричного оптического волновода......58
3.3.	Эффект Гуса-Хенхена.............................................59
3.4.	Условие поперечного резонанса для планарного волновода..........60
3.5.	Конструкция цилиндрического диэлектрического
волновода из стекловолокна...........................................61
3.6.	Уширение импульсных сигналов в стекловолокнах...................63
3.7.	Рефракция света.................................................66
3.8.	Формы распределения профиля абсолютного показателя преломления
в стекловолокнах....................................................68
3.9.	Стационарное волновое уравнение для электрической
компоненты поля Е световой волны и его решение......................69
3.10.	Причины ослабления импульсных оптических сигналов
в процессе их распространения по стекловолокнам.....................71
3.11.	Фотонно-кристаллическое волокно................................81
4
3.12.	Сравнительная характеристика коаксиальных
медных кабелей и стекловолокон.......................................83
3.13.	Разрушение волоконных световодов под действием
лазерного излучения.................................................84
Тесты................................................................85
Глава 4. ИСТОЧНИКИ НЕКОГЕРЕНТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ..................................86
4.1.	Источники света.................................................86
4.2.	Основные характеристики и параметры светодиодов.................87
4.3.	Конструкции светодиодов.........................................96
4.4.	Основные схемы возбуждения светодиодов..........................97
4.5.	Выбор типа светодиода ..........................................98
4.6.	Электрическая модель светодиода................................101
4.7.	Светодиоды инфракрасного излучения.............................102
4.8.	Светодиодные источники повышенной яркости
и белого света.......................................................ЮЗ
Тесты...............................................................109
Глава 5. ПРИБОРЫ КОГЕРЕНТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ.....................................110
5.1.	Физические основы усиления и генерации
лазерного излучения.................................................110
5.2.	Структурная схема лазера........................................112
5.3.	Лазеры на основе кристаллических диэлектриков..................116
5.4.	Жидкостные лазеры...............................................117
5.5.	Газовые лазеры.................................................120
5.6.	Устройство и принцип действия полупроводникового
инжекционного монолазера............................................122
5.7.	Устройство и принцип действия полупроводникового
лазера с гетероструктурой...........................................124
5.8.	Волоконно-оптические усилители и лазеры........................126
5.9.	Светоизлучающие диоды для волоконно-оптических систем..........130
5.10.	Сравнительная характеристика лазеров и светодиодов............134
Тесты...............................................................137
Глава 6. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ФОТОПРИЕМНЫЕ ПРИБОРЫ.............................139
6.1.	Принцип работы фотоприемных приборов...........................139
6.2.	Характеристики, параметры и модели фотоприемников..............141
6.3.	Фотодиоды на основе р- «-перехода..............................147
6.4.	Фотодиоды с р-1-и-структурой...................................149
6.5.	Фотодиоды Шоттки...............................................152
6.6.	Фотодиоды с гетероструктурой...................................154
6.7.	Лавинные фотодиоды.............................................155
6.8.	Фототранзисторы................................................157
6.9.	Фототиристоры..................................................160
6.10.	Фоторезисторы.................................................161
6.11.	Основные характеристики и параметры фоторезистора.............163
6.12.	Фотоприемные приборы с зарядовой связью.......................165
6.13.	Фотодиодные СБИС на основе МОП-транзисторов...................166
6.14.	Пиротехнические фотоприемники.................................169
Тесты...............................................................171
СОДЕРЖАНИЕ
5
Глава?. ОПТРОНЫ............................................................173
7.1.	Устройство и принцип действия оптронов........................173
7.2.	Типовая структурная схема оптрона.............................175
7.3.	Классификация и параметры оптронов............................177
7.4.	Электрическая модель оптрона..................................179
7.5.	Резисторные оптопары..........................................181
7.6.	Диодные оптопары..............................................182
7.7.	Транзисторные оптопары........................................183
7.8.	Тиристорные оптопары..........................................185
Тесты..............................................................186
Глава 8.	ИНДИКАТОРНЫЕ ПРИБОРЫ..............................................189
8.1.	Жидкокристаллические индикаторы...............................189
8.2.	Электролюминесцентные индикаторы..............................203
8.3.	Плазменные панели и устройства на их основе...................207
8.4.	Электрохромные индикаторы.....................................210
Тесты..............................................................212
Глава 9.	ПРИМЕНЕНИЕ ОПТОЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ...............................213
9.1.	Устройство и принцип действия оптоэлектронных	генераторов.....213
9.2.	Применение оптоэлектронных приборов в аналоговых ключах
и регуляторах.......................................................216
9.3.	Применение оптронов для выполнения логических функций.........218
9.4.	Применение оптронов как аналогов электрорадиокомпонентов......220
9.5.	Устройство и принцип действия оптоэлектронных усилителей......221
9.6.	Устройство и принцип действия оптоэлектронных цифровых ключей.223
9.7.	Оптоэлектронные приборы в устройствах для измерения высоких
напряжений и управления устройствами большой мощности...............225
9.8.	Применение инфракрасных диодов................................226
9.9.	Приемники цифровых волоконно-оптических систем связи..........232
9.10.	Принципы цифровой оптической записи и воспроизведения
информации с компакт-дисков.........................................235
9.11.	Фотоэлектрические элементы и системы.........................254
Тесты..............................................................260
Ответы.....................................................................262
Список сокращений..........................................................263
Условные обозначения.......................................................265
Литература.................................................................267
ПРЕДИСЛОВИЕ
Перспективы развития телекоммуникационных и информационных систем од-
нозначно связаны с совершенствованием микроэлектронной элементной базы.
Последние сорок лет элементная база развивается в соответствии с законом
Г. Мура. Количество элементов в изделиях микроэлектроники удваивается ка-
ждые два года. Современные электронные компоненты позволяют создавать
малогабаритную, экономичную и надежную электронную аппаратуру. Цен-
тральное место в общей номенклатуре изделий электронной техники занимают
оптоэлектронные приборы. Эти приборы используют электромагнитное излу-
чение оптического диапазона для приема, обработки, передачи, а также ото-
бражения информации.
Оптоэлектронные приборы чувствительны к электромагнитному излуче-
нию в спектральном диапазоне от инфракрасного до ультрафиолетового или
к приборам, излучающим электромагнитную энергию в данном диапазоне.
Для специалистов в области разработки и эксплуатации электронной аппа-
ратуры важно обладать знаниями как физических основ оптоэлектроники, так
и возможностей оптоэлектронной элементной базы.
В предлагаемом издании рассмотрены физические основы работы опто-
электронных приборов и волноводов, систематизирован материал по излу-
чающим, фотоприемным и индикаторным приборам, рассмотрены вопросы
применения оптоэлектронных приборов в аналоговых и цифровых электрон-
ных устройствах.
Учебное пособие предназначено студентам, обучающимся по направлени-
ям 210200 «Радиотехника», 210300 «Проектирование технологий радиоэлек-
тронных средств» и 210400 «Телекоммуникации». Оно соответствует учебным
программам курсов «Физические основы электроники», «Электроника», «Оп-
тоэлектронные и квантовые приборы и устройства» и «Приборы СВЧ и опти-
ческого диапазона».
Пособие рассчитано на студентов технических специальностей вузов теле-
коммуникаций и информатики; оно будет также полезным студентам родст-
венных вузов и учащимся колледжей электронного и радиотехнического про-
филей.
В главах 2 и 3 использованы материалы, предоставленные доц. Л.В. Сели-
вановым.
Автор выражает благодарность В.Ю. Дрючило, О.С. Матвеевой, С.В. Во-
робьевой за помощь в подготовке книги к изданию.
ВВЕДЕНИЕ
Физическую основу оптоэлектроники составляют процессы: преобразования
электрических сигналов в оптические и оптических в электрические; распро-
странения излучения в видимой, инфракрасной и ультрафиолетовой областях
спектра в различных средах; взаимодействия электромагнитных излучений оп-
тического диапазона с веществом.
Оптоэлектроника синтезирует достижения ряда областей науки и техники:
квантовой электроники, полупроводниковой электроники, микроэлектроники.
При разработке оптоэлектронных приборов широко используются возможно-
сти технологии производства интегральных микросхем. Основу практически
любой оптоэлектронной системы составляют генераторы когерентного и неко-
герентного излучения. Генераторы когерентного излучения получили название
лазеров Большую группу источников некогерентного излучения составляют
световоды. Применение оптоэлектронных приборов позволяют:
- создавать:
	каналы связи с высокой информационной емкостью,
	запоминающие устройства с высокой плотностью записи информации
(108 бит/см2),
	близкие к идеальным элементы развязки входов и выходов устройств связи,
	устройства индикации и отображения информации,
	системы распознавания образов,
	перспективные типы интегрально-оптических устройств и систем;
-	передавать электромагнитную энергию концентрированно и с малыми поте-
рями;
-обеспечивать параллельную обработку больших объемов информации при
использовании временной и пространственной модуляции светового луча.
Оптоэлектроника представляет собой перспективное направление микро-
электроники и относится к разделу функциональной электроники. Использова-
ние оптоэлектронных приборов облегчает решение проблемы комплексной
микроминиатюризации аппаратуры связи путем замены традиционных элемен-
тов устройств связи (трансформаторов, реле, контактов и др.) и создания прин-
ципиально новых устройств хранения, отображения и обработки информации.
Глава 1
ВВЕДЕНИЕ В ОПТОЭЛЕКТРОНИКУ
1.1.	Введение в волоконную оптику
С фундаментальной точки зрения между световыми и другими электромагнитными волна-
ми, например радиоволнами, не существует отличий, за исключением того, что световые
волны имеют значительно более высокую частоту. Как показано на рис. 1.1, спектр электро-
магнитных волн простирается от нескольких тысяч километров до космических лучей
с длинами волн в триллионную часть метра [4]. В этом спектре нет пробелов, однако суще-
ствуют наложения или слияния некоторых областей, что означает отсутствие четких границ
между смежными областями.
Длина волны Наименование Вид оптического Длина волны
1, мкм спектрального диапазона излучения	мкм
Область Длина волны
применения х, мкм
1 километр (км)
1 метр (м)
1 сантиметр (см)
1 миллиметр (мм)
1 микрометр (мкм)
1 нанометр (нм)
1 ангстрем (А)
1 микроангстем (мкА)
10” —
10”—
10”—
10"—
10ю—
10’—
10я—
107—
106 —
105—
10* —
103 —
102—
10’—
1 —
10’—
10-2 —
10"*—
1Q-*—
10 5 —
10 ’—
10 ’—
10-’—
10’’—
10”—
Рис. 1.1. Электромагнитный спектр и области
его использования в волоконной оптике
7 Мониторинг
Коммуникации
Накачка лазера
Коммуникации
— 1,7
— 1.6
----1.5
— 1.4
— 1.3
— 1.2
— 1.1
— 1.0
— 0,0
— 0.8
— 0,7
-----0.6
ВВЕДЕНИЕ В ОПТОЭЛЕКТРОНИКУ
9
Поэтому использование того или иного диапазона данного спектра для передачи инфор-
мации в первую очередь определяется параметрами среды распространения электромагнит-
ных волн, в частности, показателем затухания, стабильностью постоянных распространения
и др. Диапазоны частот, для которых обеспечиваются наилучшие условия распространения
электромагнитных волн, носят название окон прозрачности среды. По этой причине для пе-
редачи информации посредством световых волн используется не весь оптический спектр,
который располагается между микроволнами и х-лучами и включает длины волн в диапазо-
не от 10 нм до 1 мм. В пределах указанного диапазона находятся ультрафиолетовое излуче-
ние, видимый свет и инфракрасное излучение. Термин «видимый свет» кажется избыточ-
ным, однако использование его в ряде случаев необходимо, так как в некоторых книгах
ультрафиолетовое и инфракрасное излучение называется ультрафиолетовым и инфракрас-
ным светом соответственно. Видимый свет определяется как излучение, которое оказывает
влияние на зрительные рецепторы и включает излучение от 390 до 770 нм, т.е. от фиолето-
вого до красного цвета, охватывая тем самым лишь малую часть электромагнитного спек-
тра. Свет сам по себе не имеет цвета, но эти длины волн, возбуждая рецепторы глаза, созда-
ют цветовые образы, что позволило, используя это свойство световой волны, реализовать
простейшие способы передачи информации на расстояния прямой видимости.
По аналогии с проводной связью для увеличения дальности передачи за счет направ-
ленного распространения световой волны были исследованы различные оптически про-
зрачные материалы, на основе которых разработаны оптические волноводы, названные
впоследствии оптическими волокнами. Последние, в свою очередь, открыли возможность
успешного применения отработанных к тому времени оптоэлектронных технологий для
высокоскоростной передачи большого объема информации на значительные расстояния.
Данное направление техники носит название волоконной оптики и интенсивно развивает-
ся. Отметим, что в настоящее время в волоконной оптике используются длины волн при-
близительно от 820 до 1650 нм, что определяется как инфракрасное излучение (в соответ-
ствии с рис. 1.1), хотя иногда оно также называется просто светом, потому что его можно
контролировать и измерять при помощи приборов, сходных с приборами для измерений
в области видимого света.
Очевидно, что для передачи информации по оптическому волокну недостаточно нали-
чия самого волокна, требуются еще как минимум источник и приемник излучения, а для пе-
редачи на дальние и сверхдальние расстояния — ретрансляторы, или оптические усилители.
Кроме этого, исходную информацию необходимо представить в виде оптического сигнала,
что осуществляется путем модуляции источника оптического излучения, а затем восстано-
вить ее на приемной стороне с помощью оптического приемника, включающего демодуля-
тор. Таким образом, простейшая система передачи должна состоять из модулируемого ис-
точника оптического излучения, оптического волокна, оптических ретрансляторов, или уси-
лителей, и оптического приемника.
1.2.	Особенности оптической электроники
Необходимость дальнейшего освоения оптического диапазона и перенесение на него хоро-
шо развитых в настоящее время методов радиофизики, радиотехники и электроники опре-
деляются рядом принципиальных обстоятельств [4]:
-	частота электромагнитных колебаний (несущая частота v0) в оптическом диапазоне
существенно выше, чем в радиодиапазоне. Например, частота световых колебаний в
наиболее освоенной видимой и ближней инфракрасной областях спектра
10
ГЛАВА 1
(~1015...1013 Гц) в миллионы раз превышает частоту радиоволн в областях радио- и
телевещания. Это определяет высокую информационную емкость оптического канала
связи. Напомним, что для передачи обычного телевизионного изображения требуется
полоса частот Av » 5МГц. Поэтому в метровом диапазоне (при Х=1 м vo = 300 МГц)
можно передать лишь около десятка телевизионных программ. В оптическом диапазо-
не при том же отношении Av/v0 это число возрастает в миллионы раз;
-	длина световых волн существенно меньше, чем длина радиоволн. Это позволяет полу-
чить высокую концентрацию оптического излучения в пространстве, поскольку мини-
мальный объем, в котором можно сфокусировать электромагнитное излучение, имеет
характерные размеры порядка длины волны. Размеры волноводов, по которым может
передаваться излучение с малыми потерями, также должны быть порядка длины вол-
ны. Поэтому оптические волноводы (световоды) при прочих равных условиях облада-
ют существенно меньшими (на несколько порядков) размерами по сравнению с
СВЧ-волноводами, что важно с точки зрения микроминиатюризации электронной ап-
паратуры. И наконец, в оптическом диапазоне нетрудно сформировать узкую диа-
грамму направленности излучения с углом расходимости 0,1° и менее. Для формиро-
вания подобной диаграммы в радиодиапазоне (при А. = 1 м) потребовалась бы антенна
диаметром порядка сотен метров. В оптическом диапазоне функцию такой антенны
способно выполнить, например, сферическое зеркало или линза умеренных размеров,
поскольку для получения одинаковой диаграммы направленности размер антенны
пропорционален длине волны;
-	передача информации осуществляется фотонами. В отличие от электронов, которые
служат основными носителями информации в обычных электронных приборах, фо-
тоны являются электрически нейтральными частицами, не взаимодействующими
между собой и с внешним электрическим, и магнитным полями. Это определяет
возможность идеальной гальванической развязки входа и выхода, однонаправлен-
ность потока информации, высокую помехозащищенность, исключение взаимных
наводок и паразитных связей между различными элементами схемы. Поэтому ис-
пользование оптических методов в современной микроэлектронике заметно расши-
ряет ее функциональные возможности, позволяя выполнять многоканальные слож-
ные связи и осушествлять «оптический монтаж» исходя лишь из требуемых функ-
циональных задач. Так как фотон в оптоэлектронных системах является основным
носителем информации, то по аналогии с электроникой, оптоэлектронику называют
также фотоникой',
-	применение оптических методов записи, хранения и обработки информации открыва-
ет новые возможности для построения ЭВМ. Это обусловлено, с одной стороны, воз-
можностью реализации новых принципов параллельной обработки информации (на-
пример, на основе голографических методов), а с другой — возможностью достиже-
ния высокой плотности записи информации (~108 бит/см2) в оптических запоминаю-
щих устройствах.
На сегодняшний день использована лишь небольшая часть перечисленных преиму-
ществ оптической электроники, которая, по мнению специалистов, будет в значительной
мере определять технику завтрашнего дня. Для реализации этих преимуществ необходимо
прежде всего понимать физические процессы взаимодействия оптического излучения с ве-
ществом, ибо они служат фундаментом всей квантовой и оптической электроники.
Квантовая электроника -— область науки и техники, исследующая и применяющая
квантовые явления для генерации, усиления и преобразования когерентных электромагни-
тных волн.
ВВЕДЕНИЕ В ОПТОЭЛЕКТРОНИКУ
11
Оптоэлектроника — область науки и техники, исследующая и применяющая процессы
взаимодействия оптического излучения с веществом для передачи, приема, переработки,
хранения и отображения информации.
Оптическое излучение — электромагнитное излучение оптического диапазона.
Оптический диапазон спектра составляют электромагнитные колебания, длина волн
которых лежит в пределах I мм... 10 нм. Внутри оптического диапазона выделяют види-
мое (А = (0,38...0,78) мкм), инфракрасное (А = (0,78... 1000) мкм) и ультрафиолетовое
(X = (0,01 ...0,38) мкм) излучение.
Световые волны — электромагнитные волны оптического диапазона.
Монохроматическое излучение — оптическое излучение, характеризующееся какой-
либо одной частотой (одной длиной волны) световых колебаний.
Квантовый усилитель —- усилитель электромагнитных волн, основанный на использо-
вании вынужденного излучения.
Квантовый генератор — источник когерентного излучения, основанный на использо-
вании вынужденного излучения.
Лазер (оптический квантовый генератор) — квантовый генератор оптического излучения.
Мазер — квантовый генератор электромагнитного излучения радио диапазона.
Вынужденное излучение — когерентное электромагнитное излучение, возникающее в
результате вынужденного испускания.
Вынужденное испускание — когерентное испускание фотона при квантовом переходе
системы в результате взаимодействия с внешним электромагнитным полем.
Когерентность — согласованное протекание во времени и в пространстве колебатель-
ных или волновых процессов. Электромагнитная волна называется когерентной, если ее ам-
плитуда, частота, фаза, направление распространения и поляризация постоянны или изме-
няются по определенному закону (упорядоченно).
1.3.	История развития оптоэлектроники
Оптика является одной из древнейших наук. Освоение оптического излучения можно под-
разделить на два больших исторических этапа [4,22].
Первый этап связан в основном с изучением наблюдаемых непосредственно глазом
свойств видимого света и соответствует развитию классической оптики.
Эволюция взглядов на природу света иллюстрирует диалектический характер познания.
Великие мыслители древности считали, что световые лучи исходят из глаз (Платон). На ос-
нове учения о зрительных лучах, исходящих из глаз, Эвклид, Птоломей и другие создали
теорию отражения света от плоских и сферических зеркал и положили начало геометриче-
ской оптике. Теории зрительных лучей в древности противопоставлялась еще более фанта-
стическая теория Эпикура и Лукреция о «слепках» с предметов, летящих во всех направле-
ниях и попадающих в глаз. Затем появилась корпускулярная концепция, или теория истече-
ния, поддерживаемая вначале Декартом, а затем Ньютоном. Согласно этой теории, свет
представляет собой совокупность мельчайших частиц-корпускул, движущихся вдоль опре-
деленной траектории — светового луча. Этой теорией наглядно и естественно объяснялись
такие явления, как прямолинейность распространения света в однородных средах, отраже-
ние света от поверхности зеркал, преломление светового луча на границе двух сред, а также
его искривление при распространении света в неоднородных средах. Одновременно
X. Гюйгенсом была предложена интерпретация тех же явлений на основе понятий световой
волны и волновой поверхности, согласно которой свет представляет собой волны, распро-
12
ГЛАВА 1
страняющиеся в пространстве. Лучи света представляют собой чисто абстрактное понятие
и определяются как кривые, ортогональные волновым поверхностям.
Главным доводом Ньютона против волновой теории было отсутствие вещественной
среды («эфира») в мировом пространстве. Явления, связанные с периодичностью (кольца
Ньютона), в корпускулярной теории объяснялись тем, что частицы вращаются. Пространст-
во, пробегаемое такой частицей за один оборот, сопоставлялось с некоей «длиной волны».
Полярность (в современной терминологии — поляризацию) Ньютон считал свойством толь-
ко твердых частиц. Огибание, дифракцию он пытался истолковать «отталкивательным»
и «притягательным» действиями вещества на световые корпускулы. Вслед за Ньютоном в
XVIII в. большинство ученых стали склоняться к корпускулярной теории, и волновая тео-
рия, блестяще развитая Гюйгенсом, сохранила лишь немногих последователей.
Только на рубеже XVIII-XIX вв. англичанином Т. Юнгом были начаты серьезные ис-
следования интерференции и дифракции, а французом О. Френелем дано их полное теоре-
тическое объяснение на основе волновой теории Гюйгенса. Кроме того, Френель показал,
что представления о волновой природе не противоречат факту прямолинейности распро-
странения света в однородной среде. Качественной и количественной точностью своих
предсказаний волновая теория в первой половине XIX в. победила теорию истечения.
К концу XIX в. Максвелл дал волнам Френеля электромагнитную интерпретацию и показал,
что всякая световая волна является электромагнитным возмущением особого рода. Опыты
Г. Герца и А.С. Попова экспериментально подтвердили это.
Электромагнитная теория, обобщенная в виде системы дифференциальных уравнений
Максвелла, явилась вершиной первого «классического» этапа развития оптики и наших
представлений о природе света.
Второй этап тесно связан с теми революционными преобразованиями, которые
претерпела физика в начале XX в. Характерно, что именно изучение оптических спек-
тров поглощения и испускания привело к необходимости введения понятий о квантовых
скачках и кванте действия h как минимальном действии, которые ввел в 1900 г.
М. Планк для объяснения спектра излучения черного тела. Впоследствии постоянная Л,
имеющая размерность «действия» [Дж-с], была названа постоянной Планка. В 1905 г.
А. Эйнштейн на основе теории Планка возродил в новой форме корпускулярную теорию
света, предположив, что планковские кванты энергии Е = hv существуют в виде реаль-
ных частиц, названных им световыми квантами, или фотонами. Таким образом, Эйн-
штейну удалось объяснить открытый ранее фотоэффект. Применив эти понятия к атому,
Нильс Бор в 1913 г. объяснил простую связь частоты излучения v с разницей энергий ме-
жду уровнями Еп и Ет:
(11)
V h )
Фундаментальную роль для последующего развития квантовой электроники сыграла ра-
бота А. Эйнштейна (1917 г.), в которой он на основании рассмотрения термодинамического
равновесия системы молекул ввел понятие об индуцированном излучении. На возможность
использования индуцированного излучения для наблюдения отрицательного поглощения
(усиления) впервые указал в 1940 г. В.А. Фабрикант.
В 1954 г. советские ученые Н.Г. Басов и А.М. Прохоров разработали конкретный про-
ект, а американский физик Ч. Таунс создал действующий мазер на пучке молекул аммиака.
Это был первый прибор, работавший на квантовых принципах, в основе которого лежало
явление усиления электромагнитных колебаний с помощью индуцированного излучения.
За эти работы Басову и Прохорову была присуждена Ленинская премия, а затем совместно
ВВЕДЕНИЕ В ОПТОЭЛЕКТРОНИКУ
13
с Ч. Таунсом — Нобелевская премия. Таким образом, 1954 г. может быть назван годом рож-
дения квантовой электроники как самостоятельной науки.
Методы, развитые первоначально в радиодиапазоне (первый аммиачный мазер работал
на длине волны 1,25 см), затем были перенесены в оптический диапазон, и в 1960 г. был
создан рубиновый лазер, а в 1961 г. — газовый лазер на смеси гелия и неона. Наука и техни-
ка впервые получили в свое распоряжение когерентный источник световых волн. Это дало
толчок развитию таких новых областей науки, как нелинейная оптика, топография и др. Ос-
новополагающие работы по голографии были выполнены Д. Габором и Ю.Н. Денисюком.
Параллельно с развитием квантовой радиофизики и квантовой электроники быстрыми тем-
пами развивалась физика полупроводников и полупроводниковая электроника Успехи в этих
областях привели к созданию эффективных полупроводниковых фотоприемников и генерато-
ров света, т.е. приборов, составляющих фундамент полупроводниковой оптоэлектроники.
К главным вехам в развитии данной отрасли относятся следующие. В 1873 г. В. Смит обнару-
жил в слоях селена фотопроводимость, т.е. изменение сопротивления под действием освеще-
ния, открыв тем самым внутренний фотоэффект. Внешний фотоэффект был открыта 1888 г.
А.Г. Столетовым. В 1923 г. О.В. Лосев наблюдал свечение кристаллов карборунда (карбида
кремния) под действием электрического тока и дал правильное объяснение этому явлению,
которое легло в основу действия современных электролюминесцентных источников света.
В 1960 г. в физическом институте АН СССР в Москве был рассмотрен принцип работы
полупроводникового инжекционного лазера, а в 1962 г. в физико-техническом институте
АН СССР в Ленинграде было обнаружено эффективное рекомбинационное излучение и на-
блюдалось вынужденное излучение в кристаллах арсенида галлия. Параллельно в физико-
техническом институте Ж.И. Алферовым с сотрудниками успешно проводились работы по
получению гетеропереходов и созданию на их базе эффективных приемников и источников
света. В 1968-1970 гг. ими были созданы низкопороговые полупроводниковые лазеры, в том
числе работающие в непрерывном режиме при комнатной температуре. Важным моментом в
развитии оптической электроники явилось получение оптических волокон с низкими потеря-
ми (менее 1 дБ/км), что обеспечило возможность их применения в качестве эффективных оп-
тических волноводов. Разработка эффективных полупроводниковых лазеров, работающих в
непрерывном режиме, и создание оптических волокон с малыми потерями привели к рожде-
нию и быстрому развитию новой системы передачи информации через волоконно-оптические
линии связи (ВОЛС) и созданию волоконно-оптичеческих систем передачи (ВОСП).
Рассматривая историю, можно выделить пять поколений ВОСП.
ВОСП первого поколения (1977-1980 гг.) использовали диапазон длин волн 0,8.. .0,9 мкм
и позволяли обрабатывать цифровые потоки со скоростью 45 Мбит/с.
ВОСП второго поколения (1980-1983 гг.) в качестве рабочей использовали длину волны
1,31 мкм, а скорость обработки цифровых потоков составляла 500 Мбит/с.
Системы передач третьего поколения (1983-1990 гг.) исследовали в качестве излучате-
лей лазеры, у которых длина волны составляла 1,31 и 1,55 мкм, а скорость обработки циф-
ровых потоков — 2 Гбит/с.
С 1989 по 1994 г. активно проводились разработки ВОСП четвертого поколения. Они
работали на длине волны 1,55 мкм, скорость обработки цифровых потоков составляла
10 Гбит/с. В состав ВОСП четвертого поколения входят волоконно-оптические усилители.
С 1994 г. создаются широкополосные ВОСП пятого поколения. Рабочие длины волн на-
ходятся в диапазоне 1,53... 1,61 мкм. Системы используют спектральное уплотнение и не-
сколько источников света. Предусматривается объединение каналов со скоростями обработ-
ки цифровых потоков 10 Гбит/с. В многоканальных ВОСП пятого поколения достигается
производительность 1 Тбит/с. Работы по повышению скорости передачи продолжаются.
14
ГЛАВА 1
Развитие ВОСП способствует ускорению внедрения всех технологий широкополосного
доступа (рис. 1.2.)
Приложения
Интернет IP- Кабельное Видео
SMS доступ телефония телевидение по запросу
Рис. 1.2. Развитие магистральных и городских
волоконно-оптических сетей
В докладе на 29-й Европейской конференции по оптической связи (ЕСОС 2003) Маури-
цио Дечина рассмотрел перспективы развития сетей связи и информационных услуг в бли-
жайшем десятилетии. Во-первых, характерной чертой будут оставаться экспоненциальный
рост как потребностей в информации, так и технических возможностей их удовлетворения.
Свидетельством этого является соответствующий рост ключевых технических показа-
телей, таких как мощность процессоров, объем памяти, скорость обмена информацией,
физические размеры и др. В то же время важным моментом будет перевод всех информаци-
онно-телекоммуникационных услуг на использование интернет-протокола, в том числе при-
ложений реального времени (голос, видео).
На транспортном уровне глобальных и городских сетей связи вполне определенно
будут доминировать оптические (фотонные) технологии передачи информации, развитие
же сетей доступа будет характеризоваться конкуренцией оптических технологий и раз-
личных беспроводных технологий, которые могут использоваться либо как дополнение,
либо как альтернатива волоконной оптике. К быстро развивающимся технологиям бес-
проводного доступа относятся следующие: Wi-Fi, Ultra Wide Band, Ad Hoc Networks,
Sensor networks, RFID и др.
1.4.	Современное состояние оптоэлектронной элементной базы
В настоящее время оптоэлектроника возглавляет список полупроводниковых приборов
с наибольшим объемом продаж (до 18 млрд долл. США). Светоизлучающие диоды (СИД)
выполняются на основе гетероэпитаксиальных структур и обеспечивают световую отдачу
ВВЕДЕНИЕ В ОПТОЭЛЕКТРОНИКУ
15
более 25 лм/Вт (лампы накаливания — 15 лм/Вт). На основе суперярких СИД создаются
крупноформатные цветные уличные экраны. Крупнейший в мире дисплей размером
36x27 м установлен в Нью-Йорке. Он содержит 19 млн шт. СИД красного, зеленого и сине-
го цветов, воспроизводящих более 1 млрд цветов и оттенков. Экран воспроизводит тексто-
вую, графическую и видеоинформацию, формируя четкие цветные изображения высокого
качества, и работает со стандартными видео- и компьютерными источниками сигналов.
Широкое внедрение гигантских уличных экранов ограничивается их высокой стоимо-
стью (55 тыс. долл./м2). Снижение ее величины на порядок сделает этот вид продукции рен-
табельным. Перспективным является использование для этих целей дешевых СИД на осно-
ве органических и полимерных материалов (OLED).
Полноцветные информационные экраны на основе полимерных материалов имеют ряд
преимуществ по сравнению с жидкокристаллическими экранами (ЖКЭ):
-	относительная дешевизна;
-	простота технологии изготовления;
-	малое напряжение питания (3.. .4 В);
-	очень высокая скорость переключения;
-	широкий выбор цветов и высокая четкость изображения.
Оптоэлектронные приборы являются перспективными элементами сотовых телефонов,
а именно, портативных дисплеев. Основные требования к ним:
-	снижение стоимости, веса и энергопотребления;
-	повышение надежности и долговечности;
-	улучшение качества воспроизведения информации;
-	повышение быстродействия.
Переход к цветным дисплеям с высоким разрешением (вплоть до 800x600 пикселей) и
быстродействием, превышающим 100 Кбит/с, возможно при производстве дисплеев на базе
органических СИД.
Полупроводниковые излучатели «белого света» успешно заменяют лампы накаливания.
Согласно прогноза 2010 г. эффективность СИД достигнет 50лм/Вт, и более 10% мирового
рынка ламп накаливания будут заменены, экономия электроэнергии оценивается суммой
40 млрд долл, (это эквивалентно годовому производству энергии 40 атомных станций).
В настоящее время ведется разработка полноцветных («кластерных») ламп, состоящих
из нескольких СИД красного, зеленого и синего цветов свечения.
Интенсивно ведется разработка высокоэффективных фотоприемников УФ-ИК-диапа-
зона волн.
Наиболее перспективными направлениями использования фотоприемников и изделий
на их основе являются:
-	системы цифровой регистрации, обработки и передачи изображений;
-	телевизионные системы нового поколения, в частности, высокой четкости изображения;
- системы наземной и инфракрасной (ИК) связи и мониторинга.
Развитие оптоэлектронных интегральных микросхем (ИМС) позволяет повысить быст-
родействие и надежность функционирования современных волоконно-оптических линий
передачи информации, электронно-вычислительных машин нового поколения, заменить в
электронной технике малонадежные и неэкономичные электромагнитные реле, разработать
и создать системы промышленной автоматики и телемеханики, а также охранных систем
защиты от несанкционированного доступа.
Электронная промышленность Российской Федерации в настоящее время ориентирова-
на на массовый выпуск лазеров и СИД на основе гетероструктур. За развитие и внедрение
работ в этой области Ж. Алферов в 2000 г. удостоен Нобелевской премии.
16
ГЛАВА 1
Использование квантовых эффектов в наноструктурах позволяет создавать компактные,
экономичные и долговечные полупроводниковые лазеры, пороговая плотность тока кото-
рых находится в пределах 10... 100 А см-2.
Налажено производство суперярких СИД силой света 2 канделы (кд) при токе 20 мА и
функционально законченных изделий на их основе. Начат выпуск высокоэффективных гетеро-
структур, обеспечивающих интенсивность электролюминесценции не менее 70 мкд при токе
20 мА. Проводятся работы по замене ламп накаливания полупроводниковыми излучателями.
1.5.	Система обозначений оптоэлектронных
приборов индикации
При старой системе обозначений полупроводниковых приборов СИД обозначались двумя
буквами: первая указывала на исходный материал, вторая являлась признаком прибора-ин-
дикатора. Например, обозначение светоизлучающего диода АЛ 102 расшифровывалось так:
А — арсенид галлия или фосфид галлия; Л — индикатор из единичного излучающего дио-
да; 102 — порядковый номер разработки. Если индикатор представлял собой ряд или мат-
рицу диодов, то в обозначении добавлялась буква С. Например, обозначение АЛСЗЗ1 озна-
чало: полупроводниковый индикатор на основе фосфида галлия, состоящий из нескольких
светоизлучающих диодов, в данном случае из двух.
В связи с развитием семейства полупроводниковых светоизлучающих индикаторов,
расширением их классов система обозначений была усовершенствована.
По ОСТ 11.339.015-18 полупроводниковые приборы, выполняющие функцию индикации,
обозначаются девятью элементами: первая буква К указывает, что прибор широкого обще-
промышленного назначения; второй элемент И — обозначает индикатор; третий П — полу-
проводниковый; четвертый Д — единичный светоизлучающий диод (буква М указывает,
что светодиод специфического применения — для мнемонических табло); пятый — номер
разработки: номера от 01 до 99 — со схемой управления; шестой — буква русского алфави-
та — обозначает как и в старой системе, к какой группе относится прибор; седьмой — цифра,
указывающая число диодов в индикаторе (при обозначении светоизлучающих диодов едини-
ца может опускаться); восьмой — буква, обозначающая цвет: К — красный, Л — зеленый,
Г — голубой, Ж — желтый, Р — оранжевый, С — синий, М — многоцветный; девятый —
цифра, обозначающая модификацию прибора (5 — это прибор бескорпусной). Например,
прибор ИПД04А-1К расшифровывается как: индикатор полупроводниковый из единичного
светоизлучающего диода, без схемы управления, группа А, красного цвета свечения. Прибор
КИПД03А-1Ж-5 означает: индикатор полупроводниковый из единичного светоизлучающего
диода, без схемы управления, группа А, желтого цвета свечения, бескорпусной.
1.6.	Система обозначений фотоприемных приборов и оптронов
Начиная с 1973 г., обозначения фотоприемных приборов состоят из четырех элементов.
Первый элемент — буква или цифра указывает материал:
-	Г или I — германий и его соединения;
-	К или 2 — кремний и его соединения;
-	А или 3 — соединения галлия.
Второй элемент — буква, указывающая класс прибора:
-	Д — диоды;
-	Н —тиристоры диодные;
ВВЕДЕНИЕ В ОПТОЭЛЕКТРОНИКУ
17
-	У — тиристоры триодные;
-	Т — транзисторы биполярные;
-	П — транзисторы полевые.
Третий элемент — число, указывающее назначение и качественные свойства прибора,
а также порядковый номер разработки.
Четвертый элемент — буква, указывающая разновидность типа из данной группы
приборов (деление на параметрические группы).
В обозначениях оптронов первая буква или цифра определяет материал излучателя
(А или 3 — GaAlAs или GaAs), вторая буква (О) — принадлежность прибора к классу опто-
пар, а третья — тип фотоприемника. Резисторные оптопары сохраняют исторически сло-
жившиеся обозначения оптоэлектронных приборов (ОЭП). Некоторые из оптоэлектронных
изделий имеют обозначения, отличные от указанных выше. Например, К249КН1 — микро-
схема оптоэлектронного аналогового ключа, состоящего из двух диодных оптопар и двух
биполярных транзисторов.
Тесты
1.1.	Какая длина волны соответствует верхней границе оптического диапазона:
а) 0,1 мкм;	б) 0,5 мкм;	в) 1 мм;	г) 10 мм?
1.2.	Какая длина волны соответствует нижней границе оптического диапазона:
а) 1 нм;	б) 10 нм;	в) 100 нм;	г) 1 мкм?
1.3.	Какая длина волны соответствует инфракрасному излучению:
а) 0,3 мкм;	б) 0,6 мкм;	в) 0,5 мкм;	г) 1 мкм?
1.4.	Какая длина волны соответствует ультрафиолетовой области спектра:
а) 0,3 мкм;	б) 0,7 мкм;	в) 0,9 мкм;	г) 12 мкм?
1.5.	Укажите цифрами правильную последовательность цветов соответствующих
видимой области спектра (в порядке убывания длин волн)
а) голубой;	б) зеленый;	в) фиолетовый;	г) оранжевый;
д) желтый;	е) красный;	ж) синий?
1.6.	Какое из обозначений соответствует излучательному прибору:
а)КТ315А;	б) КД252В;	в) АЛ 102В;	г)КП103Ж?
1.7.	Какое из обозначений соответствует фотоприемному прибору:
а)КТ814А;	б)ФД252;	в)АОУЮЗ;	г)АЛС331А?
1.8.	Какое из обозначений соответствует индикаторному прибору:
а)ЦИЖ-2;	б)АЛ103А;	в)АЛ102В;	г)АОТЮ1А?
1.9.	Какое из обозначений соответствует оптрону:
а)АЛС316А; б)АП601В; в)АОТ301А; г)ЗЛ341Г?
1.10.	С помощью каких частиц переносится оптическая энергия:
а) фотонов; б) фононов; в) электронов;	г) дырок?
Глава 2
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОПТОЭЛЕКТРОНИКИ
2.1.	Фотометрические характеристики оптического излучения
По принципу преобразования энергии оптического излучения в конечный сигнал, регистри-
руемый измерительными приборами, все фотоприемники можно разделить на две основные
группы. К первой относятся термоэлементы (болометры), твердотельные и вакуумные фо-
тоэлементы, в которых энергия оптического излучения преобразуется в электрический ток.
Ко второй группе можно отнести фотоэмульсионные слои и человеческий глаз. В данном
случае энергия оптического излучения приводит к возникновению фотохимических реак-
ций, протекающих в фотоэмульсионном слое, нанесенном на фотопластину, либо к раздра-
жению нервных окончаний на сетчатке человеческого глаза. Глаз относят к фотоприемнику
высокой чувствительности, который избирательно (селективно) реагирует на свет различ-
ных длин волн в диапазоне 380.. .780 нм.
Для описания оптического излучения, воздействующего на первую группу фотоприем-
ников, пользуются энергетическими характеристиками: энергетическая экспозиция, поток
излучения, энергетическая светимость, облученность поверхности.
Оптическое излучение, воздействующее на сетчатку глаза или фотопластину, принято
характеризовать фотометрическими параметрами: световой поток, сила света, освещен-
ность, яркость, светимость.
2.1.1.	Функция видности и ее зависимость от длины
электромагнитной волны
Опыт показывает, что глаза большинства людей, не страдающих дефектами зрения, облада-
ют максимальной чувствительностью к оптическому излучению длиной волны X = 555 нм
(зеленый свет).
Интенсивность нервного раздражения, возникающего в нервных окончаниях сетчатки
глаза под воздействием света, принято характеризовать функцией видности F(X). При
1 = 555 нм, F = Fmax. При X = 400 нм, X = 760 нм, F = Fmin.
Аналитический вид функции F(X) достаточно сложен. Поэтому для практических целей
достаточно воспользоваться относительной функцией видности
Г(Х) = -Ж	(2.1)
F
max
Функция Г(Х) безразмерна и позволяет установить взаимосвязь между энергетическими
и фотометрическими параметрами оптического излучения.
На рис. 2.1 показана экспериментальная зависимость Г(Х) для «среднего» (бездефектного)
человеческого глаза. В табл. 2.1 приведены числовые значения К(Х) для некоторых длин
электромагнитных волн.
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОПТОЭЛЕКТРОНИКИ
19
Рис. 2.1. Экспериментальная зависимость относительной функции видности (V)
для «среднего» (бездефектного) человеческого глаза
Таблица 2.1. Зависимость относительной функции видности V
человеческого глаза от длины электромагнитной волны А.
А., нм	F(X)	А., нм	И(Х)
400	0,004	580	0,870
410	0,0012	590	0,757
420	0,004	600	0,631
430	0,012	610	0,503
440	0,023	620	0,381
450	0,038	630	0,265
460	0,060	640	0,175
470	0,091	650	0,107
480	0,139	660	0,061
490	0,208	670	0,032
500	0,323	680	0,017
510	0,503	690	0,008
520	0,710	700	0,004
530	0,862	710	0,002
540	0,954	720	0,001
550	0,995	730	0,0005
555	1,000	740	0,0002
560	0,995	750	0,0001
570	0,952	760	0,00006
20
ГЛАВА 2
2.1.2.	Телесный угол, световой поток и механический эквивалент света
Рассмотрим точечный источник света i, испускающий свет равномерно во все трехмерное
пространство (рис. 2.2). Выберем в указанном пространстве световой конус с углом а в его
вершине, совпадающей с источником света i. Пересечем световой конус сферической по-
верхностью S радиуса R. Как видно из рис. 2.2, конус «вырезает» на сферической поверхно-
(2-2)
Рассмотренный световой конус принято характеризовать величиной телесного угла ДО,
которая определяется как
ДО = 4
R2
и измеряется в стерадианах (ср).
Очевидно, что телесному углу в 1 ср соответствует условие Д$с = R2. «Полному» телес-
ному углу, при котором точечный источник i излучает свет в сферу радиуса R, соответству-
ет величина Д5„ = 4л/?2 и телесный угол
гч 4л/?2	,
Q - —— = 4л.
R2
Пусть монохроматическое излучение с длиной волны А. = 555 нм переносит через пло-
щадку AS (в соответствии с рис. 2.2) за 1 с энергию 0,0016 Дж. Полагают, что в данном слу-
чае внутри телесного угла ДО распространяется световой поток ДФ, равный 1 люмену (лм).
Указанное соотношение является международным стандартом для 1 лм.
Таким образом,
0,0016 — =0,0016 Вт ~1 лм
с
(2.3)
(2.4)
при А. = 555 нм.
Пропорциональность (2.4) является не только определением 1 лм, но и единственным
связующим звеном между фотометрическими и энергетическими характеристиками оптиче-
ского излучения.
Вт
Величину А = 0,0016 —- принято называть механическим эквивалентом света. При
ДФ = 1 лм величина А численно равна
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОПТОЭЛЕКТРОНИКИ
21
(2.5)
Яч = 0,0016Вт
при А. = 555 нм.
Относительная функция видности (2.1), рис. 2.1, табл. 2.1 и формула (2.5) позволяют
рассчитать необходимую мощность излучения /\, соответствующую световому потоку в
1 лм для любой длины волны из диапазона 400 < А. < 760 нм, по формуле
(2-6)
Р, =—2->
. И(А)
Например, пользуясь табл. 2.1, находим, что световому потоку в 1 лм при длине волны
А = 633 нм соответствует значение К(А.) = 0,25.
Согласно (1.6) для обеспечения такого светового потока необходима мощность
_^.= 010016=6>4.10-з.
х<3? К(А.)	0,25
Пусть гелий-неоновый лазер обладает мощностью излучения	= 5-10-3 Вт. Очевидно,
что световой поток, соответствующий ему, определится из следующих зависимостей:
.	, ,„-зл л	6,4-10~3	1 лм
6,4-10 Вт ~ 1лм, 5-10 Вт ~ Ф лм, которым соответствует пропорция _э =—----------,
откуда Ф = 0,78 лм.
2.1.3.	Сила света /<
(2.7)
Пусть внутри телесного угла ДО распространяется световой поток ДФ (в соответствии с
рис. 2.2).
Величина
. ДФ лм
/с = — — - кд,
ДО ср
носит название силы света источника.
Из формулы (2.7) сила света имеет простой физический смысл: это — величина, численно
равная световому потоку, распространяющемуся в телесном угле 1 ср. Единицей силы света
является 1 кандела (кд). Несмотря на то, что сила света I введена нами в фотометрические
характеристики через поток ДФ, по соображениям исторического характера, сила света I яв-
ляется в настоящее время основной фотометрической характеристикой «37». Согласно меж-
дународному стандарту 1 кандела равна силе света в заданном направлении, излучаемого
монохроматическим источником с частотой 5,4-1014 Гц, излучение которого в указан-
ном направлении составляет (1/683) Вт/ср.
В заключение 2.2.3 заметим, что согласно (2.7), 1 кд = 1 лм/1 ср.
2.1.4.	Освещенность поверхности Е
Освещенностью поверхности называют величину
_ ДФ
£ =—,
ДЗ
где ДФ — световой поток, падающий на поверхность площади ДЗ (рис. 2.3).
Если ДФ = 1 лм, Д3 = 1 м2, освещенность равна I люксу (лк), т.е. 1 лк = 1 лм/1 м2.
(2.8)
22
ГЛАВА 2
Рис. 2.3. Определение освещенности
2.1.5.	Закон освещенности
Элементарные преобразования позволяют установить взаимосвязь освещенности Е поверх-
ности с расстоянием R и углом падения света <р на поверхность в соответствии с рис. 2.3,
в виде
„ I
£ = -^cos<₽-
(2.9)
Формула (2.9) носит название закона освещенности.
2.1.6.	Светимость излучающей поверхности М
До сих пор мы рассматривали точечные источники света. Всякий реальный источник имеет
конечные размеры. Пусть светящаяся площадка площади AS в соответствии с рис. 2.4 излу-
чает свет в полусферу, которой соответствует телесный угол ДО = 2п ср. Обозначим через
АФПС световой поток, излучаемый площадью AS в полусферу.
ДО = 2 л ср
AS
Рис. 2.4. Определение светимости
Величина М =---—, лм/м , называется светимостью излучающей площади AS.
AS
Согласно (2.9) и рис. 2.4 светимость М численно равна световому потоку, излучаемому
с единицы площади светящейся поверхности в телесный угол 2тг ср.
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОПТОЭЛЕКТРОНИКИ
23
2.1.7.	Яркость светящейся поверхности L
Пусть светящаяся поверхность площади Д5 излучает световой поток ДФ в телесный угол
ДО, ось симметрии которого составляет угол 0 с нормалью N к излучающей поверхности
(рис. 2.5).
Рис. 2.5. Определение яркости
Величина
£ =-------
AS-cosO
называется яркостью светящейся поверхности.
(2.Ю)
2.1.8.	Закон Ламберта
В 1760 г. немецким ученым Ламбертом было показано, что, если площадь Д5 не только из-
лучает свет, но еще идеально равномерно рассеивает его по всем направлениям, яркость из-
лучения L не зависит от угла 0, входящего в (2.10).
Согласно закону Ламберта
La = const	(2.11)
для любых 6, входящих в (2.10).
Элементарные преобразования показывают, что для ламбертовского источника взаимо-
связь между светимостью излучающей поверхности Л/л и ее яркостью £л имеет вид
MK = Lh-n.	(2.12)
2.1.9.	Световая экспозиция Нс
Световой экспозицией Нс называется произведение освещенности поверхности Е на время t,
в течение которого производится облучение поверхности. По определению,
Нс = E l, як е.	(2.13)
24
ГЛАВА 2
В табл. 2.2 приводим основные фотометрические характеристики, аналитические выра-
жения для них и размерности в системе СИ.
Таблица 2.2. Перечень основных фотометрических (световых) параметров
Наименование фотометрических величин	Аналитическое выражение	Размерность в СИ
Сила света	4	Кандела (кд)
Световой поток	ДФ = Iv дп	Люмен (лм)
Освещенность поверхности	„ ДФ Еу — v AS	Люкс (лк), (люмен на квадрат- ный метр, лм/м2).
Светимость излучающей поверхности	ДФ	Люмен на квадратный метр (лм/м2)
Яркость светящейся поверхности	L= 4 AS-cosG	Кандела на квадратный метр (кд/м2)
2.2.	Энергетические характеристики оптического излучения
2.2.1.	Энергетическая экспозиция Не
Величина, равная отношению энергии излучения Д£, падающего на поверхность, к площади
этой поверхности Д5
' AS
(1.14)
2.2.2.	Поток излучения Фе
Величина, равная отношению энергии излучения Д£, переносимой излучением, к времени
переноса этого излучения Д/
ф,. =-->
' Д/
(2-15)
называется потоком излучения.
2.2.3.	Энергетическая светимость Ме
(интегральная излучательная способность)
Интегральная излучательная способность равна отношению потока излучения Фе к площади
Д5И, с которой этот поток испускается
Ф
М = —
AS..
(2-16)
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОПТОЭЛЕКТРОНИКИ
25
2.2.4.	Облученность поверхности Ее
Величина, равная отношению потока излучения Фе к площади Д5П, на которую этот поток
падает и поглощается называется облученностью:
Ф
(2.17)
2.3.	Энергетические и световые параметры
Энергетические параметры характеризуют излучение безотносительно к его действию на
какой-либо приемник излучения и связаны с переносимой излучением энергией.
С помощью световых параметров оценивают излучение в случае, если приемником из-
лучения служит человеческий глаз. Чувствительность глаза к свету с различными длинами
волн не одинакова. Она имеет максимум при X = 0,555 мкм и быстро снижается при удале-
нии от этого максимума. На границах видимого диапазона (X = 0,38 мкм и 0,78 мкм) чувст-
вительность глаза практически падает до нуля [23].
На рис. 2.6 показана относительная спектральная световая эффективность глаза, адапти-
рованного на дневной (7) и ночной (2) свет. Относительная спектральная световая эффек-
тивность К(Х) представляет собой результат усреднения многих исследований. Оптическое
излучение в видимом диапазоне описывается световыми параметрами и характеристиками.
Таким образом, энергетические и световые параметры излучения по смыслу одинаковы, но
характеризуют излучение в различных диапазонах волн и имеют различные единицы изме-
рения. Количественные характеристики видимого света связывают со зрительным ощуще-
нием; и в инфракрасном, и ультрафиолетовом поддиапазонах оптического излучения, не
воспринимаемого глазом, параметры характеризуют непосредственно энергию, переноси-
мую излучением. Световые и энергетические параметры связаны пропорциональной зави-
симостью.
Рис. 2.6. Спектральная характеристика чувствительности человеческого глаза
Для количественного описания оптического излучения, а также источников и приемни-
ков излучения используются пять основных энергетических параметров: поток излучения и
26
ГЛАВА 2
сила излучения — параметры, характеризующие излучение; энергетическая светимость и
энергетическая яркость — характеризуют источник излучения с учетом площади излучающей
поверхности; энергетическая освещенность (облученность) — характеризует облучаемую,
т.е. принимающую излучение, поверхность. Для видимого излучения применяются, соот-
ветственно, пять световых параметров: световой поток, сила света, светимость, яркость и
освещенность.
В ряде случаев эксплуатации излучателей требуется перевод имеющихся световых па-
раметров в энергетические, и наоборот. Так, в паспортных данных на СИД излучение харак-
теризуется обычно силой света или яркостью. Применение же таких приборов, например, в
устройствах оптической связи и сигнализации не позволяет непосредственно использовать
световые параметры. Переход к энергетическим параметрам осуществляется с помощью
световой эффективности, которая в общем случае:
=	=	(2.18)
Ф.. 4 Lc
где Ф,. — поток излучения, Вт; Ф„ — световой поток, лм; 1е — сила излучения, Вт/ср; /v —
сила света, кд = лм/ср; Lc — энергетическая яркость, Вт/(ср м2); Lv — яркость, кд/м2.
2.4.	Колориметрические параметры
Цвет какой-либо отражающей или излучающей поверхности характеризуется цветовым фо-
ном, его насыщенностью (степенью отличия белого цвета) и яркостью, или светлотой. Пер-
вые две величины определяют цветность излучения. Главный прием для количественного
оценивания цвета заключается в установлении абсолютных значений и относительных со-
отношений мощностей (или яркостей) трех стандартизированных узкополосных излучений,
которые при совместном воздействии вызывают такое же физиологическое ощущение в
глазу, что и данный цвет.
В качестве основных цветов Международной комиссией по освещению (МКО) приняты
спектрально чистые цвета трех монохроматических излучений R, G и В с длинами волн
kit = 700 нм (красный), А.о = 546,1 нм (зеленый) и кв = 435,8 нм (синий), которые по мощно-
сти находятся в соотношении RG.B~\:G,091:0,0138. Любой цветFхарактеризуется глав-
ным соотношением колориметрии
F = r'R+g'G+b'B,	(2.19)
где г', g', b' — координаты цвета (или цветовые координаты), обусловливающие долю соот-
ветствующего цвета.
Более удобный для описания цветов является система, в которой основные цвета X, К, Z
не являются реальными, но позволяют определять цвет с помощью такого же уравнения
F = x'A' + >'r + z'Z.	(2.20)
Для характеристики только цветности координаты цветах',у', z' заменяются нормиро-
ванными координатами цветности
х'	у'	z'
х = ----z=—.---------------------------	(2-21)
х +у +z	x+y+z	x+y+z
Таким образом, x+y + z = 1, отсюда следует, что независимыми являются только две
координаты (обычно выбирают х и у). Тогда цветность можно представить точкой на плос-
кости (рис. 2.7).
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОПТОЭЛЕКТРОНИКИ
27
Как видно, цветность определятся направлением вектора F в цветовом пространстве,
а не абсолютной величиной, которая при постоянстве относительного спектрального соста-
ва излучения служит для оценивания яркости объекта.
2.4.1.	Цветовой тон и насыщенность
Цветовой тон, как правило, характеризуют доминирующей длиной волны определение
которой для данного цвета F' очевидно из рис. 2.7. Цветовой тон также можно описать ка-
чественно наименованием зоны цветового графика, в которой располагается точка цветно-
сти F'.
Насыщенность цвета характеризует степень, уровень, силу выражения цветового тона и
определяется чистотой цвета — относительным значением энергии монохроматического из-
лучения, которое в смеси с белым излучением воспроизводит анализируемый цвет. На
AF'
рис. 2.7 это относительное удаление точки F' от точки А на прямой A -. Наибольшей
насыщенностью обладают спектрально-чистые цвета, наименьшей — ахроматические, се-
рые цвета.
Специфическим понятием являются и дополнительные цвета — два цвета, которые
в смеси могут дать белый цвет. На цветовом графике они соответствуют точкам пересече-
ния кривой спектрально-чистых цветов и прямой, проходящей через точку А.
Кривая спектрально-чистых цветов — незамкнутая кривая линия, соединяющая ее кон-
цы, есть линия пурпурных цветностей, получаемых искусственно путем смешения красного
и фиолетового цветов. Часть кривой в красно-зеленой области представляет собой практи-
чески прямую линию. Это значит, что при любом смешении спектральных цветов из этой
области результирующий цвет имеет 100%-ную чистоту. Для получения насыщенных зеле-
но-красных цветов обязательно необходима добавка синего цвета. Вообще же, все многооб-
разие реальных цветов лежит внутри кривой на рис. 2.7; точки вне ее характеризуют нере-
альные цвета.
28
ГЛАВА 2
Следует отметить, что координаты цветности могут быть вычислены, если известна
спектральная характеристика источника излучения р(Х). Упомянутые величины связаны та-
ким образом:
х' = Jp(X)x'(X)dX; у'= |p(X)y(X)dX; z' = Jp(X)z'(X)dX.	(2.22)
х,	х,	х,
Зависимости х'(1), у'(Х), z'(k) получены экспериментально и приняты МКО в качестве
цветовых характеристик для стандартного наблюдения. Поскольку аналитическими выра-
жениями подынтегральных функций пользователь не располагает, интегралы могут быть
определены численным методом.
Порядок расчета по данным спектральной характеристики заключается в следующем.
-	Вычисляются массивы x'Q.) р(к); у'(К) р(Х); z'(X) p(k).
—	Отыскиваются суммы
£х'(*)р(Х); £>W(*); LzW).
XXX
-	Рассчитывается нормирующий коэффициент
,	100
к = =-------.
£>'(Х)М*)
X
-	Вычисляются координаты цвета
х' = Л^х'(Х)р(Х); у' = Л£У(Х)р(Х); z' = *£/(Х)р(Х).
XXX
-	По координатам цвета определяются координаты цветности (2.22) в системе МКО
1931 г.
2.5.	Когерентность оптического излучения
2.5.1.	Монохроматическая электромагнитная волна
Идеальная монохромическая электромагнитная волна (МЭВ) понимается как бесконечная в
пространстве и времени волна, имеющая постоянную циклическую частоту со. Такой волне
соответствует уравнение
Ё = Ёо/(<ог-Ах),	(2.23)
где Ё — напряженность электрической компоненты поля волны в точке с координатой х;
Ёо —амплитуда вектора напряженности; t—время работы излучателя волны; Л = 2л/Х —
модуль волнового вектора; X — длина волны.
Вид функции f определяется режимом работы излучателя МЭВ.
2.5.2.	Особенности излучения электромагнитных волн
в ультрафиолетовом (УФ), видимом и инфракрасном (ИК)
диапазонах
Современная оптоэлектроника использует в качестве источников излучения полупроводни-
ковые, твердотельные и газовые оптические квантовые генераторы (ОКТ). Излучателями
света в ОКГ являются либо возбужденные валентные электроны атомов (газовые ОКГ), ли-
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОПТОЭЛЕКТРОНИКИ
29
бо электроны проводимости (полупроводниковые ОКГ). В первом случае переход ва-
лентного электрона из возбужденного состояния в невозбужденное сопровождается излуче-
нием фотона с энергией
Еф=йу,	(2.24)
где h — постоянная Планка; v — частота соответствующей фотону микроволны.
Во втором случае излучение фотона происходит в процессе рекомбинации электрона
проводимости с дыркой, расположенной в валентной зоне. В обоих случаях время перехода
электрона из возбужденного состояния в невозбужденное конечно и составляет величину
108 с. Время излучения фотона в процессе указанного перехода много меньше, чем тп и
составляет величину тф = 10'15 с, для А = 1,5 мкм. Условное соотношение между тп и тф по-
казано на рис. 2.8.
За время тп излучается множество фотонов Уф, которое определяется количеством воз-
бужденных электронов в газе или твердом теле. Всегда найдутся фотоны, имеющие одина-
ковую частоту v, с которой изменяется их поле Е(Г). Последовательность таких фотонов
образует волновой цуг (рис. 2.9).
---------т,----------
Рис. 2.9. Волновой цуг
Нетрудно видеть, что согласно рис. 2.9, время самовоспроизведения фотона тф одного
порядка с периодом Т возникшей электромагнитной волны.
Любой ОКГ за время тк (см. рис. 2.9) излучает не единственный цуг, а множество цугов
с незначительно отличающимися частотами. Накладываясь во времени и пространстве, цуги
образуют волновой пакет. Внутри последнего цуги интерферируют. В результате интерфе-
30
ГЛАВА 2
ренции возникают биения векторов Е как результат сложения колебаний с близкими часто-
тами. Заметим, что волновой цуг распространяется с фазовой скоростью
V^=cjn = K>lk,	(2.25)
где п — абсолютный показатель преломления в среде распространения волны; с » 3 • 108 м/с —
скорость света в вакууме.
Волновой пакет распространяется с групповой скоростью
Гг = dco/d к = Г* + dr* /йк,	(2.26)
где АУ^/дк —дисперсия фазовой скорости.
Реальное оптическое излучение, генерируемое ОКГ, представляет собой поток волно-
вых пакетов, отличающийся от идеальной МЭВ, определенной выше.
Введем понятие когерентности оптического излучения как меры приближения реаль-
ного излучения к идеальной МЭВ.
Различают временную когерентность и пространственную.
Основной характеристикой временной когерентности является время когерентности тк.
К характеристикам пространственной когерентности относятся: длина когерентности 4>
«радиус» когерентности рк и объем когерентности Ук.
Понятие когерентности не следует путать с понятием когерентных волн.
По определению, две волны называются когерентными, если они имеют одинаковые
частоты и постоянную во времени разность фаз. Из вышесказанного очевидно, что для ре-
ального оптического излучения понятие когерентных волн является идеализированной мо-
делью.
2.5.3.	Время когерентности
Временем когерентности тк называется промежуток времени, в течение которого закон из-
менения фазы электромагнитной волны f (at-kx) остается постоянным (см. рис. 2.9):
4=W	(2.27)
где — число фотонов, входящих в волновой цуг.
2.5.4.	Длина когерентности
Длиной когерентности 1К называется расстояние, которое проходит волна за время коге-
рентности тк. По определению, 1К = (с/п)гк.
2.5.5.	Радиус когерентности
Радиусом когерентности называется диаметр круга, в пределах которого разброс направле-
ний волнового вектора К электромагнитной волны не превышает л радиан.
2.5.6.	Объем когерентности
Объемом когерентности Ук называется произведение площади круга диаметра рк на длину
когерентности 4- По определению, Ук =(яр^/4)4-
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОПТОЭЛЕКТРОНИКИ
31
2.5.7.	Взаимосвязь тк и /к с реальными параметрами
оптического излучения
Элементарные преобразования позволяют установить взаимосвязь тк и /к с шириной полосы
частот волнового пакета Av, разбросом длин волн АА и разбросом модулей волновых векто-
ров ДА" в следующем виде:
Av = 1/tk;
АХ=Х7/к;
АК = 2я//„,
(2.28)
(2.29)
(2.30)
где X — понимается как среднее значение длины волны в волновом пакете.
2.6.	Квантовые переходы и вероятности
излучательных переходов
В отличие от электронных приборов, в которых для усиления или генерации электромаг-
нитного поля используется энергия свободных носителей зарядов, в квантовых приборах
применяется, как правило, внутренняя энергия микрочастиц (энергия атомов, ионов, моле-
кул). При этом сами микрочастицы могут находиться в движении. Электроны, входящие
в состав микрочастиц, называются связанными. Строгое математическое описание и анализ
работы квантовых приборов представляют собой чрезвычайно сложную задачу. Это связа-
но, в частности, с тем, что при анализе квантовых устройств приходится рассматривать про-
цессы, подчиняющиеся законам микромира. Поэтому в зависимости от решаемой задачи ис-
пользуются различные приближенные модели и методы их описания.
Простейшей моделью, иллюстрирующей процессы излучения электромагнитного поля
микрочастицами и резонансный характер их взаимодействия с электромагнитным полем,
представляет собой модель, в которой излучение рассматривается как результат колебаний
электрона, удерживаемого около положения равновесия упругими силами. Более строгим и
плодотворным является вероятностный метод описания процессов в ансамбле микрочастиц,
представленный в данной главе. Вероятностный метод с успехом применяется, например,
при анализе некоторых моделей квантовых усилителей. Однако важнейшие задачи, связан-
ные с определением частоты и мощности квантовых генераторов, не могут быть решены в
рамках вероятностных методов. Эти параметры могут быть найдены с помощью полуклас-
сического метода. В полуклассической теории свойства рабочего вещества анализируются
методами квантовой механики, а электромагнитное поле — законами классической электро-
динамики. Наиболее строгий метод анализа квантовых приборов — метод квантовой элек-
тродинамики, но его реализация связана со сложным математическим аппаратом и выходит
за рамки данного курса. Впервые вероятностный метод анализа процесса взаимодействия
ансамбля микрочастиц с электромагнитным полем был проведен Эйнштейном.
2.6.1.	Энергетические уровни и квантовые переходы
В соответствии с законами квантовой механики внутренняя энергия изолированной микро-
частицы может принимать лишь дискретные значения, именуемые уровнями энергии. Сово-
купность различных разрешенных значений внутренней энергии микрочастицы определяет
32
ГЛАВА 2
систему уровней. Основой системы являются электронные уровни (ЭУ), отстоящие друг от
друга на (1-10) эВ. Между электронными уровнями располагаются колебательные уровни
(КУ) с расстоянием примерно 0,1 эВ, а между колебательными уровнями находятся враща-
тельные уровни (ВУ) с интервалом 10~3 эВ и менее. Названия групп уровней связаны с их
происхождением: электронные уровни соответствуют энергии взаимодействия электронов
с ядром; колебательные и вращательные уровни — с движением отдельных частей микроча-
стицы внутри самой микрочастицы и движением (вращением) частицы как целого. Уровень,
соответствующий наименьшей допустимой энергии микрочастицы, называется основным,
а остальные — возбужденными.
Изменение внутренней энергии называется переходом с уровня на уровень. При переходе
с более высокого энергетического уровня Е2 на низкий Е\ выделяется энергия Д£ц = Е2 - Еъ
а при переходе с низкого на более высокий поглощается такая же энергия. Переходы с излу-
чением или поглощением квантов электромагнитного поля (фотонов) называются излуча-
тельными. Энергетические уровни, с которых запрещены излучательные переходы на более
низкие уровни энергии, называются метастабильными. Энергия ДЕ21 может отдаваться
(или отбираться) микрочастицей и без участия электромагнитного поля при взаимодействии
с другой микрочастицей, в результате чего увеличивается или уменьшается кинетическая
энергия второй частицы. Такие переходы называются безызлучательными.
Переходы, которые совершаются в системах микрочастиц, классифицируются по раз-
личным признакам. Основными видами переходов являются спонтанные, вынужденные и
релаксационные.
2.6.2.	Спонтанные переходы
(231)
Спонтанные переходы — самопроизвольные излучательные квантовые переходы из верх-
него энергетического состояния в нижнее. Электромагнитное поле спонтанного излуче-
ния характеризуется тремя параметрами: центральной частотой спектральной линии К„,
спектральной плотностью излучения S(v) и мощностью излучения. Центральная частота
излучения называется также частотой квантового перехода и частотой спектральной ли-
нии и определяется постулатом Бора:
е2-ех
v = v2l =^—L
п
где Е2 и Е\ — энергии верхнего и нижнего уровней соответственно; h — постоянная Планка.
Ширина спектра спонтанного излучения относительно велика, и спонтанное излучение
должно рассматриваться как шумоподобный сигнал. Определим теперь мощность спонтан-
ного излучения. Здесь и в дальнейшем будем рассматривать процессы в единице объема ве-
щества.
Пусть в рассматриваемом объеме содержится N2 частиц с энергией Е2 и Nx частиц
с энергией Ех. Число частиц в единице объема с данной энергией называется населенно-
стью уровня. Спонтанные переходы носят случайный характер и оцениваются вероятно-
стью перехода в единицу времени A2i, которая называется коэффициентом Эйнштейна для
спонтанных переходов. Если населенность уровня N2 остается неизменной во времени
(или изменяется незначительно), то число переходов в единицу времени с уровня Е2 на уро-
вень составит
и21 = МЛ21.	(2.32)
При каждом переходе выделяется энергия Е2 - Ei = hv2i, поэтому мощность излучения
Рц= п2\(Е2 — Ei) = N2A2\hv2\.	(2.33)
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОПТОЭЛЕКТРОНИКИ
33
Между коэффициентом Эйнштейна и средним временем жизни частицы на уровне (вре-
мя, за которое при отсутствии внешнего возбуждения населенность уровня падает в «е» раз)
существует простая связь:
Л2| = 1/т2.	(2.34)
В системе частиц, имеющих несколько энергетических уровней, возможны спонтанные
переходы частиц с данного уровня на нижние. Полная вероятность спонтанного перехода
с уровня.у на все нижние уровни i равна сумме вероятностей отдельных спонтанных перехо-
дов Atl:
= Afl + Aj2 +...+ Al(/l).	(2.35)
Уровни, для которых вероятность спонтанных переходов очень мала, называют мета-
стабильными.
Время жизни на уровне j в многоуровневой системе определяется аналогично:
т,= 1/Л7.	(2.36)
Среднее время жизни на уровне составляет величину в пределах от единицы до сотен
наносекунд. На метастабильных уровнях время жизни составляет миллисекунды.
2.6.3.	Вынужденные переходы
Вынужденные переходы — это квантовые переходы частиц под действием внешнего элек-
тромагнитного поля, частота которого совпадает или близка к частоте перехода. При этом
возможны переходы с верхнего уровня 2 на нижний 7 и с нижнего на верхний. В первом
случае под действием внешнего электромагнитного поля с частотой v31 происходит выну-
жденное испускание кванта энергии. Особенность вынужденного испускания состоит в том,
что появившийся фотон полностью идентичен фотону внешнего поля. Вынужденное излу-
чение имеет такие же частоту, фазу, направление распространения и поляризацию, как и
вынуждающее излучение. Поэтому вынужденное излучение увеличивает энергию электро-
магнитного поля с частотой перехода v21. Это служит предпосылкой для создания кванто-
вых усилителей и генераторов.
Следует отметить, что на вынужденный переход с излучением энергии не затрачивается
энергия внешнего поля, которое является лишь своеобразным стимулятором процесса.
В противоположность этому для перевода частицы из нижнего энергетического состояния
7 в верхнее 2 необходимо затратить энергию внешнего поля, равную разности энергии верх-
него и нижнего уровней: £2 - £, = /iv21. Таким образом, при каждом вынужденном переходе
снизу вверх затрачивается квант энергии внешнего поля Av21.
Вынужденные переходы (как и спонтанные) имеют статистический характер. Поэтому
вводятся вероятностные коэффициенты: E2i — вероятность вынужденного перехода сверху
вниз и £|2 — снизу вверх в 1 с. Эти вероятности пропорциональны объемной плотности
энергии внешнего поля nv в единичном спектральном интервале на частоте перехода и оп-
ределяются соотношениями
E2i = 52lnv; £12 = B12nv,	(2.37)
где В21 и В,2 — коэффициенты Эйнштейна для вынужденных переходов с излучением и по-
глощением энергии соответственно.
Коэффициенты В2) и В12 имеют смысл вероятностей вынужденных переходов в 1 с при
единичной объемной плотности энергии внешнего поля (nv = 1 Джсм-Зс-1).
2- 3322
34
ГЛАВА 2
Число вынужденных переходов сверху вниз с излучением энергии в единицу времени в
единице объема пропорционально вероятности и населенности верхнего уровня N2:
^21=Е21М=В21П^2.	(2.38)
Аналогично при тех же условиях число вынужденных переходов снизу вверх с погло-
щением энергии
Ai2 = Ei2^=B12nvM.	(2.39)
2.6.4.	Соотношения между коэффициентами Эйнштейна
Эйнштейн рассмотрел процессы в полости абсолютно черного тела, в которой находятся
атомы газа. Со стенок, ограничивающих полость абсолютно черного тела, происходит те-
пловое излучение электромагнитного поля LIV. Под действием этого поля атомы газа совер-
шают вынужденные переходы; кроме того, происходят и спонтанные переходы. Эйн-
штейн рассмотрел состояние термодинамического равновесия такой системы. Состоянием
термодинамического равновесия называется такое, в которое она приходит будучи пре-
доставленной сама себе. В этом состоянии плотность энергии электромагнитного поля в
полости абсолютно черного тела, находящегося при температуре Т, определяется форму-
лой Планка
(8л у2/с3)
exp(/i- v/(k Г))-!
(2.40)
Распределение атомов газа по уровням энергии в состоянии термодинамического равно-
весия подчиняется закону Больцмана
N№/N№ = exp [-(Е2 - £,)/( k Т)].	(2.41)
При этом число излучательных переходов в единицу времени с верхних уровней на
нижние должно равняться числу излучательных переходов с нижних уровней на верхние.
Рассмотрим переходы между двумя уровнями Е2 и Et. С уровня Е2 совершаются спон-
танные переходы с вероятностью в единицу времени Л21 и вынужденные переходы под дей-
ствием поля излучения стенок полости с вероятностью Е2) = B21nv. Полное число переходов
в единицу времени со второго на первый уровень N2i:
N2t = N2(/l2i + £2i) = N2(A2i + B2luv).	(2.42)
С первого уровня на второй будут совершаться только вынужденные переходы, число ко-
торых в единицу времени:
^12“	(2.43)
В состоянии равновесия ^2(^21 + ^21) = М^12-	(2-44)
При условии равенства В12 и B2i: A2l=(&nhv32X/c3)B2l.	(2.45)
В приборах СВЧ-диапазона, работающих на «низкой» частоте,	вероятность спонтан-
ных переходов мала по сравнению с вероятностью вынужденных переходов и их роль не-
велика. В лазерах же, работающих на оптических частотах, пренебрегать спонтанными
переходами нельзя.
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОПТОЭЛЕКТРОНИКИ
35
2.6.5.	Релаксационные переходы
Переход системы частиц в состояние термодинамического равновесия называется процессом
релаксации, а квантовые переходы, которые способствуют установлению и поддержанию тер-
модинамического равновесия, называются релаксационными переходами. В качестве примера,
иллюстрирующего релаксационные переходы, рассмотрим процессы в некотором объеме га-
за. Как известно, молекулы газа находятся в тепловом хаотическом движении, причем сред-
няя кинетическая энергия молекулы газа пропорциональна кТ (к — постоянная Больцмана;
Т — абсолютная температура газа). В процессе теплового хаотического движения молекулы
газа сталкиваются между собой. При этом сталкивающиеся частицы могут взаимодейство-
вать между собой либо упруго, т.е. без изменения суммарной кинетической энергии сталки-
вающихся частиц, либо неупруго, когда часть кинетической энергии одной частицы может
перейти во внутреннюю энергию другой (или наоборот: внутренняя энергия одной частицы
может перейти в кинетическую энергию другой). В состоянии термодинамического (тепло-
вого) равновесия температура газа и суммарная кинетическая энергия всех частиц остаются
неизменными. Неизменна и внутренняя энергия частиц, которая распределяется между
уровнями по закону Больцмана.
Если нарушить равновесие, например, резко увеличить температуру газа до величины
Т2, то при новой температуре средняя кинетическая энергия молекул газа возрастет (станет
пропорциональна кТ2), суммарная кинетическая энергия всех частиц газа возрастет, а внут-
ренняя энергия частиц некоторое время будет оставаться неизменной. В результате неупру-
гих соударении, при которых часть кинетической энергии молекул переходит во внутрен-
нюю энергию частиц, произойдет ее увеличение так, что установится новое распределение
частиц по энергиям. После установления нового равновесия внутренняя энергия распредел-
яется по закону Больцмана при температуре Т2. Постоянная времени установления процесса
релаксации называется временем релаксации трел.
Релаксационные процессы происходят не только в газах, но и в твердых телах. Переход
кинетической энергии одной частицы во внутреннюю энергию другой при неупругих столк-
новениях молекул газа служит примером релаксационных переходов. Последние носят ста-
тистический характер. Вероятности релаксационных переходов между уровнями Ei и Е2 бу-
дем обозначать Ех2, а обратных переходов Е2Х. В большинстве случаев, имеющих место
в квантовых приборах, релаксационные переходы являются безызлучательными.
В состоянии термодинамического равновесия населенности уровней не изменяются во
времени, поэтому число безызлучательных переходов с уровня 1 на уровень 2 в 1 с равно
числу обратных безызлучательных переходов с уровня 2 на уровень Г.
^16^12= М2ъЕ2х.	(2.46)
В состоянии термодинамического равновесия распределение населенностей определяет-
ся законом Больцмана. Получаем
£2i/£i2 = exp(/iv21/(£7’)).	(2.47)
Из этого следует, что вероятность безызлучательных переходов сверху вниз больше,
чем снизу вверх (Е2Х > Ех2) в отличие от вероятностей вынужденных переходов, которые
одинаковы. Если hv2x « кТ, что обычно справедливо для квантовых приборов СВЧ-диапа-
зона, то (2.47) можно заменить приближенным выражением
£2i/£|2= 1 +ftv2l ЦкТ).	(2.48)
т
36
ГЛАВА 2
2.7.	Ширина спектральной линии
До сих пор мы рассматривали ансамбли одинаковых частиц, имеющих, например, энергети-
ческие уровни Е2 и Et, между которыми совершаются переходы. При излучательных пере-
ходах между уровнями Е2 и Et различных частиц частота излучения всех частиц должна
быть одинаковой. Однако в соответствии с принципом Паули в системе частиц не может
быть больше двух частиц, имеющих одинаковую энергию. Поэтому при образовании ан-
самбля одинаковых частиц их энергетические уровни несколько расщепляются. Степень раз-
мытия уровней определяется соотношением Гейзенберга, которое можно записать в форме
ДЕ Аг > h,	(2.49)
где ДЕ и Д/ — неопределенности энергии и времени.
Предположим, что необходимо вычислить частоту излучения при переходе с уровня 2
на основной уровень 7. Время жизни частиц в возбужденном состоянии определяется:
т2 = 1Л421- Следует считать, что неопределенность времени равна времени жизни частицы,
т.е. Д7 = т2. Подставляя Д7 в формулу (2.49), получаем неопределенность энергии уровня 2:
&Е2 > И1т2. Наиболее широкими оказываются уровни с малым временем жизни. Неопреде-
ленность частоты перехода между «размытыми» уровнями 2 и 7 с шириной ДЕ2 и AEi нахо-
дится из соотношения vmax - vmin = (ДЕ2 + AEi)/E и характеризуется суммой неопределенно-
стей энергии обоих уровней. Ширина спектральной линии, определяемая только временем
жизни частиц по спонтанному излучению, минимальна и называется естественной шири-
ной спектральной линии. Ширину контура спектральной линии принято рассчитывать как
разность частот, на которых интенсивность I равна половине максимального значения /0.
Частотой перехода (центральной частотой перехода) называют частоту, соответствующую
максимуму спектральной линии. Форма спектральной линии может быть представлена так
называемой лоренцевой кривой I/Io = Av2/[(v - v0)2 + Av2], совпадающей с резонансной кри-
вой колебательного контура. Реальные наблюдаемые спектральные линии имеют ширину
больше естественной.
Уширение спектральной линии из-за столкновений. В газообразных веществах мо-
лекулы газа, находясь в тепловом движении, сталкиваются друг с другом; при этом часть
таких столкновений имеет неупругий характер. При неупругих соударениях совершается
переход между уровнями, что сокращает время жизни частицы на уровне по сравнению с
временем жизни, обусловленным спонтанными переходами. Но уменьшение времени жизни
на уровне в соответствии с принципом Гейзенберга приводит к увеличению размытости
уровня ДЕ, что в свою очередь вызывает уширение спектра излучения. Для уменьшения эф-
фекта уширения линии излучения при столкновениях в некоторых квантовых приборах ис-
пользуются методы, снижающие вероятность неупругих столкновений излучающих частиц.
Для этого увеличивают длину свободного пробега частиц, заставляя их двигаться в форме
остро направленных пучков. Для предотвращения сокращения времени жизни при неупру-
гих соударениях со стенками сосуда последние покрывают материалом, при столкновениях
с которым частица испытывает только упругое отражение.
Доплеровское уширение спектральной линии. Это уширение связано с эффектом До-
плера, т.е. с зависимостью наблюдаемой частоты излучения от скорости движения излуча-
теля. Если источник, создающий в неподвижном состоянии монохроматическое излучение с
частотой v0, движется со скоростью V в сторону к наблюдателю так, что проекция скорости
на направление наблюдения составляет Vx, то наблюдатель регистрирует более высокую
частоту излучения
v = v0(l + Ух/с) = v0 (1 + Kcos0/c),	(2.50)
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОПТОЭЛЕКТРОНИКИ
37
где с — фазовая скорость распространения волны; 6 — угол между направлениями движения
излучателя и наблюдения.
В квантовых системах источниками излучения являются атомы или молекулы. В газо-
образной среде при термодинамическом равновесии скорости частиц распределены по зако-
ну Максвелла-Больцмана. Поэтому и форма спектральной линии всего вещества будет свя-
зана с этим распределением. В спектре, регистрируемом наблюдателем, должен быть непре-
рывный набор частот, так как разные атомы движутся с разными скоростями относительно
наблюдателя. Учитывая лишь проекции скоростей Vx в распределении Максвелла-Больцма-
на, можно получить следующее выражение для формы доплеровской спектральной линии:
1 = 10 ехр
Me2 (v-v0)2
2кТ у2
(2-51)
Эта зависимость является гауссовской функцией. Соответствующая значению Iq/2 ши-
рина линии
Дуд = v0 = у]2\п2(кТ/(Мсг)).	(2-52)
С увеличением массы частиц М и понижением температуры Т ширина линии Ауд умень-
шается.
Наблюдаемая спектральная линия вещества представляет собой суперпозицию спек-
тральных линий всех частиц вещества, т.е. линий с различными центральными частотами.
Для легких частиц при обычной температуре ширина доплеровской линии в оптическом
дшпазоне может превышать естественную ширину линии на несколько порядков и дости-
гать значения более 1 ГГц.
В квантовых приборах широко используются твердые вещества с примесными ионами,
квантовые переходы которых являются рабочими. Колебания кристаллической решетки
создают переменное электрическое поле, которое влияет на ионы решетки и изменяет их
энергию, а это приводит к размытию энергетических уровней и уширению спектральной
линии. Кроме того, ширина линии увеличивается вследствие тепловых колебаний самих ио-
нов. Причиной уширения спектральной линии твердого тела может быть также пространс-
твенная неоднородность физических параметров среды или неоднородности электрического
и магнитного полей. Причиной уширения спектральной линии может быть также электро-
магнитное излучение, вызывающее вынужденные переходы между рассматриваемыми
уровнями и приводящее к изменению времени жизни частицы. Поэтому, например, процесс
генерации излучения в квантовых приборах будет приводить к изменению ширины линии.
2.8.	Использование вынужденных переходов
для усиления электромагнитного поля
То обстоятельство, что вынужденное излучение возбужденных микрочастиц при переходах
с верхнего энергетического уровня на нижний когерентно (совпадает по частоте, фазе, по-
ляризации и направлению распространения) с вынуждающим, наталкивает на мысль о воз-
молфости использования вынужденных переходов для усиления электромагнитного поля.
Чтобы оценить возможность такого усиления, рассмотрим обмен энергии между полем и
веществом [22]. Будем предполагать, что вещество имеет два энергетических уровня Е} и Е2
с населенностями и TV2, а частота внешнего поля равна частоте квантового перехода v2j.
При объемной плотности энергии uv число вынужденных переходов в единицу времени
38
ГЛАВА 2
в единице объема с выделением энергии п2} = BuvN2, а выделяемая при этих переходах
энергия в единице объема в единицу времени, т.е. мощность
Лыд = n2ihv2i = BuvN2hv2i.	(2.53)
Аналогично число вынужденных переходов с поглощением энергии и поглощаемая от
внешнего поля мощность в единице объема соответственно
«12 = BuvN\,	(2.54)
/’nora = 5wvArl/iv2i.	(2.55)
Изменение мощности электромагнитного поля
Р = /’выд - Рпогл = в h v2I(M - TV,).	(2.56)
Назовем эту величину мощностью взаимодействия.
Если Р > 0, т.е. выделяемая мощность превышает поглощаемую, то в системе происхо-
дит увеличение энергии поля или усиление электромагнитного поля. При Р < 0 преобладает
поглощение энергии, и энергия внешнего поля убывает.
Таким образом, условием усиления (Р > 0) будет N2 - Nt > 0 или N2/Nt > 1.
В состоянии термодинамического равновесия населенность верхнего уровня меньше,
чем нижнего (N2& < в соответствии с законом Больцмана. Поэтому вещество в этом со-
стоянии поглощает энергию внешнего поля (Р < 0), так как число квантовых переходов и|2
снизу вверх (1 —> 2) с поглощением энергии больше числа квантовых переходов сверху вниз
(2 -> 1)п\2 с выделением энергии.
Соотношение N2 > является обратным (инверсным) по отношению к состоянию тер-
модинамического равновесия, когда Мб < Мб- Поэтому состояние, при котором М > М,
т.е. возможно усиление, называют состоянием с инверсией населенностей уровней.
Закон Больцмана, справедливый для термодинамического равновесия, можно записать так:
Av2I
Т E2-Et _________________
" “ А 1п(М72VJ ~ к ln(M/N2Y
(2.57)
Величину Т„ называют температурой перехода. Формально при состоянии с инверсией
населенностей эта температура отрицательна (ТП < 0).
Среда, в которой имеется состояние с инверсией населенностей, называется также актив-
ной средой, так как в ней возможно усиление электромагнитного поля.
В состоянии термодинамического равновесия Мб > Мб, поэтому при воздействии элек-
тромагнитного поля число вынужденных переходов снизу вверх (7 -» 2) больше числа вы-
нужденных переходов сверху вниз (2 —> /): населенность нижнего уровня убывает, а верх-
него — растет. При достаточно большой объемной плотности энергии поля uv может про-
изойти выравнивание населенностей уровней (М и М), когда числа вынужденных перехо-
дов 7 —> 2 и 2 —> 7 равны, т.е. наступает динамическое равновесие. Явление выравнивания
населенностей уровней называют насыщением перехода. Таким образом, при воздействии
электромагнитного поля на двухуровневую систему можно добиться насыщения перехода,
но не инверсии населенностей.
Населенности уровней при любом значении объемной плотности энергии поля находят-
ся из решения скоростных (кинетических) уравнений. Для двухуровневой системы скорости
изменения населенностей уровней:
dM/d*= -NtBuv - ММг + N2Buv + N2A2t + N2E2i',	(2.58)
dM/d/ = N{Buv + NtEl2 - N2Buv - N2A2I - N2E2l;
M + M = M	(2.59)
где /V— полное число частиц.
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОПТОЭЛЕКТРОНИКИ
39
Поясним процедуру составления уравнений. Населенность уровня 1 в единицу времени
убывает вследствие вынужденных переходов 7 —> 2 на величину NxBuv, а из-за безызлуча-
тельных переходов / —> 2 — на величину N\Ea. Одновременно происходит рост населенно-
сти Nx вследствие переходов 2 —> 1 на величину N2Buv (вынужденные переходы), NXA2X
(спонтанные переходы) и N2E2x (безызлучательные переходы). Первые два слагаемых учи-
тывают увеличение N2 в результате вынужденных и безызлучательных переходов 7 -> 2,
а остальные определяют убывание N2 вследствие вынужденных, спонтанных и безызлуча-
тельных переходов 2 -> 1.
Очевидно, что для двухуровневой системы при сохранении полного числа частиц
dM/dT = -d№/dz.
В стационарном состоянии dNx/dt = dN2/dt = О, поэтому можно написать систему двух
уравнений
Nx(Buv + £12) — N2(Buv + Л21 + £21)= 0;
т Л2 ~ TV.	(2.6°)
Решая эту систему уравнений, можно найти стационарные величины Nx и N2, а затем их
разность и отношение:
7V, =-------------Л21 + gzi •	(2.61)
^21 + ^21 + ^12 I + ^12М21
N Е2\ + BuV .
^21+В2\+ВП l + ^i2Wv
А/ — А/ (^21 + ^2|).	1	
А| + ^"21 + Bi2 I+ ^12Mv
N, Л21 + £2| + Buv
^2	£12+B«v
Л21 + £21 + £|2
(2.62)
(2-63)
(2.64)
(2.65)
Показаны зависимости Nx и N2 от объемной плотности энергии nv для случая, когда
система до воздействия электромагнитного поля находилась в термодинамическом равнове-
сии с населенностями 7V16 и N2&, определяемыми законом Больцмана. Из этого следует, что
при малых значениях nv населенность нижнего уровня М убывает, а верхнего N2 растет по
линейному закону. При очень больших значениях плотности энергии (nv —> со) Nx и N2 стре-
мятся к среднему значению N/2 = (Nx6 + 7V26)72, соответствующему насыщению переходов.
При отсутствии поля (nv = 0) населенности уровней равны Nf и причем > TV®.
С ростом nv TV2 убывает, а TV| растет от значений N° и N° по линейному закону, но при
больших nv асимптотически они приближаются к среднему значению N/2 = (N° + 7V2)/2,
соответствующему насыщению перехода.
Разность населенностей уровней (N2 — Nx) определяет мощность взаимодействия:
P-Bhv2^.-I2JAi+-£2j)-----
Л2,+£21+£12 1 + 612П,
(2.66)
40
ГЛАВА 2
Эта формула позволяет найти зависимость мощности взаимодействия от объемной
плотности энергии uv электромагнитного поля, взаимодействующего с веществом. Зависи-
мость P(nv) определяется отношением П„/(1 + 612nv). При увеличении wv мощность сначала
(при 6i2wv «1) линейно растет, а затем стремится к предельному значению Рпред, которое
определяется путем раскрытия неопределенности при nv —> оо, т.е. в состоянии насыщения
перехода
Рпред = 0,5 h v21 ZVCE2i - (Л2| + E2i)].	(2.67)
Используя соотношение и учитывая, что обычно вероятность релаксационных перехо-
дов много больше вероятности спонтанных, выражению можно придать более простой и
наглядный вид
р (^-^)ДЛуП,
i+2Tpe„zmv
(2.68)
где Трел — время релаксации.
В состоянии насыщения при nv —> оо (ТУ, = N2), когда мощность, выделяемая при вынуж-
денных переходах 2 —> J, равна мощности, поглощаемой при вынужденных переходах 1 -> 2,
от электромагнитного поля отбирается мощность Эта мощность необходима для под-
держания равенства населенностей уровней, которое постоянно стремится нарушаться из-за
наличия спонтанных и безызлучательных переходов с вероятностями Л21, Е2\ и £)2. Число
этих переходов непосредственно от плотности энергии не зависит и определяется только
населенностью уровней. Получаемая от электромагнитного поля энергия рассеивается в ве-
ществе, например в кристаллической решетке в виде теплоты.
2.9.	Механизм генерации излучения
в полупроводниках
Физической основой полупроводниковых излучателей является люминесценция. Под люми-
несценцией понимают электромагнитное нетепловое излучение, обладающее длительностью,
значительно превышающей период световых колебаний. Таким образом, в определении
подчеркивается тот факт, что в отличие от свечения накаленных тел для люминесценции не
требуется нагревания тела, хотя, конечно, подведение энергии в том или ином виде необхо-
димо. Кроме того, в отличие от рассеяния света люминесценция продолжается некоторое
время после отключения возбуждающей энергии. Иначе говоря, поглощенная люминесци-
рующим проводником энергия на некоторое время задерживается в нем, а затем частично
превращается в оптическое излучение, частично — в теплоту.
В зависимости от вида энергии, возбуждающей люминесценцию, различают фото-,
электро- и другие виды люминесценции [23]. Люминесцировать могут твердые, жидкие и
газообразные тела. В оптоэлектронных полупроводниковых приборах используется люми-
несценция кристаллических примесных полупроводников с широкой запрещенной зоной.
Люминесценция включает два основных этапа. На первом из них под воздействием
возбуждающей энергии происходит генерация носителей заряда. Этот этап определяет тип
люминесценции. На втором этапе генерированные носители заряда рекомбинируют на
центрах рекомбинации. Выделяющаяся при рекомбинации энергия превращается либо в оп-
тическое излучение, либо в теплоту.
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОПТОЭЛЕКТРОНИКИ
41
Как ясно из самого названия, инжекционная электролюминесценция, т.е. генерация оп-
тического излучения в р-и-переходе, объединяет два процесса: инжекцию носителей и соб-
ственно электролюминесценцию. С помощью инжекции обеспечивается создание неравно-
весных носителей заряда (см. рис. 2.10).
При наличии контакта однородных полупроводников с разными типами электропровод-
ности уровень Ферми £ф в равновесном состоянии должен быть единым. Это приводит к ис-
кривлению зон и образованию потенциального барьера (рис. 2.11).
Рис. 2.10. Электролюминесценция р-л-перехода
Рис. 2.11. Движение носителей заряда
в р-/?-переходе
Основная масса дырок из p-слоя, где их много, диффундирует слева направо в область
перехода, но не может преодолеть потенциальный барьер и, проникнув в переход на некото-
рую глубину, снова возвращается в p-слой. Дырки и-слоя, как «пузырьки», легко «всплыва-
ют» по дну валентной зоны независимо от энергии в p-слой и образуют дрейфовый поток
справа налево.
Этот поток уравновешивается встречным диффузионным потоком дырок p-слоя, имею-
щих большую энергию и способных преодолеть потенциальный барьер. Аналогичная кар-
тина в движении электронов: электроны p-слоя свободно скатываются в и-слой -— это дрей-
фовый ток. Этот электронный поток уравновешивается потоком электронов л-слоя, обла-
42
ГЛАВА 2
дающих большой энергией. При приложении прямого напряжения потенциальный барьер
понижается и появляются диффузионные токи как дырок, так и электронов, т.е. увеличива-
ется инжекция неосновных носителей: дырок в «-область, электронов в р-область.
Рис. 2.12. Рекомбинация носителей
в р-п-переходе
Рис. 2.13. Составляющие тока
инжекционной электролюминесценции:
ОПЗ — область поверхностной зоны
Как правило, излучающей явля-
ется область только по одну сторону
р-п-перехода (p-область на рис. 2.12).
Желательно, чтобы количество ин-
жектированных носителей было
максимально именно в излучающей
(активной) p-области. С этой целью
в «-область вводят больше донор-
ной примеси, чем акцепторной в
p-область. Таким образом, в излу-
чающей структуре инжекция прак-
тически односторонняя — из «-эмит-
тера в p-базу, и излучает базовая
область.
Материалы излучающих струк-
тур, как уже отмечалось, должны
иметь широкую запрещенную зону.
В таких структурах оказывается зна-
чительным и даже преобладающим
рекомбинационный ток /рек, вызван-
ный процессами рекомбинации в об-
ласти объемного разряда р—«-пере-
хода (см. рис. 2.12). Чем больше ши-
рина запрещенной зоны, тем больше
потенциальный барьер и тем значи-
тельнее рекомбинация электронов в
р-«-переходе. Эта рекомбинация
происходит обычно на глубоких
центрах люминесценции и заканчив-
ается генерацией тепловой энергии
(генерация на центрах рекомбина-
ции 2 — рис. 2.13). Таким образом,
для оптического излучения эти элек-
троны «пропадают», а рекомбинаци-
онный ток /реК, ими создаваемый, снижает эффективность инжекции «излучающих» элек-
тронов.
Полезной компонентой тока, обеспечивающей излучательную рекомбинацию в р-базе,
является электронный ток /„, инжектируемый эмиттером. Эффективность инжекции опре-
деляется тем, насколько ток 1п отличается от полного тока I и характеризуется коэффици-
ентом у:
У ~ IJI ~ 1п1(1п + /р + /рек + /тун + /пов),	(2.69)
где 1Р —- дырочная составляющая тока, обусловленная инжекцией дырок в «-эмиттер (доля
1Р тем меньше, чем сильнее легирован «-эмиттер по сравнению с p-базой); /рек — ток безыз-
лучательной рекомбинации в областир-«-перехода; — туннельный ток, обусловленный
«просачиванием» носителей сквозь потенциальный барьер (Z^,, тем больше, чем уже р-и-
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОПТОЭЛЕКТРОНИКИ
43
переход, чем сильнее легирована база и чем больше прямое напряжение); /пов — ток утечки
по поверхности р-п-перехода.
Инжектированные в p-базу электроны рекомбинируют там вблизи р—«-перехода, при
этом наряду с рекомбинацией, которая обеспечивает генерацию оптического излучения, су-
ществуют механизмы безызлучательной рекомбинации, не дающие излучения. К важней-
шим из них относятся:
- рекомбинация на глубоких центрах люминесценции', электрон может переходить в
валентную зону не непосредственно, а через те или иные центры рекомбинации, об-
разующие энергетические уровни в запрещенной зоне. В этом случае энергия ре-
комбинации частично выделяется в виде длинноволновых фотонов, частично пере-
ходит в тепловые колебания решетки. В качестве таких центров выступают примеси
и структурные дефекты. Особенно вредны примеси, образующие уровни вблизи се-
редины запрещенной зоны (глубокие центры). К числу таких примесей относятся
медь, никель, кобальт, хром, золото и некоторые другие;
-ударная, или Оже-рекомбинация. При очень высоких концентрациях свободных но-
сителей заряда в полупроводнике увеличивается вероятность столкновения трех тел
(например, двух электронов и дырки). Энергия рекомбинирующей электронно-дыроч-
ной пары при этом отдается третьему свободному носителю в форме кинетической
энергии. Эта кинетическая энергия постепенно теряется при соударении с решеткой.
Практически к безызлучательным актам рекомбинации следует отнести и такие, при ко-
торых генерируют фотоны с энергией, много меньшей ширины запрещенной зоны £3. Полу-
чающееся при этом «длинноволновое» излучение выходит из рабочего спектрального диа-
пазона излучателя и теряется при передаче оптического сигнала.
Количественно эффективность рекомбинации при люминесценции характеризуют
внутренним квантовым выходом г]э, который определяют отношением числа актов излу-
чательной рекомбинации к полному числу актов (излучательной и безызлучательной) ре-
комбинации. Иногда внутренний квантовый выход определяют отношением генерирован-
ных фотонов к числу инжектированных в активную область за то же время неосновных
носителей заряда (в нашем примере — электронов в р-базу).
Таким образом, эффективность инжекционной электролюминесценции определяется
произведением уг]э. Предельный г|э определяется условиями изготовления р-и-перехода
и электрическим режимом работы. Прежде всего т)э зависит от плотности прямого тока J
(рис. 2.14). При малых плотностях тока боль-
шое влияние оказывает рекомбинация в обла-
сти объемного заряда, вследствие которой т)э
сначала резко нарастает с увеличением J до
тех пор, пока диффузионная компонента не
становится преобладающей в токе диода. Даль-
нейшее увеличение J приводит к постепенному
насыщению центров люминесценции и умень-
шению Т]э.
Влияние температуры сводится к измене-
нию коэффициента инжекции и внутреннего
квантового выхода. Коэффициент инжекции не-
сколько увеличивается при более высоких тем-
пературах; эффективность излучения обычно
снижается, и внутренний квантовый выход
уменьшается.
Рис. 2.14. Зависимость внутреннего
квантового выхода от плотности
прямого тока
44
ГЛАВА 2
2.10.	Прямозонные и непрямозонные полупроводники
На первом этапе люминесценции возможны различные переходы электронов: зона-зона,
зона-примесный уровень и переходы между уровнями примеси. При межзонных переходах
возможны два основных случая, соответствующие прямым и непрямым переходам Наличие
прямых и непрямых переходов объясняется зависимостью энергии электрона от его импульса
(рис. 2.15, о). Импульс электрона Рэ равен произведению его массы w, на скорость движения
Рэ = m3V.	(2.70)
Рис. 2.15. Зависимость энергии электрона от импульса
для прямых (а) и непрямых (б) переходов электронов
Прямой переход — это переход электрона без изменения его импульса. Непрямой пере-
ход сопровождается изменением импульса электрона, которое компенсируется импульсом
излучаемого или поглощаемого фотона.
По закону сохранения импульса при излучении или поглощении фотона должно выпол-
няться равенство
P3i=P32±^,	(2.71)
где P3i и Рэ2 — начальный и конечный импульсы электрона соответственно; — импульс
фотона.
Так как скорость движения фотона равна скорости света, то к$ — т$с0, где масса фотона
»1ф связана с длиной волны соотношением Бройля (де Брольи)
/иф=Л/(Хс)-	(2.72)
Тогда импульс фотона
*Ф =«ф = h\/c^E3lc,	(2.73)
где £3 — ширина запрещенной зоны.
Для Е3« 1 эВ имеем « Рз2, т.е. импульс электрона можно считать неизменным при
прямом переходе (Рэ)» Рэ2), что соответствует переходу по вертикали между максимумом
валентной зоны Ев и минимумом зоны проводимости Е„ (см. рис. 2.15, а).
Могут происходить также переходы электронов из валентной зоны в зону проводимо-
сти с изменением импульса электрона (Рэ] * Рэ2) — непрямые переходы. При этом в процес-
се поглощения энергии, кроме фотона и электрона, должна участвовать еще третья частица,
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОПТОЭЛЕКТРОНИКИ
45
которая заберет часть импульса на себя (рис. 2.15, б). Закон сохранения импульса при не-
прямых переходах имеет вид
Р3} = Р,2±кф+к,	(2.74)
где к— импульс третьей частицы (например, фотона).
Основные материалы полупроводниковых излучателей (GaAs и тройные соединения на
его основе — GaAlAs и GaAsP) относятся к прямозонным полупроводникам, т.е. к таким, в
которых разрешены прямые оптические переходы зона-зона. Каждая рекомбинация носи-
теля заряда при таком переходе сопровождается излучением фотона с длиной волны
1 = 1,24/£3,	(2.75)
где 1 — в мкм; £3 — в эВ.
Таким образом, выполнение закона сохранения импульса (оно также обязательно для
любого электронного перехода, как и соблюдение закона сохранения энергии) при прямых
переходах не требует участия в рекомбинации третьей (кроме электрона и дырки) частицы.
Вследствие этого вероятность прямых оптических переходов высока и прямозонные полу-
проводники являются эффективными люминесцентными материалами.
В непрямозонных полупроводниках (например, в фосфиде галлии GaP) минимум зоны про-
водимости смещен по оси импульса. Излучательная рекомбинация электрона с дыркой идет
лишь на некотором комплексе, которому передается избыточный импульс и, соответственно,
часть энергии. Длина волны излучения при непрямых переходах получается больше. Тем не ме-
нее излучательная рекомбинация может эффективно идти через подходящие примесные центры
в два этапа: сначала происходит локализация носителя одного знака на примесном центре, а за-
тем рекомбинация этого носителя со свободным носителем другого знака. В качестве таких
центров излучательной рекомбинации в фосфиде галлия, например, выступают комплексы
донор — акцептор (Zn+ - 0") или нейтральные ловушки (атом N вместо атома Р в решетке GaP).
Следует отметить, что самопоглощение излучения идет в прямозонных полупроводни-
ках значительно сильнее, чем в непрямозонных.
В табл. 2.3 приведены материалы, используемые для изготовления полупроводниковых
излучателей, и значения ширины запрещенной зоны £3 для каждого материала.
Таблица 2.3. Перспективные материалы для элементной базы оптоэлектроники
Характеристика материала				Легирующая примесь	
Тип материала	Химическая формула	Ширина запрещенной зоны, Эв	Показатель преломления	р-типа	л-типа
	GaP	2,25	3,3	Zn, Cd	Se, Те
	GaAs	1,43	3,6	Zn, Cd	Se, Те
	GaN	3,25	2,1...2,4	Zn, Cd	Se. Те
	InN	2,4	2,9	Zn, Cd	Se, Те
	AIN	3,8	2,0	Zn, Cd	Se, Те
	A1P	2,45	—	Zn, Cd	Se, Те
	Gai.xlnxP	1,35...2,25	2,9...3,3	Zn, Cd	Se, Те
a'"bv	Ga,.xAsxP	1,43...2,25	3,3...3,6	Zn, Cd	Se, Те
	A1AS|.XPX	2,16...2,45	—	Zn, Cd	Se, Те
	Al|.xlnxP	1,30...2,45	—	Zn, Cd	Se, Те
	Ga|.xAlxP	2,25...2,45	—	Zn, Cd	Se, Те
	GaAlN	3,25...3,8	—	Zn, Cd	Se, Те
	Ga|.xlnxAs,.yPy	0,36...2,25	2,9...3,3	Zn. Cd	Se, Те
	Ga|.xAlAs|.yPy	1,43...2,45	2,9...3,2	Zn, Cd	Se. Те
	Al|.xlnxAS|.yPy	0,36...2,45	3,0...32	Zn, Cd	Se, Те
46
ГЛАВА 2
Продолжение табл. 2.3
Характеристика материала				Легирующая примесь	
Тип материала	Химическая формула	Ширина запрещенной зоны, Эв	Показатель преломления	р-типа	л-типа
AlnBvl	ZnS CdS ZnSe CdSe Znle CdTe Zri|.xCdxS ZnbxCdxSe ZnSe j _XSX Cd,.xSexS CdTe|.xSx	3,8 2,9 2,7 1,8 2,3 1,6 2,9...3,8 1,8...2,7 2,7...3,8 1,8...2,9 1,6...2,9	2,4 2,5 2,9 2,6 3,6 2,8 2,4...2,5 2,6...2,9 2,4... 2,9 2,5...2,6 2,5...2,7	Си, Р Си, Р Си, Ag, Р Li, Sb, Р Си, Р Си, Р, Sb	Ai, Br, Cl Al, In, Ga, Br Al, Br, In, Ga CI, Br, I Al, Cl, Ga Al, Cl, In Al, In, Br, Ga Br, Ga, In, Al Al, Br, Cl Al, Br, CI Cl, In, I
AVIBVI	SiC	2,8-3,3	2,5...2,7	Al, In	N
Другие материалы	Si CuAlS2 GaS ZnSe-GaP ZnS- GaP	1,1 3,5 3,4 2,25...2,70 2,25...3,80	3,5 2,9...3,3 2,4...3,3	В, Ga, Al	As, P, Sp
Предпочтение в современных излучателях отдано полупроводникам с прямыми перехо-
дами. Выбор ширины запрещенной зоны Е3 определяется рабочей длиной волны излучателя
в оптическом диапазоне волн.
Из выражения (2.74) имеем
£,=1,24/^.	(2.76)
Следовательно, для работы в диапазоне видимого излучения (0,38...0,78 мкм) необхо-
димы полупроводники с шириной запрещенной зоны ],5...3,0 эВ. Это требование сразу
исключает использование германия, кремния и других полупроводников, технология кото-
рых хорошо разработана, и обусловливает переход к материалам типа AniBv, их твердым
растворам и др.
В полупроводниках генерация оптического излучения обеспечивается обычно с помо-
щью электролюминесценции. При электролюминесценции энергия возбуждения потребля-
ется из электрического поля. Различают два вида электролюминесценции:
— инжек11ионную, которая возникает в р-и-переходе, находящемся под прямым напря-
жением;
- предпробойную, которая развивается в сильных полях, близких к тем, при которых по- '
является электрический пробой р-и-перехода.
Наибольшее применение в излучателях нашла инжекционная электролюминесценция.
2.11.	Внешний квантовый выход и потери излучения
Инжекционная электролюминесценция служит физической основой работы излучающих
полупроводниковых диодов. Термином «излучающие диоды» охватываются диоды, работа-
ющие в диапазоне видимого излучения, — это СИД (используются для визуального отобра-
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОПТОЭЛЕКТРОНИКИ
47
жения информации) и диоды, работающие в инфракрасном диапазоне оптического излуче-
ния, — инфракрасные излучающие диоды (ИК-диоды).
Излучающий диод — основной и наиболее универсальный излучатель некогерентной
оптоэлектроники. Это обусловливает следующие его достоинства: высокое значение кпд
преобразования электрической энергии в оптическую; относительно узкий спектр излуче-
ния (квазимонохроматичность) для одного типа диодов, с одной стороны, и перекрытие
почти всего оптического диапазона излучения диодами различных типов — с другой; высо-
кая для некогерентного излучателя направленность излучения; малые значения прямого па-
дения напряжения, что обеспечивает электрическую совместимость СИД с интегральными
схемами; высокое быстродействие; малые габариты, технологическая совместимость с мик-
роэлектронными устройствами, высокая надежность и долговечность.
Качество излучающего диода характеризуется внешним квантовым выходом
Л = УПэПопт,	(2-77)
где у— коэффициент инжекции; т]э— внутренний квантовый выход; Т]опт — оптическая эф-
фективность, или коэффициент вывода света.
Произведение ут]э определят эффективность инжекционной электролюминесценции.
Однако даже при большом значении уг|э внешний квантовый выход может оказаться малым
вследствие низкого вывода излучения из структуры диода во внешнюю среду. При выводе
излучения из активной (излучающей) области диода имеют место потери энергии (рис. 2.16).
Рис. 2.16. Потери оптического излучения при выходе во внешнюю среду
1.	Потери на самопоглощение (излучение /). При поглощении полупроводником фо-
тонов их энергия может быть передана электронам валентной зоны с переводом этих
электронов в зону проводимости. Возможно поглощение энергии фотонов свободными
электронами зоны проводимости или дырками валентной зоны. При этом энергия фото-
нов расходуется также на перевод носителей на более высокие для них энергетические
уровни, но в пределах соответствующей разрешенной зоны. Возможно примесное погло-
щение фотонов, при котором их энергия идет на возбуждение примесных уровней. Кроме
того, в полупроводниках может происходить поглощение фотонов кристаллической ре-
шеткой, поглощение с переходом электронов с акцепторного на донорный энергетичес-
кий уровень и некоторые другие виды поглощения.
2.	Потери на полное внутреннее отражение (излучение 2). При падении излучения на
границу раздела оптически более плотной среды (полупроводник) с оптически менее плот-
ной (воздух) для частиц излучения выполняется условие полного внутреннего отражения.
Эта часть излучения, отразившись внутри кристалла, в конечном счете теряется за счет са-
мопоглощения.
48
ГЛАВА 2
Излучение, падающее на поверхность раздела под углом 6, превышающим критический
угол 0кр, претерпевает полное внутреннее отражение; при 0 < 9кр излучение частично отра-
жается от непросветленной поверхности. Это френелевские потери. Если на поверхность
полупроводника нанести диэлектрическую пленку с соответствующими значениями толщи-
ны и показателями преломления, то она будет оказывать просветляющее действие, и коэф-
фициент пропускания увеличится; критический угол при этом практически не изменится.
3.	Потери на обратное и торцевое излучение (3 и 4). Генерация в активной области по-
лупроводника спонтанная и характеризуется тем, что лучи направлены равновероятно во
все стороны. Излучение 3, распространяющееся в сторону эмиттера, быстро поглощается.
Активная область нередко слегка отличается значением показателя преломления от со-
седних областей. Поэтому излучение 4 вследствие многократных отражений фокусируется
вдоль активной области, так что интенсивность торцевого излучения выше, чем в других
направлениях выхода света из кристалла.
Эффективность выхода оптического излучения из диода характеризуется коэффициен-
том выхода г]опт и определяется отношением мощности выходящего излучения к мощности
излучения, генерируемого внутри кристалла
Поит = /’мзл/Лен-	(2-78)
Таким образом, внешний квантовый выход ц — это интегральный показатель излуча-
тельной способности СИД, который учитывает эффективность инжекции v, электролюми-
несценции т)э и вывода излучения т]опт в создании оптического излучения.
2.12.	Излучатели на основе гетероструктур
Наилучшие параметры имеют диоды, изготовленные на основе гетероструктур (или гетеро-
проходов) [23]. На рис. 2.17, а изображены энергетические диаграммы излучающей гетеро-
структуры GaAlAs-GaAs в состоянии равновесия. На металлургической границе перехода
образуется разрыв (скачок) энергии ДЕ = Е^ - Ез2. Таким образом, гетероструктура имеет
различные потенциальные барьеры для инжектируемых дырок и электронов.
Движение носителей в равновесном состоянии гетероструктуры определяется носителя-
ми заряда только одного типа (для гетероструктуры на рис. 2.17, а — электронами). Поэто-
му при приложении прямого напряжения имеет место односторонняя инжекция — только
электронов из широкого слоя (эмиттера) в узкозонный слой (базу). Такая структура, содер-
жащая широкозонный эмиттер и узкозонную базу, называется одинарной гетероструктурой.
Наряду с одинарной в излучающих диодах используется двойная гетероструктура, в ко-
торой имеется дополнительно запирающий широкозонный р3-слой того же, что и база типа
проводимости (рис. 2.17, б). В двойной гетероструктуре второй потенциальный барьер пре-
пятствует выходу электронов из базовой области (зона базы образует потенциальную
«яму», в которой скапливаются инжектированные электроны).
Избыточная концентрация носителей в активной (излучающей) области и односторон-
няя инжекция резко повышают внутренний квантовый выход гетероструктуры, а также ее
быстродействие.
В самом деле, использование двойной гетероструктуры обеспечивает локализацию ин-
жектированных носителей зарядов в базе при уменьшении ее ширины вплоть до нескольких
микрометров. Это и позволяет при сохранении внутреннего квантового выхода значительно
повысить быстродействие двойных гетероструктур. В одинарной гетероструктуре при умень-
шении ширины базы мощность излучения резко падает, а быстродействие растет незначитель-
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОПТОЭЛЕКТРОНИКИ
49
но. Для лучших образцов на одинарной гетероструктуре внешний квантовый выход состав-
ляет (3...4) %, а время переключения (40...80) нс; двойные гетероструктуры имеют пример-
но такое же значение внешнего квантового выхода, а время переключения (20.. .30) нс.
Рис. 2.17. Энергетическая диаграмма излучающей одинарной (а)
и двойной (а) гетероструктуры:
Esi. Ез2 — энергетическая ширина запрещенной зоны первого и второго полупроводников (ПП);
Ещ, Ей — энергия, соответствующая дну зоны проводимости первого и второго ПП; Еф — энергия Ферми;
E„i, Ев2 — энергия, соответствующая потолку валентной зоны первого и второго ПП
Важно подчеркнуть, что односторонняя инжекция не связана со степенью легирова-
ния эмиттерной и базовой областей, как это имеет место в обычном (гомогенном) перехо-
де. В результате она сохраняется до значительных плотностей тока, и появляется возмож-
ность изменения степени легирования областей гетероструктуры без ухудшения инжек-
ции р-и-перехода.
Другой отличительной особенностью гетероструктур является разница в оптических
свойствах базы и эмиттера. В результате спектральная характеристика излучения узкозон-
ной базы оказывается сдвинутой в область длинных волн по отношению к спектральной ха-
рактеристике поглощения широкозонного эмиттера (рис. 2.18). Поэтому излучение выво-
дится из СИД через эмиттер практически без поглощения.
Рис. 2.18. Спектральная характеристика базы и эмиттера гетероструктуры
50
ГЛАВА 2
В излучателях с двойной гетероструктурой и удаленной подложкой сказывается явле-
ние многократного отражения («многопроходный эффект»). Излучение, претерпевающее на
внешней границе кристалла гетероструктуры полное внутреннее отражение, многократно
отразившись от различных граней кристалла, в конце концов падает на внешнюю границу
под таким углом, который дает ему возможность выйти наружу. Как видим, многопроход-
ный эффект полезен только в том случае, если поглощение излучения в полупроводнике ма-
ло. Поглощение в узкозонной базе удается несколько компенсировать с помощью фотолю-
минесценции: поглощение кванта излучения ведет к новому акту излучения.
Все преимущества гетероструктур достижимы только при высоком качестве гетеропе-
рехода. Для получения качественного гетероперехода необходимо иметь хорошее совпаде-
ние параметров структуры по обе стороны от металлургической границы: различие посто-
янных кристаллических решеток не должно превышать 0,01%, близкими должны быть
и температурные коэффициенты расширения. В тех случаях, когда эти требования не вы-
полняются, высокая концентрация дефектов в области гетеропрохода практически сводит
к нулю все его преимущества.
2.13.	Поглощение света в твердых телах
Свет, попадая в твердое тело, вступает с ним во взаимодействие, связанное с обменом энер-
гии. Часть энергии излучения поглощается и идет на увеличение энергии электронов или
фотонов (теплового движения атомов). Поглощение света в твердом теле происходит в со-
ответствии с законом Бугера-Ламберта:
Ф(.х) = Фо 0 —	>	(2 79)
где R — коэффициент отражения; Ф(х) — поток световой энергий на расстоянии х от по-
верхности (вдоль луча); Фо — падающий на поверхность поток световой энергии; а — ко-
эффициент поглощения.
Обратная ему величина х = а'1 численно равна толщине слоя, при прохождении через
который интенсивность света уменьшается в е раз. Зависимость коэффициента поглощения
от частоты a(v) или от длины волны а(Х) называется спектром поглощения тела.
Виды поглощения в полупроводниках:
-	собственное (фундаментальное) поглощение света приводит к переходу электрона из
связанного состояния в свободное, т.е. из валентной зоны в зону проводимости. Соб-
ственное поглощение возможно при условии hv > Е3, где Е3 — ширина запрещенной
зоны полупроводника. Оно наблюдается в видимой и ближней инфракрасной облас-
тях в зависимости от ширины запрещенной зоны;
—	примесное поглощение вызвано ионизацией атомов примеси, т.е. переходом электро-
нов от атома примеси в зону проводимости или из валентной зоны на уровни приме-
си. Концентрация примесных атомов на несколько порядков ниже концентрации соб-
ственных атомов решетки, поэтому интенсивность примесного поглощения света го-
раздо ниже собственного;
-	поглощение свободными носителями заряда обусловлено их движением под действи-
ем электрических полей световой волны, которая отдает часть своей энергии на уско-
рение свободных носителей, что приводит к ее ослаблению;
-	фононное (решеточное) поглощение обусловлено взаимодействием световой волны с
колебаниями кристаллической решетки тела (фотонами), при котором изменяется
число оптических фотонов;
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОПТОЭЛЕКТРОНИКИ
51
-	экситонное поглощение вызвано образованием экситона (связанной пары электрон —
дырка). Из-за нейтральности экситона изменения электрических свойств тела не про-
исходит.
В основе работы фотоприемников, как правило, используется эффект собственного по-
глощения. (В некоторых случаях, например, для расширения спектральной характеристики
в длинноволновой области используют примесное поглощение.)
2.14.	Излучательная и спектральная характеристики
Излучающие диоды используются в качестве излучателей в различных системах индика-
ции, отображения информации, ВОЛС и многих других устройствах, при этом диод выпол-
няет роль отдельного самостоятельного элемента устройства, т.е. выступает как дискретный
оптоэлектронный прибор или может входить в состав другого оптоэлектронного прибора,
например оптопары. В последнем случае излучающая структура должна обеспечить одновре-
менно высокую мощность излучения, возможно более узкую диаграмму направленности и
высокое быстродействие. Только при таком сочетании параметров излучатель хорошо согла-
суется с фотоприемником оптопары, и характеристики оптопары оптимальны. Для излучаю-
щих диодов, не входящих в состав оптопары, требования к направленности излучения обычно
существенно ниже. Кроме того, светоизлучающие диоды могут иметь относительно низкое
быстродействие, т.е. низкую скорость преобразования электрической энергии в световую.
В зависимости от способа приема излучения излучающего диода — визуального или не-
визуального — оптические свойства излучения диода описываются световыми или энерге-
тическими параметрами. При визуальной передаче информации (в знаковых индикаторах,
при подсветке надписей и пусковых кнопок, для индикации состояния электронного уст-
ройства и т.п.) приемником излучения служит человеческий глаз. Невизуальная передача
информации характеризуется тем, что обнаружение потока излучения от диода, работающе-
го обычно в инфракрасном диапазоне, исключает человеческое зрение и осуществляется
физическим фотоприемником. К невизуальной области применения относятся, например,
устройства считывания с перфокарт и перфолент вычислительных машин, всевозможные
оптические устройства связи и сигнализации и т.п.
Эффективность излучающего диода характеризуют зависимостями параметров оптиче-
ского излучения от прямого тока через диод (излучающие характеристики) и от длины вол-
ны излучения (спектральные характеристики).
Для ИК-диодов излучательная характеристика представляет собой зависимость потока
излучения Фе от прямого тока /пр (рис. 2 19).
Для СИД излучательная характеристика задается обычно зависимостью силы света /„
от прямого тока /пр. В качестве параметра электрического режима выбран прямой ток через
диод, а не падение напряжения на диоде. Это связано с тем, что р-н-переход излучающего
диода включен в прямом направлении и электрическое сопротивление диода мало. Поэтому
можно считать, что прямой ток через излучающий диод задается внешней цепью, изменяет-
ся в широком диапазоне и легко измеряется.
При малых токах /пр велика доля безызлучательной рекомбинационной составляющей
тока, и коэффициент инжекции мал.
С ростом прямого тока поток излучения сначала быстро увеличивается до тех пор, пока
в токе диода не становится преобладающей диффузионная составляющая тока.
Дальнейшее увеличение /пр приводит к постепенному насыщению центров люминесцен-
ции и снижению излучательной способности диода. Кроме того, с ростом тока увеличивает-
52
ГЛАВА 2
ся вероятность ударной рекомбинации, что также уменьшает излучательную способность.
Совместное действие рассмотренных механизмов влияния прямого тока на силу излучения
приводит к тому, что излучательная характеристика имеет максимум при некотором токе.
Максимальная сила излучения зависит от площади и геометрии излучающего р-и-перехода
и размеров электрических контактов.
Рис. 2.19. Излучательная характеристика СИД:
кривой 1 соответствует верхняя шкала, кривой 2 — нижняя
Зависимость параметров излучения от длины волны оптического излучения (или от
энергии излучаемых фотонов) называется спектральной характеристикой излучающего
диода. Длина волны излучения определяется разностью двух энергетических уровней, меж-
ду которыми происходит переход электронов при люминесценции. В связи с разной шири-
ной запрещенной зоны у различных материалов длина волны излучения различна в разных
типах излучающих диодов. Примеры спектральных характеристик приведены на рис. 2.20.
Рис. 2.20. Спектральные характеристики глаза (7), светодиодов на основе материалов:
GaAsPN (2), GaAsP (3), инфракрасного излучающего диода на основе GaAs (4)
и кремниевого фотодиода (5)
Так как переход электронов при рекомбинации носителей зарядов обычно происходит
не между двумя энергетическими уровнями, а между двумя группами энергетических уров-
ней, то спектр излучения оказывается размытым. Спектральный диапазон излучающего
диода характеризуют шириной спектра излучения АЛ0 5, измеряемой на высоте 0,5 максиму-
ма характеристики. Излучение большинства излучающих диодов близко к квазимонохрома-
тическому (ДХ/Лтах«1) и имеет относительно высокую направленность распределения
мощности в пространстве.
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОПТОЭЛЕКТРОНИКИ
53
Независимо от того, насколько эффективен излучающий диод, выходное излучение да-
же большой мощности не будет зарегистрировано, если длина волны излучения не соотве-
тствует спектру излучения, на который реагирует фотоприемник. В огромном большинстве
случаев применения излучающий диод должен быть спектрально согласован либо с челове-
ческим глазом, либо с кремниевым фотоприемником. Диапазон спектральной чувствитель-
ности фотоприемника составляет примерно (0,3... 1,1) мкм. Человеческий глаз обладает су-
щественно более узким диапазоном чувствительности с практически полезной областью
(0,4...0,7) мкм. Для эффективной работы пары излучатель-фотоприемник необходимо тща-
тельное согласование спектральных характеристик этих приборов.
Например, при согласовании с человеческим глазом светоизлучающего диода на основе
GaAsP согласование обеспечивается выбором такой длины волны, на которой произведение
Рис. 2.21. Согласование спектральной
характеристики светодиода
и относительной световой
эффективности
относительной световой эффективности глаза v(X)
и квантового выхода СИД т] является максималь-
ным, т.е.
v(X)t](X) = max.	(2.80)
Этот максимум достигается при X = 655 нм
(рис. 2.21) при красном цвете излучения.
В СИД, имеющих более короткие длины волн
излучения (например, с Хтах = 565 нм — зеленый
цвет и Атах ~ 585 нм — желтый цвет), значение г| как
правило существенно ниже, чем у излучающего дио-
да красного цвета. Однако относительная чувстви-
тельность глаза при такой длине волны значительно
больше. В результате удается получить набор излу-
чателей от красного до зеленого цвета свечения, ко-
торые имеют одно и то же значение произведения
v(X)t] (с точностью до порядка величины).
На рис. 2.20 представлены также для сравнения спектральные характеристики чувстви-
тельности человеческого глаза и фотодиода (штриховая линия) в относительных единицах.
Следует подчеркнуть особенности спектрального согласования излучающего диода с фото-
диодом. С одной стороны, такое согласование облегчается, так как спектральный диапазон
фотодиода значительно шире, чем спектр v(X). С другой стороны, спектральное согласование
не всегда является решающим фактором эффективной работы пары излучатель-фотодиод.
2.15.	Параметры оптического излучения
Параметры оптического излучения, а также их определения, расчетные формулы, единицы
величин и обозначения сведены в табл. 2.4.
Таблица 2.4. Энергетические и световые параметры оптического излучения
Энергетические параметры	Определение	Формула	Световой параметр
Поток излучения Фс, Вт	Скорость переноса энергии излучения	de ф=—— dt	Световой поток Фо, лм
Сила излучения 1е, Вт/ср	Поток в единице телесного угла	7_с1Ф ~dQ	Сила света кд = лм/ср
54
ГЛАВА 2
Продолжение табл. 2.4
Энергетические параметры	Определение	Формула	Световой параметр
Энергетическая свети- мость (излучательность) Ме, Вт/м2	Поток с единицы площади излучающей поверхности	.. 6Ф м = — 65	Светимость A/v, лм/м2
Энергетическая яркость Lc, Вт/(ср-м2)	Поток в единице телесного угла, отнесенный к площади излучающей поверхности под углом относительно нормали к ней	d5 cosq>	Яркость £v, КД/м2 = лм/(ср-м2)
Энергетическая осве- щенность (облученность) Ее, Вт/м2	Поток на единицу площади поверхности приемника излучения	6Ф Е =	 65	Освещенность Ev, лк = лм/м2
Излучение в оптическом диапазоне может характеризоваться как волновыми, так и кор-
пускулярными категориями и параметрами и может быть представлено в виде потока фото-
нов. Энергия каждого фотона определяется соотношением
£ф - hv - hc/(n~E),	(2.81)
где h — постоянная Планка, равная 4,13-10“15 эВ-c; с — скорость света в вакууме, равная
З Ю8 м/с; п — показатель преломления оптической среды; v, X — частота колебаний, Гц,
и длина волны оптического излучения, м.
Пусть в единицу времени через единичную площадь проходит N,), фотонов. Тогда поток
излучения Ф определяется выражением
he
Ф = ^£5 = ^.— 5,	(2.82)
нА
где 5 — площадь.
Поток излучения при заданном ^ф тем больше, чем короче длина волны излучения. По-
лезно выразить число фотонов через энергетические параметры излучения
Ф	Ф
= 5-10’Ч-,	(2.83)
где Мф — в 1/(м2 с); X — в мкм; Ф/5 — в Вт/м2.
Тесты
2.1. Какой длине волны соответствует максимальная чувствительность глаза:
а) 0,41 мкм;	б) 0,56 мкм;	в) 0,63 мм;	г) 0,72 мм?
2.2. Какой длине волны соответствует минимальная чувствительность глаза в области, близкой к
ультрафиолетовому излучению:
а) 0,4 мкм;	б) 0,45 мкм;	в) 0,5 мкм;	г) 0,6 мкм?
2.3. Какой длине волны соответствует минимальная чувствительность глаза в области, близкой к ин-
фракрасному излучению:
а) 0,72 мкм;	б) 0,62 мкм;	в) 0,55 мкм;	г) 0,5 мкм?
2.4. Какой из материалов относится к непрямозонным материалам: a) ZnSe;	б) GaP;	в) GaN;			г) C6S?
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОПТОЭЛЕКТРОНИКИ
55
2.5.	Какие из пар материалов позволяют создавать гетерооптоэлектронные приборы:
a) Ge-Ge;	б) Si-Si;	в) GaAs-GaAlAs;	r)GaAs-GaAs?
2.6.	Какой механизм генерации излучения реализуется в полупроводниках:
а) эффект термоэлек- б) эффект генерации	в) эффект	г) эффект фотолю-
тронной эмиссии; электронно-дыроч- рекомбинации; минесценции?
ных пар;
2.7.	Какие из указанных материалов пригодны для изготовления излучающих приборов:
a) Ge;	б) Si;	в) Си;	г) GaP?
2.8.	Какие из указанных материалов пригодны для изготовления фотоприемников:
а) А1;	б) Au;	в) Ge;	г) Si?
2.9.	Материалы с какой шириной запрещенной зоны используются для изготовления оптоэлектрон-
ных приборов видимой области спектра:
а) ДИ^ 0,1 эВ; б) ДИ'1» 1,5 эВ; в) 3,5 эВ; г)ДИ/=6эВ?
2.10. Какая из составляющих общего тока р-и-перехода обеспечивает инжекционную электролюми-
несценцию:
а) обратный ток	б) прямой ток р-п-перехода;	р-п-перехода;	в) туннельный	г) ток утечки током;	по поверхности р-и-перехода?
Глава 3
ОПТИЧЕСКИЕ ВОЛНОВОДЫ
3.1.	Законы отражения и преломления света
3.1.1.	Абсолютный показатель преломления
Абсолютный показатель преломления (АПП) — одна из важнейших характеристик среды
распространения электромагнитной волны — может быть представлен в виде
АПП = и = —
(ЗЯ)
где Zo, А. — длина волны соответственно в вакууме и в диэлектрике; сир — относительные
диэлектрическая и магнитная проницаемости диэлектрика.
Существенной особенностью АПП является его зависимость от длины волны к. В слу-
чае изготовления стекловолокона из двуокиси кремния без добавления примесей указанная
зависимость имеет вид, показанный на рис. 3.1.
Введем минимум определений, необходимых для понимания указанных законов.
Углом падения волны на границу раздела двух сред АВ с АПП nt и п2 (рис. 3.2) называет-
ся угол <р । между падающим лучом / и нормалью N, к границе АВ.
Угол отражения ф3 отсчитывается между нормалью N, и отраженным лучом 3. Угол
преломления <р2 отсчитывается между нормалью N2 к границе раздела АВ и преломленным
лучом 2.
Суть законов отражения и преломления света заключается в следующем.
ОПТИЧЕСКИЕ ВОЛНОВОДЫ
57
При падении электромагнитной волны на границу раздела с АПП л, и п2 падающий,
преломленный и отраженный лучи располагаются в одной плоскости с нормалями N12,
проходящими через точку «О» и ортогональными границе раздела АВ (рис. 3.2).
Частоты падающей, отраженной и преломленной волн одинаковы. Угол падения <р i ра-
вен углу отражения <рз- Угол падения <pi связан с углом преломления ф2 соотношением
«isincp! = л2зшф2.	(3.2)
3.1.2.	Условие полного внутреннего отражения света
от границы двух сред
Согласно закону преломления (3.2) ход лучей 1 и 2 обратим (см. рис. 3.2). Поэтому рис. 3.2
соответствует рис. 3.3.
Из рис. 3.3 п2 > ль а с учетом (3.2) sin ф2 < sin фь ф2 < ф,.
Рис. 3.3. Определение условия полного внутреннего отражения:
1, 2, 3 — лучи преломленный, падающий и отраженный соответственно
Увеличим угол падения ф2 настолько, чтобы луч 1 начал скользить вдоль границы раз-
дела АВ (рис. 3.3, б). В этом случае угол преломления ф| = 90°. При (pt = 90°, угол ф2 называ-
58
ГЛАВА 3
ют предельным углом падения светового луча на границу раздела двух сред и обозначают
(рпр. Если ф2 > фпР (рис. 3.3, в), волна, соответствующая лучу 7, быстро затухает и остается
только отраженная волна, соответствующая лучу 3.
Такое явление называют полным внутренним отражением (ПВО) света от границы раз-
дела АВ. Из сказанного ясно, что условию ПВО соответствуют два неравенства
<Р2 > <Рпр; п2 > Пх.	(3.3)
В заключение заметим, что условие ПВО является одним из главных необходимых ус-
ловий распространения света по диэлектрическим волноводам.
3.2.	Конструкция планарного симметричного
оптического волновода
Планарный симметричный оптический волновод (ПОВ) представляет собой тонкий слой
диэлектрика толщины <7=(2...5)Х, где X — длина волны оптического излучения в волновод-
ном слое. Волноводный слой с АПП = пс (рис. 3.4) ограничен сверху и снизу диэлектриком
с АПП = п0 > Пс.
На рис. 3.5 изображены одно из сечений ПОВ, параллельное плоскости Z0Yтрехмерной
декартовой системы координат, и условие ПВО в волноводном слое. В соответствии
с рис. 3.5 свет распространяется вдоль волноводного слоя по зигзагообразной траектории,
испытывая ПВО в точках А, В, Си им аналогичных.
Рис. 3.5. Условие ПВО в планарном волноводе
ОПТИЧЕСКИЕ ВОЛНОВОДЫ
59
3.3.	Эффект Гуса-Хенхена
В 1947 г. Гусом и Хенхеном было установлено, что ПВО волны от границы раздела двух
диэлектриков происходит не в точках А, В, С, как показано на рис. 3.5, а в некоторой облас-
ти пространства, расположенного в слое с АПП = по, (рис. 3.6). Глубина проникновения вол-
ны (в слой с АПП = л0) Л » К где X — длина волны в указанном слое. На рис. 3.7 представлен
один из вариантов взаимного расположения векторов Е, Н, V в электромагнитной волне
в процессе отражения света.
Вектор напряженности магнитной компоненты поля Н принадлежит плоскости рисун-
ка, ортогонален вектору фазовой скорости волны V и вектору Е. Вектор Е линейно поля-
ризован в плоскости, ортогональной плоскости рисунка.
Волна, соответствующая рис. 3.7, а, носит название ZE-моды оптического излучения.
Смысл 7М-моды поясняет рис. 3.7, б. В данном случае вектор Н направлен от плоскости
рисунка ортогонально плоскости рисунка. В обоих случаях ТЕ- и ТТИ-мод взаимное распо-
ложение векторов Е, Н, V подчиняется правилу правого винта.
Если длина траектории волны в верхнем слое ПОВ равна 5 (см. рис. 3.6), фаза волны
в окрестности точки А получает приращение пространственной компоненты на величину
б =K-S = — S=— Sn0.
X Хо
Если вектор Ё волны, распространяющейся в волноводном слое, поляризован ортого-
нально плоскости рис. 3.7, а (7Е-мода), величину 8Л можно представить в виде
(3.4)
Рис. 3.7. ТЕ- (а) и ТМ-мода (б)
(3.5)
60
ГЛАВА 3
Если вектор Ё поляризован в плоскости рис. 3.7, б (7М-мода), величина
Ъа =	= -2arctg
и(.У (n2sin2<pM-H2)l/2
«о J «с cos <ри
(3-6)
где (рт — квантовое значение угла (р2 > (р„р, показанного на рис. 3.3, а.
3.4.	Условие поперечного резонанса для планарного волновода
Заметим, что по оптическим волноводам распространяются не «лучи», а световые пучки ко-
нечной ширины. На рис. 3.8 показан механизм двойного переотражения одного из таких
пучков в режиме ПВО.
Согласно рис. 3.8 волна 1 в точке D и волна 2 перед отражением от границы пс -> п0
в точке А имеют одинаковые фазы, поскольку принадлежат одному волновому фронту AM.
Рис. 3.8. Механизм двойного переотражения
одного пучка в режиме ПВО
При распространении волны / по траектории DC она получает приращение пространст-
венной компоненты фазы
ДФ,=^(РС)^.	(3.7)
Волна 2, распространяясь по траектории АВС, получает приращение фазы
ДФ2 = 8„ +|^(ЛВ)«Г + 8Й + |^(ВС>с,	(3.8)
Ао	Ло
где 8,4 = 8Я = 8 и определяется формулами (3.5) и (3.6) в зависимости от поляризации волны.
Разность приращений пространственных компонент фаз (3.7) и (3.8)
ДФ = ДФ2—ДФ,.	(3.9)
В установившемся режиме распространения света по волноводу волны типа 1 и 2 интер-
ферируют в точке С.
Условие непогашения волн / и 2 в точке С аналогично условию интерференционных
максимумов, которое имеет вид
ДФ = ДФ2 - ДФ! = 2лти.	(3.10)
Выражая DC, АВ, ВС через толщину волноводного слоя d и проводя элементарные три-
гонометрические преобразования, получаем условие поперечного резонанса для планарного
волновода из формул (2.7)—(2.10) в виде
ОПТИЧЕСКИЕ ВОЛНОВОДЫ
61
2 ndnc cos(p_	,, ,,,
8+------Q----^- = л-/и,	(3.11)
^•o
где/и = 0, 1,2, 3...
Угол <pm имеет индекс т, поскольку он квантован согласно (3.11), т.е. не может иметь
произвольные значения.
Планарные волноводы широко применяются в современных оптических трактах связи.
Они являются компонентами полупроводниковых оптических квантовых генераторов, мо-
дуляторов света и оптических переключателей.
Мода оптического излучения
Мода оптического излучения представляет собой электромагнитную волну, характеризую-
щуюся:
-	частотой излучения;
-	временной и пространственной когерентностью;
-	поляризацией вектора Е (ТЕ- или 7М-мода);
-	дискретным углом падения ф„ на границу раздела пс -> и0;
-	модовым квантовым числом (ти);
-	эффективным волноводным показателем преломления иэфф = пс sin (pm;
-	постоянной распространения р = кй иэфф, где к0 = 2л/Х0 — модуль волнового вектора
в вакууме.
3.5.	Конструкция цилиндрического диэлектрического
волновода из стекловолокна
Конструкция цилиндрического волновода из стекловолокна (СВ) показана на рис. 3.9. Такое
СВ имеет ступенчатый профиль распределения абсолютного показателя преломления вдоль
диаметра СВ. Для обеспечения условия полного внутреннего отражения АПП центральной
части СВ (пс) незначительно превышает АПП оболочки п0. Например, пс = 1,48; п0 = 1,46.
Рис. 3.9. Цилиндрический волновод
Типичные размеры диаметров центральной части стекловолокна De и оболочки Do сле-
дующие: Dc = 50 мкм, £)0 = 120 мкм. Для повышения механической прочности на СВ нано-
сится полимерное покрытие (на рис. 3.9 не показано).
62
ГЛАВА 3
3.5.1.	Номинальная числовая апертура стекловолокна
Направим световой пучок на торец СВ как показано на рис. 3.10. Пучок ограничен двумя
крайними лучами / и 2. Луч 1 составляет угол ук с осью симметрии СВ, луч 2 распространя-
ется вдоль оси симметрии СВ.
Луч 1 преломляется на границе пв -> под углом Р и превращается в луч 3. Соответст-
вующая лучу 3 волна в точке В распадается на две: волна 4 преломляется в среду с
АПП = и0 под углом а, волна 5 отражается от границы пс по.
Рис. 3.10. Прохождение лучей в световоде
Назовем угол ук — критическим и потребуем, чтобы ему соответствовал предельный
угол падения ф = ф„р на границу раздела —> и0 (рис. 3.10). Тогда угол преломления а = л/2
и волна 4 скользят вдоль границы раздела пс -> пй. В окрестности точки А закон преломле-
ния света имеет вид: nBsinyK = sinP, где пв — АПП среды, из которой свет попадает
на торец СВ. Из треугольника АВС имеем Р = л/2 - <рпр; sinp = созфпр. Следовательно,
«в •
пв s,n Y« = "с cos Фпр: cos ФпР = — sin Yк •
пс
В окрестности точки В
«С^Пфлр =«osin^=:«o; 5'ПФпр =«о/ПС-
(3.12)
(3.13)
Возводя во вторую степень (3.12) и (3.13) и складывая нх почленно, имеем
=	= А.	(3.14)
Выражение (3.14) носит назва-
ние нормальной числовой апертуры
стекловолокна. Согласно рис. 3.10 и
3.11 при у<ук в окрестности точки
В имеет место ПВО, и свет распро-
страняется вдоль СВ по зигзагооб-
разной траектории. При у > ук усло-
вие ПВО не выполняется, и энергия
волны 3 постепенно переводится в
оболочку.
ОПТИЧЕСКИЕ ВОЛНОВОДЫ
63
3.5.2. Квантование углов ср и у в стекловолокне
Если световой пучок распространяется зигзагообразно по СВ в плоскости, проходящей через
ось симметрии СВ (см. рис. 3.10) и выполняется условие ПВО (для СВ, как и для планарного
волновода), имеет место поперечный резонанс в виде, аналогичном (3.11):
„ 2nDrnr cos<p„
о ч-------------— т • л,
где Dc — диаметр центральной части СВ. Согласно (3.15) угол <р = <рт квантован, а
(3-15)
cos<pm = —--------.
2Dcnc
По аналогии с (3.12)
cos<pm = —smym.
пс
Из (3.16) и (3.17) следует, что
(3.16)
(3.17)
(3.18)
О
sin у„
2Dcny
В соответствии с (3.16) и (3.17) квантованные углы <р и у имеют значения
т —
<р„ = arccos
। т
2Drn.
(3-19)
у„ - arcsin
• т
(3.20)
где т = 0, 1, 2, 3.
3.6.	Уширение импульсных сигналов в стекловолокнах
3.6.1.	Уширение импульсного оптического сигнала,
обусловленное расходимостью светового пучка
По современным ВОЛС обычно передаются последовательности цифровых сигналов, каж-
дый из которых характеризуется двумя уровнями напряжений. Один из этих уровней при-
нимают за логическую единицу («1»), а другой за логический нуль («0»), Различные сочета-
ния единиц и нулей позволяют воспроизвести любой аналоговый сигнал, т.е. закодировать
его и запустить в стекловолокно в виде высокочастотных оптических импульсов.
64
ГЛАВА 3
К оптическим импульсам предъявляется два важнейших требования: длительность «1»
и «0» битов должна быть одинакова, импульс не должен уширятся в пространстве и време-
ни. Нарушение этих требований приводит к наложению импульсов друг на друга, т.е. иска-
жает исходную аналоговую информацию.
Рассмотрим, к чему приводит расходимость пучка световых лучей, вводимых в СВ
(см. рис. 3.10). Между крайними лучами 2 и 3 светового пучка находится множество лучей,
распространяющихся внутри конуса с углом при вершине угла ВАС. Каждому из лучей со-
ответствует своя электромагнитная волна одной и той же частоты, но с различным углом
падения <рт на границу раздела пс -> пв. Различным углам соответствуют различные моды
оптического излучения. Таким образом, в данном случае СВ со ступенчатым профилем
АПП работает во многомодовом режиме. Луч 2 распространяется вдоль оси симметрии
стекловолокна, достигает сечения ВС за время
_ АС _ 12пс
2 ~~V	С~'
Луч 3 достигает сечения ВС за время
АВ Lnc
t3 =---= J-£--
3 Г С
Уширение импульсного сигнала на участке от точки А до сечения ВС составит величину
\ Цг ^2	/
‘2 
'пр )
(3.21)
' t
(3.22)
(3.23)
т = f — t — ——
1мм *3	*2 q
С ^sin <р,
_ 12ПС
(3.24)
(3.25)
Согласно (3.13)
sin<Pnp =по/пс-
Подставляя (3.24) в (3.23), получаем
Д
.«о J
Характеристику (3.25) называют межмодовой «дисперсией» СВ. Она имеет смысл вре-
менного уширения импульсного оптического сигнала за 0,5 времени одного ПВО электро-
магнитной волны. Термин «дисперсия» в данном случае взят в кавычки, поскольку он явля-
ется исторически сложившимся техническим термином. Реальная физическая материальная
дисперсия света это — зависимость АПП от длины (или частоты) электромагнитной волны
(см. рис. 3.1).
3.6.2.	Уширение импульсного оптического сигнала,
обусловленное зависимостью волнового числа
от частоты электромагнитной волны
Пусть волновой пакет распространяется по СВ в виде единственной моды (пучок парал-
лельных лучей) с групповой скоростью Kr = dco/dA. Материальной дисперсией (зависимо-
стью и(со)) пренебрегаем (в соответствии с рис. 3.11).
Время распространения света t вдоль траектории I = АВ определяется формулой
I ,6к
t = — = 1—.
И dco
(3.26)
ОПТИЧЕСКИЕ ВОЛНОВОДЫ
65
Временное уширения импульса твм за 0,5 времени одного акта ПВО определяется выра-
жением
d2t
твм = Д/ = /—уДо.	(3.27)
do
Операция нахождения Д/ из (3.26) в данном случае аналогична нахождению дифферен-
циала от левой и правой частей формулы (3.26) с последующей заменой de на Д/ и dco на Дю.
Согласно (3.27)
tbm=Z—До,	(3.28)
с? со
где Дю — разброс значений циклических частот в волновом пакете. Величину твм называют
внутримодовой дисперсией. Согласно (3.28), величину твм можно уменьшить, повысив мо-
нохроматичность волнового пакета.
3.6.3.	Уширение импульсного оптического сигнала,
обусловленное материальной дисперсией
Оптическая схема соответствует рис. 3.11. Внутримодовой «дисперсией» твм пренебрегаем, но
учитываем материальную дисперсию п = н(ю) либо п = п(к). Введем понятие абсолютного
группового показателя преломления волнового пакета в виде
с fdft'l d f ю I d (юиА d . , dro dn dn
N = — = c — =c— — | = c— — =—((On) = n— + ю— = и + ю—.	(3.29)
Kr (do J doj I I do( c J dco do dco do
Таким образом,
N = n+a—.	(3.30)
do
Поскольку n = n(k), a A = A(o),
dco dA dco
Представим о в следующем виде:	
_	2л -с о = 2л-у =	. А	(3.32)
Дифференцируем (3.32) по А: do _ 2л-с dA _ А2	(3.33)
dA	A2 do 2л-с Подставляем (3.33) в (3.31): dn _ dn А2 do dA 2л-с	(3-34)
Из (3.30) и (3.34) имеем do	(3.35)
3 - 3322
66
ГЛАВА 3
Согласно (3.29) и (3.35)
с	с
И= — =---—.
N	1 dw
и-А---
dA
По определению скорости, время распространения импульса
I I
t = — 
И С
I , d”
= — и—А--
dA
(3.36)
(3.37)
поскольку уширение за счет материальной дисперсии тмд = Д/, а величина А/ находится ана-
логично нахождению дифференциала функции t(x), имеем согласно (3.37)
.. /ри	dA dn	d2H
с dA	dA dA	dA2
. d2n
л. —— • Да .
dA2
(3.38)
Отбрасывая знак «минус» в (3.38), как не имеющий никакого физического смысла, запишем
/А d2n д,
3.7.	Рефракция света
Рефракцией света называется ис-
кривление траектории светового луча
в среде с переменным показателем
преломления.
Пусть АПП изменяется скачкооб-
разно в многослойной структуре, по-
казанной на рис. 3.12. Согласно зако-
ну преломления nt > п2 > и3, а углы
падения света на границы раздела
сред <pi < <р2 < <Рз-
В результате траектория светово-
го луча представляет собой ломаную
линию. Если п изменяется плавно
(рис. 3.13), траектория светового луча
превращается в плавную кривую.
3.7.1.	Градиентные
стекловолокна
На рис. 3.14 показана центральная
часть СВ с плавным симметричным
распределением профиля АПП. На
оси симметрии волокна АПП макси-
мален и плавно убывает к краям цен-
тральной части СВ.
Рис. 3.13. Плавная рефракция
ОПТИЧЕСКИЕ ВОЛНОВОДЫ
67
Здесь же показаны направления векторов — градиентов АПП, каждый из которых на-
правлен от периферии к оси симметрии СВ. Такой тип СВ получил название градиентных.
п(х)
Рис. 3.14. Градиентное стекловолокно
3.7.2.	Градиентные стекловолокна как способ понижения
межмодовой дисперсии
Назовем луч АС, распространяющейся вдоль оси симметрии волокна, центральным и обо-
значим отрезок АС = 1С (см. рис. 3.14). Для луча АС АПП = пс. Для луча АВ длина траекто-
рии / > 1с, а среднее значение АПП = п < пс.
Скорость распространения луча AC Vc = dnc. Среднее значение скорости света вдоль
АВ = I, V = с!п. Поскольку п(- > п, Vc < V. Время распространения света по траектории АС
tc = l(-/Vc. Время распространения света по траектории АВ составляет t = UV.
Поскольку выполняется система неравенств /< < I, V(- < V , подбором профиля распреде-
ления АПП п(х) в соответствии с рис. 3.15 можно добиться выполнения равенства tc = t
и свести к минимуму межмодовую дисперсию тмм, определяемую формулой (3.25).
Следует, однако, заметить, что приведенные в п. 3.6-3.8 рассуждения справедливы
лишь для «прямых» лучей, распространяющихся в плоскости ABCD, проходящей через ось
симметрии волокна и его диаметр (рис. 3.15, а).
Рис. 3.15. Траектория «прямого» (а) и «косого» (б) лучей
Для «косых» лучей, не лежащих в вышеуказанной плоскости, траектория представляет
собой винтовую линию (см. рис. 3.15, 6). Это значительно увеличивает длину траектории /
и равенство tc = t перестает выполняться, а величина тмм начинает возрастать.
з*
68
ГЛАВА 3
3.8.	Формы распределения профиля абсолютного
показателя преломления в стекловолокнах
Форма распределения профиля АПП в градиентных СВ достаточно хорошо может быть
представлена формулой общего вида
и(7?) = пс
1-2е
(3. 40)
где R — радиус СВ; пс — АПП на оси симметрии СВ; е = Я2/(2и2); а — радиус централь-
ной части СВ; А = у]п* -л2 — номинальная числовая апертура СВ; п0 — АПП оболочки
СВ; g — показатель степенной функции.
Согласно (2.40), при R = 0, n(R) = пс. При 0 < R < а значения n(R) определяются коэф-
фициентом g, который задает форму профиля АПП.
3.8.1.	Параболический профиль
Одним из самых распространенных профилей в современных СВ является параболический,
для которого g = 2.
Такой профиль показан на рис. 3.16, а и согласно (3.40) ему соответствует формула
"ЧУ
+ 2е
(3-41)
Рис. 3.16. Параболический (а) и ступенчатый (б) профили распределения АПП в СВ
При Я = 0, и(7?) = ис. На границе «центр-оболочка» R = а и согласно (3.41) и (3.40)
и (а) 2(л^.-н2)	и2(п)	и2
имеем ——	 =1, —+ l—г =1 > «(°) = «о-
пс 2пг	пг	пг
ОПТИЧЕСКИЕ ВОЛНОВОДЫ
69
3.8.2.	Ступенчатый профиль
Заметим, что при любых R > |±а| дробь
R
а
Согласно рис. 3.16, б для ступенчатого СВ должны выполняться условия n(R) = пс, для
R
а
0<R<
|±п| и п(а) = п0. Из (3.40) n(R) = пс при 2е
= 0. Поскольку
« 1, g = оо. Таким
а
образом, для ступенчатого СВ формула (3.40) принимает вид:
и(Я) = и(-> при 0 < R < |±а|;
(3-42)
и(7?) = и0, при R = |±а|.
3.9.	Стационарное волновое уравнение для электрической
компоненты поля Е световой волны и его решение
3.9.1.	Цилиндрическая система координат, совмещенная с СВ
На рис. 3.17 показана цилиндрическая система координат (ЦСК), в которой любой параметр
(в нашем случае вектор напряженности электрической компоненты поля Е) характеризует-
ся тремя координатами: пространственной Z, радиальной R, азимутальной <р.
Рис. 3.17. Цилиндрическая система координат:
OiA = Z,< DAB = ч>, АВ = R; OiF— радиус центральной части СВ
Таким образом, в точке В стекловолокна напряженность электрической компоненты по-
ля световой волны Ёй = Ё (Z, ср, R). Согласно рис. 3.17, ось симметрии СВ — О}О2 совме-
щена с осью O[Z, линия OtY И AD и принята за «О» отсчета азимута ср, OtY и AD ± Oi<72,
АВ = Rl. OiO2, вектор Ё (Z, ср, R) принадлежит плоскости DAB, которая ортогональна оси
симметрии О|Ог-
70
ГЛАВА 3
3.9.2.	Стационарное (не зависящее от времени) волновое уравнение
При фиксированных Z и <р распределение напряженности электрической компоненты поля
£(£) световой волны вдоль радиуса R СВ определяется уравнением
^)+1^) + ^£(Л) = 0,	(3.43)
dR2 R dR °
где K0 = K^R) — модуль волнового вектора в вакууме; n = n(R) определяется формулой
(3.40).
3.9.3.	Решение стационарного уравнения для вектора Е(/?)
Решением уравнения (2.43) является функция Бесселя в виде
£(£) = £оехр(-а|£|)со8ц/,	(3.44)
где £о — амплитуда вектора Ё; а — коэффициент затухания вектора Ё вдоль радиуса СВ;
R — радиальная координата вектора Ё (см. рис. 3.17); у = mit-f(R,a)-, т — модовое кван-
товое число, определяемое согласно (3.16) в виде
т = 4nnccos<pm + 5
Хо л
где а — радиус центральной части СВ, 0 < а < /?; f(R,a) — функция зависимости ц/ от рас-
пределения профиля АПП внутри СВ и типа поляризации вектора Ё (ТЕ- или ГЛУ-мода).
(3.45)
3.9.4.	Графическое изображение решения стационарного
волнового уравнения
На рис. 3.18 показаны зависимости E(R) и мощности излучения P(R), пропорциональной
E2(R), в конкретном сечении СВ для трех модовых квантовых чисел т = 0,1,2.
Рис. 3.18. Распределение E(R) и P(R) в поперечном сечении СВ
в зависимости от модового квантового числа:
а — т = 0; б— т=1;в — т = 2
ОПТИЧЕСКИЕ ВОЛНОВОДЫ
71
3.9.5.	Предельное число мод, способных распространяться
по стекловолокнам
Согласно п. 3.3 и 3.7, угол падения <рт световой волны на границу раздела «центр-оболоч-
ка» в СВ не может быть произвольным по двум причинам:
-	угол <р„ заключен в интервале
. ^>ф>фпр;	0-46)
-	угол фт квантуется согласно (3.45).
Условия (3.45) и (3.46) ограничивают предельное число мод, способных распростра-
няться по СВ. Предельное число мод определяется выражением
где V= к a- Jп2 -п2 ; к — модуль волнового вектора; а — радиус центральной части СВ;
g— показатель степени в формуле (3.40).
Определим N для двух наиболее распространенных случаев. В градиентном волокне с
параболическим профилем (см. 3.8.1), g = 2,ЛГ = 0,25£2а2(и2 -п2). В волокне со
.	, оооч	Я	Г К2>) 1	fr2>) 1 V2
ступенчатым профилем (см. 3.8.2), g = oo и Na = —	- = — -----— = — -----=—,
2 Jg + 2	2 Ji + £ \ 2 J1 + 0 2
g
=0,5Л2а2(и2 -п2). Очевидно, что при одинаковых а, пс, п0 число мод в ступенчатом
СВ в два раза больше, чем в параболическом.
3.10.	Причины ослабления импульсных оптических сигналов
в процессе их распространения по стекловолокнам
3.10.1.	Поглощение света в стекловолокне,
обусловленное материальной дисперсией
Материальная дисперсия представляет собой зависимость абсолютного показателя прелом-
ления диэлектрика (СВ) от частоты света, воздействующего на этот диэлектрик
и(со) =
со2 -<о2) + 4со2₽2
(3.48)
где п = АПП СВ; со — циклическая частота света; р — объемная плотность связанных заря-
дов в структуре СВ; т — масса электрона; е0 — диэлектрическая постоянная; <оо — собствен-
ная частота колебаний валентного электрона в узле структуры СВ; 0 — коэффициент зату-
хания вынужденных колебаний валентного электрона под воздействием света.
72
ГЛАВА 3
График зависимости (3.48) показан на рис. 3.19.
Рис. 3.19. Материальная дисперсия:
п(а>) — зависимость АПП от циклической частоты волны; Хо(со) — зависимость амплитуды
смещения центра масс валентного электрона стекловолокна от са при резонансе
Участки АВ и CD на рис. 3.19 называются областями нормальной дисперсии, где
1 > 0; ВС — область аномальной дисперсии, где |	| < 0.
da J	\d<o J
В окрестности резонансной частоты <ор = ^<о2 -2₽2, располагающейся внутри интерва-
ла ВС, амплитуда смещения Хо центра масс валентного электрона резко возрастает за счет
резонансного поглощения этим электроном световой энергии, и диапазон СВ становится не-
прозрачным для стекловолокна в области аномальной дисперсии.
Во всех реальных стеклах, используемых для изготовления стекловолокон, число ва-
лентных электронов в узлах структуры больше единицы и кривая дисперсии и(со) имеет бо-
лее сложную зависимость, определяемую формулой (3.49) и рис. 3.20:
и(<о) =
п(со)
(3-49)
е-Л
-------—I___________I	I   - -т-
С0р2	(0р3	СО
Рис. 2.20. Резонансное поглощение световой энергии валентными
электронами в узлах структуры стекловолокна вблизи частот соР1, соР2, сорз
ОПТИЧЕСКИЕ ВОЛНОВОДЫ
73
В заключение заметим, что в процессе изготовления СВ в исходный материал SiO2 вво-
дятся примеси, повышающие АПП = «с> (ZrO2, TiO2, А12Оз, GeO2, Р2О5) и понижающие
АПП = п0 (В2Оз, F). Каждая из введенных примесей имеет свои валентные электроны в цен-
тральной части волокна, и число областей резонансного поглощение света увеличивается по
сравнению с рис. 3.20.
3.10.2.	Потери, связанные с рэлеевским рассеянием света
в стекловолокне
В стекле, при любой температуре 7V 0, присутствуют фононы — тепловые колебания ио-
нов в узлах структуры. Наличие фононов приводят к незначительным изменениям механи-
ческой плотности р на величину Др. Изменения Др вызывают изменения АПП на величину
Ди. Величина Ди пропорциональна амплитуде Хо смещения ионов в узлах структуры стекла.
Согласно экспериментальным данным Хо « X, где X — длина световой волны в стекле.
В 3.7 было показано, что любое изменение АПП приводит к рефракции света. В рас-
сматриваемом случае изменение Ди за счет фононов происходит беспорядочно, случайно.
Следовательно, беспорядочна и микрорефракция света. Такую рефракцию называют рэлеев-
ским рассеянием. Рэлеем было показано, что взаимосвязь интенсивности рассеянного света
I с интенсивностью нерассеянного света /0 может быть представлена в виде
/ = /<Л,	(3-50)
А
где а — коэффициент пропорциональности, зависящий от типа структуры стекла, типа свя-
зей между ионами, наличия примесей, температуры.
Анализ формулы (3.50) показывает, что использование СВ на длинах волн X < 0,85 мкм
в магистральных трактах волоконно-оптических линий связи (ВОЛС) практически исклю-
чено в настоящее время и допустимо для X > 0,85 мкм.
3.10.3.	Потери, обусловленные наличием гидроксильных групп ОН
в стекловолокнах
К особо опасным примесям следует отнести гидроксильную группу (ОН), которая спо-
собна внедряться в СВ в процессе его роста как из расплава, так и из газовой фазы. Группа
ОН образуется из паров Н2О, которые всегда находятся в воздухе. При высоких температу-
рах роста СВ молекула Н2О теряет один ион водорода и превращается в гидроксильную
группу. Группа ОН. внедряясь в СВ, обладает собственными частотами поглощения, соот-
ветствующими длинам волн 1,39-1,24-1,13-0,95-0,88-0,72 мкм. Группы ОН способны
вызывать поглощения света в СВ до 1 дБ/км и более. Способы борьбы с ОН очевидны:
повышение чистоты и совершенствование технологии производства СВ.
3.10.4.	Совместное влияние материальной дисперсии,
рэлеевского рассеяния и примесей на затухание
импульсных сигналов в стекловолокнах
Анализ потерь, рассмотренных в 3.10.1-3.10.3, показывает, что собственные резонансные
частоты SiO2, примесей и гидроксильных групп (ОН) оставляют для СВ лишь несколько
«окон» прозрачности при их использовании в магистральных трактах ВОЛС. Типичными из
них являются длины волн в окрестности 0,85, 1,3, 1,55 мкм (рис. 3.21).
74
ГЛАВА 3
Рис. 3.21. «Окна» прозрачности в СВ на основе S1O2, легированного примесями:
Xi = 0,85, Л.2 = 1,31, Аз = 1,55 мкм; К(Х) — коэффициент суммарных потерь
в условных единицах; X. — длина волны
3.10.5.	Комбинационное рассеяние света
В 1928 г. индийским физиком Ч.В. Раманом и независимо советским физиком Г.С. Ландс-
бергом был открыт эффект возникновения излучения света с частотами v0 - Av, v0 + Av при
условии введения в диэлектрик излучения с частотой v0 и отсутствии какого-либо другого
внешнего воздействия.
Поскольку в результате указанного явления в диэлектрике вместо волны с частотой v0
оказались три волны с частотами v0, v0 - Av, v0 + Av, открытый авторами эффект получил
название комбинационного рассеяния света. Природа данного рассеяния заключается в фо-
тон-фононном воздействии. Максимальная энергия фонона в твердом теле (в том числе в
СВ) определяется выражением
£фок=^>	(3.51)
где к — постоянная Больцмана;
6 — характеристическая температура Дэбая; 0 =
^Гзрл>уз £+273
к < 4пМ J у р
h— постоянная Планка;
р — число ионов, образующих устойчивую связь (в SiOz, р = 3);
М — масса киломоля диэлектрика (в SiO2, М= 60 ——— );
кмоль
р — плотность диэлектрика;
£ю — модуль Юнга;
Na = 6,022-Ю23 моль-1 — число Авогадро.
По закону сохранения энергии и согласно (2.51) Е^к = AG = hv^, откуда максимальное
изменение частоты фонона при комбинационном рассеянии
л	*	№
ДУфон = Дуфот =у
Очевидно, что при комбинационном рассеянии света максимальна частота фотонов
А0
Чпаз = VO+T>
И
а минимальная —
кв
Vn>in =V0—Г-
h
(3.52)
(3.53)
(3.54)
ОПТИЧЕСКИЕ ВОЛНОВОДЫ
75
Оптическое излучение с частотами типа (3.53) получило название «фиолетовых» спут-
ников (относительно v0), излучение типа (3.54) — «красных» спутников. Очевидно, что
комбинационное рассеяние ослабляет основной сигнал частоты v0 и ухудшает монохрома-
тичность излучения. Потери за счет комбинационного рассеяния значительно меньше по-
терь за счет рэлеевского рассеяния и материальной дисперсии.
3.10.6.	Вынужденное комбинационное рассеяние
Процесс вынужденного комбинационного рассеяния (ВКР) света относится к классу нели-
нейно-оптических эффектов, в которых мощная световая волна индуцирует элементарные
возбуждения в среде (оптические и акустические фононы, поляритоны, температурные вол-
ны и т.п.) и конкретным образом рассеивается на них. При ВКР речь идет о когерентном
возбуждении оптических фотонов. Данный процесс есть вынужденный аналог спонтанного
комбинационного рассеяния (СКР), при котором свет рассеивается на хаотических тепло-
вых колебаниях среды. В рамках классической теории процесс ВКР можно описать с помо-
щью модели нелинейно связанных осцилляторов.
Собственные частоты колебаний электронов (Vj) и колебаний ядер в молекуле (v2) опре-
деляются по формулам:
vt=.p,	(3.55)
V т
<3.56)
где а и р — коэффициенты упругости связей в молекуле; т и М — приведенные массы
электронного и атомного осцилляторов.
Для реальных молекул частоты колебаний равны Vj я 10ls, v2 » 1013 Гц. Если на молеку-
лу воздействует световое поле частоты v0, то возбуждаются электронные колебания на этой
же частоте. Одновременно происходят колебания ядер в молекуле (молекулярные колеба-
ния) на частоте v2. Это могут быть, например, тепловые колебания. Вследствие связи элек-
тронных и ядерных движений в молекуле на электронный осциллятор действует эффективная
вынуждающая сила, содержащая колебания на комбинационных частотах v, - v2 и Vj + v2.
Иначе говоря, колебания ядер модулируют электронные колебания в молекуле. В результа-
те молекула переизлучает свет не только на частоте v0 действующей на нее световой волны,
но и на новых — «комбинационных» частотах v0±v2. В этом и состоит объяснение явления
комбинационного рассеяния света.
Колебания на частоте v0 - v2. В этом и состоит объяснение явления комбинационного
рассеяния света. Колебания на частоте v0 - v2, возбуждаемые рассеянным излучением, назы-
ваются стоксовой компонентой. Одновременно создаются колебания на частоте собствен-
ных колебаний молекулы v2. В результате комбинационного рассеяния света возникает ре-
зонансная сила, возбуждающая молекулярные колебания. Если эта сила достаточно велика,
то в системе возникает положительная обратная связь: рассеяние света усиливает молеку-
лярные колебания, а молекулярные колебания усиливают рассеяние света. В результате
система самовозбуждается и переходит в режим вынужденного рассеяния, при котором
интенсивность рассеяния скачком возрастает на много порядков и становится соизмери-
мой с интенсивностью лазерного луча.
76
ГЛАВА 3
Пара световых волн (накачка и стоксова компонента) не только резонансно раскачивает
колебания, но и фазируют их в большом объеме среды.
Иначе говоря, при ВКР возникает волна когерентных молекулярных колебаний. Эта
волна наведена световым полем и эффективно взаимодействует с ним, приводя к усилению
излучения на стоксовой частоте. Таким образом, благодаря нелинейности, в ансамбле клас-
сических осцилляторов существуют принципиально новые эффекты: фазировка колебаний
осцилляторов вследствие их взаимодействия через поле излучения и усиление света. В этом
смысле ансамбль нелинейных классических осцилляторов близок к ансамблю квантовых
осцилляторов, обеспечивающему когерентность и усиление света в лазере.
Вынужденное рассеяние света можно использовать для преобразования частично коге-
рентного лазерного излучения в энергию полностью когерентного светового пучка на дру-
гой (стоксовой) частоте. Эксперименты показывают, что данный метод позволяет значи-
тельно (в 100 раз и более) уменьшить угловую расходимость излучения. При этом энергети-
ческая эффективность преобразования обычно составляет 50%.
3.10.7.	Потери, связанные с изгибом стекловолокон
Различают микро- (соизмеримые с диаметром сердцевины волокна D) и макроизгибы
радиуса R » D. Микроизгиб приводит к образованию механического уплотнения в месте
изгиба и, соответственно, к увеличению АПП, что вызывает микрорефракцию. В случае
макроизгиба СВ (рис. 3.22) область АВ сжимается, область CD растягивается, и сердцевина
СВ перемещается в направлении стрелки S в сторону оболочки СВ.
Изгиба
нет
Изгиб
есть
Рис. 3.22. Перевод света из сердцевины стекловолокна в оболочку
при макроизгибе СВ
Световой пучок, распространяющийся по заштрихованной части сердцевины СВ, не
имеет обратного пути к центру СВ после распрямления СВ и постепенно рассеивается в
оболочке.
Потери, связанные с микроизгибами, уменьшаются за счет специальных конструкций
СВ-кабелей. Потери, обусловленные макроизгибами, можно свести к минимуму, если при
прокладке кабеля радиус закругления задавать достаточно большим.
ОПТИЧЕСКИЕ ВОЛНОВОДЫ
77
3.10.8.	Термомеханические потери
Как уже отмечалось, для защиты от механического разрушения СВ покрывается тонкой
пленкой полимера. Поскольку коэффициенты линейного и объемного расширения СВ и за-
щитной пленки различны, при температурных колебаниях окружающей среды могут воз-
никнуть локальные (местные) колебания механической плотности ±Др и, соответственно
АПП ±Дп, что приведет к микрорефракции и рассеянию света. Очевидно, что задача разра-
ботчйков СВ сводится к созданию таких защитных покрытий для СВ, у которых темпера-
турные коэффициенты расширения и сжатия максимально близки к аналогичным коэффи-
циентам у СВ.
3.10.9.	Дифракционные потери в стекловолокнах
Если длина волны X в сердцевине СВ имеет величину порядка 1 мкм, а диаметр сердцевины
D составляет (5...50) мкм, значения X и D можно считать соизмеримыми.
Известно, что в этом случае в процессе распространения света по СВ возникает явление
дифракции, т.е. расходимости светового пучка, и происходит перевод части световой энер-
гии из сердцевины в оболочку. В этом случае условие ПВО перестает выполняться. Одним
из эффективных методов борьбы с дифракционными потерями в СВ является создание не-
линейной оптической среды. Последняя возникает в сердцевине СВ, если в СВ вводится
свет повышенной интенсивности. В этом случае под воздействием света механическая
плотность СВ симметрично возрастает от периферии СВ к оси его симметрии и возникает
явление самофокусировки, сводящее дифрагирующие лучи к оси симметрии СВ и восста-
навливающее режим ПВО.
3.10.10.	Влияние оптического волокна
на характеристики сетей связи
Тип оптического волокна оказывает существенное влияние на характеристики сетей связи.
Спектральные характеристики различных оптических волокон приведены на рис. 3.23.
Здесь кривая 1 соответствует обычному одномодовому волокну (SMF), позволяющему пере-
давать до 8 каналов в полосах S, С и L.
Из-за гидроксильного пика фактически исключается область 1,4 мкм из использования
для большинства сетевых приложений. Ионы ОН+ со временем проникают в обычное во-
локно SMF. Это не позволяет использовать обычное волокно SMF, даже если начальное за-
тухание в области водяного пика мало, в качестве волокна для систем полного спектрально-
го диапазона.
Волокну с нулевым водяным пиком (ZWPE) соответствует кривая 2.
Волокно ZWPE обладает лучшими характеристиками по затуханию по сравнению
с обычным S/W-волокном. Однако это волокно имеет относительно высокую дисперсию
(-17 пс/нм/км при х = 1,55 мкм), что иллюстрирует кривая 3. Это ограничивает длину про-
лета, перекрываемого без регенерации при небольшом числе используемых каналов. Если
же требуется большое число каналов, то приходится применять компенсацию дисперсии.
Последнее увеличивает потери, что требует увеличения коэффициента усиления усилителей
и ведет к росту величины поляризационной модовой дисперсии.
78
ГЛАВА 3
Рис. 3.23. Спектральные характеристики и дисперсия
различных оптических волокон
Относительно дешевое магистральное волокно это волокно с ненулевой смещенной
дисперсией NZDSF. Такое волокно имеет малые дисперсию и наклон дисперсионной харак-
теристики. Уровень дисперсии волокна NZDSF в три-четыре раза меньше, чем у обычного
волокна SMF (рис. 3.24), что позволяет в три-четыре раза увеличить длину некомпенсируе-
мого участка на скоростях передачи 2,5... 10 Гбит/с. Умеренная величина дисперсии волок-
на NZDSF обеспечивает не только большую длину полета с существующим оборудованием,
но также и экономию средств при реализации сетей.
Рис. 3.24. Зависимости дисперсии от длины волны оптических волокон
3.10.11.	Закон Бугера-Ламберта и оценка полных потерь
оптического излучения в стекловолокнах
Из всего вышесказанного ясно, что экспериментальное определение конкретного вида по-
терь в СВ представляет собой достаточно сложную физико-техническую задачу. С точки
ОПТИЧЕСКИЕ ВОЛНОВОДЫ
79
зрения эксплуатации СВ-кабеля нас интересуют полные потери безотносительно к природе
их происхождения.
Известно, что интенсивностью излучения света называется величина, определяемая
выражением
2=-=-,^ = —,	(3.57)
St S м2с м2
где Е — энергия оптического излучения, переносимая световой волной через площадь S
за время t\P— мощность излучения, соответствующая энергии Е.
Если интенсивность излучения после входа в СВ равна /0, то интенсивность света, про-
шедшего в СВ путь L, уменьшается до величины / < /0 (рис. 3.25).
Выберем внутри СВ малый элемент толщины dx (см. рис. 3.25). На входе в этот элемент
интенсивность света равна 1Х, а на выходе Ix-dlx, где d/x убыль интенсивности. Очевидно,
что d/x пропорциональна 1Х и dx. Вводя коэффициент пропорциональности Р, получаем
d/=-p/rdx.	(3.58)
Знак «минус» в (3.58) означает убыль интенсивности d/x. Разделяя переменные и интег-
рируя (3.58), имеем
/ j j	L	г
J—= РJdx; 1п/-1п70 =-pZ; In— =-pi; / = /ое~₽£.	(3.59)
а, 4	о	4
Формула (3.59) носит название закона Бугера-Ламберта. Величина Р, входящая в (3.59),
называется коэффициентом полных потерь световой энергии в СВ. Уточним физический
смысл этой величины. Потребуем выполнения условия
— = е‘ = е = 2,718282.	(3.60)
'о
Из (3.59) и (3.60) следует
е' = e+₽L; pZj = 1; Р = 1/Д (м-1).	(3.61)
Согласно (3.61), коэффициент полных потерь световой энергии в СВ есть физическая
величина, обратная такой длине на которой интенсивность света убывает в е раз.
80
ГЛАВА 3
Из (3.59) величину р можно представить в виде p=lhA L I Исходя из (3.57) и (3.62) Р = -1п^. L Р Заменяя натуральный логарифм на десятичный, из (3.63) имеем 2,3025 Ъ L	Р Умножая правую и левую части в (3.64) на 10, получаем 10p = 3^.101g^-. Величину а = 101g дБ	(3.62) (3.63) (3-64) (3.65) (3.66)
назовем коэффициентом затухания света в СВ, измеряемом в децибелах. Из (3.65) и (3.66)
следует взаимосвязь между f и а в виде
2 3025
10р = -^---а; 10Р£ = 2,3025а, а =4,3431р£ .	(3.67)
Разделим (3.66) на длину L стекловолокна и выразим L в километрах:
Широко распространенной единицей измерения затухания в технике связи является
дБ/км.
3.10.12.	Методика практического определения коэффициента затухания р
Практическое определение интенсивностей 10, 1, входящих в (3.62), согласно рис. 3.25,
не представляется возможным, поскольку датчик интенсивности (или мощности) невозмож-
но внедрить в СВ. На рис. 3.26 показано соотношение между интенсивностями Io, I и соот-
ветствующими им интенсивностями на входе (/вх) и выходе (7ВЫХ) из СВ, а также интенсив-
ностями света, отраженного от левого (70тр1) и правого (/отрг) торцов СВ.
Рис. 3.26. К определению коэффициента затухания
ОПТИЧЕСКИЕ ВОЛНОВОДЫ
81
Согласно рис. 3.26 /о = Ах - Атр1 = Ах - Ах-Aj = Ax(l - *1);
7о = /ю(1-А|);	(3.69)
АьК = /-/сир2 = 7-А^ = /(1-Л);
/ = Аых	(3 70)
1-А2
где к{, кг - коэффициенты отражения света от границы раздела соответственно «воздух-СВ»
и «СВ-воздух».
Разделив почленно (3.69) на (3.70) получим
^=-^(1-А)(1-Л2).	(3.71)
1	7 вых
Подставляя (3.71) в (3.62), имеем		
Р = 11п	-^(1-А)(1-а2)	(3.72)
L	_1 вых	
Поскольку Ах ~ Лх, Аых ~ Рвых, получаем
Р = |1п	^(1-А)(1-А2)	(3.73)
L	L^x	J	
Коэффициенты отражения к\ и кг зависят от углов падения и преломления светового
пучка, вводимого в СВ через границу «воздух-СВ» и выводимого из СВ через границу
«СВ-воздух». Значения коэффициентов к\ и определяются формулами Френеля.
При нормальном падении светового пучка на торец СВ
А = к2 = к =
z	.\2
пс-пв 1
,пе+пн J
(3-74)
где и(, пн — АПП соответственно стекла и воздуха.
В большинстве случаев световые пучки вводятся в СВ под углами у (см. рис. 3.10), ко-
торые квантуются согласно формуле (3.20). Наклонному падению светового пучка на грани-
цу раздела соответствуют коэффициенты отражения кП; и кгм, зависящие от типа поляриза-
sin(y-P)
sin(y + P)
'g(Y-P)
'g(Y + P)_
ции волны:
[sinCy-P)-]2
[sin(y + P)j ’
. Ffg(y-Р)Т
К\ТМ - л	•
|?g(Y + P)J
Аналогично определяются коэффициенты отражения волны кг стекловолокна.
(3-75)
(3.76)
3.11.	Фотонно-кристаллическое волокно
Создание оптического волокна (ОВ) на основе кварцевого стекла стало поворотным момен-
том в развитии среды передачи, так как позволило системам магистральной связи не только
снять ограничения на скорость передачи и ширину полосы пропускания, но и снизить зату-
хание сигнала настолько, чтобы передавать его без регенерации на многие сотни километ-
ров. В настоящее время ведется поиск новых, более перспективных, волокон, одним из ко-
торых являются фотонно-кристаллическое волокно (ФКВ) [44, 46].
82
ГЛАВА 3
Эти волокна, наследуя свойства фотонных кристаллов, позволяют формировать фотон-
ные запрещенные зоны, что открывает новые перспективы в управлении свойствами ОВ.
Появляется возможность управлять волноводной дисперсией, сдвигая длину волны нулевой
дисперсии в область видимого спектра, а также эффективным показателем преломления
оболочки, формируя «бесконечно» одномодовые волокна, в том числе и волокна с большой
эффективной площадью сердцевины, необходимые для пропуска больших мощностей све-
тового потока; формировать воздушные каналы не только в оболочке (что делает волокно
более легким), но и в сердцевине, открывая широкие возможности дальнейшего уменьше-
ния затухания в волокне за пределы уже достигнутого.
Первые ОВ появились примерно сорок лет назад и имели затухание более 20 дБ/км.
С тех пор ОВ используются как среда передачи сигналов в ВОСП, в локальных вычисли-
тельных сетях (ЛВС), внутриобъектовых системах связи и др.
Волокна изготавливаются из кварцевого стекла — аморфной однородной изотропной
среды, в которой могут распространяться продольные и поперечные упругие волны.
Свет, отражаясь от границы раздела «сердцевина-оболочка», в результате полного
внутреннего отражения распространяется вдоль сердечника как волна по оптическому вол-
новоду. Световая волна как электромагнитное колебание распространяется по волокну с фа-
зовой скоростью, обратно пропорциональной показателю преломления, и состоит из многих
типов колебаний, называемых модами.
Моды определяются решением уравнения Максвелла и существуют в виде четырех ти-
пов колебаний: поперечных Т и продольных электрических Е, магнитных Н и смешанных
ЕН и НЕ.
Чем меньше диаметр сердцевины, тем меньше число возникающих в нем мод. Для ма-
гистральной связи целесообразно использовать одномодовые волокна с низкими уровнями
затухания (0,2.. .0,7) дБ/км.
Для ВОСП важно то, что полоса пропускания одномодового волокна очень велика (поряд-
ка 100 ТГц), поскольку наиболее широкополосные ВОСП уже достигли ширины полосы час-
тот 10 ТГц (системы DWDM— многоканальные системы с плотным мультиплексированием
по длине волны). Однако основной недостаток одномодовых волокон — очень малая пло-
щадь поперечного сечения сердцевины. Мощность оптического потока в первых системах с
синхронной цифровой иерархией (SDH) не превышала минус 3 дБм, в системах настоящего
времени она достигает +12 дБм, а в многоканальных системах WDM — более +23 дБм.
Увеличение плотности мощности оптического потока приводит к возрастанию уровня
нелинейных эффектов различного рода в ОВ. Их действие деструктивно в целом и сводится
к увеличению числа ошибок, уменьшению длины секции, снижению допустимой скорости
передачи в одноканальных системах, росту шага несущих частот в многоканальных систе-
мах и т.д.
Для решения перечисленных выше проблем проводится разработка волокон на основе
фотонных кристаллов. Фотонно-кристаллическое волокно представляет собой структуры
двумерного фотонного кристалла на основе композиции «кварцевое стекло-воздух», фор-
мируемой в оболочке ОВ.
ФКВ — это волокно, поперечное сечение которого постоянно по длине и представляет
собой двумерный фотонный кристалл (ФК) с точечным дефектом, расположенным, как пра-
вило, в центре симметрии ОВ.
Структура двумерного фотонного кристалла формируется в оболочке с помощью сим-
метрично расположенных вокруг сердцевины полых капилляров в виде круглых или шести-
ОПТИЧЕСКИЕ ВОЛНОВОДЫ
83
гранных плотно упакованных диэлектрических трубок, создающих периодическую двумер-
ную микрорешетку (рис. 3.27).
Рис. 3.27. Структуры двумерного ФК с точечным дефектом
на примере простой шестигранной центрированной ячейки
Главная особенность ФКВ в том, что распространение энергии световой волны проис-
ходит вдоль линейного дефекта (которым является, как правило, область сердцевины), а са-
ма волна существует в виде поперечной моды TEQ1 или ТМ01, т.е. в поперечном сечении
волокна (или в плоскости решетки фотонного кристалла).
Одним из первых и востребованных применений ФКВ стало создание световодов с
большой эффективной площадью для стыков с мощными лазерами. Они используются для
создания высокоэффективных шнуров коммутации лазерного и оптического усилительного
оборудования, а также сплавных разветвителей.
ФКВ являются перспективными элементами DFA для усилителей типа F, где они при-
меняются в качестве отрезков волокон, легированных эрбием. Последним усовершенствова-
нием здесь стало использование нескольких концентрических слоев воздушных отверстий в
оболочке с большим внутренним диаметром (52 мкм), что позволяет практически полно-
стью задействовать световой поток мощных лазерных диодов накачки, направляя его через
воздушные каналы оболочки ФКВ. Такие усилители позволяют достигать не только высо-
кого уровня мощности (порядка 33 дБм) и высокой эффективности преобразования энергии
накачки (свыше 21%), но и сохранить линейный режим для входного информационного
сигнала.
3.12.	Сравнительная характеристика коаксиальных
медных кабелей и стекловолокон
Приведем основные параметры коаксиальных медных кабелей, ранее используемых
в магистральных сетях связи, и стекловолокон на основе SiO2 (табл. 3.1).
84
ГЛАВА 3
Таблица 3.1. Сравнительная характеристика коаксиальных медных кабелей и стекловолокон
Параметр	Коаксиальный медный кабель	Стекловолокно
Несущая частота, Гц	0,7-107	1014
Скорость передачи информации, бит/с	107	1012
Число телефонных каналов на один коаксиал или стекловолокно	3,6-103	106
Расстояние между пунктами усиления в линии связи, км	3	100
Вероятность защиты от искровых разрядов и разрушения молнией	>0	1
Вероятность использования в магистральных линиях связи любого назначения	0	1
Вероятность использования в бортовых системах связи пилотируемых космических кораблей, баллистических ракет, межконтинентальных баллистических ракет и атомных подводных лодок	0	1
Вероятность использования в кольцевой системе связи Земли	0	1
3.13.	Разрушение волоконных световодов
под действием лазерного излучения
В связи с широким использованием волоконных оптических усилителей мощности излуче-
ния, передаваемые по одному волоконному световоду, приближаются к уровню 1 Вт. Этого
оказывается достаточно для поддержания распространения волны разрушения по волокон-
ным световодам.
В волоконных световодах на основе кварцевого стекла под действием лазерного излуче-
ния по сердцевине распространяется волна оптического разряда. Внешне это явление вы-
глядит следующим образом: при определенных условиях в области сердцевины световода
возникает область белого или голубоватого свечения (маленькая «звездочка» — волна опти-
ческого разряда), которая движется по световоду со скоростью порядка 1 м/с навстречу ла-
зерному излучению. После прохождения волны световод внешне выглядит неповрежден-
ным, однако в его сердцевине образуются полости (или пузыри) размером порядка несколь-
ких микронов. Процесс может быть инициирован загрязнением торца световода, контактом
торца световода с металлической поверхностью, нагреванием участка световода в электри-
ческой дуге. Пороговая интенсивность лазерного излучения, при которой возникает волна
оптического разряда, зависит от диаметра сердцевины оптического световода (от диаметра
поля моды) и излучения с разными длинами волн.
Иным образом выглядит процесс разрушения волоконных световодов на базе халькогенид-
ного и флюоридного стекол. После инициирования процесса разрушения этих световодов не на-
блюдалось формирования волн оптического разряда, а происходило полное разрушение свето-
водов (включая сердцевину, оболочку и иногда защитную полимерную оболочку) по всему по-
перечному сечению. При мощностях лазерного излучения, близких к пороговым, полимерная
оболочка не разрушалась и продукты разрушения сердцевины и оболочки оставались в ней.
При повышении мощности оптического излучения повышается температура на поверх-
ности световода. Она может достигать температуры стеклования для халькогенидного
(185°С) и флюридного (265°С) стекол, что ведет к снижению механической прочности све-
товодов и невозможности поддержания высокого давления в плазме оптического разряда,
что необходимо для распространения волны оптического разряда.
ОПТИЧЕСКИЕ ВОЛНОВОДЫ
85
Разрушение световодов под действием лазерного излучения ограничивает рост мощности
в волоконных линиях связи. В одномодовых световодах на основе кварцевых стекол с диамет-
ром сердцевины 10 мкм максимальная мощность ограничена значением 1,5 Вт, а у световодов
на основе халькогенидного и флюоридного стекол мощность на порядок меньше.
Тесты
3.1.	Какой из параметров характеризует среду распространения электромагнитной волны:
а)	длина волны;
б)	показатель преломления;
в)	напряженность электрического поля;
г)	начальная фаза?
3.2.	Чему равна скорость света в вакууме:
а) 340 м/с;	б) З Ю8 м/с;	в) З Ю6 м/с;	г) ЗЮ9 м/с?
3.3.	Чему равна скорость распространения электромагнитной волны в световоде имеющего
показатель преломления п = 3:
а) 340 м/с;	б) 3-10® м/с;	в) 108 м/с;	г) 10s м/с?
3.4.	Каким показателем преломления должна обладать сердцевина оптического волокна:
а)л=1;	б)пс>п0;	в)ис<и0;	г)иг = и0?
3.5.	Что называется модой оптического излучения:
а)	электромагнитная волна;
б)	частота излучения;
в)	степень когерентности;
г)	поляризация излучения?
3.6.	Что называется числовой апертурой:
а)	диаметр сердцевины волокна;
б)	диаметр оболочки волокна;
в)	корень квадратный из суммы квадратов показателей преломления сердцевины и оболочки;
г)	корень квадратный из разности квадратов показателей преломления сердцевины и оболочки?
3.7.	Что характеризует числовая апертура оптического волокна:
а)	эффективность ввода излучения в световод;
б)	эффективность вывода излучения из световода;
в)	диаметр сердцевины оптического волокна;
г)	диаметр оболочки оптического волокна?
3.8.	Какие типы волокон обеспечивают максимальную широкополосность:
а)	одномодовый градиентный;
б)	многомодовый градиентный;
в)	многомодовый со ступенчатым изменением показателя преломления;
г)	одномодовый со ступенчатым изменением показателя преломления?
3.9.	От чего зависит уширение импульсного оптического сигнала:
а)	от мощности вводимого в световод оптического сигнала;
б)	значения цифровой апертуры;
в)	типа оптического волокна;
г)	диаметра оболочки оптического волокна?
3.10.	Какие значения затухания на километр имеют современные оптические волокна для систем ма-
гистральной связи:
а)	порядка 10 дБ/км;
б)	порядка 5 дБ/км;
в)	порядка 2 дБ/км;
г)	порядка 0,5 дБ/км?
Глава 4
ИСТОЧНИКИ НЕКОГЕРЕНТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
4.1.	Источники света
4.1.1.	Разновидности источников
В прошлом к источникам искусственного света для бытового освещения и промышленного
оборудования относили электрические лампы накаливания, люминесцентные лампы, газо-
разрядные источники света, наполненные парами, и неоновые лампы.
Излучение этих источников лежит в широком диапазоне длин волн спектра, значитель-
ная часть которого выходит за пределы видимой области. Достижения полупроводниковой
электроники за последнее десятилетие позволяют включить в этот перечень новые источни-
ки света — светоизлучающие диоды (СИД). Отличительной особенностью этих полупрово-
дниковых приборов является то, что создаваемое ими излучение лежит в весьма узком спек-
тральном диапазоне [30] (рис. 4.1). Используемые в оптоэлектронике единицы измерения
длин волн X приведены в табл. 4.1. Наиболее распространен среди них нанометр.
Рис. 4.1. Нормализованные спектры некоторых источников излучения:
1,2 — соответственно зеленый, инфракрасный СИД, 3, 4 — лампы накаливания
с вольфрамовой нитью соответственно температуре 2500 К и 3400 К; 5 — неоновая лампа
Таблица 4.1. Единицы измерения длин волн
Наименование	Обозначение	Значение, м	Эквивалент
Микрон	МКМ	ЬЮ’6	1 мкм = 1000 нм 1 мкм = 10 000 А
Нанометр	нм	1 10”	1 нм = 10 А
Ангстрем	А	1-Ю-10	1 А = 0,1 нм
ИСТОЧНИКИ НЕКОГЕРЕНТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
87
Согласно теории проводимости твердого тела при прохождении тока через р-и-переход
в результате рекомбинации дырок или электронов с носителями заряда противоположного зна-
ка всегда выделяется световая (фотоны) или тепловая (фононы) энергия. Одним из положений
квантовой теории является то, что в твердых кристаллах электроны могут иметь только опре-
деленную энергию; запрещенная энергетическая зона представляет собой промежуток между
верхом валентной зоны и дном зоны проводимости. Эта зона характеризует полупроводник, а
ее ширина, выраженная в электрон-вольтах (эВ), определяет длину волны испускаемого излу-
чения. Проведенный изготовителями анализ различных полупроводниковых материалов с точ-
ки зрения их пригодности для изготовления СИД по таким параметрам, как длина волны, эф-
фективность преобразования энергии и легкость легирования, позволил остановить выбор на
арсениде галлия (GaAs), фосфиде галлия (GaP) и соединении фосфид арсенида галлия (GaAsP).
4.2.	Основные характеристики и параметры светодиодов
4.2.1.	Параметры светодиодов
Сила света Iv — излучаемый диодом световой поток, приходящий на единицу телесного уг-
ла в направлении, перпендикулярном к плоскости излучающего кристалла. Указывается при
заданном значении прямого тока и измеряется в канделах (кд).
Яркость излучения L — величина, равная отношению силы света к площади светящейся
поверхности. Она измеряется в канделах на квадратный метр (кд/м2) при заданном значении
прямого тока через диод.
Постоянное прямое напряжение Unp — значение напряжения на СИД при протекании
постоянного прямого тока.
Максимально допустимый постоянный прямой ток /„ртах — максимальное значение
постоянного прямого тока, при котором обеспечивается заданная надежность при длитель-
ной работе диода.
Максимально допустимое обратное напряжение (/„бртах — максимальное значение по-
стоянного напряжения, приложенного к диоду, при котором обеспечивается заданная на-
дежность при длительной работе.
Максимально допустимое обратное импульсное напряжение СЛбримп — максимальное
пиковое значение обратного напряжения на светодиоде, включая как однократные выбросы,
так и периодически повторяющиеся.
Максимальное спектральное распределение Хтах — длина волны излучения, соответст-
вующая максимуму спектральной характеристики излучения СИД.
Параметры светодиодов видимого диапазона приведены в табл. 4.2.
Таблица 4.2. Параметры светодиодов видимого диапазона длин волн
Тип прибора	Цвет свечения	Значения параметров прн Т=25°С,/пртом, мА				Предельные значения параметров при Г= 25 °C		Ткат. °C
		Iw мккд (£), кд/м2	t/np, В	Д1р иом> мА	^Шах» МКМ	Aip шах» мА	^обртах (^обр н max), ®	
КЛ101А	Желтый	(Ю)	5,5	10	0,64	10	(2,0)	70
КЛ101Б	Желтый	(15)	5,5	20	0,64	20	(2,0)	70
КЛ101В	Желтый	(20)	5,5	40	0,64	40	(2,0)	70
88
ГЛАВА 4
Продолжение табл. 4.2
Тип прибора	Цвет свечения	Значения параметров при Т= 25 °C, 7„р ном, мА				Предельные значения параметров при Т= 25 °C		°C
		Zv, мккд (£), кд/л?	1/пр В	Л1р ном» мА	^тах» МКМ	Л1р шах» мА	^обр max (<^обр н max)» В	
2Л101А	Желтый	(Ю)	5	10	0,64	10	(2,0)	70
2Л101Б	Желтый	(15)	5	20	0,64	20	(2,0)	70
АЛ102А	Красный	40	2,8	5	0,69	10	(2,0)	70
АЛ102Б	Красный	100	2,8	10	0,69	20	(2,0)	70
АЛ102В	Зеленый	200	2,8	20	0,53	22	(2,0)	70
АЛ102Г	Красный	250	2,8	10	0,69	20	(2,0)	70
АЛ102Д	Зеленый	400	2,8	20	0,53	22	(2,0)	70
ЗЛ102А	Красный	20	3	5	0,69	20	(2,0)	70
ЗЛ102Б	Красный	100	3	10	0,69	20	(2,0)	70
ЗЛ102В	Зеленый	250	2,8	20	0,53	22	(2,0)	70
ЗЛ102Г	Красный	60	3	10	0,69	20	(2,0)	70
ЗЛ102Д	Красный	200	3	10	0,69	20	(2,0)	70
АЛ112А	Красный	(1000)	2	10	0,68	12	(2,0)	70
АЛ112Б	Красный	(600)	2	10	0,68	12	(2,0)	70
АЛ 112В	Красный	(250)	2	10	0,68	12	(2,0)	70
АЛ112Г	Красный	(350)	2	10	0,68	12	(2,0)	70
АЛ112Д	Красный	(150)	2	10	0,68	12	(2,0)	70
АЛ112Е	Красный	(1000)	2	10	0,68	12	(2,0)	70
АЛ112Ж	Красный	(600)	2	10	0,68	12	(2,0)	70
АЛ112И	Красный	(250)	2	10	0,68	12	(2,0)	70
АЛ112К	Красный	(1000)	2	10	0,68	12	(2,0)	70
АЛ112Л	Красный	(600)	2	10	0,68	12	(2,0)	70
АЛ112М	Красный	(250)	2	10	0,68	12	(2,0)	70
АЛ301А-1	Красный	25	2,8	5	0,7	11	(2,0)	70
АЛ301Б-1	Красный	100	2,8	10	0,7	11	(2,0)	70
АЛ307А	Красный	150	2	10	0,666	20	2,0	70
АЛ307АМ	Красный	150	2	10	0,666	20	2,0	70
АЛ307Б	Красный	900	2	10	0,666	20	2,0	70
АЛ307БМ	Красный	900	2	10	0,666	20	2,0	70
АЛ307В	Зеленый	400	2,8	20	0,566	22	2,0	70
АЛ307ВМ	Зеленый	400	2,8	20	0,566	22	2,0	70
АЛ307Г	Зеленый	1500	2,8	20	0,566	22	2,0	70
АЛ307ГМ	Зеленый	1500	2,8	20	0,566	22	2,0	70
АЛ307Д	Желтый	400	2,8	10	0,56...0,7	22	2,0	70
АЛ307ДМ	Желтый	400	2,5	10	0,56...0,7	22	2,0	70
АЛ307Е	Желтый	1500	2,8	10	0,56...0,7	22	2,0	70
АЛ307ЕМ	Желтый	1500	2,5	10	0,56...0,7	22	2,0	70
ИСТОЧНИКИ НЕКОГЕРЕНТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
89
Продолжение табл. 4.2
Тип прибора	Цвет свечения	Значения параметров при Т= 25 °C,/прном, мА				Предельные значения параметров при Г= 25 °C		тквт, °C
		Zv, мккд (£), кд/м2	1/пр, В	Aip ном» мА	^тах, МКМ	Aip max» мА	^обртаж (^4)бр н max)» В	
АЛ307ЖМ	Желтый	3500	2,5	10	0,56-0,7	22	2,0	70
АЛ307И	Оранжевый	400	2,8	10	0,56	22	2,0	70
АЛ307Л	Оранжевый	1500	2,8	10	0,56	22	2,0	70
АЛ310А	Красный	610	2	10	0,67	12	2,0	70
АЛ310Б	Красный	250	2	10	0,67	12	2,0	70
АЛ316А	Красный	800	2	10	0,67	20	2,0	70
АЛ316Б	Красный	250	2	10	0,67	20	2,0	70
АЛС331А	Переменный	600	4	20	0,56-0,7	20	2	70
АЛ341А	Красный	150	2,8	10	0,69...0,71	20	2,0	70
АЛ341Б	Красный	500	2,8	10	0,69-0,71	20	2,0	70
АЛ341В	Зеленый	150	2,8	10	0,55-0,56	22	2,0	70
АЛ341Г	Зеленый	500	2,8	10	0,55-0,56	22	2,0	70
АЛ341Д	Желтый	150	2,8	10	0,55-0,7	22	2,0	70
АЛ341Е	Желтый	500	2,8	10	0,55-0,7	22	2,0	70
АЛ341И	Красный	300	2	10	0,67	30	2,0	70
АЛ341К	Красный	700	2	10	0,67	30	2,0	70
КЛ360А	Зеленый	300	1,7	10	0,566	20	2,0	85
КЛ360Б	Зеленый	600	1,7	10	0,566	20	2,0	85
ЗЛ360А	Зеленый	300	1,7	10	0,566	20	2,0	85
ЗЛ360Б	Зеленый	600	1,7	10	0,566	20	2,0	85
КЛД901А	Синий	150	12	3	0,466	6	2,0	70
КИПД01А-1Л	Зеленый	800	7	10	0,55-0,56	12	8,0	70
КИПД01Б-1Л	Зеленый	600	7	10	0,55-0,56	12	8,0	70
КИПД02А-1К	Красный	400	1,8	5	0,7	20	3,0	70
КИПД02Б-1К	Красный	900	1,8	5	0,7	20	3,0	70
КИПД02В-1Л	Зеленый	250	2,5	5	0,55	20	3,0	70
КИПД02Г-1Л	Зеленый	500	2,5	5	0,55	20	3,0	70
КИПД02Д-1Ж	Желтый	250	2,5	5	0,63	20	3,0	70
КИПД02Е-1Ж	Желтый	650	2,5	5	0,63	20	3,0	70
КИПД03А-1К	Красный	60	2	5	0,65	8,0	5,0	70
КИПД03А-1Ж	Желтый	30	2,5	5	0,6	8,0	5,0	70
КИПД03А-1Л	Зеленый	32	3	5	0,57	8,0	5,0	70
КИПД04А-1К	Красный	15000	2	10	0,7	30	2,0	70
КИПД04Б-1К	Красный	10000	2	10	0,7	30	2,0	70
КИПД05А-1К	Красный	200	1,8	5	0,7	6,0	6,0	70
КИПД05Б-1Л	Зеленый	100	2,5	5	0,55	6,0	6,0	70
КИПД05В-1Ж	желтый	100	2,5	5	0,63	6,0	6,0	70
КИПД06А-1К	Красный	4000	5,5	25	0,7	25	10,0	55
КИПД06Б-1К	Красный	6000	5,5	25	0,7	25	10,0	55
КИПД06В-1Л	Зеленый	3000	7,5	25	0,55	25	10,0	55
90
ГЛАВА4
Продолжение табл. 4.2
Тип прибора	Цвет свечения	Значения параметров при Т— 25 С, ZHp ном, мА				Предельные значения параметров при Т= 25 °C		ткт^ °C
		/v, мккд (L), кд/м2	1/„Р, В	Aip ном* мА	МКМ	Л1р тах> мА	Цобр там (^обр н max)» В	
КИПД06Г-1Л	Зеленый	5000	7,5	25	0,55	25	10,0	55
КИПМ01А-1К	Красный	400	2	10	0,65-0,675	30	5,0	70
КИПМ01Б-1К	Красный	1000	2	10	0,65-0,675	30	5,0	70
КИПМ01В-1Л	Желто-зеленый	400	2,8	20	0,55-0,57	30	5,0	70
КИПМ01Г-1Л	Желто-зеленый	1000	2,8	20	0,55-0,57	30	5,0	70
КИПМ01Д-1Л	Желто-зеленый	2000	2,8	20	0,55-0,57	30	5,0	70
КИПМ02А-1К	Красный	400	2	10	0,65...0,675	30	5,0	70
КИПМ02Б-1К	Красный	1000	2	10	0,65-0,675	30	5,0	70
КИПМ02В-1Л	Желто-зеленый	400	2,8	20	0,55-0,57	30	5,0	70
КИПМ02Г-1Л	Желто-зеленый	1000	2,8	20	0,55-0,57	30	5,0	70
КИПМ02Д-1Л	Желто-зеленый	2000	2,8	20	0,55-0,57	30	5,0	70
КИПМ03А-1К	Красный	400	2	10	0,65-0,675	30	5,0	70
КИПМ03Б-1К	Красный	1000	2	10	0,65-0,675	30	5,0	70
КИПМ03В-1Л	Желто-зеленый	400	2,8	20	0,55-0,57	30	5,0	70
КИПМ03Г-1Л	Желто-зеленый	1000	2,8	20	0,55-0,57	30	5,0	70
КИПМ03Д-1Л	Желто-зеленый	2000	2,8	20	0,55-0,57	30	5,0	70
КИПМ04А-1К	Красный	400	2	10	0,65-0,675	30	5,0	70
КИПМ04Б-1К	Красный	1000	2	10	0,65-0,675	30	5,0	70
КИПМ04В-1Л	Желто-зеленый	400	2,8	20	0,55-0,57	30	5,0	70
КИПМ04Г-1Л	Желто-зеленый	1000	2,8	20	0,55-0,57	30	5,0	70
КИПМ04Д-1Л	Желто-зеленый	2000	2,8	20	0,55-0,57	30	5,0	70
lv	— сила света светодиода;
L	— яркость светодиода;
1/пр — прямое падение напряжения на светодиоде при токе /прном;
/прнои — номинальный прямой ток светодиода;
Хмах — максимальное спектральное распределение светодиода;
/пр мах — максимально допустимый прямой ток через светодиод;
1/обР мах — максимально допустимое обратное напряжение светодиода;
^обри мах — максимально допустимое импульсное обратное напряжение светодиода;
Т’к мах	— максимально допустимая температура корпуса светодиода.
4.2.2.	Характеристики светодиодов
Цвет свечения характеризуется спектральными характеристиками излучения диодов. Диоды
на основе фосфида галлия имеют спектральные характеристики с двумя выраженными макси-
мумами в красном и зеленом участках спектра. В зависимости от количества активирующих
примесей, внедренных в структуру излучающего кристалла при изготовлении, соотношение
между значениями максимумов изменяется в сторону красного или зеленого цвета. При дос-
тижении этого соотношения 10:1 и выше получают красный или зеленый цвет излучения. При
соотношениях максимумов 10:4 получают светодиоды желто-оранжевого цвета свечения.
ИСТОЧНИКИ НЕКОГЕРЕНТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
91
Рис. 4.2. Схема включения
светодиода
Рис. 4.3. Излучательная характеристика
светодиода
Излучение диода характеризуется диа-
граммой направленности, которая опреде-
ляется конструкцией диода (рис. 4.2), нали-
чием линзы, оптическими свойствами за-
щищающего кристалл материала. Излуче-
ние СИД может быть узконаправленным
или рассеянным.
Эффективность работы СИД характе-
ризуется зависимостями параметров опти-
ческого излучения от прямого тока через
элемент от длины волны излучения. Зави-
симость потока излучения Ф, Вт, от прямо-
го тока /пр называется излучательной (ярко-
стной) характеристикой (рис. 4.3).
В справочной литературе излучательной
характеристикой называют также зависи-
мость яркости L, кд/м2, от прямого тока, а
зависимость силы света от прямого тока —
световой характеристикой.
В качестве параметра электрического
режима выбран прямой ток через СИД, а не
напряжение на нем. Это связано с тем, что
у СИД р-л-переход включают в прямом
направлении и его электрическое сопротив-
ление мало. Обычно прямой ток через СИД задается внешней цепью: например, соответст-
вующим выбором ограничивающего сопротивления Rorp на рис. 4.2.
При малых токах /пр велика доля рекомбинации составляющей тока и коэффициент ин-
жекции мал. С ростом прямого тока поток излучения сначала быстро увеличивается до тех
пор, пока в токе диода не становится преобладающей диффузионная составляющая тока.
Дальнейшее увеличение приводит к постепенному насыщению центров люминесценции
и сопровождается ростом ударной рекомбинации. Поэтому при определенном токе излуча-
тельная характеристика имеет максимум. Максимальная сила излучения зависит от площа-
ди и геометрии излучающего р-л-перехода и от размеров электрических контактов.
4.2.3.	Определение и оценка параметров светодиодов
Параметры светодиодов как элементов цепей постоянного тока определяются их вольт-ампер-
ными характеристиками (ВАХ). Различия прямых ветвей ВАХ связаны с разницей в ширине
запрещенной зоны применяемых материалов. Чем меньше длина волн излучения, тем больше
прямое падение напряжения на СИД и потери электрической энергии в нем (рис. 4.4). Об-
ратные ветви ВАХ имеют малое допустимое обратное напряжение, так как ширина р-л-пе-
рехода в СИД невелика. При работе в схемах с большими обратными напряжениями после-
довательно со светодиодом необходимо включать обычный диод.
Основные параметры диодов зависят от температуры. Зависимость яркости (силы света) от
температуры практически линейная. С увеличением температуры яркость (сила света) умень-
шается. В интервале рабочих температур яркость может изменяться в два-три раза.
92
ГЛАВА 4
Рис. 4.4. Вольт-амперные характеристики диодов
Светодиоды обладают высоким быстродействием. Излучение нарастает за время менее
10 нс после подачи импульса прямого тока. Однако для устройств отображения, в которых
обычно используются СИД, быстродействие не является критичным. Поэтому для серий-
ных светодиодов временные параметры не приводятся.
Светодиоды широко применяются в радиоэлектронной аппаратуре в устройствах инди-
кации: включения, готовности и работе, наличия напряжения, аварийной ситуации, дости-
жения температурного порога, выполнения функционального задания.
————————,, ,	Светодиоды излучают свет видимого спек-
Прямое напряжение, 0,2 В/см
Рис. 4.5. Зависимость тока /пр
от напряжения Urp:
1 — красный СИД GaAseP4; 2 — оранжевый СИД
GaAsjsPgsN. 3 — желтый СИД GaAsi*PeeN;
4 — зеленый СИД GaPN
тра, когда через них протекает электрический
ток. Приборы в металлическом корпусе со стек-
лянной линзой обеспечивают направленное из-
лучение света, а изготовленные в пластмассо-
вых корпусах, выполненных из оптически про-
зрачного компаунда, создают рассеянное излу-
чение.
Хотя цвет (длина волны) излучения опре-
деляется использованным материалом, коли-
чество света, испускаемого светодиодом, зави-
сит от тока возбуждения и быстро увеличива-
ется с ростом плотности тока.
Положение точки перегиба любой из кри-
вых на рис. 4.5 непосредственно связано с ши-
риной запрещенной зоны и для красных свето-
диодов соответствует меньшему прямому па-
дению напряжения. Согласно рис. 4.5 динамическое сопротивление красных светодиодов
равно (1 ...2) Ом, в то время как для материалов, дающих более коротковолновое излучение,
оно составляет (7... 15) Ом.
По мере роста плотности тока через р-и-переход большее число электронов и дырок
инжектируется в запрещенную зону. При их движении возникают вторичные эффекты, по-
ИСТОЧНИКИ НЕКОГЕРЕНТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
93
вышаюшие число дырок и электронов, которые могут излучательно рекомбинировать. В ре-
зультате световая эффективность СИД увеличивается. На рис. 4.6 показаны зависимости
светового потока от тока возбуждения светодиодов для ряда материалов. Следует отметить,
что красные GaP-светодиоды начинают излучать при малых плотностях тока, однако их из-
лучение достигает насыщения при относительно низких плотностях тока по сравнению со
светодиодами из других материалов.
GaAIAsP
ZnSe^GaP;
! ZnS-GaP ;
GalnAsP
,SiC,
' CdTeS
CdSqS
Znsps
ZnCdS
j i i
GaAIN
GaAlP
GaAsP
CdTe
GaAs InP
Si
CdSe
CdS
AIP ZnTe
pap
ZnSe
AIN GaS
ZnS GaN
CuAIS
&
0,7
5
ra
s
I----------H
4,13	3,1
0.8
0,9
4-------1-------1------1 ...+-
2,48	2,07	1,77	1,55	1,37
—| 1, MKM
1.0
—I E, эВ
1.24

3
&
Рис. 4.6. Спектральные диапазоны излучения и максимальной фоточувствительности
полупроводниковых материалов и структур
4.2.4.	Схемы возбуждения, обеспечивающие высокую
световую эффективность светодиодов
Наклон кривых для GaAsP на рис. 4.5 показывает, что удвоение тока возбуждения приводит к
более чем двукратному увеличению светового потока. Это говорит о росте световой эффек-
тивности таких светодиодов при больших возбуждающих токах и указывает на то, что им-
пульсные схемы возбуждения позволяют получить больший световой поток по сравнению со
статическими. Достигаемое таким образом увеличение световой эффективности иллюстриру-
ется числовым примером, относящимся к характеристике красного GaAsP-светодиода и к
форме импульсов возбуждающего тока, изображенной на рис. 4.7, а. Как видно из рис. 4.7, б,
при возбуждении постоянным током 10 мА создается световой поток около 0,7 млм, а при им-
94
ГЛАВА4
пульсном возбуждении средний световой поток составляет 2,0 млм (~10% от 20 млм). При
возбуждении большими токами длительность и коэффициент заполнения импульса влияют
на температуру перехода. Возникающие при этом явления обсуждаются ниже. Если свето-
диоды возбуждаются импульсами частотой, значительно превышающей 30 Гц, то не возни-
кает ни мельканий, ни других ощущений вспышки, заметных человеческому глазу.
Рис. 4.7. Временные диаграммы:
а — возбуждающий ток; б — световой поток;
коэффициент заполнения tilt2 = 10%; частота регенерации = 1/fe
4.2.5.	Влияние температуры
С ростом температуры прямое падение напряжения на СИД падает, соответствующий коэф-
фициент составляет от (-1,3) до (-2,5) мВ/°С. Длина волны максимальной интенсивности
излучения увеличивается с ростом температуры, коэффициент равен приблизительно 0,2
нм/°С или менее в зависимости от материала СИД. Кроме того, излучение СИД ослабевает
с ростом температуры, типичное значение отрицательного температурного коэффициента
приблизительно равно 1%/°С.
4.2.6.	Срок службы
Поскольку СИД является твердотельным прибором, срок его службы должен превышать
долговечность оборудования, где он установлен. Однако чрезвычайно медленная естествен-
ная диффузия примесей в кристаллическое полупроводниковое соединение наряду с други-
ми не совсем ясными механизмами приводит к тому, что с течением времени световой по-
ток несколько уменьшается. Из кривых испытаний на срок службы, приведенных на
рис. 4.7, видно, что спад светового потока больше при больших токах, однако, как правило,
он меньше 10% даже после 1000 ч непрерывной работы.
Как правило срок службы СИД определяется как время, за которое световой поток по-
нижается до 50% своего первоначального значения. Для СИД с излучением в видимом диа-
пазоне обычно приводится срок службы 100 000 ч (свыше 11 лет) для нормальных рабочих
условий. Скорость деградации также зависит от выбранного рабочего тока, его снижение
ослабляет деградацию и увеличивает срок службы.
4.2.7.	Ограничение тока
Из кривых зависимости /пр от Unp (рис. 4.8) видно, что после достижения точки перегиба ток
/пр резко возрастает при небольшом увеличении прямого падения напряжения t/np. Для огра-
ИСТОЧНИКИ НЕКОГЕРЕНТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
95
ничения тока последовательно со светодиодом должен быть включен резистор /?огр
(см. рис. 4.2). Этим обеспечивается эксплуатация светодиода при токе, равном или меньше
задаваемого техническими условиями. Величина сопротивления резистора получается из
уравнения
^=(Ч-^пР)/4Р»	(4-1)
где U„— напряжение питания; 7пр — прямой ток.
Рис. 4.8. Зависимости силы света от тока /пр (а)
и тока /пр от напряжения 1/пр (б)
б
Уравнение выполняется для всех применений СИД (в качестве индикаторов, осветите-
лей, шкальных индикаторов, буквенно-цифровых индикаторов или оптронов).
Если несколько СИД подсоединяются параллельно (через общий резистор) непосредст-
венно к одному и тому же стабилизированному источнику питания, то прибор с наимень-
шим /7пр будет отбирать большую часть тока, в результате чего его световой поток заметно
превысит световой поток других СИД. Для того, чтобы избежать этого, необходимо после-
довательно с каждым СИД включить отдельный токоограничивающий резистор.
В качестве эмпирического правила можно ориентироваться на следующее: сила света
(4...5) мкд достаточна для того, чтобы четко различать свечение светодиода в условиях яр-
ко освещенного помещения (освещенность около 1000 лк). Для высокоэффективных крас-
ных светодиодов видимого диапазона излучения требуемый ток 7пр обычно равен ~10 мА,
для других цветов — 20 мА.
Пример. Светодиод, характеристики которого приведены на рис. 4.8, должен питаться
от источника +5 В и давать силу света 2 мкд. Рассчитайте сопротивление токоограничиваю-
щего резистора.
Решение. На рис. 4.8 показаны характеристики из справочных листов для этого свето-
диода. Из них можно найти, что ток /пр = 10 мА необходим для получения силы света 2 мкд;
при этом токе напряжение /7пр = 1,4 В. Использовав эти значения, получим
Rorp = (Un - Unp)//np = (5 - 1,4)/0,01 = 3,6/0,01 = 360 Ом.
Номинал резистора равен 360 Ом (0,5 Вт).
96
ГЛАВА 4
4.2.8.	Достоинства твердотельных излучателей
Благодаря малому рабочему напряжению, току и потребляемой мощности сопряжение
светодиодов с электронными схемами возбуждения осуществляется проще, чем в случае
ламп накаливания или газоразрядных источников света. Жесткие герметичные корпуса
обеспечивают высокую ударную и вибрационную прочность СИД, что позволяет исполь-
зовать СИД при таких тяжелых условиях воздействия окружающей среды, которые не
выдерживают другие источники света. Применение твердотельных материалов для изго-
товления СИД обеспечивает большой срок службы, что увеличивает общую надежность
и уменьшает расходы на эксплуатацию оборудования, где светодиоды установлены. Ши-
рокая гамма цветов излучения светодиодов: от красного до оранжевого, желтого и зеле-
ного — дает разработчикам разнообразные возможности их применения. Светодиоды от-
личаются низким уровнем собственных шумов и высокой помехоустойчивостью, быст-
ротой и стабильностью отклика на воздействие управляющей схемы; при этом они не
создают бросков тока и не имеют периода разогрева, характерного для источников света
с нитями накаливания.
4.3.	Конструкции светодиодов
Излучающая активная область может быть по разному размещена в кристалле (рис. 4.9).
Обычно стремятся сделать ее площадь минимальной, чтобы достичь требуемых значений
параметров при меньших значениях инжектируемого тока.
Для уменьшения потерь при выходе излучения из кристалла и улучшения диаграммы
направленности иногда используют кристалл, отличный от параллелепипеда. Поскольку по-
лупроводник оптически значительно более плотен, чем воздух, большая часть световых лу-
чей не выходит наружу, а отражается от поверхности внутрь кристалла и, в конечном счете,
поглощается. Так, для поверхности раздела арсенид галлия—воздух лишь лучи, отклоняю-
щиеся от нормали менее чем на 17°, выходят наружу. По сравнению с плоским кристаллом
можно получить выигрыш в величине коэффициента вывода света т]опт при использовании
полупроводниковой полусферы (рис. 4.9, д, ё) в 15. ..25 раз, пластмассовой линзы — в 3...4
раза (рис. 4.9, б, е), усеченного конуса — в 4.. .6 раз.
Рис. 4.9. Конструкции светодиодов
ИСТОЧНИКИ НЕКОГЕРЕНТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
97
Конус, изображенный на рис. 4.9, з, улучшает диаграмму направленности торцевого излу-
чения структур с широкой активной областью. Конструкции, приведенные на рис. 4.9, д-з,
сложны, дорогостоящи и непригодны для многих микроэлектронных устройств из-за увели-
ченных габаритов.
4.4.	Основные схемы возбуждения светодиодов
На рис. 4.10 показаны две основные схемы возбуждения СИД, пригодные независимо отто-
го, являются ли последние излучателями, осветителями, сегментами, шкалами, буквенно-
цифровыми индикаторами или входными каскадами оптронов. В схеме с активным низким
уровнем с проводящим транзистором светодиод смещен в прямом направлении и испускает
свет. Сопротивление токоограничивающего резистора можно рассчитать по формуле
(4-2)
^сд
где UKH — напряжение насыщения транзистора; /сд — ток через световод.
Рис. 4.10. Схемы формирователя с активным низким (а) и высоким (б) уровнями
В схеме с активным высоким уровнем СИД излучает, когда транзистор выключен (не
проводит). В этом случае резистор должен удовлетворять двум критериям — гарантировать
прохождение через светодиод тока 7СД, достаточного для создания требуемого светового вы-
хода при выключенном транзисторе, и обеспечивать насыщение проводящего транзистора.
При выключенном транзисторе уравнение для Яргр имеет вид
^=(^-Чл)Ди.	(4-3)
а когда транзистор проводит,
^=(Ч-Чл)/4.	(4.4)
где /*—ток насыщения транзистора.
В табл. 4.2 показано несколько ТТЛ-формирователей возбуждающих напряжений,
а также приведены соотношения между включенными и выключенными состояниями СИД
и соответствующими логическими входными уровнями.
4 — 3322
98
ГЛАВА 4
Таблица 4.2. Состояние ТТЛ-формирователей и светодиодов (1, 2) с открытым коллектором;
(3, 4) с активным высоким выходным уровнем
№ п/п	СхемаТТЛ-формирователя					Уровень Un	Состояние светодиода
1	I	DD 1			г VD	Высокий Низкий	Включен Выключен
2	I	DD 1			?ЧО—< R ‘‘VD	Высокий Низкий	Выключен Включен
3	1		DD 1			Высокий Низкий	Выключен Включен
4	I	DD		[	г VD	Высокий Низкий	Включен Выключен
4.5.	Выбор типа светодиода
4.5.1.	Основные соображения для выбора типа светодиода
Выбор конкретного типа для данного применения помимо требуемого светового выхода и
тока возбуждения может зависеть и от других важных факторов. К их числу относятся: со-
четание линзы с корпусом, место расположения, цвет излучения светодиода, условия осве-
щенности окружающей среды, угол обзора, контраст с окружающим фоном и расстояние
наблюдения.
Изготовители выпускают СИД в корпусах, заимствованных у ламп накаливания (стан-
дартные и укороченные корпуса Т-%, Т-1, Т-1%), а также предлагают втулки и оправки для
ИСТОЧНИКИ НЕКОГЕРЕНТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
99
монтажа СИД на плоских панелях. Светодиоды также могут поставляться в транзисторных
корпусах ТО-18 и в корпусах с осевым расположением выводов для низкопрофильного
монтажа непосредственно на печатных схемных платах. Внешний вид нескольких наиболее
распространенных конструкций изображены на рис. 4.9. Помимо них СИД выпускаются с
прямоугольными, квадратными и другими конфигурациями корпуса. Профилированный из-
лучатель имеет форму стрелки, указывающей в светящемся состоянии направление, квад-
ратные и прямоугольные излучатели могут иметь надписи непосредственно на подсвечивае-
мой поверхности корпусов.
Типичные места расположения СИД — это внутренние части или края печатных
схемных плат, где они используются для отображения логических состояний или диагно-
стической информации, внешние поверхности (например, лицевые панели или подсвет
светофильтров) индикаторов карманных калькуляторов, автономных электронных игр
или консолей дистанционного управления.
Помимо светящегося или несветящегося состояний СИД, для передачи информации
может быть дополнительно использован цвет (например, красный — обозначение опасно-
сти, желтый — предостерегающий, зеленый — для нормальных условий). Окружающее
освещение может изменяться от наружных условий яркого солнечного света до условий
закрытых помещений в учреждениях и домах или даже слабо освещенных помещений
с радиолокационным оборудованием. Данные по освещенностям для ряда типичных слу-
чаев сведены в табл. 4.3
Таблица 4.3. Значения освещенности
Окружающие условия	Освещенность, лк
Дневной свет-, ясно	85 000
облачно	15000
Учреждение-, обычные условия	1000
работа на пишущей машинке или с компьютером	1500
Производство: электрические испытания и монтаж	1000
грубая слесарная обработка	500
Квартира:	кухня	1500
кабинет	700
гостиная	100
При любых условиях освещенности окружающей среды должна быть задана минималь-
ная сила света, позволяющая оператору четко различать включенное и выключенное со-
стояния СИД (рис. 4.11). При постоянных условиях на поверхности расположения индика-
тора (т.е. типах светодиодов и линзы, угле, расстоянии наблюдения и т.д.) сила света долж-
на быть больше при большей освещенности окружающей среды. Для одного и того же кри-
сталла СИД узкофокусирующая линза дает высокую силу света вдоль главной оси, но ма-
лый угол обзора (от 5 до 10°). В то же время линза с широкой диаграммой направленности
обеспечивает большой угол обзора, но при значительно меньшей силе света.
На восприятие человека сильное влияние может оказывать фон вокруг СИД. Восприни-
маемая яркость фона зависит от количества падающего света, коэффициента отражения и
текстуры поверхности, а также от цветового контраста по отношению к излучению СИД.
Визуальное восприятие можно улучшить повышением контраста между светящимся СИД и
его фоном с помощью механических средств (козырьков, жалюзи, утопленного располож-
ения индикатора) или введением оптических фильтров (последние эффективны, несмотря
4*
100
ГЛАВА 4
на то, что они несколько ослабляют силу света СИД). Расстояние наблюдения влияет на вы-
бор минимального размера кажущейся излучающей поверхности СИД. Субминиатюрные
корпуса (подобные Т-%) пригодны, когда расстояние наблюдения порядка метра; большие
прямоугольные или профилированные излучатели могут потребоваться при значительном
удалении СИД от наблюдателя.
Освещенность окружающей среды, лк
Рис. 4.11. Зависимость, определяющая условия хорошей читаемости СИД
при различных уровнях освещенности окружающей среды
В некоторых применениях в результате выбора СИД может первоначально оказаться,
что предъявляемые требования не удовлетворяются никакими серийными СИД. В такой си-
туации разработчик должен проанализировать различные компромиссные варианты конст-
рукции и в ходе такого поиска найти доступный СИД, который удовлетворяет по крайней
мере большинству важнейших требований применения.
Можно, например, сделать фон более темным, использовав анодированный черненый
алюминий, и выбрать СИД с большей силой света, взяв красный светодиод, имеющий более
высокую световую эффективность, чем зеленый и т.д.
4.5.2.	Рекомендации разработчику
Ниже приведен перечень критериев для правильного выбора СИД [30].
1.	Тип оборудования.
2.	Наружное или внутреннее расположение индикатора.
3.	Метод монтажа.
4.	Освещенность окружающей среды.
5.	Цвет светодиода.
6.	Окружающий фон.
7.	Угол обзора.
8.	Расстояние наблюдения.
9.	Тип фильтра (если он применяется).
10.	Другие используемые методы повышения контраста.
11.	Другие критерии конструирования.
12.	Типы потенциально применяемых светодиодов.
13.	Необходимая сила света.
14.	Прямой ток /„р, требуемый для получения необходимой силы света.
ИСТОЧНИКИ НЕКОГЕРЕНТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
101
15.	Постоянный или импульсный ток возбуждения.
16.	Прямое напряжение С^, соответствующее току 1^.
17.	Тип схемы возбуждения.
18.	Величина сопротивления токоограничивающего резистора.
19.	Окончательный выбор светодиода.
4.6.	Электрическая модель светодиода
Эквивалентная схема светодиода приведена на рис. 4.12.
Рис. 4.12. Электрическая модель светодиода
Время включения и время выключения излучения р-и-перехода из арсенида галлия оп-
ределяется временем жизни неосновных носителей в p-слое и составляет около 1 нс. Однако
в реальных излучателях время световой реакции несколько больше и зависит от уровня воз-
буждения и приложенного напряжения.
Светодиод из арсенида-фосфида галлия (GaAsi_xPx), полученного диффузией цинка
в эпитаксиальную пленку и-типа с концентрацией носителей 2,7 1017 см-3 и удельным со-
противлением 0,014 Ом-см, имеет емкость Сд= 185 пФ при площади диода 0,25 мм2, а по-
следовательное сопротивление г„ примерно минус 1 Ом.
Для светодиодов время задержки определяется как время, требуемое для достижения
интенсивности излучения, соответствующей половине интенсивности для установившегося
процесса. Оно составляет 5...10 нс при токе возбуждения 10 мА и уменьшается до 2...3 нс
при токе возбуждения 100 мА. Увеличение времени задержки по сравнению с временем жиз-
ни неосновных носителей в несколько раз связано с емкостью Сда индуктивностью L (обу-
словленной подводящими проводниками) и активным сопротивлением диода г„. Сопротивле-
ние равно сумме сопротивления внешней цепи и последовательного сопротивления диода.
Емкость диода зависит от приложенного напряжения
где Со — емкость при нулевом смещении; Спр — напряжение прямого смещения; UK — на-
пряжение контактной разности потенциалов; а — коэффициент, зависящий от характера
распределения примесей в диоде.
Диффузионная емкость составляет примерно 200 пФ при максимальном токе и быстро
уменьшается при уменьшении тока. Ею можно пренебречь по сравнению с емкостью запор-
ного слоя, составляющей примерно 1000 пФ. В соответствии с электрической моделью пол-
ный ток через диод равен сумме реактивного тока через емкость и тока через резистор гп.
102
ГЛАВА 4
Ток через p-w-переход в стационарном режиме состоит из диффузионного тока опреде-
ляющего величину излучения, и рекомбинационного тока /рек в области объемного заряда
/диф = /01ехр(^„р/(АГ));
^K=^exp(gt7„p/(WAr)),
где т — коэффициент, зависящий от механизма рекомбинации; q — заряд электрона.
Дифференциальное уравнение для напряжения на р-и-переходе при подключении на-
пряжения С/о(О имеет вид
-£C/2l/np /d? = (гпС„ - Ldla /dt/np)-dt/np/dt + LCa /d(7np(dtfnp /dr)2	+(7np.	(4.6)
Здесь /а — ток через р-и-переход в стационароном режиме.
Так как излучение из р-и-перехода пропорционально диффузионному току, переходная
характеристика интенсивности света при любом зависящем от времени напряжении U0(t)
может быть получена решением уравнения и подстановкой значения £/пр(Г) в уравнение (4.6).
В частности, проведены расчеты для следующих значений параметров:
Со = 230 пФ В'12, UK = 1,65 В; а = 0,5;
/01 = 2,2-10*® А; /02 = 2,2-10 14 А;
г„ = 51 Ом, L = 8 нГн; Т= 300 К.
Оценки показывают, что влияние индуктивности на время переходного процесса сказы-
вается при временах менее 1 нс. Переходной процесс аналогичен переходному процессу в
линейной цепи с емкостью Ся и сопротивлением г„. Экспериментально определенные за-
держки превышают теоретические, что объясняется влиянием диффузионной емкости, ко-
торая не учтена в расчете. Анализ показывает, что для увеличения быстродействия необхо-
димо уменьшить внешнее сопротивление, площадь излучающей поверхности, увеличивать
плотность тока и напряжение смещения.
4.7.	Светодиоды инфракрасного излучения
Эти полупроводниковые приборы функционируют при Х»0,78 мкм и отличаются от обыч-
ных светодиодов тем, что при протекании прямого тока работают обязательно в паре с фо-
топриемником. Поэтому важной характеристикой является остронаправленность излучения
и стабильность Хтах.
При спектральном согласовании светодиода с соответствующим фотоприемником
используют параметр AX0,5> определяющий полосу наивысшей спектральной плотности
инфракрасных лучей данного диода (эффективная взаимная работа элементов прибора
достигается при совпадении значения ДХо,5 излучения и фоточувствительности приемни-
ка). У диодов в металлостеклянных корпусах инфракрасные лучи испускает полусфери-
ческая поверхность, на которую нанесено диэлектрическое просветляющее покрытие.
Приборы в миниатюрных пластмассовых корпусах имеют излучательную головку вы-
пуклого профиля из прозрачного компаунда. Бескорпусные светодиоды поставляются в
индивидуальной таре-спутнике или в групповой упаковке. При монтаже их крепят с по-
мощью клея.
Светодиоды инфракрасного излучения применяются: в фотоэлектронной автоматике,
внешних устройствах вычислительной техники, системах преобразования угол-код, оп-
тронных коммутационных устройствах, фотонных линиях связи и др. Основные параметры
этих полупроводниковых приборов приведены в табл. 4.4.
ИСТОЧНИКИ НЕКОГЕРЕНТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
103
Таблица 4.4. Параметры ИК-светодиодов
Тип прибора	Рим, мВт	^пр» МКМ	МКМ	1о,5, МКМ	Aip max» мА	Ц»вр тях» В
АЛ ЮЗА	1,0	1,6	0,95	0,05	52	2
АЛ 103 Б	0,6	1,6	0,95	0,05	52	2
АЛ106А	0,2	1,7	0,92		100	
АЛ106Б	0,4	1,7	0,92		100	
АЛ 106В	0,6	1,7	0,92	—	100	—
АЛ106Г	1,0	1,7	0,92		100	
АЛ106Д	0,5	1,7	0,92		100	
АЛ 107 А	6,0	2,0	0,95	0,03	80	
АЛ107Б	10	2,0	0,95	0,03	80	
АЛ108А	1,5	1,35	0,94	0,04	ПО	2
АЛ 109 А	0,2	1,2	0,94	0,04	22	-
АЛИ5А	10	2,0	0,95	0,05	50	-
АЛ118А	2 (10*)	1,7	1,0	0,04	500	1
АЛ119А	40	3,0	0,94		200	
АЛ119Б	40	3,0	0,94		200	
Импульсная мощность.						
4.8.	Светодиодные источники повышенной яркости
и белого света
Острая потребность в широкой номенклатуре информационных экранов, дисплеев, освети-
тельных приборов обусловливает необходимость создания особо ярких светодиодов
(ОЯ СИД) различной цветовой гаммы, в том числе белого свечения.
Зеленые, белые, синие ОЯ СИД изготовляются на структурах InGaN. Они имеют суще-
ственно большие прямые падения напряжения U„p по сравнению с красными, желтыми и
оранжевыми (табл. 4.5). Необходимость ограничения прямого тока объясняет целесообраз-
ность питания СИД от источников тока.
Для каждой конструкции СИД характерна определенная диаграмма излучения. Некор-
ректно говорить о силе света, не определяя угол излучения, и наоборот. Следует обращать
внимание, на каком уровне от 1Упк фиксируется полный угол излучения.
Таблица 4.5. Типичные и максимальные значения L/np при токе 20 мА для СИД
Длина волны излучения к, нм	Цвет сечения	о„р, в		Примечание
		Типичное	Мах	
470	Белый	3,5	4,0	Синий кристалл + + люминофор
	Зеленый			-
505	Alpen green			—
525	Зеленый			-
104
ГЛАВА 4
Продолжение табл. 4.5
Длина волны излучения X, нм	Цвет сечения	Ц,р,В		Примечание
		Типичное	Мах	
565	Желто-зеленый	1,95	2,5	—
570	Желтый			AS AlinGap
590	Желто-оранжевый			TS AlinGap
		2,1	2,6	AS AlinGap
605	Оранжевый	1,95	2,5	TS AlinGap
		2,1	2,6	AS AlinGap
615	Красный	1,95	2,5	TS AlinGap
625		1,95	2,5	TS AlinGap
		2,1	2,6	—
640		1,95	2,5	-
660		1,95		-
Дисперсия излучения не измеряется для каждого светодиода, поскольку это слишком
трудоемкий процесс. В реальности наблюдаются значительные отклонения от справочных
данных, особенно в случае узконаправленных (2£?1/2 < 10°) СИД. Типичная дисперсия для
СИД типов КИПД87, КИПД89 и КИПД91 приведена на рис. 4 13
Угол излучения, град.
Рис. 4.13. Типичная диаграмма излучения
При выборе ОЯ СИД особое внимание уделяют типу колбы и конструкции. Колба
должна быть прозрачной, если:
-	требуется максимальная сила света при сравнительно небольшом (30°) угле излучения;
-	СИД используется с вторичной оптикой (цветными и матовыми фильтрами) или в ка-
честве локального исправления источника света, например как фонарик;
-	прозрачная колба используется в СИД всевозможных подсветок и светодиодов.
ИСТОЧНИКИ НЕКОГЕРЕНТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
105
Колба должна быть матовой, если СИД мультицветный, окрашенной в цвет свечения
кристаллов для всех сигнальных СИД, а также для ОЯ СИД, применяемых в изготовлении
таблобегущих строк и др., использующих эффект контраста СИД на темном фоне. В случае
матовых СИД возможен эффект паразитной засветки солнечными лучами (фонтом-эффект).
В табл. 4.6 приведены параметры распространенных сигнальных СИД. С точки зрения
экономии места на лицевой панели прибора или устройства выгодно вместо нескольких, на-
пример, красного и зеленого, применять один мультицветный СИД круглой или прямо-
угольной формы.
Таблица 4.6. Основные характеристики сигнальных светодиодов
Конструктив, диаметр, наименование	Цвет сечения (X, нм)	Сила света, мкд	Рабочий ток, мА	Угол обзора, град.
3 мм, КИПД42	Красный (660)	5...100	1...20	40
	Желтый (590)			
	Желто-зеленый (570)			
	Зеленый (565)			
Низкопрофильные СИД, 5 мм, КИПД88	Красный (660)	10...100		60
	Желтый (590)			
	Желто-зеленый (570)			
	Зеленый (565)			
5 мм, КИПД40	Красный (660)			40
	Желтый (590)			
	Желто-зеленый (570)			
	Зеленый (565)			
Плоские СИД, 10 мм, КИПМ15	Красный (660)			30
	Желтый (590)	1...100		
	Желто-зеленый (570)			
	Зеленый (565)			
Прямоугольные СИД, 2,2x5 мм	Красный (660)			50
	Желтый (590)			
	Желто-зеленый (570)			
	Зеленый (565)			
Многокристальные СИД, 6 мм, КИПМ25	Красный (660)			120
	Желтый (590)			
	Желто-зеленый (570)			
	Зеленый (565)			
Двухцветные СИД, 5 мм, КИПД41	Красно-зеленые (660/565), любые другие варианты	1...50	10,20	60
1-, 2-, 4-, 6-кристальные, 20 мм, КИПМ 20	Красный (660)	1...100		120
	Желтый (590)			
	Желто-зеленый (570)			
	Зеленый (565)			
105
ГЛАВА 4
Параметры особо ярких СИД красного и желтого цветов свечения в матовом окрашенном
корпусе приведены в табл. 4.7. Они используют окрашенные рассеивающие линзы, излу-
чающие световой поток, достаточный для изготовления недорогих информационных табло.
Потенциальные возможности высокоэффективных структур позволяют получать силу света
порядка 2 кд при токе не только 20 мА, но и 10 мА, что увеличивает надежность изделий на
основе СИД.
Таблица 4.7. Основные характеристики ОЯ СИД красного и желтого цветов
свечения в матовом окрашенном корпусе
Шифр сигнала	Цвет сечения (к, нм)	Структура	Прямое напряжение спр,в		Сила света, кд, при токе 20 мА (10 мА)	Угол обзора, град.
			Типичные	Мах		
КИПМ45Н30	Красный (625)	TS AlinGap	2,1	2,8	1,0...1,5	30
КИПМ45П30					1,5...2,0	
КИПМ45Р30					2,0...3,0	
КИПМ45Н30	Желтый (590)				1,0...1,5	
КИПМ45П30					1,5...2,0	
КИПМ45Р30					2,0...3,0	
КИПМ45Н30	Красный (625)		2,0	2,5	(1,0... 1,5)	
КИПМ45П30					(1,5...2,0)	
КИПМ45Р30					(2,0...3,0)	
КИПМ45Н30	Желтый (590)				(1,0...1,5)	
КИПМ45П30					(1,5... 2,0)	
КИПМ45Р30					(2,0...3,0)	
Совершенствование светодиодов проходило по двум направлениям — увеличение
внешнего квантового выхода и расширение спектра излучения. Велик вклад в работу совет-
ских ученых, в частности Ж.И. Алферова, еще в 1970-е гг., разработавшего так называемые
многопереходные двойные гетероструктуры, позволяющие значительно увеличить внешний
квантовый выход за счет ограничения активной области рекомбинации. Использовались ге-
тероструктуры на основе арсенидов галлия-алюминия, при этом был достигнут внешний
квантовый выход до 15% для красной части спектра (световая отдача до 10 лм/Вт) и более
30% — для инфракрасной.
Исследование других гетероструктур привело к созданию эффективных светодиодов,
излучающих в других областях спектра. Так, светодиоды на основе фосфидов алюминия —
галлия — индия (разработка компании Hewlett Packard) излучали красно-оранжевый, жел-
тый и желто-зеленый свет. Они имели световую отдачу до 30 лм/Вт (и внешний квантовый
выход до 55%), превосходя лампы накаливания. При этом необходимо понимать, что в от-
личие от ламп накаливания светодиоды излучают свет в относительно узкой полосе спек-
тра, ширина которой составляет 20...50 нм. Они занимают промежуточное положение меж-
ду лазерами, свет которых монохроматичен (излучение со строго определенной длинной
волны), и лампами различных типов, излучающих белый свет (смесь излучений различных
спектров). Иногда такое «узкополосное» излучение называют квазимонохроматическим.
Современный мировой уровень технологий производства ОЯ СИД позволяет повсеме-
стно заменять лампы накаливания более надежными и малопотребляющими источниками
ИСТОЧНИКИ НЕКОГЕРЕНТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
107
света. Мировые лидеры по производству СКД, такие фирмы, как Nichia и Lumileds, заявля-
ют, что век ламп накаливания на исходе (им осталось жить менее 10 лет).
Так, световая отдача лампы накаливания с красным светофильтром составляет всего
30 лм/Вт, в то время, как красные светодиоды сегодня дают 30 мл/Вт и более. Например,
новейшие приборы Luxeon производства американской компании Lumileds (совместное
предприятие Agilent Technologies и Philips Lighting) обеспечивают 50 мл/Вт для красной
и даже 65 мл/Вт для оранжево-красной части спектра. Впрочем, и это не рекорд — для жел-
то-оранжевых светодиодов планка 100 мл/Вт уже взята.
Долгое время развитие светодиодов сдерживалось отсутствием приборов, излучающих
в синем диапазоне. Эту проблему решил в 1990-е гг. Ш. Накамура из компании Nichia
Chemikal (а позднее и специалисты Hewlett Packard) с помощью гетероструктуры на основе
нитрида индия — галлия InGaN.
В сине-зеленой области спектра удалось добиться внешнего квантового выхода до 20%
и вплотную приблизиться по эффективности к люминесцентным лампам (световая отдача
70...90 мл/Вт).
Изобретение синих светодиодов сделало возможным создание светодиодов белого света.
На данный момент существуют три способа получения белого света с помощью светодиодов.
Первый из них — смешивание в определенной пропорции излучения красного, зеленого
и синего светодиодов. При этом могут быть использованы как отдельные светодиоды раз-
ных цветов, так и трехкристальные светодиоды, объединяющие кристаллы красного, синего
и зеленого свечения в одном корпусе.
На рис. 4.14 показана зависимость спектральной плотности излучения от длины волны,
необходимая для получения белого света путем смешивания в определенной пропорции из-
лучения красного, зеленого и синего светодиодов.
Основой более дешевого и распространенного светодиода белого света является полу-
проводниковый кристалл структуры InGaN, излучающий на длине волны 460...470 нм (си-
ний свет) и нанесенный сверху на поверхность кристалла люминофор на основе YAG (ит-
трий — гадолиниевых гранатов), активизированный Ge3+, излучающий в широком диапазоне
видимого спектра и имеющий максимум в его желтой части.
На рис. 4.15 проиллюстрировано получение белого света с помощью кристалла синего
светодиода и нанесенного на него слоя желтого люминофора.
Человеческий глаз комбинацию такого рода воспринимает как белый цвет.
Такие светодиоды намного дешевле треккристалъных, обладают хорошей цветопереда-
чей, а по светоотдаче (до 2>0 лм/Вт) они уже обогнали лампы накаливания.
108
ГЛАВА 4
Рис. 4.15. Получение белого света с помощью кристалла синего светодиода
и нанесенного на него слоя желтого люминофора
Еще один метод получения белого света — возбуждение трехслойного люминофора
светодиодом ультрафиолетового спектра (УФ СИД).
На рис. 4.16 показано получение белого света с помощью светодиода и /?СВ-люминофора.
Рис. 4.16. Получение белого света с помощью светодиода и RGB-люминофора:
тонкие линии — характеристики трех люминофоров (R, G, В);
толстая линия — результирующая характеристика
Кристалл светодиода — практически точечный источник света, поэтому корпус мо-
жет быть миниатюрным. Конструкция корпуса светодиода должна обеспечить минималь-
ные потери излучения при выходе во внешнюю среду и фокусирование света в заданном
телесном угле. Кроме того, должен быть обеспечен эффективный отвод теплоты от кри-
сталла. Самая распространенная конструкция светодиода — традиционный пятимилли-
метровый корпус.
Световая отдача белого светодиода Luxeon III при номинальном прямом токе /„р = 0,7 А
составляет 25 мл/Вт, световой поток при этом равен 65 лм.
Светоотдача Luxeon III уже превосходит светоотдачу классических и галогенных ламп
накаливания, и в ближайшее время компания Lumileds Lighting планирует вплотную подойти
к светоотдаче люминесцентных ламп 80... 100 лм/Вт.
ИСТОЧНИКИ НЕКОГЕРЕНТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
109
Тесты к главе 4
4.1.	Укажите, какая длина волны 1 соответствует видимой области света:
а) 0,1 мкм;	б) 0,5 мкм;	в) 1 мкм;	г) 2 мкм?
4.2.	Какое напряжение пробоя (7про6 типично для светодиодов:
а) 2 В;	б) 10 В;	в) 20 В;	г) 40 В?
4.3.	От чего зависит частота излучения светодиода:
а)	напряжения;
б)	прямого тока;
в)	ширины запрещенной зоны;
г)	обратного напряжения?
4.4.	При каком напряжении светодиод эффективно излучает
свет:
a)Uoe„ = 5B; б)(/пр = 5В; в)ио6р = 2В; 0^ = 28?
4.5.	Укажите номер, который соответствует красному СИД
(рис. 1):
a)	GaAs6oP4o;
б)	GaAs35P65N;
в)	GaAs14P86N;
г)	GaPN?
4.6.	Укажите кривую, которая соответствует оранжевому СИД
(см. рис. 1).
4.7.	Какая конструкция отличается простотой, но имеет малые
значения коэффициента вывода оптического излучения
(рис. 2).
4.8.	Какие конструкции отличается хорошим коэффициентом
вывода оптического излучения (см. рис. 2)?
4.9.	Какие конструкции используют пластмассовые линзы, по-
вышающие эффективность вывода оптической энергии
(см. рис. 2)?
4.10.	Какая конструкция улучшает диаграмму направленности
торцевого излучения (см. рис. 2)?
Рис. 2
Глава 5
ПРИБОРЫ КОГЕРЕНТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
5.1. Физические основы усиления
и генерации лазерного излучения
Лазер — генератор излучения, когерентного во времени и пространстве, основанный на ис-
пользовании вынужденного излучения. Процесс возникновения вынужденного излучения
упрощенно состоит в следующем. При воздействии поля внешнего фотона на атом, находя-
щийся в возбужденном состоянии, происходит переход возбужденного атома в другое энер-
гетическое состояние; этот переход происходит с испусканием еще одного фотона, энергия
которого будет равна энергии вынужденного фотона. Если создать систему возбужденных
активных атомов (так называемую лазерную активную среду) и пропускать через эту систе-
му излучение, то возможно усиление излучения, если создание фотонов за счет вынужден-
ного излучения превосходит потери излучения на поглощение и рассеяние. Такое усиление
оптического излучения, основанное на использовании вынужденного излучения, называется
лазерным усилением.
Рассмотрим процесс возникновения лазерного усиления подробнее [22]. Предваритель-
но за счет энергии внешнего воздействия (так называемой энергии накачки) ЕИ часть электро-
нов с нижних равновесных уровней Ei переходит на более высокие уровни, а затем оказыва-
ется на уровне возбуждения Е2 (рис. 5.1).
Рис. 5.1. Квантовые переходы в лазерном веществе
ПРИБОРЫ КОГЕРЕНТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
111
Возвращение этих электронов с уровня Е2 на уровень Ех сопровождается испусканием
фотонов с длиной волны
Х = \,24!(Е2-Ех),	(5.1)
где А — выражается в мкм; Е — в эВ.
Процесс перехода электронов с уровня £2 на уровень Е\ может проходить по-разному.
Возможен спонтанный переход, при котором момент испускания и направление вектора по-
ляризации каждого фотона случайны, а результирующий поток излучения описывается
лишь среднестатистическими параметрами (переходы 1-3 на рис. 5.1). Такой процесс пере-
хода излучающих атомов из возбужденного состояния в равновесное не связан с вынуж-
дающими фотонами и приводит к возникновению лишь некогерентного излучения.
Одновременно со спонтанными переходами имеется вероятность вынужденных перехо-
дов из энергетического состояния Е2 в Е[ (переходы 4, 5 на рис. 5.1). Такие переходы связа-
ны с действием вынужденных фотонов, при этом все активные атомы излучают почти одно-
временно, взаимосвязано и так, что испускаемые фотоны неотличимы от тех, которые их
вызывали. Это когерентное излучение называется вынужденным. Таким образом, вынуж-
денное излучение — когерентное электромагнитное излучение, возникающее при вынужде-
нных переходах (совпадающее по направлению, частоте, фазе и поляризации с вынуждаю-
щим излучением). Определим условия усиления вынужденного излучения. Уровни энергии,
используемые при усилении или генерировании лазерного излучения, называют лазерными
уровнями. Соответственно вынужденный переход между лазерными уровнями энергии или
зонами — лазерный переход: он характеризуется длиной волн. Наряду с лазерными перехо-
дами (из состояния Е2 в состояние Е\ — переходы 4, 5 на рис. 5.1) существуют спонтанные
переходы из Е2 в Et (1-3 на рис. 5.1), а также переходы из Et в более высокое энергетиче-
ское состояние, приводящие к поглощению излучения (переход б на рис. 5.1).
Лазерное усиление возможно в том случае, если число лазерных переходов больше, чем
число спонтанных переходов и переходов, связанных с поглощением вынуждающего излу-
чения. Количество лазерных переходов за время А/ можно в первом приближении выразить
в виде
Nmn ~ B2i	(5.2)
где B2i — вероятность лазерного перехода; £?ВЬ1Н — энергия вынуждающего излучения;
N2 — концентрация атомов в энергетическом состоянии Е2.
Спонтанные переходы из Е2 в Ех происходят самопроизвольно (т.е. от вынуждающего
излучения не зависят) и в формировании полезного лазерного излучения не участвуют. Ко-
личество спонтанных переходов можно в первом приближении оценить в виде
HmoH=-A2iN2bt,	(5.3)
где Л21 — вероятность спонтанного перехода Е2 —> Et.
Количество квантовых переходов, приводящих к поглощению вынуждающего излуче-
ния, определяется выражением
А'погл =	&t,	(5.4)
где В\2 — вероятность квантового перехода с поглощением излучения; Nt — концентрация
атомов в энергетическом состоянии
Полагая в первом приближении равенство вероятностей B2l = Bt2 = В, получаем условие
лазерного усиления в виде
B(N2 - М)е„ын - Л21N2 > 0.	(5.5)
При малом уровне спонтанного излучения необходимое условие лазерного усиления
можно записать как
ве»ш(^2 - М) > о или Д№ (N2 - м) > 0.
112
ГЛАВА 5
В равновесном состоянии системы всегда N2 > Nt и лазерное усиление возможно только
в результате предварительных внешних воздействий (накачки) таких, как инжекция носите-
лей заряда, разряд в газах, оптическое или электронное возбуждение.
Таким образом, лазерное усиление объясняется тем, что вынуждающее излучение по
мере распространения в лазерном веществе приобретает энергии за счет лазерных перехо-
дов больше, чем отдает из-за поглощения.
Эффективность лазерного усиления, как видим, зависит от вероятности лазерного пере-
хода B2i и тем выше, чем больше эта вероятность. Большая вероятность лазерных переходов
в полупроводниках и большая плотность энергетических состояний в зонах позволяют по-
лучить в лазерах на основе полупроводников хорошее лазерное усиление. В твердотельных
(на основе твердых диэлектриков с примесями) и в газовых лазерах используются переходы
в изолированных ионах, атомах или молекулах между дискретными уровнями. Усиление в
них заметно ниже, чем в полупроводниковых лазерах, поэтому их размеры гораздо больше.
Для количественной оценки лазерного усиления вводят понятие населенности уровня
энергии, под которой понимают число атомов в единице объема, имеющих одинаковое
энергетическое состояние. В условиях термодинамического равновесия населенность энер-
гетических уровней подчиняется статистике Больцмана
N2/Nt = ехр[-(£2 - Ed/fkf)],
(5-6)
где N2 — населенность возбужденными атомами (в состоянии Е2);	— населенность невоз-
бужденными атомами (в состоянии £0.
( Е -Е
При этом AN = N2 -N, = Nt exp —---
-1 отрицательна, и в веществе имеем нор-
мальную населенность, когда концентрация возбужденных атомов меньше концентрации
невозбужденных. При этом условии вещество находится в равновесном состоянии. Лазер-
ное усиление невозможно,
Когда AN > 0, что обеспечивается воздействием энергии накачки, происходит инверсия
населенностей, и проходящее излучение может усиливаться за счет энергии возбужденных
атомов.
Состояние инверсии населенностей иногда называют состоянием с отрицательной
температурой. Среда, в которой осуществлена инверсия населенностей, называется актив-
ной средой.
Таким образом, усиление вынужденного излучения, или лазерное усиление, требует,
во-первых, инверсии населенностей (N2> Nfi и, во-вторых, подавления спонтанного излуче-
ния (светового шума). Наименьший уровень энергии накачки, при котором выполняется ус-
ловие инверсии, называется порогом инверсии.
5.2. Структурная схема лазера
Структурная схема лазера может дополняться рядом элементов, обеспечивающих работо-
способность лазера или служащих для управления лазерным излучением [23]. К таким до-
полнительным элементам можно отнести (рис. 5.2) систему охлаждения активного элемента
и систему накачки, модулятор, внешнюю оптическую систему, устройство контроля пара-
метров излучения и др. В каждом конкретном случае применения лазеров наличие тех или
иных дополнительных устройств (или всех сразу) не является обязательным. Как будет вид-
но при рассмотрении типов лазеров, температура активного вещества играет важную роль в
достижении инверсии населенностей. В некоторых активных веществах инверсию можно
ПРИБОРЫ КОГЕРЕНТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
113
получить лишь при их значительном охлаждении. Система охлаждения предназначается
для создания необходимой температуры активного вещества накачки.
Чтобы рассмотренный лазерный усилитель превратить в лазер — генератор излучения,
необходимо ввести положительную обратную связь (ПОС). Параметры звена ПОС выбира-
ются так, чтобы энергия излучения, которая передается с выхода лазерного усилителя на
его вход, была достаточной для компенсации потерь в замкнутой цепи обратной связи.
В качестве звена ПОС в лазере используют оптические резонаторы: простейший резона-
тор состоит из двух зеркал, которые обеспечивают многократное прохождение волны излу-
чения через активное вещество; для вывода излучения зеркала делаются прозрачными.
Рис. 5.2. Структурная схема лазера
В общем случае оптический резонатор — это система отражающих, преломляющих,
фокусирующих и других оптических элементов, в пространстве между которыми могут воз-
буждаться волны оптического диапазона
Таким образом, выполнение условий усиления лазерного излучения при наличии ПОС
через оптический резонатор дает необходимые энергетические предпосылки для самогенера-
ции излучения. Процесс возбуждения лазерного вещества, приводящий к возникновению
лазерной активной среды, называется накачкой лазера. Значение энергии накачки много
больше энергии лазерного излучения, т.е. лазер — неэкономичный генератор. Но по своим
качественным показателям лазерное излучение уникально. Первое важнейшее свойство ла-
зерного излучения состоит в его направленности, которая связана с пространственной коге-
рентностью: лазерное излучение распространяется в виде почти плоской волны, расходи-
мость которой близка к минимально предельной дифракционной расходимости. Такую про-
странственно-когерентную волну легко сфокусировать на площадку размером около /Л2М
(Лаз — длина волны лазерного излучения). Например, если лазер излучает импульс энергии
I Дж в течение I мс, т.е. мощностью всего около I кВт с длиной волны Хлаз = 0,69 мкм,
то интенсивность излучения в фокусе может достигать значения 1 кВт/Хлаз ® 10й Вт/см2.
Лазерное излучение высоко монохроматично, так как лазер генерирует когерентные оп-
тические колебания на частоте максимального усиления и минимальных потерь излучения
в резонаторе. Таким образом, лазер преобразует энергию низкого качества в когерентное
излучение, т.е. в предельно высококачественную форму энергии, или, используя термины
термодинамики, можно сказать следующее: энергия накачки, имеющая низкую температуру
114
ГЛАВА 5
и высокую энтропию, преобразуется в лазерное излучение с исключительно высокой экви-
валентной температурой и предельно низкой энтропией.
Лазер является генератором электромагнитного излучения оптического диапазона, поэто-
му должен содержать, во-первых, элементы, обеспечивающие накачку лазера, во-вторых, ла-
зерное вещество, в котором в процессе накачки может быть создана лазерная активная среда.
В зависимости от вида подводимой энергии накачки различают следующие виды накач-
ки лазера:
-	оптическая накачка — возбуждение лазера оптическим излучением; она может быть
ламповой: источник накачки — лампа, диодной: источник накачки — излучающий
диод, лазерной — лазер — и т.д.;
-	электрическая накачка — накачка лазера электрической энергией (в частности, к это-
му виду накачки относится накачка полупроводниковых инжекционных лазеров);
—	электронная накачка — накачка лазера электронным пучком;
-	химическая накачка — накачка, вызываемая химическими реакциями в лазерном ве-
ществе.
Лазерный пучок — это не просто поток энергии, как, например, пучок света, это — поток
энергии очень высокого качества, поток исключительно упорядоченного когерентного из-
лучения, остронаправленного, сконцентрированного в пределах небольшого телесного угла.
Но за это качество мы платим высокую цену — кпд лазеров порядка 10%, т.е. на каждый
джоуль лазерного излучения следует затратить примерно 10 Дж энергии накачки. Но при
этом плотность энергии лазерного излучения огромна: для мощных лазеров она, в частно-
сти, больше плотности энергии, достижимой при ядерном взрыве.
Лавинообразное нарастание энергии лазерного излучения в активной среде вдоль оси
резонатора хорошо описывается экспонентой с положительным показателем
£(х) = £(0)ехр[(Лл-Ап)х],	(5.7)
где Е(х) — энергия излучения вдоль оси х; £(0) — энергия излучения при х = 0; кл — линей-
ный коэффициент лазерного усиления (вдоль оси х), значение которого пропорционально
энергии накачки; к„ — коэффициент потерь излучения в оптическом резонаторе и активной
среде.
Для простого линейного резонатора коэффициент потерь излучения имеет вид
П	Л /рез ^ *2 ’
где 1/хо — коэффициент поглощения излучения в активной среде; /рез — длина оптического
резонатора; Rt, R2 — коэффициенты отражения зеркал резонатора.
Второй член представляет собой торцевые потери излучения, отнесенные к единице
длины резонатора.
При некотором значении энергии накачки, которое называется порогом генерирования
лазера, к„ > кП, что означает лавинообразное усиление энергии лазерного излучения, т.е. ге-
нерацию. Таким образом, порог генерирования лазера — это энергия (или мощность),
поступающая на вход источника питания лазера, при которой коэффициент лазерного уси-
ления на частоте генерирования равен коэффициенту потерь в оптическом резонаторе на
той же частоте.
Направленность лазерного излучения определяется отношением длины волны генери-
руемого излучения к линейному размеру резонатора; расходимость 6р оценивается следую-
щим выражением-:
еР=#ЧГ-	(5-9)
ПРИБОРЫ КОГЕРЕНТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
115
Следует подчеркнуть, что в любом резонаторе условие резонанса выполняется не для
одного, а для многих типов колебаний, отличающихся друг от друга по частоте и распреде-
лению электромагнитного поля в резонаторе. Такие типы колебаний называются модами.
В результате спектр излучения лазера состоит из набора мод: для получения одночастот-
ного (одномодового) режима используют перестраиваемые оптические фильтры мод.
Лазерное излучение характеризуется пространственно-временными и энергетическими
параметрами.
В группе пространственно-временных выделяют следующие параметры:
-	частота лазерного излучения — средняя частота (или средняя длина волны) спектра
лазерного излучения;
-	ширина линии лазерного излучения 8V — расстояние между точками контура спек-
тральной линии лазерного излучения, соответствующими половине интенсивности
линии в максимуме;
-	расходимость лазерного излучения 0р — плоский или телесный угол, характеризую-
щий угловое распределение энергии или мощности лазерного излучения;
-	время готовности лазера tm — время, необходимое для достижения лазером эксплуа-
тационных (номинальных) параметров с момента его включения.
К энергетическим параметрам лазера относятся, прежде всего, энергия и мощность
лазерного излучения. Энергия определяет энергетические возможности лазера. Мощ-
ность характеризует интенсивность излучения энергии лазером, концентрацию энергии
во времени. В применении к лазеру эту, казалось бы, банальную разницу необходимо
подчеркнуть.
Расхожей является фраза: «Мощность лазера равна мощности Днепрогэса», но при этом
нельзя забывать, что эта мощность действует всего 1 нс.
Концентрация энергии (мощности) в пространстве определяется плотностью энергии
(мощности) лазерного излучения, т.е. энергией (мощностью) лазерного излучения, приходя-
щейся на единицу площади сечения пучка лазерного излучения.
Эффективность лазера как преобразователя энергии накачки в энергию излучения ха-
рактеризуется кпд, который равен отношению энергии или средней мощности, излучаемой
лазером, соответственно к энергии или средней мощности, подводимой к лазеру. К энерге-
тическим параметрам относится также порог генерирования лазера.
Можно выделить три основных режима работы лазеров:
-	режим непрерывного генерирования лазерного излучения (непрерывный режим); лазе-
ры, работающие в непрерывном режиме, называются непрерывными;
—	режим импульсного генерирования лазерного излучения (импульсный режим) и соот-
ветственно импульсные лазеры;
-	режим импульсно-периодического лазерного излучения — импульсно-периодические
лазеры.
В непрерывном режиме работы лазера мощность лазерного излучения на частоте ге-
нерирования не обращается в нуль при заданном интервале времени, значительно превы-
шающем период колебаний, т.е. такие лазеры дают непрерывное излучение в течение дли-
тельного времени.
Импульсный режим характеризуется излучением энергий в виде импульсов. В таком
импульсном лазере излучение длится очень недолго, ничтожные доли секунды, и даже при
небольшой излучаемой энергии процесс оказывается сильно сжатым, сконцентрированным
во времени, и мощность импульса получается огромной. Современные мощные импульсные
лазеры (в основном твердотельные) дают импульсы длительностью до 0,01 нс (при энергии
импульса 1 Дж их мощность достигает 100 млн кВт).
В импульсно-периодическом режиме излучение формируется в виде периодиче-
ских серий импульсов — импульсных пакетов.
116
ГЛАВА5
5.3.	Лазеры на основе кристаллических диэлектриков
Помимо полупроводниковых, известны твердотельные лазеры на основе диэлектриков.
Обычно эти устройства используют внутрицентровую люминесценцию, а возбуждение про-
исходит не электрическим, а оптическим способом. Разновидности и параметры твердо-
тельных лазеров иллюстрирует рис. 5.3.
Рис. 5.3. Разновидности и параметры твердотельных лазеров
Т-------------------------Е3
Рис. 5.4. Схема уровней
рубинового лазера
В I960 г. Т. Мейман описал лазер на ос-
нове рубина. Кристалл А12О3 содержит при-
меси хрома в виде ионов Сг3+. При этом не-
большая часть атомов алюминия (0,05%)
замещается атомами хрома.
Уровни хрома располагаются в пределах
широкой запрещенной зоны Al2O3 (A IF»
® 6 эВ). Процессы поглощения энергии и
излучения происходят внутри этих центров
свечения (рис. 5.4).
Свет мощной ксеноновой лампы пере-
водит электроны с основного уровня Et на
возбужденные уровни £3 и £4, образующие
две широкие полосы. Примерно через 10 нс
электроны падают на уровень £2, называе-
мый метастабильным. Здесь они могут на-
ходиться, примерно, 10-3 с. Разница энер-
гий £3 - £2 превращается в теплоту.
На уровнях £2 происходит накопление
электронов и создается инверсная населен-
ность по отношению к уровню £Р
ПРИБОРЫ КОГЕРЕНТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
117
Свет с частотой V, согласно условию hv = Е2-Ег вызывает вынужденные переходы
с уровней £2 на £t. Излучение имеет длину волны, соответствующую красному свету
(А = 0,69 мкм).
Конструкция твердотельного лазера изображена на рис. 5.5.
Рис. 5.5. Конструкция твердотельного лазера:
1 — стержень активного вещества; 2— инфракрасный светодиод;
3 — оптическая среда; 4 — теплоотвод; 5 — фиксирующая оправка
Кристалл рубина имеет вид цилиндра диаметром около 1 см и длиной около 10 см. Тор-
цы кристалла отшлифованы и выполняют функции зеркал. Усиление и излучение света про-
исходит вдоль направлений, параллельных оси цилиндра.
Для миниатюрных оптоэлектронных устройств лучше подходит лазер на основе кри-
сталлов иттриево-алюминиевого граната YAG. В эти кристаллы добавляются примеси не-
одима (Y3Al5O|2:Nd3+). Неодим замещает в решетке примерно 1% атомов иттрия. Лазер из-
лучает инфракрасный свет с длиной волны 1,06 мкм. Для возбуждения можно использовать
инфрактрасные светодиоды из GaAlAs с длинной волны (А,« 0,081 мкм), соответствующей
полосе поглощения неодима. Благодаря высокой концентрации центров свечения лазер с
неодимом имеет более высокую мощность излучения (до 10 Вт).
Лазер имеет малые размеры (длина резонатора около 1 см); кпд YAG-лазеров состав-
ляет 1-20 %.
При правильном выборе спектра элемента накачки достигается 50%-ное использование
оптической энергии.
Основной режим работы твердотельных лазеров — импульсный. Для них характерны
большая мощность одиночного импульса, невысокая когерентность излучения. Многие из
них нуждаются в охлаждении активного элемента и элемента накачки.
Улучшение спектральных и пространственных характеристик излучения (когерентно-
сти, монохроматичности, направленности) достигается за счет перехода к одномодовому
режиму генерации и уменьшения энергетического кпд.
5.4.	Жидкостные лазеры
Интерес к жидкостным лазерам объясняется: легкостью получения активной среды, воз-
можностью прокачки жидкости и обусловленной легкостью создания системы охлаждения,
возможностью плавной перестройки частоты и т.п. Разновидности и параметры жидкостных
лазеров иллюстрирует рис. 5.6.
118
ГЛАВА 5
10е
10®
POCI3:Nd
SeOCI3:Nd
104
102
Родамин
6Ж
----1---1----h"
10	100
Длина волны, мкм
1000 А
Рис. 5.6. Разновидности и параметры жидкокристаллических лазеров
Широкое применение имеют лазеры на органических красителях (Dye — Lasers). Раз-
личные красители допускают перестройку длины волны генерации в диапазоне нескольких
десятков нанометров при высокой монохроматичности, достигающей 1 МГц. Энергия одно-
го импульса может достигать сотен джоулей, а мощность непрерывной генерации — десят-
ков ватт при кпд в несколько десятков процентов в случае лазерной накачки. В режиме син-
хронизации мод могут быть получены лазерные импульсы длительностью в десятые доли
пикосекунды. Устройство жидкостного лазера приведено на рис. 5.7.
Рис. 5.7. Устройство жидкостного лазера
Активным веществом лазеров на красителях служат растворы молекул органических
красителей в органических растворителях или в воде. Красителями являются сложные орга-
нические соединения с разветвленной системой сопряженных химических связей. Эти со-
единения обладают выраженной окраской, что вызвано наличием сильных полос поглоще-
ПРИБОРЫ КОГЕРЕНТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
119
ния в видимой области спектра. Структура молекулы красителя сложна. Она содержит бен-
зольные (С6Н6), передоновые (СбН5М), азотные (C4H4N2) и другие кольца. В лазерной техни-
ке широко применяются красители на основе родамина 6G.
Структурная формула органического красителя родамин 6G приведена на рис. 5.8.
Рис. 5.8. Структурная формула органического красителя родамин 6G
Такая макромолекула обладает богатым набором разрешенных значений энергии элек-
тронных, колебательных и вращательных состояний. Энергетические расстояния между
этими состояниями имеют порядок (1...3); (0,1...0,01) и (10*3...10-4) эВ соответственно.
Колебательные и вращательные состояния перекрываются друг с другом, образуя серии
разрешенных энергетических полос, соответствующих определенным электронным состоя-
ниям. Последние можно разбить на две группы: синглетные (5) и триплетные (7) состояния
(рис. 5.9). К первой группе относится состояние с антипараллельной ориентацией спинов
(S = 0), а ко второй — с параллельной (S = 1) ориентацией.
Каждое электронное состояние сопровождается серией колебательных уровней (выде-
лены жирными линиями) и серией вращательных уровней. Согласно правилам отбора по
спинам оптические переходы разрешены между состояниями с одинаковой мультиплетно-
стью (Д5 = 0) т.е. переходы S'-S (синглет-синглетные) и Т-Т (триплет-триплетные).
Они имеют наибольшую вероятность.
При нормальных условиях молекулы находятся в основном состоянии So. В результате
поглощения оптического излучения молекула переходит из основного состояния So на один
из колебательно-вращательных уровней Sb Спектр поглощения, определяемый такими пе-
реходами, представляет собой широкую полосу. Спектральное положение максимума поло-
сы поглощения определяет цвет красителя и для разных веществ изменяется примерно от
0,3 до 1 мкм. Ширина полосы поглощения также различна для разных красителей и пример-
но равна 0,2 эВ.
Падая в результате оптического перехода Si)->Si в одно из возбужденных состояний
полосы S^i, молекула в результате релаксационных безызлучательных процессов по коле-
бательно-вращательным подуровням внутри состояния $i переходит на нижние уровни
группы S|. Этот процесс термализации происходит очень быстро, за время порядка 1 пс.
Термализованные носители из состояния 5) излучательно или безызлучательно переходят
в основное состояние S’o. У небольшого количества известных красителей излучательные
процессы преобладают над безызлучательными. Излучательное время жизни для перехо-
дов S'] —> So мало и составляет примерно 1 нс.
120
ГЛАВА 5
При интенсивной оптической накачке между
нижними состояниями полосы Si и верхними So мо-
жет быть достигнута инверсия населенностей. Ге-
нерация осуществляется по четырехуровневой схе-
ме между энергетическими состояниями полос Sj
и50. Триплетные состояния 7^ и Т2 не участвуют в
процессе лазерной генерации, а, напротив, препят-
ствует ей.
Наибольший интерес лазер на органическом
красителе представляет как генератор с перестраи-
ваемой длиной волны. Для осуществления этой воз-
можности применяют дисперсионный резонатор,
собственную частоту которого можно перестраи-
вать. Идеальный вариант — одномодовый одночас-
тотный резонатор.
Вероятность оптических переходов So —> Si
с красителем весьма высока, показатель поглоще-
ния и показатель усиления для этих веществ могут
быть очень велики. Они примерно на два порядка
превышают показатель усиления малого сигнала
для твердотельных лазеров на гранате и рубине.
По этой причине лазеры на красителях, обладая вы-
соким коэффициентом усиления, требуют неболь-
шого объема активной среды (1 мм3).
Поглощение интенсивного излучения накачки и
последующий нагрев малого объема красителя при-
водит к необходимости быстрой непрерывной заме-
ны вещества в рабочем объеме. Если этого не де-
лать, произойдет термическое разложение красите-
ля, а также накопление молекул в триплетном со-
стоянии Г| и срыв генерации.
Применяя набор различных красителей, жидко-
стные лазеры перекрывают диапазон длин волн от
Рис. 5.9. Электронные состояния
жидкостного лазера:
ter, Ттс — постоянная синглет-триплетной
конверсии (10“в с) и триплет-синглетного
перехода (10-6 с) соответственно
0,34 до 1,17 мкм. КПД современных лазеров на ор-
ганических красителях достигает 30% при накачке лазерным излучением и 1% при накачке
импульсными лампами.
В непрерывном режиме выходная мощность рассматриваемых лазеров достигает не-
скольких ватт, в импульсных режимах мощность может достигать МВт при длительности
импульса 20 нс и частоте повторения до 200 Гц, расходимость лазерного пучка составляет
(2...2,5) мрад.
В режиме синхронизации мод возможна генерация очень коротких световых импульсов
(ЗЮ14 с).
5.5.	Газовые лазеры
Газовый лазер — общее название лазеров с газообразной лазерной средой. Существует
множество видов таких лазеров. Они очень удобны в работе, поэтому большинство из них
коммерческие. Разновидности и параметры газовых лазеров иллюстрирует рис. 5.10.
ПРИБОРЫ КОГЕРЕНТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
121
Рис. 5.10. Разновидности и параметры газовых лазеров
Лазеры на благородных газах генерируют с помощью энергетических уровней газов,
подобных гелию. В гелий-неоновом лазере (рис. 5.11) для генерации увеличивают энергию
части атомов неона, возбуждая газовую смесь тлеющим разрядом. Гелий добавлен в смесь
для облегчения возбуждения. Атомы неона имеют более 120 спектральных линий —
от 0,594 мкм в видимой до 133 мкм в инфракрасной области спектра. Коммерческие лазеры
дают спектральную линию 0,6328 мкм и выходную мощность от одного до нескольких де-
сятков милливатт. Они широко распространены.
Рис. 5.11. Гелий-неоновый лазер
Ионный лазер осуществляет генерацию возбуждением рабочего тела до уровня иони-
зации. Ионные лазеры на инертных газах (аргон, криптон или ксенон) могут давать не-
прерывное излучение в видимом диапазоне с высокой выходной мощностью. Как правило,
у коммерческих лазеров на аргоне две мощные линии — 0,4880 мкм (синяя) и 0,5145 мкм
(зеленая). Мощность каждой из них — несколько ватт. Для возбуждения применяют дуговой
122
ГЛАВА 5
разряд, имеющий высокую плотность и малое напряжение. У таких лазеров кпд мал (при-
мерно О, I %), источник питания больших размеров. Лазерная трубка должна выдерживать
разряды с большой силой тока, что увеличивает ее цену.
Лазеры на металлических ионах работают за счет ионного возбуждения, возникаю-
щего в положительной колонне разряда смеси газа (гелия или неона) с парами металла.
Используют такие металлы, как кадмий, цинк, селен, теллур, ртуть. В частности, коммерче-
ский гелий-кадмиевый лазер имеет спектральные линии, 0,3250 мкм (ультрафиолетовая) и
0,44(6 мкм (зеленая).
Молекулярные лазеры работают за счет вращательной и колебательной энергии моле-
кул. Лазер на углекислом газе излучает в инфракрасной области — 10,6 и 9,6 мкм. У него
высокий кпд, составляющий несколько десятков процентов, и высокая выходная мощность.
Производят различные модификации таких лазеров. Для их возбуждения используют хими-
ческие реакции или электрический разряд. Чтобы получить высокую выходную мощность,
поток газа разгоняют до высоких скоростей или производят поперечное возбуждение, или
осуществляют разряд, управляемый электронными пучками. Лазер на угарном газе излучает
на линии 5 мкм и имеет высокий кпд — свыше 40%. Импульсный лазер на азоте дает излу-
чение в ультрафиолетовой области (0,3371 мкм) с мощностью от нескольких сотен киловатт
до единиц мегаватт.
К газовым лазерам относятся также и эксимерные лазеры.
5.6.	Устройство и принцип действия полупроводникового
инжекционного монолазера
В полупроводниковых лазерах активным элементом являются кристаллы полупроводника,
образующие резонатор и возбуждаемые либо инжекцией тока через р-и-переход, либо пуч-
ком электронов. Соответственно различают инжекционные лазеры и лазеры с электронным
возбуждением.
В полупроводниковых монолазерах индуцированные переходы происходят между заня-
тыми электронными состояниями в зоне проводимости и вакантными состояниями в ва-
лентной зоне в области р-и-перехода. Одно из главных отличий полупроводникового ла-
зера от атомных молекулярных состоит в том, что эти переходы происходят не между дву-
мя узкими энергетическими уровнями, а между состояниями, распределенными по энергии.
Первые инжекционные лазеры были созданы из арсенида галлия в форме параллелепи-
педа с планарным диффузионным р-и-переходом, расположенным перпендикулярно двум
противоположным торцам полупроводникового кристалла (рис. 5.12).
Поскольку показатель преломления полупроводникового кристалла больше, чем у воз-
духа, его сколотые торцевые поверхности действуют как зеркала, так что генерация излуче-
ния и его усиление происходят внутри резонатора Фабри-Перо. При определенном порого-
вом уровне усиление превышает потери в объеме и на зеркалах для некоторой моды, и лазер
начинает генерировать.
При включении инжекционного лазера в прямом направлении и малом токе накачки,
как и в СИД возникает спонтанное излучение. Из множества спонтанных фотонов лишь не-
которые из них отразятся от зеркала и пройдут в плоскости активного слоя. При увеличении
тока накачки растет число электронов на верхнем энергетическом уровне в зоне проводимо-
сти (говорят, что имеет место «инверсная населенность уровня»). При этом спонтанный
фотон вызывает переход электрона из зоны проводимости в валентную зону, где происхо-
дит рекомбинация и появляется стимулированный фотон (СТФ).
ПРИБОРЫ КОГЕРЕНТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
123
Рис. 5.12. Структура инжекционного монолазера
Энергия СТФ, направление его движения, фаза в точности совпадают с соответствую-
щими параметрами спонтанного фотона (СПФ). Таким образом, вместо одного фотона поя-
вились два. Если ток накачки достиг некоторого значения, называемого пороговым, этот
процесс нарастает лавинообразно: два фотона порождают четыре, четыре-шестнадцать,
ит.д. В результате мощность излучения резко возрастает (ватт-амперная характеристика
инжекционного лазера приведена на рис. 5.13).
Рис. 5.13. Ватт-амперная характеристика инжекционного лазера
Часть мощности излучения выводится наружу через оба зеркала (один из выходов ин-
жекционного лазера может быть использован для контроля излучаемой мощности с помо-
щью фотодиода). Заметим, что величина порогового тока зависит от температуры окружаю-
щей среды. При увеличении температуры мощность излучения на заданной длине волны
резко падает (см. рис. 5.13).
Рассмотрим теперь особенности спектральной характеристики инжекционного лазера.
При малых токах накачки имеет место спонтанное излучение, поэтому спектральная харак-
теристика инжекционного лазера повторяет здесь аналогичную характеристику. Число мод
в нем резко уменьшается, и характеристика имеет вид, изображенный на рис. 5.14. Ширина
спектральной линии этой характеристики много меньше, чем ширина спектральной линии
СИД. По этой причине при организации связи по одномодовым волокнам в качестве источ-
124
ГЛАВА 5
Рис. 5.14. Спектральная характеристика
инжекционного лазера:
ДХсл — ширина спектральной линии;
Хо — длина волны, соответствующая
максимальной мощности излучения;
Р„ — мощность излучателя
ника излучения применяют только инжек-
ционные лазеры, так как при этом резко
уменьшается хроматическая дисперсия в
оптическом волокне и возрастает дальность
связи.
Полупроводниковые лазеры работают
в широком спектральном диапазоне — от
0,33 до 31 мкм. Лучшие параметры дости-
гаются при охлаждении. Инжекционные ла-
зеры работают в импульсном и непреры-
вном режимах, а лазеры с электронным воз-
буждением — в импульсном.
Мощность излучения полупроводнико-
вого лазера зависит от величины тока, про-
текающего через р-«-переход. Пороговая
плотность тока накачки для серийно выпус-
каемых лазеров на GaAs составляет
(2х1О3...1О4) А/см2. При этом кпд составля-
’ет около 1%. КПД полупроводниковых ох-
лаждаемых лазеров в импульсном режиме доходит до 50...80%, однако необходимость ох-
лаждать кристалл до 77 К и даже 4 К заметно усложняет конструкцию лазера и сокращает
срок его службы до единиц, а иногда десятков часов.
В полупроводниковых лазерах с электронным возбуждением за счет использования
большей, чем в инжекционных лазерах, части активного вещества, можно достичь больших
импульсных мощностей с небольших объемов. Такие лазеры работают в основном с охлаж-
дением, хотя есть излучатели, работающие и при комнатной температуре. Конструктивно
они представляют собой электровакуумный прибор, внутри которого устанавливается ак-
тивный элемент — мишень на хладопроводе, а управление электронным пучком, бомбарди-
рующим мишень, производится с помощью электромагнитной и электростатической сис-
тем. Такие лазеры, выполненные на основе Cds с рабочей длинной волны X = 0,49 мкм, дают
импульсы мощностью 200 кВт, длительностью 3 нс при комнатной температуре и имеют
кпд около 1%.
В переносных оптических системах находят применение малогабаритные полупровод-
никовые лазеры. Некоторые инжекционные лазеры имеют длину около 1 мм при толщине
перехода 3...5 мкм, выходная мощность в импульсном режиме достигает (10...20) Вт,
а кпд — 50%. Они позволяют осуществлять модуляцию излучения в широком диапазоне из-
менением тока накачки. К недостаткам таких лазеров следует отнести большой угол рас-
ходимости пучка, импульсный режим работы и широкую спектральную полосу генерируе-
мого излучения.
5.7.	Устройство и принцип действия полупроводникового
лазера с гетероструктурой
Лучшими технико-экономическими показателями обладают полупроводниковые лазеры,
использующие гетероструктуры.
Энергетические диаграммы гетероструктур характеризуются различными потенциаль-
ными барьерами для встречных потоков электронов, что вызывает одностороннюю инжек-
ПРИБОРЫ КОГЕРЕНТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
125
цию носителей заряда из широкозонного эмиттера в узкозонную базу. При этом концентра-
ция инжектированных в базу носителей может на несколько порядков превышать свое рав-
новесное значение в эмиттерной области. В гетероструктуре оптические свойства слоев
эмиттера и базы отличаются, так как запрещенная зона эмиттера значительно шире запре-
щенной зоны базы, а показатель преломления п зависит от ширины запрещенной зоны.
В гетеролазере нет необходимости легировать полупроводник до вырождения, так как усло-
вие инверсии населенностей энергетических уровней выполняется за счет разницы в шири-
не запрещенных зон. Высокая концентрация носителей в средней области структуры дости-
гается за счет повышения уровня инжекции. Снижение уровня легирования способствует
уменьшению потерь на безызлучательную рекомбинацию и повышению внутренней кван-
товой эффективности.
Первые инжекционные лазеры имели плотности порогового тока до 105 А/см2 при 300 К
и поэтому не могли работать в непрерывном режиме при комнатной температуре.
Избежать этого недостатка удается при использовании гетероструктур. В них за актив-
ной областью р-л-перехода следует полупроводниковый слой с большей шириной запре-
щенной зоны и меньшим показателем преломления для лучшего пространственного огра-
ничения носителей и оптического излучения. Это способствует уменьшению порогового
тока лазеров с одиночной гетероструктурой до 104 А/см2 при комнатной температуре.
Еще лучшими показателями обладают лазеры с двойной гетероструктурой (ДГС). Разра-
ботан ДГС-лазер, который при комнатной температуре имеет плотность порогового тока
всего 1600 А/см2. Лазер выполнен на основе тройного полупроводникового соединения
GaAlAs. Активный слой из р — GaAs с узкой запрещенной зоной имеет, толщину значи-
тельно меньше 1 мкм и ограничен с обеих сторон слоями GaxAl^xAs с широкой запрещен-
ной зоной. Пороговый ток существенно уменьшен за счет полосковой геометрии. Полоску
вытравливают в тонком слое SiO2, осажденном на полупроводниковый кристалл, и вскры-
вают окно под металлический контакт. Благодаря этому накачке подвергается только
часть активной области под полоской. Применив лазер длиной 400 мкм с полоской шири-
ной 13 мкм, получили пороговый ток 300 мА при комнатной температуре. Более того, ла-
зеры с полосковой геометрией сделали возможной работу на одной поперечной моде и на
одной частоте, тогда как первые инжекционные лазеры характеризовались многомодовым
спектром.
В простейшем инжекционном лазере толщина активного слоя соизмерима с длиной вол-
ны. Поэтому возникает дифракция света, в результате которой фотоны «растекаются» в
прилегающие к активному слою области. Это явление резко уменьшает мощность, расширя-
ет спектр и ухудшает направленность излучения.
Лазер с гетероструктурой (рис. 5.15), кроме активного слоя (например, GaAs), содержит
слои (например, AlGaAs), энергия запрещенной зоны которых выше, чем энергия запрещен-
ной зоны активного слоя. Поэтому стимулированные фотоны удерживаются в активной об-
ласти, и мощность излучения при том же токе накачки, что и в простейшем лазере, увеличи-
вается, Кроме того, показатель преломления активной области больше, чем у гетерослоев
В результате при возникновении излучения в активной области возникает полное внутрен-
нее отражение от ее границ, что приводит к росту и мощности, и направленности излуче-
ния. Как видно из рис. 5.15, верхний электрод полупроводникового лазера выполнен в виде
узкой полоски.
Это превращает активный слой в волновод, на выходе которого имеет место мощное,
однородное и остронаправленное излучение Спектр такого излучения очень узкий и в ос-
новном содержит одну моду, что позволяет применить данный лазер для возбуждения одно-
модовых оптических волокон.
126
ГЛАВА5
Рис. 5.15. Полупроводниковый лазер с гетероструктурой:
I — длина резонатора
Односторонняя инжекция, характерная для гетеропереходов, ведет к тому, что все из-
быточные носители зарядов сосредоточиваются в активной средней области, их проникно-
вение в эмиттер ничтожно мало. Положительную роль играет также волновой эффект, спо-
собствующий концентрированию волны излучения внутри оптически более плотного сред-
него слоя структуры. В конечном итоге гетеролазеры по сравнению с гомогенными имеют в
десятки раз меньшую пороговую плотность тока и больший кпд, что, в свою очередь, позво-
ляет осуществить непрерывный режим генерации при комнатной температуре.
5.8.	Волоконно-оптические усилители и лазеры
Использование для передачи информации новых спектральных диапазонов позволяет уве-
личить полную суммарную скорость передачи сигналов по линии связи со спектральным
мультиплексированием (WDN). Однако при передаче сигналов на расстояния, характерные
для глобальных (WAN) и магистральных сетей, необходимо использование оптических уси-
лителей. Широкое применение находят эрбиевые усилители (EDFA), позволяющие более
полно применять С и L спектральные диапазоны (см. рис. 3.23).
5.8.1.	Волоконные усилители
Функциональная схема волоконно-оптического усилителя приведена на рис. 5.16.
Основу усилителя составляет активный волоконный световод (АВС). Для длины волны
1,55 мкм в роли примеси используется эрбий (Ег), длина световода составляет десятки
метров.
Для того чтобы волокно приобрело свойство усиливающей среды, используется накачка
с помощью лазера Л. Усиливаемый сигнал с длиной волны и излучение лазера с длиной
волны накачки Хн объединяются в мультиплексоре (МП) и направляются в АВС.
ПРИБОРЫ КОГЕРЕНТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
127
Рис. 5.16. Схема волоконно-оптического усилителя
В оптическом волокне происходит увеличение мощности сигнала. Основная часть (бо-
лее 90%) усиленного сигнала проходит через фильтр Ф на выход. Фильтр выделяет полез-
ный усиленный сигнал и не пропускает на выход сигнал накачки и шумы вне полосы частот
сигнала.
На входе устройства использует оптический изолятор ОИ, предотвращающий проник-
новение отраженных в усилителе сигналов во входящую оптическую линию.
Узел контроля УК управляет током накачки обеспечиваемым узлом накачки УН, благо-
даря обратной связи, зависящей от коэффициента передачи усилителя мощности УМ.
Принцип действия оптического усилителя основан на эффекте возбуждения вследствие
лазерной накачки атомов редкоземельных материалов, помещенных с сердцевину одномо-
дового стекловолокна. Редкоземельные материалы выбираются с таким расчетом, чтобы
имелись зоны поглощения внешней энергии и создавалась инверсная населенность, которая
приводит к спонтанной, а затем и к вынужденной люминесценции.
5.8.2.	Волоконные лазеры
Перечислим преимущества волоконно-оптических лазеров по сравнению с традиционными:
-	обладают высокой стабильностью и надежностью;
-	обеспечивают высокое качество выходного излучения;
-	обеспечивают эффективный теплоотвод;
-	имеют малые габариты и массу.
Конструкция волоконного лазера на основе активного волоконного световода приведе-
на на рис. 5.17. Он содержит узел накачки с волоконным выходом LD (как правило, мощ-
ный лазер); активный одномодовый волоконный световод с диаметром сердцевины
dc = 10...30 мкм; внутриволоконные решетки показателя преломления, выполняющие функ-
ции зеркал лазера.
Благодаря полностью волоконной конструкции такие лазеры обладают низкими оптиче-
скими потерями. Типичная длина активного волоконного световода составляет 5...50 м.
Левая входная брегговская решетка имеет коэффициент отражения на длине волны генера-
ции, близкий к 100%, а коэффициент отражения правой выходной решетки существенно
ниже (примерно 5 %) и определяется величиной усиления и оптических потерь излучения в
активном волноводе. Брегговские решетки могут быть созданы как непосредственно в ак-
тивном световоде, так и в отрезке фоточувсгвительного световода, который сваривается с
активным.
128
ГЛАВА5
Рис. 5.17. Конструкция волоконного лазера
Изготовление решеток показателя преломления основано на явлении фоточувствитель-
ности. Это явление заключается в изменении показателя преломления сердцевины светово-
да под действием УФ-излучения определенных длин волн. Как правило, волоконные брег-
говские решетки показателя преломления представляют собой отрезок волоконного свето-
вода с модуляцией показателя преломления в световедущей области с периодом порядка
половины длины распространяющегося излучения.
В качестве активных легирующих добавок волоконных световодов найдены ионы лан-
таноидов или редких земель. Для создания эффективных волоконных лазеров средней и вы-
сокой мощности особый интерес представляет активное волокно, легированное ионами Yb.
В схеме уровней итербиевого лазера УА3+, кроме основного уровня F7/2, существует един-
ственный возбужденный уровень F5/2. Отсутствие других энергетических уровней вплоть до
ультрафиолетового диапазона означает, что в данной системе в области длин волн, близких
к длине волны генерации, не будет иметь место поглощение из возбужденного состояния и
различные кооперативные явления. Это приводит к высоким значениям кпд лазеров и по-
зволяет существенно увеличить концентрацию активной примеси по сравнению с такими
распространенными легирующими добавками, как неодим и эрбий.
Использование световодов с высокой концентрацией активной примеси позволяет умень-
шить длину активной среды лазера, а, значит, и уменьшить отрицательное влияние различных
нелинейных эффектов и дополнительных оптических потерь на эффективность лазера.
5.8.3.	Волоконные лазеры на основе вынужденного
комбинационного рассеяния
Волоконные лазеры на основе вынужденного комбинационного рассеяния (ВКР-лазеры) по-
зволяют эффективно преобразовывать лазерное излучение накачки в излучение на более
низких частотах, используя явление вынужденного комбинационного рассеяния света в во-
локонном световоде. Таким образом, создаются лазеры с различными новыми диапазонами
волн в широком диапазоне частот.
Современные волоконные световоды представляют собой уникальную среду для реали-
зации ВКР-лазеров: низкие оптические потери позволяют использовать большие длины све-
товодов; применение различных стекол дает возможность выбора величины частотного
сдвига стоксова излучения.
Первые ВКР-лазеры имели гибридные конструкции, содержавшие как волоконные, так
и объемные элементы. Необходимость согласования элементов и юстировки лазеров за-
трудняет работу с ними, снижая эффективность и ограничивая области их применения.
ПРИБОРЫ КОГЕРЕНТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
129
Использование брегговских решеток для создания обратной связи существенно упро-
стило конструкцию ВКР-лазеров, подняло их эффективность и обеспечило создание много-
каскадных лазеров-преобразователей. Схема ВКР-лазера полностью волоконной конструк-
ции приведена на рис. 5.18.
Германосиликатный
световод
Х= 1117 нм
к - 1480 нм
Рис. 5.18. Схема ВКР-лазера
Как видно из рисунка, ВКР-лазер состоит из волоконного световода и набора бреггов-
ских решеток с резонансными длинами волн, соответствующим стоксовым сдвигам в мате-
риале световода. При этом брегговские решетки, соответствующие промежуточным длинам
волн, имеют коэффициент отражения, близкий к 100%. Для получения излучения с длиной
волны 1,48 мкм при использовании германосиликатного световода требуется пять каскадов
преобразования.
Упростить конструкцию можно, если использовать в качестве активной среды ВКР-лазе-
ра световод с сердцевиной, легированной оксидом фосфора. В спектре ВКР-усиления тако-
го световода содержится узкая полоса с центральной длиной волны, сдвинутой на 1330 см-1,
что в три раза больше, чем сдвиг в максимуме усиления для германосиликатного световода.
В работе [54] предложен ВКР-лазер, работающий на двух длинах волн. Схема этого ла-
зера приведена на рис. 5.19.
к= 1080 нм Х= 1080 нм к= 1136 нм к= 1080 нм
Рис. 5.19. Схема двухволнового ВКР-лазера
Здесь резонатор лазера образован лишь одной парой решеток, что позволяет предпола-
гать взаимную когерентность излучения на разных длинах волн. Полупроводниковый лазер
с длиной волны около 980 нм и максимальной мощностью 4 Вт используется для накачки
волоконного лазера на основе световода с двойной оболочкой, легированного ионами Yb3+.
Резонатор Yb -лазера сформирован двумя брегговскими решетками — входной с коэф-
фициентом отражения R = 1 и выходной с R = 0,2.
5 - 3322
130
ГЛАВА 5
Иттербиевый лазер имеет длину волны излучения 1080 нм и максимальную мощность
2,5 Вт. Излучение вводится в ВКР-лазер на основе волоконного световода с сердцевиной из
германосиликатного стекла, молярная концентрация двуокиси германия в сердцевине со-
ставляет около 4%.
Волоконные ВКР-лазеры находят широкое применение в качестве источников накачки
рамановских волоконных усилителей и улучшения их шумовых характеристик.
Динамику развития волоконных лазеров иллюстрирует рис. 5.20.
Спектральные диапазоны работы волоконных лазеров приведены в табл. 5.1.
Год
Рис. 5.20. Динамика развития волоконных лазеров
Таблица 5.1. Диапазоны работы волоконных лазеров [38]
Тип лазера	Диапазон длин воли, мкм
Лазеры на основе активных волоконных световодов: Yb(Nd) Er/Yb Tm,Ho	1,0...1,1 1,5...1,6 1,9...2,1
ВКР-лазеры	1,1...2,2
5.9.	Светоизлучающие диоды
для волоконно-оптических систем
Перспективным источником света для волоконно-оптических систем (ВОС) служит СИД
Генерирование светового излучения в нем происходит так же, как и в лазерном диоде (ЛД),
но из-за отсутствия оптической обратной связи СИД является некогерентным источником.
Первый СИД из арсенида галлия, пригодный для цели оптической связи, был изготовлен
ПРИБОРЫ КОГЕРЕНТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
131
в 1962 г. Ширина спектра излучения СИД из арсенида галлия обычно составляет 3000 нм,
т.е. по крайней мере в 20 раз шире, чем у лазеров. СИД излучает на многих пространствен-
ных модах. Поскольку число мод, которое может в нем распространяться не ограниченно,
то адекватную эффективность ввода излучения в светодиод можно получить только при ис-
пользовании многомодового светодиода. СИД, предназначенью для волоконно-оптической
связи, должны иметь малую светоизлучающую поверхность и обладать большой энергети-
ческой яркостью.
Примерами таких диодов является диод Барраса и диод с краевым излучением. Диод
Барраса излучает свет из небольшого круглого пятна диаметром приблизительно 50 мкм в
направлении, перпендикулярном плоскости перехода (рис. 5.21).
Рис. 5.21. Типы СИД, применяемых в волоконно-оптических системах:
а — СИД, излучающий через поверхность (типа Барраса), со световодом,
приклеиваемым к излучающей поверхности; б— СИД того же типа, но снабженный
интегральной линзой с высоким показателем преломления для улучшения
преобразования электрической энергии в излучаемую оптическую мощность;
в — СИД с краевым излучением
Геометрия диода с краевым излучением аналогична геометрии лазера с полосковым
контактом —- излучает параллельно полосковому переходу. По сравнению с лазерами СИД
отличаются простотой, так как у них зависимость мощности выходного излучения от тока
возбуждения остается практически линейной и мало изменяется во времени.
Поскольку нет резко выраженного порога, то нет и необходимости слишком тщательно
регулировать пиковый ток возбуждения, так как прибор вряд ли выйдет из строя при прохо-
ждении через него небольшого тока перегрузки; кроме того, с помощью простых темпера-
турных датчиков и управляющих устройств с разомкнутым контуром можно осуществить
компенсацию различных температурных эффектов. При работе в системе связи СИД менее
привлекателен, чем лазер из-за большей ширины линии излучения и меньшей яркости; это
означает, что он обычно генерирует меньшую мощность и заставляет обращать особое вни-
мание на дисперсию в материале.
Тем не менее СИД твердо сохраняют свои позиции благодаря низкой стоимости и
простоте эксплуатации и во многих случаях вполне могут заменить лазеры, отвечая тре-
бованиям разработчиков систем, в которых лазер лишь незначительно расширил бы рабо-
чие пределы (запасы), что на практике оказывается совсем не нужным. Так как характери-
стики излучения СИД малочувствительны к рабочим условиям, то при проектировании
возможности выбора схем сужаются, а конструктивные решения соответственно упроща-
ются. В общем случае необходимо сначала оценить мощность, направляемую в светоди-
од, найдя произведение яркости источника с заданным углом ввода на площадь сечения
светодиода, и затем оценить эффективность стыковки одного с другим. Ширина линии излу-
5’
132
ГЛАВА 5
чения источника существенно не меняется, так что легко можно вычислить дисперсию в
материале, которая вместе с модовой дисперсией и шириной импульса позволяют оценить
чувствительность приемника. Длительность возбуждающего импульса можно несколько
уменьшить, чтобы снизить потери мощности в приемнике.
Время отклика (постоянная времени) СИД не равно нулю, и при использовании прибора
в системе с высокой скоростью передачи информации это следует принимать во внимание.
Время нарастания у типовых приборов с высокой яркостью лежит в интервале (2...4) нс
и поэтому может стать ограничивающим фактором. При необходимости можно пожертво-
вать яркостью ради быстродействия, что для специальных применений может оказаться
вполне оправданным.
Преобразование электрической энергии в оптическую представляет большой интерес
для разработчиков высокоэффективных систем. Внутри самого СИД превращение электри-
ческой энергии в оптическую происходит с очень большим кпд. Значительная часть зонной
оптической энергии впоследствии теряется прибором или поглощается, превращаясь в теп-
ловую энергию. Создавая приборы малой площади, т.е. меньшей, чем площадь поперечного
сечения светодиода, удается увеличить яркость при данном токе. А применение линзовой
системы с большой числовой апертурой позволяет увеличить излучающую поверхность
СИД и тем самым «заполнить» торец светодиода, благодаря чему увеличивается эффектив-
ная собирающая апертура прибора, который соединяют со светодиодом. Таким путем мож-
но увеличить отдаваемую прибором мощность при заданном токе возбуждения. На основе
этого принципа были изготовлены СИД со встроенными отрезками световодов и линзами.
Для ВОС пригодны СИД трех типов. Их конструкции изображены на рис. 5.21. Здесь:
1 — световод; 2 — клей; 3 — излучающая область; 4 — полусферическая линза с высоким
показателем преломления; 5 — структура лазерного типа; 6 — длина контакта определяет
размеры излучающей области. У простых плоскостных приборов или приборов Барраса
площадь излучающей поверхности обычно меньше площади сердцевины светодиода, торец
которого как правило размещают в непосредственной близости от этой поверхности. Такую
конструкцию можно применить и для приборов меньшей площади, установив собирающую
линзу с большей эффективной числовой апертурой (см. рис. 5.21, б). Наконец, на рис. 5.21, в
показана совершенно иная структура, которая более подходит для лазеров, используемых
в ВОС, и представляет собой СИД с краевым излучением. Принцип ее работы основан на
излучении вдоль перехода, соединяемого со световодом точно так же, как и в случае лазера.
Излучение из этой структуры некогерентно, хотя здесь может происходить некоторое
уменьшение спектральной ширины линии сверхизлучения из-за усиления. В состоянии
сверхизлучения происходит одновременное увеличение яркости и сужение спектральной
линии, но прибор при этом не обладает экстремальной нелинейностью, свойственной лазе-
рам, что дает возможность использовать очень простые устройства управления.
Для оптимизации ввода излучения в световод были разработаны СИД с краевым излу-
чением и относительно толстым световодным слоем, расположенным около активного слоя
и имеющим несколько меньший показатель преломления. Сверхизлучение в этих приборах
подавляется, так как свет, распространяющийся в световодном слое, лишь очень слабо свя-
зан со светом в области усиления, благодаря чему приборы имеют исключительно линей-
ные характеристики. В отличие от приборов, обладающих значительным сверхизлучением,
поглощающие области, образующиеся в активном слое СИД с краевым излучением, по мере
их старения слабо влияют на параметры выходного излучения.
Другим перспективным типом светоизлучающих диодов для ВОС являются суперлю-
минесцентные диоды (ССИД). Фактически это усилители спонтанного излучения без об-
ПРИБОРЫ КОГЕРЕНТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
133
ратной связи (ОС). Обычно для них используется двойная гетероструктура с полосковым
контактом, который только с одной стороны доходит до торца кристалла. Основное отличие
от стороны лазера — отсутствие резонатора Фабри-Перо (нет положительной обратной
связи, ПОС). Длина усиливающей области больше, чем в лазере («1,5 мм). Спонтанное из-
лучение происходит равновероятно во все стороны, однако часть его удерживается, направ-
ляется планарным световодом и усиливается за счет вынужденного излучения. Спектр излу-
чения ССИД сплошной, как у поверхностных СИД, однако значительно уже (3...5 нм). Диа-
грамма направленности более узкая, чем у поверхностных, и несимметричная, как у лазеров
с угловыми размерами 120° и 40°. Эффективность ввода излучения в многомодовые волок-
на выше, чем у поверхностных СИД.
Мощность излучения (1... 10 мВт) вводится в многомодовый световод (0,1... 1 мВт).
Особенности ССИД:
-	суперлинейная ватт-амперная характеристика (близка к экспоненциальной);
- пороговая плотность тока, меньше чем у лазеров;
- выходная мощность во много раз больше, чем у светодиодов;
-	ширина спектральной линии АХ = 2...6нм
на порядок меньше, чем у светодиодов, но
значительно больше, чем у лазеров;
-	излучение в отличие от излучения светодио-
дов, может быть поляризованным;
-	диапазон рабочих температур и долговечность
больше, чем у лазера, но уступает обычным
сид.
Конструкция суперлюминесцентного диода
представлена на рис. 5.22.
Параметры лазерных светодиодов для приво-
дов оптических носителей информации и принте-
ров приведены в табл. 5.2.
Рис. 5.22. Суперлюминесцентный
диод: М — металлический электрод
Таблица 5.2. Лазерные светодиоды для приводов
оптических носителей информации
Область применения	Наименова- ние	Длина волны X, нм	Максимальная выходная мощность (Тс = 25 °C) Рт мВт	Схема			
DVD-приводы	RLD2WMNV1	780/655	7		С <	?) 5	
				2 < (	i Z LD !> I) С	S 1 LD i) (-	PD »)
	RLD65MPT3	655	7	(3)0	PD		
	RLD65MZT2	655	10		—М	0(2) —	1 Г)		
	RLD65MQT2	655	10				3(1)
					' 14 1 '		
134
ГЛАВА5
Продолжение табл. 5.2
Область применения	Наименова- ние	Длина волны, 1, нм	Максимальная выходная мощность (Тс = 25 °C) Р„ мВт	Схема	
Пишущие DVD-приводы	RLD65PZB2	658	160	(3)0	1	о(2) *—И—0(1) LD	
	RLD65PZB3	658	180		
	RLD65PZB4	658	200		
	RLD65PZB5	658	240		
Обычные CD-плееры	RLD78MPA1	785	5		
Портативные CD-плееры	RLD78MZP1	785	4	(3)0—	PD |-И	0(2) LD Чо—on)
Автомобильные CD-плееры	RLD-78MAT1	785	5		
Многодисковые плееры	RLD78MZQ2	785	8,5		
Приводы CD-R/RW	RLD78PZW2 RLD78PZW3	785 785	180 (импульс) 200 (импульс)	(3)0	.	о(2> L-И	0(1) LD	
	RLD78PZW4	785	230 (импульс)		
Лазерные принтеры	RLD78NZH1	785	5	(3)0—	PD К 0(2) LD ЧЙ	0(1)
	RLD78NZH2	785	10	(3)0-	PD |—Н	0(2) LD 	0(1)
Датчики, измерительные приборы и т.п.	RLD-78MC	785	5	(3)0—	PD М 0(2) LD Ча—o(D
5.10. Сравнительная характеристика лазеров и светодиодов
В табл. 5.3 приведены типовые параметры полупроводниковых источников света.
Таблица 5.3. Технические характеристики полупроводниковых источников света
Параметр	сид		Лазеры
	Поверхностные	Суперлюминесцентные	
Потребляемая мощность, мВт	75...750	75...750	15...600
Пороговый ток накачки, мА	—	—	5... 250
Рабочий ток накачки, мА	50...300	50...300	10...300
Выходная мощность излучения в непрерывном режиме, мВт	1...10	1...10	1...50
ПРИБОРЫ КОГЕРЕНТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
135
Продолжение табл. 5.3
Параметр	сид		Лазеры
	Поверхностные	Суперлюминесцентные	
Яркость, Вт/(ср-см2)	10... 100	103	105
Мощность, вводимая в многомодовый световод, мВт	0,05...0,5	0,1...1	0,5...15
Ширина спектра излучения, нм	30... 50	3. .5	2-10'”...3
Центральная длина волны излучения, мкм	0,8	0,9	1...1.6
Температурная нестабильность центральной длины волны, нм/К	0,3	0,3	0,01...0,3
Ширина полосы частот модуляции по уровню — 3 дБ, МГц	100	200	500...5000
Нелинейность ватт-амперной характеристики, %	0,3...3	10	0,3...30
Срок службы, ч	104...107	1О4...1О6	103... 105
Степень сложности	От низкой до средней	Средняя	Высокая
Стоимость	От низкой до средней	Средняя	От средней до высокой
Приведенный анализ показывает, что по-
лупроводниковые источники излучения отве-
чают большинству требований, предъявляе-
мых к таким приборам в световодных систе-
мах связи и световодных измерительных сис-
темах, Светоизлучающие диоды являются
наиболее подходящими источниками для ам-
плитудных ВОЛС и низкоскоростных систем
передачи информации с использованием мно-
гомодовых волоконных световодов. Пример-
ные представления о границе перехода от ис-
пользования СИД к использованию лазеров в
системах на многомодовых волокнах дают
графики зависимостей длины ретрансляцион-
ного участка от скорости передачи информа-
ции при использовании этих излучателей
(рис. 5.23).
Зависимость длины регенерационного
участка L от скорости передачи информации
Рис. 5.23. Зависимость длины
регенерационного участка
от скорости передачи:
---------идеальная частотная
характеристика СИД
/V для ступенчатого световода с затуханием 5 дБ/км для X = 0,85 мкм; 7 — для лазерного
диода (спад характеристики на участке ВС обусловлен межмодовой дисперсией); 2 — для
СИД (спад характеристики на участке EF обусловлен широким спектром диода, на участке
FG — дополнительно — спадом частотной характеристики).
Параметры некоторых лазеров и оптических модулей приведены в табл. 5.4 и 5.5.
136
ГЛАВА 5
Таблица 5.4. Параметры некоторых отечественных полупроводниковых лазеров
Модель (тип)	Длина волны, нм	Выходная мощность, мВт	Ток накачки, мА	Ширина спектральной линии, нм	Расходи- мость, град	Диапазон рабочих температур, °C
ИЛПН-212	80...820	3,0...5,0	20...70	-	-	-
ИЛПН-361	800...860	1,5...2,0	125...140	13...18	-	-40...+60
ИЛПН-109М	830	5,0	120	2	-	-60...+55
ИЛПН-206	1300	1,5	60	6,0	-	-60...+50
ИЛПН-216	1300	3,0	—	—	-	-
ЛМ-1300-01	1300	1	100	0,1	-	-60...+60
ИЛПН-234-А	1500... 1600	3,0	30...85	-	1,3	
UD-5	1500	0,5	-	-	120	-
Таблица 5.5. Параметры некоторых передающих оптических модулей
Модель (тип)	Длина волны, нм	Выходная мощность, мВт	Ток накачки, мА	Ширина спектральной линии, нм	Расходи- мость, град	Диапазон рабочих температур, °C
ПОМ-361	1250... 1350	0,1...0,2	150	100	-	0...50
ПОМ-15А	1270... 1330	0,5...0,1	40-80	5	5000	-40...+35
МДП-7	1200... 1350	1	-	-	8	-40...+55
ПОМ-14М	1270...1350	1,5...3,0	40...80	0,1...8	560	-40...+55
ПОМ-15Б	1500... 1580	0,5...0,1	70...120	0,01	2400	-40...+55
ПОМ-13Б	1500... 1580	0,5...0,1	80... 120	0,1	3000	-40...+50
ПОМ-14Б	1520... 1580	1,0...2,0	' 40...80	0,1...8	560	-40...+50
Сравнив полупроводниковые лазеры с другими типами лазеров, можно выделить сле-
дующие достоинства полупроводниковых лазеров:
-	малые массогабаритные показатели и большое оптическое усиление (Лл ~ 103... 104 см’1);
высокий кпд;
-	простота накачки лазера: инжекция не требует высоких питающих напряжений и
мощностей;
-	высокое быстродействие;
-	возможность генерации излучения заданной длина волны в широком диапазоне, что
достигается выбором полупроводника с необходимой шириной запрещенной зоны;
-	технологическая и эксплуатационная совместимость с элементами интегральной оптики.
В табл. 5.6 приведены основные параметры применяемых лазеров.
Таблица 5.6. Параметры малогабаритных лазеров
Тип	Размер, см	кпд, %	Фг, мВт	^*тах» МКМ	AW.,	6Р, град.	Е„„, В
Газовый	~10	io-'...ю 2	0,1...10	0,63	10“6...10“9	0,03...0,15°	103 ...104
Т вердотельный	~1	10	10...104	1,06	10-4	1	ДО103
Полупровод- никовый	—0,1	20... 50	10...1000	0,8...0,9	2-10-3	10	1,5...3
ПРИБОРЫ КОГЕРЕНТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
137
Но современным полупроводниковым лазерам присущи и недостатки:
-	относительно низкие параметры когерентности излучения (ДА/Хтах и 0Р), что объясня-
ется высокой плотностью активного вещества, малой длиной резонатора и малой вы-
ходной апертурой;
-	низкая долговечность, равная для промышленных образцов (102...103) ч; в то же вре-
мя теоретические расчеты показывают, что долговечность инжекционных лазеров мо-
жет быть выше 105 ч.
Снижение долговечности реальных приборов прежде всего связывается с постепенной
деградацией (старением) полупроводникового лазера. Деградация стимулируется высокими
плотностями тока, а также потоков оптической и тепловой мощности, которые характерны
для работы полупроводниковых лазеров.
Основным деградационным эффектом является увеличение концентрации безызлуча-
тельных центров в активной области за счет внедрения атомов неконтролируемых примесей
и образования новых дефектов. Кроме того, имеет место снижение активности излучатель-
ных центров и возрастание поверхностной рекомбинации.
Тесты
5.1.	Используя рис. 1, укажите в конструкции твердотельного лазера номер, указывающий на стержень ак-
тивного вещества.
5.2.	Используя рис. 1, укажите в конструкции твердотельного лазера номер, указывающий на инфра-
красный светодиод.
5.3.	Используя рис. 2, укажите номер, указывающий на металл.
5.4.	Используя рис. 2, укажите номер, указывающий на активную область.
5.5.	Используя рис. 3, укажите в полупроводниковом лазере с гетероструктурой номер, указывающий
на металл.
5.6.	Используя рис. 3, укажите в полупроводниковом лазере с гетероструктурой номер, указывающий
на подложку.
5.7.	Используя рис. 4, укажите на ватт-амперной характеристике инжекционного лазера, номер, соот-
ветствующий низкой температуре.
5.8.	Используя рис. 3, укажите в лазере, номер соответствующий активной области.
5.9.	Используя рис. 4, укажите на ватт-амперной характеристике инжекционного лазера, номер, соот-
ветствующий высокой температуре.
138
ГЛАВА 5
5.10.	Какие два условия необходимо выполнить для возникновения лазерной генерации:
а) баланс фаз;
б)	баланс амплитуд;
в)	использование элемента накачки;
г)	использование оптического резонатора?
Глава 6
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ФОТОПРИЕМНЫЕ
ПРИБОРЫ
6.1.	Принцип работы фотоприемных приборов
Работа фотоприемных приборов (фотоприемников) основана на использовании внутреннего
фотоэффекта в твердых телах. Поглощаемые полупроводником кванты освобождают носи-
тели заряда либо атомов решетки, либо атомов примеси. Поскольку для каждого из этих пе-
реходов требуется некоторая минимальная энергия, характерная для данного материала, ка-
ждый тип фотоприемника имеет определенную длинноволновую границу Х.^,, определяе-
мую формулой
Хл,= 1,24/(£2-£|),	(6.1)
где 1ц, — выражается в мкм; Е2, Е\ — в эВ.
Разность Е2 - £] — энергетический зазор при переходе «зона-зона» или «примесный
уровень-зона» (рис. 6.1, а). Е2 соответствует £п; £t — то же £в.
Рассмотрим принцип действия фотоприемного прибора на основе р-«-перехода
(рис. 6.1,6). При поглощении фотона в полупроводнике образуются пары электрон-дырка.
При их разделении возникает фототок, причем электроны перемещаются в «-области,
а дырки — в -области.
Вероятность разделения созданной фотоном пары электрон-дырка выше в том случае,
если эта пара образуется в области полупроводника, находящейся под воздействием элек-
трического поля. Альтернативой разделения является обычная рекомбинация пары элек-
трон-дырка, при которой пе происходит какого-либо смещения заряда и, таким образом,
ие вносится вклад в фототок. Электрическое поле распределяется в кристалле полупровод-
никового прибора неравномерно. В диффузионных областях р- и n-типа поле намного сла-
бее, чем в области между ними, известной под названием обедненного слоя. Для эффектив-
ной работы фотоприемника необходимо, чтобы наибольшее число фотонов поглощалось в
обедненном слое, т.е. фотоны не должны поглощаться, пока не вышли за пределы обеднен-
ного слоя.
Глубина проникновения фотона в полупроводник до поглощения зависит от его длины
волны. Фотоны с малой длиной волны поглощаются вблизи поверхности, а фотоны с боль-
шей длиной волны могут проникать через всю толщу кристалла. Поэтому для обеспечения
широкой спектральной характеристики необходимо, чтобы кристалл фотодиода имел очень
тонкий p-слой, допускающий проникновение фотонов с малой длиной волны, и толстый
обедненный слой для получения максимального фототока от длинноволновых фотонов.
Толщина обедненной области зависит от удельного сопротивления полупроводника в
этой области и от обратного смещения. Обедненный слой существует и в том случае, когда
обратное смещение не приложено. Это обусловлено наличием «встроенного» поля, которое
образуется вследствие диффузии через переход неосновных носителей. Напряжение обрат-
ного смещения расширяет обедненную область.
140
ГЛАВА6
Рис. 6.1. Принцип действия фотоприемного прибора:
а — энергетическая диаграмма; б — процессы в р-п-переходе;
в — распределение электрического поля в структуре; £пр — энергия примесного уровня;
1 — переход «зона-зона»; 2— переход «валентная зона-примесный уровень»;
3 — переход «примесный уровень-зона проводимости»
Размеры обедненного слоя при любом напряжении больше в тех приборах, у которых
вблизи р-л-перехода материал имеет более высокое удельное сопротивление. В то же вре-
мя на обеих противоположных поверхностях кристалла для изготовления омических кон-
тактов требуется низкое удельное сопротивление. Фотоприемники с р-л-переходом, напри-
мер солнечные батареи, изготавливают методом диффузии примеси p-типа в материал «-ти-
па с низким удельным сопротивлением. Малая толщина диффузионного p-слоя обеспечива-
ет высокую чувствительность к фотонам с малой длиной волны, но, чтобы расширить обед-
ненную область для создания высокой чувствительности к фотонам с большой длиной вол-
ны, требуется относительно высокое обратное смещение. Глубокая диффузия примеси р-ти-
па ухудшает чувствительность к излучению с малой длиной волны, но благодаря созданию
«плавного» перехода дает возможность уменьшить напряжение смещения, необходимой
для обеспечения хорошей чувствительности к излучению с большой длиной волны. Для по-
вышения чувствительности к фотонам с малой и большой длинами волн при низком обрат-
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ФОТОПРИЕМНЫЕ ПРИБОРЫ
141
ном смещении между р- и «-областями используют слой с высоким удельным сопротивле-
нием, получивший название /-слоя. Фотоприемники, имеющие /-слой, получили название
р-/-«-структур. Такой прибор имеет тонкую диффузионную p-область (на которую падает
поток излучения) и более толстую диффузионную «-область с другой стороны высокоомной
кремниевой пластины. В фотоприемниках с р-/-«-структурой /-слой имеет такое высоко
удельное сопротивление, что даже при нулевом смещении обедненный слой распространя-
ется от p-слоя примерно на половину глубины /-слой. При обратном смещении до 5 В обед-
нение распространяется вплоть до «-слоя и наблюдается эффект «смыкания». Поскольку
пробивное напряжение превышает 200 В, часто желательно устанавливать режим работы
при обратных напряжениях, превышающих напряжение смыкания, чтобы поддерживать
полное обеднение /-слоя даже при высоких уровнях потока излучения. Это обеспечивает
наилучшую линейность и быстродействие.
Качество фотоприемника может быть оценено введением параметра квантовая эффек-
тивность. В идеальном случае каждый фотон должен генерировать один электрон фотото-
ка. Квантовая эффективность г], таким образом, измеряется как число электронов на фотон.
На практике часто используют в качестве основного рабочего параметра фоточувстви-
тельность Л'ф, А/Вт,
5ф=Л(Х/1,24) = 7ф/Фе,	(6.2)
где Л — длина волны фотона, мкм; — фототок, А; Фг — поток излучения, Вт.
6.2.	Характеристики, параметры и модели фотоприемников
6.2.1.	Параметры фотоприемников
Важнейшим параметром фотоприемника является чувствительность. Этот параметр мож-
но до определенной степени считать аналогичным коэффициенту усиления в приборах с
электронной проводимостью. В общем случае чувствительность фотоприемника отражает
изменение электрического состояния на выходе фотоприемника при подаче на его вход еди-
ничного оптического сигнала.
Оптическое излучение может характеризоваться энергетическими и световыми пара-
метрами. В соответствии с характеризующим параметром различают чувствительности фо-
топриемника к потоку излучения 5Ф, световому потоку S^, облученности SE и к осве-
щенности S£ .
В зависимости от измеряемого электрического параметра на выходе фотоприемника
различают токовую и вольтовую чувствительности фотоприемника. Если измеряемой вели-
чиной является фототок, то имеем токовую чувствительность (Si). Чувствительность фото-
приемника, у которого измеряемой величиной является напряжение фотосигнала, называет-
ся вольтовой чувствительностью (Sy).
Примеры определения чувствительности фотоприемника приведены в выражениях ниже:
=7Ф/ФГ; SIEy=I*IEv- 5^=иф/Фе-, SVEi=U^IEt,	(6.3)
где S,^ — токовая чувствительность к световому потоку; SIEy — токовая чувствительность
к освещенности; Sv<s> — вольтовая чувствительность к потоку излучения; SVE — вольтовая
чувствительность к облученности (см. п. 2.2.4).
142
ГЛАВА6
Вообще говоря, чувствительность фотоприемника не есть постоянная величина и зави-
сит, в частности, от параметров излучения. Для учета этой зависимости вводят понятия
статической и динамической дифференциальной чувствительности фотоприемника, при
этом статическая чувствительность определяется отношением постоянных значений изме-
ряемых величин.
Чувствительность зависит от длины волны падающего излучения. Поэтому различают
интегральную и монохроматическую чувствительности фотоприемника к немонохрома-
тическому излучению заданного спектрального состава. Монохроматическая чувствитель-
ность — это чувствительность фотоприемника к монохроматическому излучению.
Шумовые и пороговые параметры. Помимо полезного сигнала на выходе фотоприем-
ника всегда имеет место хаотический сигнал со случайной амплитудой и спектром — это
шум фотоприемника. Источники шума могут быть по отношению к фотоприемнику как
внутренними, так и внешними. Шум не позволяет регистрировать сколь угодно малое зна-
чение входного излучения, так как оно становится неразличимым на фоне шума. В опти-
мально сконструированном фотоприемнике чувствительность к малым входным сигналам
определяется только уровнем собственных шумов прибора. Шумы определяются случайны-
ми (флюктуационными) процессами, и уровень шумов характеризуют вероятностными па-
раметрами: математическим ожиданием (средний уровень шума), среднеквадратичным зна-
чением или дисперсией. Распределение мощности шума по спектру часто задается спек-
тральной плотностью шума — шумом в единичной полосе частот.
В фотоприемниках, наряду с обычными для полупроводников видами шумов (тепло-
вым, дробовым и др.), добавляется также радиационный (фотонный) шум, который определя-
ется флюктуациями оптического сигнала, попадающего на фотоприемник.
Обычно шум фотоприемника количественно характеризуют током шума или напряже-
нием шума. Под током шума /ш понимают среднеквадратичное значение флуктуации тока,
протекающего через фотоприемник в указанной полосе частот. Напряжение шума — это
среднеквадратичное значение флюктуации напряжения на заданном сопротивлении нагруз-
ки в цепи фотоприемника.
Связь чувствительности фотоприемника с шумами количественно определяют порого-
вым потоком фотоприемника Фп, равным среднеквадратичному значению действующего
на фотоприемник потока излучения, при котором среднеквадратичное значение фототока
равно среднеквадратичному значению тока шума. Таким образом, если на фотоприемник
действует некоторый поток излучения Ф, то на выходе фотоприемника появляются одно-
временно сигнал шума /ш и полезный сигнал /ф. Если поток излучения равен пороговому
потоку Фпор, то значения тока шума и фототока сравниваются, т.е. /ш = /ф при Ф = Фпор.
Так как шум зависит от полосы частот, в котором шум измеряется, то значение Фпор за-
висит от частоты. Поэтому чаще всего определяют порог фотоприемника в единичной поло-
се частот (ФПОр1) как минимальное среднеквадратичное значение синусоидально-модулиро-
ванного потока с заданным спектром, взятое по отношению к полосе пропускания частот.
Уровень шумов фотоприемника зависит от площади фоточувствительного элемента.
Для характеристики этой зависимости введен параметр Ф'пор1 — удельный пороговый поток
фотоприемника
Ф'ПОР1 = Фпор1/5,	(6.4)
где Фпор1 — поток в единичной полосе частот; S — площадь фоточувствительного элемента
фотоприемника.
Таким образом, удельный пороговый поток — это поток фотоприемника в единичной
полосе частот, отнесенный к единичному по площади фоточувствительному элементу.
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ФОТОПРИЕМНЫЕ ПРИБОРЫ
143
6.2.2.	Характеристики фотоприемников
Основными характеристиками фотоприемников являются вольт-амперная, спектральная и
энергетическая характеристики.
ВАХ — зависимость напряжения на выходе фотоприемника от выходного тока (фотото-
ка) при заданном потоке излучения. Спектральная характеристика — зависимость чувст-
вительности фотоприемника от длины волны падающего на фотоприемник монохроматиче-
ского излучения. Энергетическая характеристика выражает зависимость фототока от по-
тока излучения, падающего на фотоприемник. Энергетическая характеристика описывается,
как правило, степенной функцией вида
/Ф = Ф"	(6.5)
Показатель степени п характеризует линейность энергетической характеристики. При
п « 1 характеристика линейна; область значений Ф (от Фт1П до Фтах), в которой это условие
выполняется, определяет динамический диапазон ДФ линейности фотоприемника. Динами-
ческий диапазон выражается в децибелах:
A<D = 101g^^.	(6.6)
Ф™„
Длинноволновая граница спектра Xq, определяет максимальную длину волны падающе-
го на фотоприемник излучения; коротковолновая граница Хк обусловлена возрастанием по-
глощения излучения в пассивных областях структуры при уменьшении длины волны.
6.2.3.	Параметры фотоприемника как элемента оптопары
В оптопарах фотоприемник работает совместно с излучателем, чаще всего с ИК-диодом.
Применяемые в оптопарах излучатели имеют относительно узкий спектр излучения. В свя-
зи с этим для фотоприемника здесь не важен конкретный вид спектральной характеристики,
теряют смысл интегральные (по спектру) параметры. Существенно, чтобы чувствитель-
ность была максимальной на рабочей длине волны применяемого излучателя.
Быстродействие фотоприемника в оптопаре характеризуется временем переключения
/пер. Основные классы применяемых в настоящее время фотоприемников имеют
= (1(Г5...10~7) с; у быстродействующих современных фотоприемников Гпер = (КГ8...1О-10) с;
перспективы оптоэлектроники требуют от фотоприемников продвижения в область
(1О1о...1(Г12) с. Режим высокого быстродействия (малых /пер) не реализуется для высоко-
омной нагрузки, так как при этом длительность переключения определяется медленным
процессом заряда емкости фотоприемника. Кроме того, при работе с потоками излучения
вблизи Фпор необходимы сопротивления нагрузки порядка 107 Ом, тогда длительность заря-
да емкости фотоприемника С = (5...2О) пФ составляет (10-4...10~’)с. В результате получа-
ется, что высокое быстродействие при работе фотоприемника в «пороговом режиме» (при
Ф = Фпор и малых /ф) практически не достижимо. В частности, при применении фотоприем-
ников в оптопарах пороговые параметры оказываются второстепенными.
6.2.4.	Электрические модели фотоприемников
Электрическая модель фотодиода в статическом режиме приведена на рис. 6.2, где /н — ток
насыщения при t/o6p = 0,5... 1 Ви температуре среды Т= Граб; /тг. — ток термогенерации, ге-
нерируемый в области р-л-перехода; — обратное напряжение, приложенное к фото-
144
ГЛАВА 6
Рис. 6.2. Электрическая модель
фотодиода
На рис. 6.3 фотоприемник представлен
диоду; /ф.т. — ток фотодиода в затемненном
состоянии (если /н = 0, и /т г = 0). В рассматри-
ваемой модели предполагается, что диод VD
имеет обратный ток неизмеримо меньший теп-
лового тока фотодиода.
Важнейший параметр фотоприемных уст-
ройств — чувствительность, т.е. минимальная
величина лучистого потока, которая может
быть зарегистрирована фотоприемником с за-
данным качеством приема. Чувствительность
фотоприемных устройств ограничивается внут-
ренними шумами фотодиода, а также тепловы-
ми шумами его нагрузочного сопротивления и
входной цепи последующего усилителя,
независимыми генераторами шумового и сиг-
нального токов и /с, а также динамического гд и последовательного г„ резисторов, кото-
рые не оказывают существенного влияния на анализ схемы, так как
(6.7)
Сопротивление нагрузки фотодетектора изображено в виде резистора г„ и генератора
теплового шума iT. Предварительный усилитель представлен генератором шумового напря-
жения UUI ус и идеальным, свободным от шумов усилителем.
Общая мощность шума, выделяемая на нагрузке, может быть записана в виде
^=£^+^+<4^,-	(6.8)
Для обеспечения приема сигнала с требуемым уровнем помехозащищенности необхо-
димо, чтобы его мощность превышала общую шумовую мощность в К раз
РСпйа>КРш,	(6.9)
где К— отношение сигнал/шум; Рс — мощность сигнала.
Так как фототок в цепи нагрузки /?н связан с мощностью потока излучения, падающего
на чувствительную поверхность фотоприемника, соотношением ic = (er|/(Anv)PnpAf, то чув-
ствительность фотоприемника
/’пр min = (Av/(en))A/ у]К(Рш/ЯИ),	(6.10)
где h„ — постоянная Планка (6,63 10-27 эрг); v — частота колебаний; е — заряд электрона
(1,6-10 19 К); т| — квантовая эффективность; М— коэффициент умножения (> 1 для лавин-
ных фотодиодов).
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ФОТОПРИЕМНЫЕ ПРИБОРЫ
145
Тепловые шумы фотоприемников обусловлены тепловыми флуктуациями электронов в
резисторах и имеют нормальный закон распределения. Спектр таких шумов равномерный, т.е.
представляет собой так называемый «белый шум». Тепловой шум существует во всех типах
фотоприемных устройств. На величину чувствительности фотоприемников заметное влияние
оказывают лишь тепловые шумы нагрузки и входного сопротивления предусилителя. Тепло-
вой шум нагрузки обладает спектральной плотностью <?т(/) = 4KT!Rn и имеет мощность
Рт = 4АТА/	(6.11)
где К — постоянная Больцмана (1,38-Ю-16 эрг-град-1); Т — температура фотоприемника, К;
А/— полоса рабочих частот.
Аналогично определяется спектральная плотность теплового шума, создаваемого пред-
варительным усилителем
qyc(f) = 4KT(F- !)//?„,	(6.12)
где F— коэффициент теплового шума предварительного усилителя.
При определении чувствительности фотоприемников удобно действие тепловых шумов
представить одним генератором шумового тока со спектральной плотностью
= 4КТ0(1ш + F- 1)//?н,	(6.13)
где То — нормальная температура, К; — нормализованная шумовая температура выхода
предварительного усилителя.
Общая мощность тепловых шумов, создаваемая этим генератором,
Рт = 4А7’0(/ш + F- 1) А/	(6.14)
Собственные шумы фотоприемников определяются их типом. Основными видами шу-
мов являются шумы теплового тока, дробовый шум, шумы мерцания и шум, создаваемый
источниками питания.
Наиболее существенными составляющими собственных шумов полупроводниковых фо-
топриемников являются дробовой шум теплового тока, токовый шум, генерационно-реком-
бинационный шум и избыточный шум. Генерационно-рекомбинационный шум появляется
при протекании тока через переход и обусловлен флуктуациями потока носителей заряда
(электронов и дырок). Его мощность
Рг= 2e(er] f(h„ v))Pcp AfRH.	(6.15)
Если полупроводниковый приемник обладает внутренним усилением, например лавин-
ный фотодиод, тогда мощность шума
Prp =2(eWh„v))PcpAfM2FRH,	(6.16)
где F = Мх — коэффициент, учитывающий влияние умножения на увеличение шумов.
Мощность шума, вызванного током теплового шума iT, определяется выражением
Рт =2е/тЛ/2+1Д/Ян.	(6.17)
На низких частотах преобладающим является избыточный шум. Его называют токовым
шумом. Он наблюдается на частотах до 103 Гц и обусловлен задержкой носителей заряда
около поверхности материала. Энергетический спектр избыточного шума обратно пропор-
ционален частоте
9Н(П = Ж47/Ж2+',	(6.18)
где А — коэффициент пропорциональности; 4—тепловой шумовой ток (ток теплового шума).
Мощность избыточного шума на выходе фотоприемника равна:
^ = ^>2+Xln(/2/Z),	(6.19)
raef2 nfi — максимальное и минимальное значения рабочих частот.
146
ГЛАВА 6
Общую мощность шумов фотоприемного устройства можно определить из выражения
Рш =4КТ(1Ш +Г-1) + 2Л/2+ХИ +Т1 Кер + Д<7Д<)Л/2+Х ln(/2/Z)V-	(6.20)
Тогда чувствительность такого фотоприемника
р, -(v/nw-vfI ♦	(6.21)
«„ У „	J I	e2KM2(l+x)RKAf
где ц — коэффициент умножения.
Для достижения максимальной чувствительности лавинных фотодиодов необходимо
выбрать оптимальное значение коэффициента умножения
М = [1 - (Сп /(//?)) / Спро6 J”’,	(6.22)
где Un — напряжение источника питания; t/проб — напряжение лавинного пробоя; п = 2-3 —
постоянный коэффициент, величина которого зависит от полупроводникового материал;
I — ток, протекающий через прибор; R — суммарное сопротивление прибора и нагрузки.
Простейшая высокочастотная модель фотоприемника изображена на рис. 6.4.
с	Инерционность фотоприемников определяется
.	।—~~~।	-л временем пролета носителей от места их генерации
|	до разделения их переходом и постоянной времени
Г|	цепочки гпСд.
= = Сд |1Гд	Время пролета носителей определяется внут-
Т	ренней структурой фотоприемника. Известны три
__________|	механизма переноса: диффузия, диффузия при на-
личии электрического поля, дрейф в электрическом
Рис. 6.4. Высокочастотная модель поле.
фотоприемника	g высокоинерционных фотоприемниках на ос-
нове р-л-перехода, когда преобладающим механиз-
мом переноса носителей является диффузия, при учете поглощения только вр-области,
среднее время пролета носителей в базе приблизительно равно
г-л2/(2ЧХ
(6-23)
где Л6 — толщина p-области; D„ — коэффициент диффузии электронов.
Механизм переноса путем дрейфа в электрическом поле используется в фотоприемни-
ках с р-/-л-структурой. Если в /-слое, где поле постоянно, пренебречь рекомбинацией, то
частоту, при которой амплитуда сигнала уменьшается на 30%, ориентировочно находят из
выражения
г
0,7 2nh2 ’
(6.24)
где ц — подвижность носителей; t/o6p — обратное напряжение, приложенное к p-i-n-
структуре; Л, — ширина /-области.
В случае узкой /-области (Л, — 0,05 мм) с удельным сопротивление порядка 1000 Ом-см
при обратном напряжении t/O6P = 50 В значениеУо>7 доходит до 400 МГц.
При разработке малоинерционных фотоприемников стараются уменьшить величины г„
и Сд. Фотоприемник на основе р-л-перехода подобен конденсатору, для которого р- и л-об-
ласти представляют собой разноименно заряженные пластины, а область объемного заряда —
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ФОТОПРИЕМНЫЕ ПРИБОРЫ
147
разделяющий их диэлектрик. Ширина области объемного заряда меняется в зависимости от
величины приложенного напряжения. С ростом величины обратного смещения ширина об-
ласти объемного заряда увеличивается, и емкость С уменьшается. Емкость фотоприемника
Сд можно определить по формуле для плоского конденсатора
С = ^,	(6.25)
d
где е0 — диэлектрическая проницаемость вакуума; е — диэлектрическая проницаемость по-
лупроводника; 5— площадьр-и-перехода; d— толщина диэлектрика.
Емкость фотоприемника с р-/-л-структурой при достаточно больших величинах обрат-
ного смещения определяется только шириной z-слоя.
Последовательное сопротивление фотоприемника гп в общем случае включает сопро-
тивление растекания носителей в тонком базовом слое (сопротивление базы), сопротивле-
ние толщины полупроводника за р-и-переходом (сопротивление коллектора) и сопротивле-
ние контактов. Сопротивление коллектора определяется по формуле
^=рА	(6.26)
О
где рк — удельное сопротивление коллектора; hK — толщина коллектора; S — площадь
р-и-перехода.
Требования высокой чувствительности и малой инерционности фотоприемников проти-
воречивы. Поэтому в зависимости от конкретных условий применяют различные типы фо-
топриемников.
6.3.	Фотодиоды на основе р-п-перехода
Упрощенная структура фотодиода на основе р-и-перехода приведена на рис. 6.5. Такой
прибор по существу представляет собой обратно-смещенный р-и-переход. Важными свой-
ствами такого перехода является наличие обедненной носителями области перехода, кон-
центрирующей относительно сильное поле, и области поглощения, где поглощается падаю-
щий свет (захватываются фотоны).
Обедненная область образуется неподвижными положительно заряженными атомами
доноров в и-области и неподвижными отрицательно заряженными атомами акцепторов
в p-области. Ширина обедненной области зависит от концентрации легирующих приме-
сей. Чем меньше примесей, тем шире обедненный слой. Положение и ширина поглощаю-
щей области зависят от длины волны падающего света и от материала, из которого сделан
диод.
Чем сильней поглощается свет, тем тоньше поглощающая область. Эта область может
распространяться полностью на весь диод, если свет поглощается слабо. Когда поглощаются
фотоны, электроны переходят из валентной зоны в зону проводимости. Так создается элек-
тронно-дырочная пара. Если такая пара создается в обедненной области, то носители будут
разделяться (дрейфовать) под влиянием поля в обедненной области. В результате в цепи на-
грузки потечет ток. Если электронно-дырочная пара образуется вне обедненной области, то
дырка будет диффундировать в сторону обедненной области. Так как диффузия по сравне-
нию с дрейфом происходит очень медленно, желательно, чтобы большая часть света погло-
щалась в обедненной области. Таким образом, желательно сделать обедненную область
протяженной, уменьшая концентрацию легирующей примеси в п-слое. Это требует такого
слабого легирования л-слоя, что его можно считать собственным.
148
ГЛАВА 6
О UnO
Рис. 6.5. Структура р-п-перехода:
1 — обедненная область; 2 — диффузионная область; 3 — область поглощения;
Е — напряженность электрического поля; х — расстояние
Семейство вольт-амперных характеристик фотодиода приведено на рис. 6.6.
Участок I соответствует фотодиффузионной области. Здесь к р-и-переходу прикла-
дывается прямое напряжение и диффузионная составляющая тока полностью подавляет
фототок (Ip^n » АД что делает невозможным управление фототоком.
В области II реализуется фотогальванический режим. Здесь ток фотодиода определяется
из выражения
= 4 ~ Ip-„ = I* (Ф) - 4 ехр| — -1 ],	(6.27)
где фт — тепловой потенциал; U — напряжение на диоде; /0 — обратный ток диода при на-
сыщении.
В режиме холостого хода (/?н -> а>) из приведенного выражения можно определить мак-
симальное значение фотоЭДС С/срэдс ПРИ определенном световом потоке:
^х.х =Фт1п[1+у-]-	(6.28)
\ О /
При коротком замыкании напряжение на фотодиоде равно нулю (U= 0), а ток фотодио-
да создается потоком фотоносителей. У кремниевых фотодиодов значение фотоЭДС С4Рэдс
составляет 0,5.. .0,55В.
В фотодиодном режиме (ему соответствует область III) используется источник обратно-
го напряжения (7^. В этом режиме потенциальный барьер возникает, и ток через переход
/р_„ определяется током который протекает при отсутствии излучения. При воздействии
на р-и-переход светового потока ток фотодиода
= Л +4i ®
фд Ф О Ф
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ФОТОПРИЕМНЫЕ ПРИБОРЫ
149
Вольт-амперная характеристика нагруженного резистора представляет собой прямую
линию, уравнение которой имеет вид
^o6p-^=^>
где UA — напряжение на фотодиоде в рабочей точке А, соответствующей световому потоку
Фь указанному на рис. 6.6.
В рабочем диапазоне обратных напряжений фототок практически не зависит от сопро-
тивления нагрузки, сопротивление диода постоянному току изменяется в больших пределах
при изменениях светового потока, поэтому иногда вместо термина «фотодиодный режим»
используется термин «фоторезисторный режим». Сопротивление фотодиода переменному
току на рассматриваемом участке велико и имеет тенденцию к уменьшению при больших
значениях светового потока.
При больших значениях обратного напряжения (участок IV на рис. 6.6) наблюдается ла-
винный пробой р-и-перехода. Если с помощью сопротивления нагрузки ограничить боль-
шой обратный ток р-и-перехода, наблюдаемый в этом случае, то возможно реализовать фо-
топриемник, использующий обратимый электрический прибор, обладающий усилением фо-
тотока во много раз по сравнению с фототоком в фотодиодном режиме. Этот эффект ис-
пользуется в лавинных фотодиодах (ЛФД).
6.4.	Фотодиоды с р-/-л-структурой
Расширение частотного диапазона фотодиода (IV) без снижения его чувствительности воз-
можно в р-/-л-структурах (рис. 6.7).
В p-i-n структуре /-область заключена между двумя областями противоположного ти-
па электропроводимости и имеет удельное сопротивление в (1О6...1О7) раз больше, чем со-
150
ГЛАВА6
противление легированных областей п- и p-типов. При достаточно больших обратных на-
пряжениях сильное и почти однородное электрическое поле напряженностью Е распростра-
няется на всю /-область.
Рис. 6.8. Энергетическая диаграмма
фотодиода с р-/-п-структурой
Поскольку эта область может быть сде-
лана достаточно широкой, такая структура
создает основу для получения быстродейст-
вующего и чувствительного приемника.
Дырки и электроны, появившиеся в /-облас-
ти за счет поглощения излучения, быстро
разделяются электрическим полем. Энерге-
тическая диаграмма р-/'-«-диода при обрат-
ном смещении представлена на рис. 6.8. Око-
ло 90% излучения поглощается непосредст-
венно в /-области.
Повышение быстродействия обусловлено
тем, что процесс диффузии через базу, харак-
терный для обычной структуры, в p-i-n-
структуре заменяется дрейфом носителей через /-область в сильном электрическом поле
(рис. 6.9).
Время дрейфа дырок /д , через /-область шириной h составляет
(цр = h!vp = h/(ppE),
(6.29)
где Е — напряженность электрического поля в /-области; цр — подвижность дырок; vp = р.р Е—
скорость дрейфа дырок в электрическом поле.
При напряженности электрического поля примерно 2-106 В/м достигается максимальная
скорость дрейфа носителей v = (6.. .8)-104 м/с.
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ФОТОПРИЕМНЫЕ ПРИБОРЫ
151
В этом случае при h = 10-2см по-
лучим Гдр~ (1О-9. . .1О19) с. Диапазон
частот для этого диода Af® 109 Гц. Это
быстродействующие кремневые фото-
диоды.
Отношение времени дрейфа /w но-
сителей через /-область в фотодиоде с
p-i-«-структурой к времени диффузии
«д„Ф через базу в р-«-фотодиоде можно
представить в виде
'др h/^pE)
Гд11ф ~Л2/(2Ор)
* г,	(6-30)
_ h	_ 2фт
A2/(2Z?p)
где <р7 — тепловой потенциал; Dp — ко-
эффициент диффузии дырок.
Так как Dp/pp = kT/q = <рт, следова-
тельно, уже, начиная с {7обр = 0,1 -0,2 В
фотодиоды с р-/-«-структурой имеют
преимущество в быстродействии.
Таким образом, фотодиоды с p-i-n-
структурой (табл. 6.1) имеют следую-
Рис. 6.9. Фотодиод с гетероструктурой:
Ен, £« — ширина запрещенной зоны первого
и второго полупроводников; Еп — энергия дна
зоны проводимости; £в — энергия потолка
валентной зоны; Е® — уровень Ферми
щие основные достоинства:
- сочетание высокой чувствитель-
ности (на длине волны А. ® 0,9
мкм практически достигнут тео-
ретический предел чувствитель-
ности ® 0,7 A/Вт) и высокого быстродействия;
-	возможность обеспечения высокой чувствительности в длинноволновой области спек-
тра при увеличении ширины /-области;
-	малая барьерная емкость;
-	малые рабочие напряжения в фотодиодном режиме, что обеспечивает электрическую
совместимостьр—/—«-фотодиодов с интегральными микросхемами.
К недостаткам ^-/-«-структуры следует отнести требование высокой чистоты г-базы
и плохую технологическую совместимость с тонкими легированными слоями интегральных
схем.
Таблица 6.1. Параметры отечественных фотодиодов с р-/-п-структурой
№	Наименование	А., мкм	4» нА	S, А/Вт	т6, нс	Сф, пФ	
1	ФД-252	0,85	10	0,35	5	5	24
2	ФД252-01А	0,85	10	0,35	2	2	24
3	ФД252-01Б0	0,85	10	0,35	10	10	5
4	ФД324	0,85	5	0,4	10	10	5
152
ГЛАВА6
Продолжение табл. 6.1
№	Наименование	X, мкм	Л», нА	S, А/Вт	Тб, НС	Сф, пФ	Ц,,6,в
5	ФД500	0,83	1	0,7	5	25	-
6	ФД40А	1,3	10	0,7	-	0,3	-
7	ФД70А	1,3	10	0,7	-	0,7	-
8	ФД250А	1,3	20	0,7	—	6	-
9	ФД500А	1,3	30	0,7	-	35	-
I0	ФД40Б	1,55	10	0,8	-	0,3	-
11	ФД70А	1,55	10	0,8	-	0,7	-
12	ФД25-Б	1,55	20	0,8	-	6	-
13	ФД500Б	1,55	30	0,8	0,04	35	-
14	ФДМ-40	1,55	20	0,8	0,075	-	-
15	ФДМ-70	1,55	20	0,8	-	-	-
16	ФДМ-70А	1,3	10	0,5...0,6	-	1,2	-
17	ФДМ-70Б	1,55	10	0,5...0,6	-	1,2	-
6.5.	Фотодиоды Шоттки
Упрощенная структура фотодиода с барьером Шоттки показана на рис. 6.10.
На подложке сильно легированного кремния л+ выращивается тонкая эпитаксиальная
пленка высокоомного полупроводника и-типа. Затем на тщательно очищенную поверхность
материала л-типа напыляют тонкую (~ 0,1 мкм) полупрозрачную пленку, а поверх нее — ан-
тиотражающее покрытие.
Рис. 6.10. Фотодиод с барьером Шоттки:
а — структура; б — распределение поля в структуре
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ФОТОПРИЕМНЫЕ ПРИБОРЫ
153
Структура и свойства контакта «металл-полупроводник» зависят от взаимного распо-
ложения уровней Ферми в металле (С7фм) и полупроводнике (£7ф11П)- На рис. 6.11 показаны
зонные диаграммы контакта «металл—полупроводник» для случая С/Фм < С7Фпп- При образо-
вании контакта электроны переходят из полупроводника и-типа в металл. При этом вблизи
границы «металл—полупроводник» создается объемный заряд положительных ионов доно-
ров и, следовательно, электрическое поле.
Полупроводник
Рис. 6.11. Зонные диаграммы контакта «металл-полупроводник»
Энергетические уровни вблизи поверхности полупроводника искривляются. Степень
искривления уровней характеризуется поверхностным потенциалом £/пов. Его можно опре-
делить разностью потенциалов между объемом и поверхностью полупроводника. При от-
сутствии внешнего напряжения и оптического излучения переход находится в равновесном
состоянии. Это состояние характеризуется равновесным поверхностным потенциалом С7ПОво-
Потенциальный барьер в приконтактном слое называют барьером Шоттки. Его высота
l/пово является аналогом внутреннего потенциального барьера в р-и-переходе. В зависимо-
сти от полярности приложенного внешнего напряжения высота барьера Шоттки и сопро-
тивление приконтактного слоя будут меняться.
При приложении прямого напряжения U„p (положительный полюс к металлу, отрица-
тельный — к полупроводнику и-типа) потенциальный барьер понижается, приконтактный
слой обогащается основными носителями — электронами, и сопротивление перехода «ме-
талл-полупроводник» будет меньше равновесного. Если изменить полярность внешнего на-
пряжения, т.е. приложить к переходу обратное напряжение то потенциальный барьер в
контакте повышается. В этом случае приконтактный слой еще сильнее обедняется основными
носителями — электронами и повышается его сопротивление по сравнению с равновесным
состоянием. Таким образом, контакт «металл-полупроводник» обладает выпрямляющими
свойствами и может быть основой приборов, называемых диодами Шоттки.
Отличительной особенностью диодов Шоттки по сравнению с диодами на р-и-перехо-
де является отсутствие инжекции неосновных носителей. Диоды Шоттки используют дви-
жение основных носителей. В них отсутствуют медленные процессы, связанные с накопле-
нием и рассасыванием неосновных носителей в базе диода.
154
ГЛАВА6
В фотодиодах с барьером Шоттки имеется возможность поглощения квантов излучения
в металле контакта (если энергия квантов излучения меньше ширины запрещенной зоны).
Если энергия кванта излучения больше высоты потенциального барьера, то возбужденные
электроны из металла могут перейти в полупроводник через потенциальный барьер. В ре-
зультате длинноволновая граница спектральной характеристики фотодиода сдвигается в
сторону более длинных волн.
В фотодиоде Шоттки с ростом энергии квантов область поглощения излучения сдвига-
ется в слой объемного заряда, где существует поле, разделяющее фотоносители. В фотодио-
де с р-и-переходом при малой глубине поглощения фототок практически равен нулю. Сле-
довательно, коротковолновая граница спектральной характеристики фотодиода Шоттки
расположена в области более коротких волн.
Перспективность применения фотодиодов Шоттки в оптоэлектронике объясняется их
следующими достоинствами:
-	малым сопротивлением базы фотодиода гъ\ поэтому постоянная времени барьерной
емкости СбарГб у фотодиодов Шоттки примерно равна 10~12 с, а инерционность опре-
деляется только временем пролета фотоносителей через область объемного заряда
(10"1°...10"п) с;
-	сочетанием высокого быстродействия и высокой чувствительности (5ф = 0,5 А/Вт);
-	простотой создания выпрямляющих фоточуЪствительных структур на самых разнооб-
разных металлах и полупроводниках и, следовательно, возможностью управления вы-
сотой потенциального барьера Шоттки; в частности, кремневые фотодиоды с барье-
ром Шоттки работают при X = 0,63 мкм, имеют быстродействие 10"10 с и фоточувст-
вительность Sb = 0,5 А/Вт;
-	хорошей совместимостью с оптическими интегральными микросхемами.
Для продвижения в длинноволновую область повышают удельное сопротивление базо-
вой области и одновременно увеличивают ее толщину, т.е. переходят к структуре m-i-n,
где т — означает «металл».
6.6.	Фотодиоды с гетероструктурой
Гетерофотодиодом называют прибор, имеющий переходной слой, образованный полупро-
водниковыми материалами с разной шириной запрещенной зоны.
Устройство и принцип действия этих приборов рассмотрим на примере гетерострукту-
ры GaAs-GaAIAs (рис. 6.12).
На подложке арсенида галлия п+ типа (Na ® 10"18 см"3) методом жидкофазной эпитаксии
последовательно наращивают сначала слой чистого нелегированного арсенида галлия и-ти-
па (Ад® 1015 см"3), а затем слой р+ типа твердого раствора Ga,^AlxAs (Ад® 10~18 см"3).
Обеспечение в растворе значения X- 0,4 приводит к различию ширин запрещенной зоны по
разные стороны гетероперехода ®0,4 эВ.
Слой GaAlAs играет роль широкозонного окна, пропускающего излучение, поглощае-
мое в средней л-области. Структура зонной диаграммы (рис. 6.12, б) обеспечивает беспре-
пятственный перенос генерируемых в и-области дырок в р-область.
Толщина средней области h выбирается так, чтобы обеспечить поглощение всей падаю-
щей мощности. При X ® 0,85 мкм достаточно иметь h ® 20 мкм. Высокая степень чистоты
этой области обеспечивает малые рекомбинационные потери генерирумых светом носи-
телей. Фоточувствительность гетерофотодиодов определяется эффективным временем жиз-
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ФОТОПРИЕМНЫЕ ПРИБОРЫ
155
ни носителей в среднем слое, а время переключения — толщиной этого слоя и напряженно-
стью электрического поля. Применение совершенных гетероструктур (с низкой плотностью
поверхностных состояний) открывает возможности создания фотодиодов с кпд, близким
к 100%. Сочетание малого времени рассасывания неравновесных носителей заряда и малого
значения барьерной емкости обеспечивает высокое быстродействие гетерофотодиодов. Такие
приборы могут эффективно работать при малых обратных напряжениях. Подбирая пары по-
лупроводниковых материалов можно получать фотодиоды, работающие в любой части опти-
ческого диапазона длин волн. Это преимущество обусловлено тем, что в гетерофотодиоде
рабочая длина волны определяется разницей ширин запрещенных зон и не связана со спект-
ральной характеристикой глубины поглощения. Вследствие хороших возможностей выбора
материала базы достигаемое значение фотоЭДС у гетерофотодиодов составляет (0,8... 1,1) В,
что в два-три раза выше, чем у кремниевых фотодиодов. Основной недостаток гетерофо-
тодиодов присущая гетероструктурам — сложность изготовления.
Рис. 6.12. Фотодиод с гетероструктурой:
а — структура; б — энергетическая диаграмма
6.7.	Лавинные фотодиоды
Одним из путей создания быстродействующих фотоприемников с высокой чувствительно-
стью является использование лавинного пробоя, в частности, создание лавинных фотодио-
дов (рис. 6.13). Если поле в активной зоне фотодиода велико и энергия, приобретаемая фо-
тоносителями тока (электронами и дырками) в этом поле, превышает энергию образования
156
ГЛАВА6
электронно-дырочных пар, то происходит лавинообразный процесс размножения носите-
лей. Процесс размножения начинается с генерации носителей под действием излучения, т.е.
имеем фотодиод с лавинным размножением носителей.
Усиление первичного фототока в лавинном фотодиоде определяется коэффициентом
лавинного размножения
^ = /Ф//фо,	(6.31)
где /ф — ток на выходе фотодиода с учетом размножения; /ф0 — ток при отсутствии размно-
жения.
Таким образом, коэффициент лавинного размножения в лавинном фотодиоде является
коэффициентом усиления фототока.
Известно, что коэффициент размножения зависит от напряжения на переходе
Ki= 1/[1 -(t7/t/npo6H,	(6-32)
где [/„роб — напряжение пробоя; U — напряжение на р-и-переходе; т — коэффициент, учи-
тывающий вид и тип проводимости полупроводникового материала (т = 1,5...2,0 для крем-
ния p-типа; т = 3,4.. .4,0 — для кремния и-типа).
Тогда ВАХ лавинного фотодиода можно представить в виде
/ф = /фо/[1-({//^проб)т].	(6-33)
Лавинный процесс происходит очень быстро: инерционность лавинных фотодиодов ха-
рактеризуется временами переключения (10"*... 10-9) с, а произведение коэффициента уси-
ления фототока К на полосу частот достигает рекордных значений: K,f^, ® 1011 Гц. Предель-
но реализуемое значение Kt может быть тем больше, чем меньше тепловой обратный ток
фотодиода, поэтому при использовании кремния и арсенида галлия достигнуто
К ®1О3...1О4, а для германия его величина обычно не более 102. У кремниевых и арсенид-
галлиевых приборов ниже уровень шумов.
В режиме лавинного фотоумноже-
ния успешно опробованы практически
все диодные структуры: р+-п, p-i-n,
n-p-i~p\ барьер Шоттки.
Лавинные фотодиоды перспектив-
ны при обнаружении слабых оптиче-
ских сигналов. Широкое применение
лавинных фотодиодов связано со зна-
чительными трудностями. Это обуслов-
лено с тем, что в предпробойном ре-
жиме коэффициент усиления фототока
Kj резко зависит от напряжения. По-
этому лавинные диоды нуждаются в
жесткой стабилизации рабочего на-
пряжения путем термостатирования.
Лавинным фотодиодам присущ боль-
шой разброс параметров у отдельных
образцов (табл. 6.2). В таблице тб —
постоянная времени, характеризую-
щая быстродействие диода.
Высокие рабочие напряжения, низ-
кий кпд преобразования затрудняют
их использование в микросхемах.
Рис. 6.13. Лавинный фотодиод:
а — структура; б — распределение поля в структуре;
1 — область сильного поля;
2 — обедненная область
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ФОТОПРИЕМНЫЕ ПРИБОРЫ
157
Таблица 6.2. Параметры лавинных фотодиодов
№ п/п	Наименование	Х,.мкм	5, А/Вт	тв, нс	Сф, нФ	бобр, В	Примечание
I	ФД-317Л	0,85	50	2-3,5	2	70...400	Si
2	ФД-322Л	1,3 1,55	10	0,2	1	<40	Ge
3	ФД-323Л	1,3 1,55	8...10	0,22	1	30...50	Ge, термоэлек- трический холодильник, Pnor < 0,5 Вт
4	ЛФД-150	1,06 1,3 1,55	7...108	0,5	-	30...40	Ge
5	ЛФД-200	1,06 1,3 1,55	67	1		30...40	Ge
6	ЛФД-300	1,06 1,3 1,55	343,5	0,07	-	30...40	Ge
7	ЛФДГ-70	1,06 1,3 1,55	5...20 25...35 22...35	-	0,6...0,7	30...40	Ge
8	ЛФДГ-70Т	1,06 1,3 1,55	40...45	-	0,8...0,9	30...40	Ge
9	ЛФДГ-70ТЛ	1,3 1,55	32...45	-	0,8...0,9	30...40	Ge
6.8.	Фототранзисторы
Фотоприемные приборы, использующие транзисторные структуры с возможностью усиле-
ния фототока, называются фототранзисторами. Эти приборы содержат один (рис. 6.14,
6.15) или несколько транзисторов (рис. 6.16), включенных обычно по схеме с общим эмитте-
ром. В простейшем фототранзисторе (см. рис. 6.14) оптическое излучение попадает в рабо-
чую область структуры — базу. Здесь обеспечивается генерация фотоносителей, которые
затем разделяются р-и-переходом. Разделение фотоносителей сопровождается дополни-
тельным увеличением концентрации за счет механизма электрического усиления.
Рис. 6.14. Фототранзистор
158
ГЛАВА6
Дырки уходят через переход в p-область, а электроны остаются в базе. Поле, создавае-
мое объемным зарядом электронов, не может уменьшить заряд в базе за счет тока базы
(76 = 0). Поэтому поле объемных зарядов снижает потенциальный барьер эмиттерного пере-
хода, вызывая дополнительную инжекцию дырок в базу. Фототок в данном случае играет
роль тока базы. Входные характеристики фототранзистора аналогичны характеристикам би-
полярного транзистора, т.е. по сравнению с обычным фотодиодом фототранзистор дает уси-
ление тока, а интегральная чувствительность фототранзистора
5ф = ХфдР,	(6.34)
где 5фд — токовая чувствительность фотодиода, образованного эмиттерным переходом
транзистора; р — коэффициент усиления тока транзистора.
Рис. 6.15. Диодно-транзисторный фотоприемник
Рис. 6.16. Составной фототранзистор
Выходные характеристики фототранзистора приведены на рис. 6.17.
Их особенностью является отсутствие четко выраженного участка насыщения коллек-
торного тока и неравномерное распределение характеристик в семействе. Это объясняется
нелинейностью люкс-амперной характеристики: фототок нарастает быстрее при больших
освещенностях, чем при малых.
Повышение чувствительности — главное преимущество фототранзистора по сравне-
нию с фотодиодом. Однако оно, как правило, достигается за счет снижения температурной
стабильности прибора.
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ФОТОПРИЕМНЫЕ ПРИБОРЫ
159
У фототранзисторов снижается также пороговая чувствительность, так как значительно
возрастает темновой ток:
4 = 4od + P),	(S.35)
где 4о — тепловой ток транзистора.
Рис. 6.17. Семейство ВАХ фототранзистора:
I, — ток коллектора: U, — напряжение на коллекторе; /«max — максимально допустимый ток
коллектора; Umax — максимально допустимое напряжение на коллекторе;
P«mex — максимально допустимая мощность рассеяния на коллекторе
Широкое применение фототранзисторов и улучшение параметров этих приборов за-
трудняет, в частности, следующее обстоятельство: высокий коэффициент передачи и
малое время переключения требуют уменьшения толщины базовой области Ае, а это
приводит к снижению фоточувствительности. Необходимость компромисса между ука-
занными параметрами определяет относительно низкое быстродействие фототранзисто-
ров (10 6...10 5) с.
Повышение быстродействия возможно в интегральных фотоприемниках с внутренним
усилением, которые представляют собой соединение фотодиода и транзистора. Раздель-
ная оптимизация структур позволяет получить чувствительный, быстродействующий фо-
тодиод и высококачественный транзистор в единой структуре (см. рис. 6.15). Такая струк-
тура эквивалентна быстродействующему фототранзистору с большим внутренним усиле-
нием тока.
Еще больше увеличить чувствительность позволяет применение фототранзистора
(см. рис. 6.16). Связь между токами в составном транзисторе имеет вид
4 = 41 + 4г = Р 141 + Рг4г = Pi4i + Рг( 1 + Р)4ь	(6.36)
Коэффициент усиления составного транзистора
Р = 41/41 = Р1 + Рг + Р1р2 « р 1р2-	(6.37)
В результате чувствительность составных фототранзисторов более чем в 103 раз превы-
шает чувствительность фотодиодов.
Фотоприемные приборы, рассмотренные в п. 6.3-6.8 широко используются при разра-
ботках ВОСП. Чувствительность оптических приемников в зависимости от скорости передачи
информации иллюстрирует рис. 6.18.
160
ГЛАВА 6
Чувствительность
приемника, дБ-м
данных, Гбит/с
Рис. 6.18. Чувствительность оптических приемников
в зависимости от скорости передачи информации
6.9.	Фототиристоры
Фотоприемный прибор, имеющий три или более р-л-перехода, в ВАХ которого имеется
участок отрицательного дифференциального сопротивления, называется фототиристором.
На рис. 6.19 изображена структура фототиристора с тремя р-л-переходами. Крайние
области такой структуры р и л называются эмиттерами, а примыкающие к ним переходы —
эмиттерными, центральный переход называют коллекторным. Между переходами нахо-
дятся базовые области (р и л). Электрод, обеспечивающий контакт с л-эмиттером, называют
катодом, а с р-эмиттером - анодом.
Рис. 6.19. Структура фототиристора
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ФОТОПРИЕМНЫЕ ПРИБОРЫ
161
Рассмотрим работу фототиристора, когда к структуре приложено прямое напряжение
(см. рис. 6.19). В статическом режиме по закону непрерывности тока можно записать для
тока через коллекторный переход П2
= (4о + /фг) + {I + i) а. 1 +(/ + 7фз)«2-	(6.38)
Из этого выражения получим
/(I - а( - а2) = /ко + /ф|«| + /ф2 + /фз«2,	(6.39)
где /фЬ /ф2, /ф3 — фототоки, возникающие вследствие разделения соответствующим р-п-пе-
реходом генерированных излучением носителей; аь а2 — коэффициенты передачи по току
транзисторных структурР\-Пх~р2 и n2-p2-«i.
При отсутствии освещения, т.е. при /ф1 = /ф2 = /ф3 = 0 получим выражение для ВАХ ти-
ристора в случае двухэлектродного (динисторного) включения, которое определяет темно-
вую характеристику фототиристора. При освещении ток /, протекающий через структуру, оп-
ределяется совместным действием фотото-
ков /ф через переходы и собственным током
коллекторного перехода /ко. Можно утвер-
ждать, что величина /ф! сх1 + /ф2 + /ф3а2, ко-
торая изменяется с изменением уровня ос-
вещенности, играет роль тока управления
в обычном тиристоре /т, т.е. при воздейст-
вии потока излучения изменяется напря-
жение включения (7ВКЛ фототиристора.
На рис. 6.20 приведено семейство ВАХ
фототиристора, освещаемого монохромати-
ческим светом с различной мощностью из-
лучения.
Фототиристоры являются перспектив-
ными приборами для переключения боль-
ших мощностей.
Рис. 6.20. Семейство ВАХ фототиристора
6.10.	Фоторезисторы
В фоторезисторах используется явление изменения сопротивления вещества под действием
инфракрасного, видимого или ультрафиолетового излучения. Основной элемент фоторези-
стора — полупроводниковая пластина, сопротивление которой при освещении изменяется.
Механизм возникновения фотопроводимости можно объяснить следующим образом. В за-
темненном полупроводнике в результате воздействия тепловой энергии образуется неболь-
шое количество подвижных носителей заряда (электронов и дырок). Соответственно полу-
проводник будет обладать начальной проводимостью ст0, которая носит название темновой
<\> =<7(«0Н„+Р0НД	(6-40)
где q — заряд электрона; и0, Ро — концентрация подвижных носителей заряда в полупровод-
нике в равновесном состоянии; р.р, р„ — подвижность дырок и электронов соответственно.
Под действием света концентрация подвижных носителей заряда увеличивается, при-
чем возможны различные механизмы их генерации. Возрастание концентрации дырок и
электронов может происходить за счет того, что кванты электромагнитного излучения воз-
буждают электроны и переводят их из валентной зоны в зону проводимости.
6 - 3322
162
ГЛАВА6
Когда электроны из валентной зоны переводятся на примесные уровни, происходит уве-
личение лишь дырочной электропроводности. И наконец, увеличение электропроводности
наблюдается, когда электроны забрасываются с примесных уровней в зону проводимости.
Таким образом, в полупроводнике при облучении светом концентрация подвижных но-
сителей заряда увеличивается тем или иным путем на величину Ди и Др, и проводимость
его резко возрастает:
п = </[(л+Д")-Мл+(Ро+АР) И,]-	(6-41)
Изменение электропроводности полупроводника под действием света и есть его фото-
проводимость
Оф =^-а0 =<?(Д«'Р„+ДРФЛ)-	(6-42)
Меняя яркость освещения, изменяют фотопроводимость полупроводника.
При включении потока облучающего света интенсивность процесса генерации носите-
лей заряда не сразу достигает стационарного значения, соответствующего интенсивности
падающего света, а нарастает со временем по экспоненциальному закону
Дл(/) = а-р-т ^ (1-е"'/т),	(6.43)
где У — число фотонов, падающих в секунду на единицу площади; а — коэффициент по-
глощения, характеризующий энергию, поглощенную полупроводником; р — квантовый вы-
ход, определяющий число носителей заряда, образующихся при поглощении одного фото-
на; т — время жизни неравновесных носителей заряда.
Если время облучения достаточно велико: />(3-5)т, то концентрация неравновесных
носителей заряда достигает своего стационарного значения, причем, когда электроны
и дырки образуются парами при переходе электронов из валентной зоны в зону проводимо-
сти (собственное поглощение энергии полупроводником), то число неравновесных дырок
будет равно числу неравновесных электронов
Ди = Др = а • Р • т • N.	(6.44)
При примесном поглощении, когда генерируются в основном носители заряда одного
знака, будет иметь место или электронная, или дырочная фотопроводимость, причем в пере-
ходных режимах она также изменяется по экспоненциальному закону:
Ди(г) = Ди • е'"’.	(6.45)
Явление постепенного изменения Стф при включении и выключении облучающего пото-
ка называют релаксацией фотопроводимости.
Конструктивно фоторезистор представляет собой пластину полупроводника, на поверх-
ности которой нанесены электропроводные электроды Э. Принципиально возможны две
конструкции фоторезисторов: поперечная (рис. 6.21, а) и продольная (рис. 6.21, б).
В первом случае электрическое поле, прикладываемое к фоторезистору, и возбуж-
дающий свет действуют во взаимно перпендикулярных плоскостях, во втором — в одной
плоскости. Очевидно, что в продольном фоторезисторе возбуждение осуществляется через
электрод, прозрачный для этого излучения. Поперечный фоторезистор представляет собой
почти омическое сопротивление до частот порядка десятков и сотен мегагерц. Продольный
фоторезистор из-за конструктивных особенностей имеет значительную геометрическую ем-
кость, которая не позволяет считать фоторезистор чисто омическим сопротивлением на час-
тотах уже в сотни — тысячи герц.
В качестве исходного материала фоторезисторов чаще всего используют сернистый тал-
лий, селенистый теллур, сернистый висмут, сернистый свинец, теллуристый свинец, серни-
стый кадмий и т.д. (Условное обозначение фоторезистора приведено на рис. 6.22, г.)
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ФОТОПРИЕМНЫЕ ПРИБОРЫ
163
Рис. 6.21. Поперечная (а) и продольная (б) конструкции фоторезисторов;
вольт-амперные (в), энергетическая (а), относительные спектральные (д) характеристики;
1 — CdS; 2 — CdSe; 3 — CdTe
6.11.	Основные характеристики и параметры фоторезистора
Волып-амперная характеристика — это зависимость тока I через фоторезистор от напряже-
ния U, приложенного к его выводам, при различных значениях светового потока Ф
(рис. 6.21, в). Ток при Ф = 0 называется темновым током /т, при Ф > 0 — общим током /общ.
Разность этих токов равна фототоку:
/ф Л>бщ -Дг*	(б .46)
Энергетическая характеристика — это зависимость фототока (фоторезистора) от све-
тового потока при U= const (рис. 6.21, г). В области малых Ф она линейна, а при увеличе-
нии Ф рост фототока замедляется из-за возрастания вероятности рекомбинаций носителей
заряда через ловушки и уменьшения их времени жизни. Энергетическая характеристика
иногда называется люкс-амперной, тогда по оси абсцисс откладывается не световой поток, а
освещенность Е в люксах.
Чувствительность. Для фоторезисторов чаще используют токовую чувствительность
S, под которой понимают отношение фототока (или его приращения) к величине, характе-
ризующей излучение (или его приращение). При отношении приращений чувствительность
называют дифференциальной.
В зависимости от того, какой величиной характеризуется излучение, различают токо-
вую чувствительность к световому потоку Ф: 5ф = 7ф/Ф; токовую чувствительность к осве-
щенности Е:
SB = I*IE.	(6.47)
б‘
164
ГЛАВА6
При этом в зависимости от спектрального состава излученного света чувствительности
могут быть либо интегральными (при немонохроматическом излучении), либо монохро-
матическими (при монохроматическом излучении).
В качестве одного из основных параметров фоторезистора используют величину удель-
ной интегральной чувствительности, которая характеризуют интегральную чувствитель-
ность, когда к фоторезистору приложено напряжение 1 В:
• 5ф.ИнТуд. = /ф/(Ф^).	(6-48)
У промышленных фоторезисторов удельная интегральная чувствительность имеет пре-
делы десятые доли — сотни мА/(В-лм) при освещенности Е = 200 лк.
Абсолютная St6c(k) и относительная S(X,) спектральные характеристики. Абсолют-
ная спектральная характеристика представляет собой зависимость монохроматической чув-
ствительности, выраженной в абсолютных единицах, от длины волны регистрируемого по-
тока излучения.
Относительная спектральная характеристика является зависимостью монохроматиче-
ской чувствительности от длины волны, отнесенной к значению максимальной чувстви-
тельности:
S(X) = 5a6c(X)/5Kmax.	(6.49)
Спектральная характеристика определяется материалом фоторезистора и введенными в
него примесями. На рис. 6.21, д показаны спектральные характеристики фоторезисторов,
выполненных на основе различных материалов. Вид спектральной характеристики свиде-
тельствует о том, что для фоторезисторов некоторых типов необходимо тщательно подби-
рать пару «излучатель-фотоприемник».
Граничная частота — это частота^ синусоидального сигнала, моделирующего свето-
вой поток, при котором- чувствительность фоторезистора уменьшается в V2 раз по сравне-
нию с чувствительностью при немодулированном потоке (4Р « 1О3...1О5 Гц).
В ряде случаев частотные свойства фоторезистора характеризуются переходной харак-
теристикой, приведенной для полупроводника с высокой (кривая 7) и низкой (кривая 2)
темновой проводимостями (рис. 6.22, а, б). Хотя истинная переходная характеристика
обычно не является строго экспоненциальной, в большинстве случаев инерционность ха-
рактеризуют постоянной времени I.
Рис. 6.22. Входной сигнал (а), переходная (б) и температурная (в)
характеристики фоторезистора и его условное обозначение (а)
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ФОТОПРИЕМНЫЕ ПРИБОРЫ
165
Температурный коэффициент фототока характеризует изменение параметров фоторе-
зистора с изменением температуры
ат=^-—	.	(6.50)
Ф - const
У промышленных фоторезисторов ат»(-10 3...10 4) град 1. Иногда используют темпе-
ратурную характеристику фоторезистора, показывающую относительное изменение сопро-
тивления l\R!R при изменении температуры окружающей среды (рис. 6.22, в).
Пороговый поток — это минимальное значение потока Фп, которое может обнаружить
фоторезистор на фоне собственных шумов. Определяется Фп как среднеквадратичное значе-
ние синусоидально-модулированного светового потока, при воздействии которого средне-
квадратичное значение выходного электрического сигнала равно среднеквадратичному зна-
чению шумов фоторезистора.
6.12.	Фотоприемные приборы с зарядовой связью
Фотоприемный прибор с зарядовой связью (ФПЗС) представляет собой фоточувствитель-
ную ИМС со структурой МДП (металл-диэлектрик-полупроводник) с системой диодов,
расположенных на поверхности диэлектрика так близко друг от друга, что существенным
становится их взаимовлияние. Электрические поля соседних электродов перекрываются
внутри кристалла полупроводника.
Электроды располагаются в виде линейки (строки) или матрицы. Типичные размеры
электрода: длина — 5 мкм, ширина — 40 мкм. Зазоры между электродами — 1.. .2 мкм.
Число электродов в матричном ФПЗС может превышать 10б.
Функционально ФПЗС — это при-
бор, воспринимающий изображение, осу-
ществляющий его разложение на элемен-
тарные фрагменты, сканирование (поэле-
ментное электронное считывание) и фор-
мирование на выходе видеосигнала, аде-
кватного изображению.
Принцип действия ФПЗС можно по-
яснить, рассматривая классическую трех-
тактную схему управления (рис. 6.23).
Элементарная ячейка ФПЗС содер-
жит три соседних электрода 1, 2, 3 одной
строки. В течение первой фазы к элек-
троду 2 прикладывается положительно
напряжение хранения ([/хр = 10...20 В).
Благодаря возникающему электри-
ческому полю основные носители —
дырки — оттесняются в глубь полупро-
водника, а у поверхности образуется обед-
ненный слой, глубиной 0,5...2мкм, пред-
ставляющий собой потенциальную яму
для электронов. Освещение поверхности
Ф
Рис. 6.23. Трехфазная схема
управления ФПЗС
166
ГЛАВА6
порождает в объеме полупроводника электронно-дырочные пары. При этом электроны втя-
гиваются в потенциальную яму и локализуются в тонком (около 10 нм) приповерхностном
слое. Накопление электронов ведет к образованию зарядового пакета, который определяет-
ся локальной интенсивностью и временем засветки. Зарядовый пакет может относительно
долго (от 1 до 100 мс) сохраняться, однако постепенно термогенерация электронов объем-
ными и поверхностными ловушками приводит к искажению хранимой информации.
Во время второй фазы к электроду 3 прикладывается напряжение считывания 17сч,
превышающее напряжение [/хр. Вследствие близости электродов 2 и 3 барьер между ними
исчезает, и зарядовый пакет перетекает в более глубокую потенциальную яму. На этой фазе
так происходит частичная потеря информации: часть электродов зарядового пакета реком-
бинирует при взаимодействии с поверхностными ловушками, а часть пропадает вследствие
неполного перетекания зарядов. Во время третьей фазы напряжение на электроде 3
уменьшается до напряжения хранения L/Xp, а с электрода 2 потенциал снимается. На элек-
тродах, к которым не приложено напряжение хранения или считывания, все время поддер-
живается небольшое напряжение смещения [/см. Электрод 1 в этом процессе играет роль бу-
фера. Иначе справа от электрода 2 оказался бы электрод 3 предыдущей ячейки, и во втором
такте зарядовый пакет равновероятно мог перетекать как вправо, так и влево.
Управление ФПЗС желательно осуществлять не прямоугольными, а трапециидальными
импульсами, подаваемыми на электроды с небольшим временным перекрытием. В конце
каждой строки имеется элемент вывода, например п+ — область под последним электро-
дом. Вытекающий через р-и-переход зарядовый пакет создает на нагрузочном резисторе
выходной сигнал.
Аналогичный элемент ввода в начале строки служит для потактного введения (электри-
ческим путем) в ФПЗС фоновых постоянных зарядовых пакетов, призванных «забить» по-
верхностные ловушки и ослабить их негативное действие. Фоновые заряды обеспечивают
оптимальный рабочий режим (аналогично смещению используемому в электронных усили-
тельных зарядах).
Таким образом, в ФПЗС пространственное распределение интенсивности излучения
преобразуется в рельеф электрических зарядов, локализующихся в приповерхностной об-
ласти. Зарядовые пакеты перемещаются от элемента к элементу, выводятся наружу и дают
последовательность видеоимпульсов, адекватную полю излучения, таким образом осущест-
вляется стандартный телевизионный алгоритм восприятия образца.
В матричном ФПЗС весь кадр образуется одновременно, в линейных — последователь-
но путем дополнительной развертки по второй координате.
6.13.	Фотодиодные СБИС на основе МОП-транзисторов
В настоящее время помимо соверщенствания ФПЗС проводятся интенсивные разработки
комплементарных приборов со структурой «металл-окисел-полупроводник» (КМОП) —
фотодиодов (ФД) с внутрикристальными схемами управления и обработки изображения.
Рассмотрим принцип работы КМОП. Схема ФД сверхбольших интегральных схем
(СБИС) содержит матрицу активных фоточувствительных элементов (активных пикселов),
схемы управления, аналоговые усилители считывания на выходе каждого столбца, аналого-
цифровые преобразователи (АЦП) и ряд других цифровых блоков (рис. 6.24).
В таких матрицах схемы управления могут реализовывать произвольную координатную
выработку сигналов, что значительно расширяет возможности фильтрации и обработки
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ФОТОПРИЕМНЫЕ ПРИБОРЫ
167
(в том числе параллельной) сигналов изображения. За-
дачи выделения окна интерфейса (ОИ), в котором рас-
положена цель, и слежения за ней решаются путем счи-
тывания сигналов только требуемых элементов. А по-
скольку ОИ занимает небольшую часть кадра, скорость
считывания с ФПЗС, в которых необходимо считывать
весь кадр, может быть значительно увеличена.
Активный элемент образован ФД и четырьмя тран-
зисторами (рис. 6.25), которые выполняют функции
считывания заряда, накопленного ФД.
На транзисторе Р73 выполнен истоковый повтори-
тель, транзистор К74 является элементом выборки
строк. В режиме интегрирования сигналов изображения
импульс R, подаваемый на транзистор FT2, равен нулю.
Фотодиод накапливает фотогенерируемые электроны.
По мере их накопления потенциал диода умень-
шается. В результате потенциал общего узла — соеди-
нения транзисторов ИЛ, И72, И73 — оказывается пла-
вающим. В режиме выборки на транзистор И72 посту-
Рис. 6.24. Структурная схема
КМОП - ФД СБИС
пает импульс восстановления /?= 1, транзистор VT2 открывается, и потенциал плавающего
узла восстанавливается до исходного уровня. Затем на все активные элементы выбранной
строки подается импульс 5=1, который поступает на затвор транзистора ИЛ, открывая его.
Накопленный ФД сигнальный заряд передается на плавающий узел. После прихода импуль-
са выборки строки RS = 1 открывается транзистор И74. Транзисторы И73, И74 и общий на-
грузочный транзистор столбца образуют истоковый накопитель, и на шину столбца посту-
пает усиленный по мощности сигнал ФД. Коэффициент передачи по напряжению истоково-
го повторителя близок к единице. На шины столбцов подаются считанные сигналы всех
элементов выбранной строки. Дешифратор столбцов последовательно выбирает сигналы
шин и передает их на схему аналоговой обработки сигналов отдельных активных элементов
матрицы. После окончания режима считывания сигнал выборки строки RS = 0, и транзистор
КГ4 закрывается. Начинается накопление зарядов следующего кадра изображения.
Рис. 6.25. Схема активного пиксела
168
ГЛАВА 6
Основное достоинство приборов со структурой КМОП-ФД по сравнению со струк-
турой ФПЗС — возможность интеграции на одном кристалле функций приема и обработки
изображения (возможна реализация однокристальной камеры с цифровым выходом). Иными
достоинствами КМОП-ФД являются низкая потребляемая мощность, возможность про-
граммирования интересующих пользователя окон и высокая скорость считывания данных.
Главные недостатки — высокий шум, обусловленный тем, что активный элемент содер-
жит несколько МОП-транзисторов и несколько шин, низкая фоточувствительность, более
высокий темновой ток, большие размеры активного элемента, меньшая чем у ФПЗС разре-
шающая способность.
Для устранения шума процесса восстановления в КМОП-ФД было предложено заме-
нить фотодиод фоточувствительным затвором, в потенциальной яме которого накапливают-
ся фотогенерируемые сигнальные заряды (рис. 6.26).
Рис. 6.26. Электрическая схема малошумящего элемента
с совмещенным элементом
В режиме считывания на затвор транзистора ГЛ подается отпирающий его импульс
восстановления 7?1. Потенциал плавающего затвора восстанавливается до исходного
уровня.
Потенциальный импульс передачи открывает дополнительный затвор, накопленный
сигнальный заряд перетекает в плавающий узел, и потенциальная яма фоточувствительного
затвора освобождается. Потенциал узла понижается на величину заряда. Такая схема позво-
ляет выполнить двойную корреляционную выборку (ДКВ), которая практически и устраня-
ет шум процесса восстановления.
В этом случае после восстановления плавающего потенциального узла на затвор тран-
зистора К73 передается открывающий его импульс выборки строки RS\. Начальное напря-
жение на затворе транзистора К72 (в которое входит и шум восстановления) через истоко-
вый повторитель передается на шину столбца и запоминается на ее выходе. При поступле-
нии на плавающий затвор сигнального заряда напряжение на транзисторе К72 понижается
на величину поступившего заряда, и это напряжение также передается на выход шины
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ФОТОПРИЕМНЫЕ ПРИБОРЫ
169
столбца. В результате выходной сигнал представляет собой разности значений напряжения
транзистора VT2, что и позволяет устранить шум восстановления. Недостаток схемы
с фоточувствительным затвором — снижение фоточувствительности из-за меньшей, в срав-
нении с фотодиодом, прозрачности затвора.
Основные параметры ФПЗС и КМОП-ФД приведены в табл. 6.3.
Таблица 6.3. Основные параметры ФПЗС и КМОП-ФД
Параметр	ФПЗС	КМОП-ФД
Минимальный размер пиксела, мкм	3...5	6...8
Максимальный формат, пиксел	4080x4080	2000x2000
Минимальный шум считывания на частоте 10 МГц, число электронов	8-10 (устройство для асторо- номических наблюдений и специального назначения); 20-25 (устройства бытового и промышленного назначения)	20...40
Темновой ток, нА/см2	0,01...1	2...5
Фактор заполнения FF, %	70... 90	30... 50
Потребляемая мощность при час- тоте 30 кадров/с, мкВт/пиксел	0,03...0,1	0,6...0,9 (для однокристальной камеры)
Неоднородность чувствительности,%	2...3	3...5
Динамический диапазон, дБ	60...70	50...60 (90, при логарифм ическм выходе)
Произвольная выборка сигналов изображения в требуемых окнах	Отсутствует	Реализуется
Интеграция дополнительных функций на кристалле	Простые аналоговые функции обрабоки	Программируемые цифровые и аналоговые функции
Внешние управляющие сигналы	Источник питания 5... 12 В и 3...9 фазовых импульсов	Источник питания 2,5...5 В и одного синхроимпульса
Технология производства	Специальная	Отлаженная КМОП-технология
Реализация цифровой камеры	ФПЗС, СБИС, управление и АЦП	Однокристальные
Предпочтительные области применения	Научные, космические, медицинские системы	Однокристальные бытовые (фото- и видеокамеры), автомо- бильные охранные системы, видеотелефоны, СТЗ
6.14.	Пиротехнические фотоприемники
В основу работы пиротехнических фотоприемников (ПФП) положен пироэлектрический
эффект кристаллов, сущность которого заключается в изменении поляризации пироактив-
ного кристалла в процессе изменения температуры на его гранях. Поляризация кристалла —
это пространственное разделение зарядов, при котором на одной из граней кристалла возни-
кает положительный заряд, а на второй — отрицательный. Она происходит спонтанно при
170
ГЛАВА 6
отсутствии внешнего электрического поля при постоянной температуре. Однако при посто-
янстве температуры поверхностные заряды компенсируются объемной и поверхностной
проводимостями кристалла и не могут быть обнаружены.
Поэтому пироэлектрический эффект проявляется только при изменении температуры
кристалла во времени. Этот эффект наблюдается при приеме модулированного или им-
пульсного излучения.
. Пироэлектрический ток при изменении температуры пироактивного кристалла можно
определить по формуле
, dPc dP dT dT
/ = — = —- — = y—,
dr dT dr	dr
(6.51)
где Pc — коэффициент спонтанной поляризации; T — температура; у — пироэлектрический
коэффициент.
Если облученный кристалл подключить к внешнему сопротивлению нагрузки и пред-
ставить его как генератор тока, то можно вычислить интегральную чувствительность пиро-
кристалла:
_________4»мауР,___________
C0G(1 + co2t2)V2(1 + co2t2)V2 ’
(6.52)
где Лф — площадь приемной площадки фоточувствительного элемента; a — коэффициент
поглощения; R3 — эквивалентное сопротивление нагрузки; Со — суммарная емкость кри-
сталла и нагрузки (входной емкости усилителя); со — круговая частота модуляции потока;
тт = C/G — тепловая постоянная времени (отношение теплоемкости кристалла С к коэффи-
циенту теплопотерь G); тэ = РЭСО — электрическая постоянная времени.
Решающее влияние на основные параметры пироэлектрических приемников оказы-
вает значение пироэлектрического коэффициента у. Максимальное значение пироэлек-
трический коэффициент принимает при температуре кристалла, близкой к температуре
фазового перехода (так называют точки Кюри). Большинство типов фотоприемников,
использующих внутренний фотоэффект, обладают избирательной чувствительностью.
Тепловые же фотоприемники, использующие пироэффект, обладают практически рав-
номерной чувствительностью во всем рабочем диапазоне длин волн. Пирофотоприемни-
ки типа МГ30, МГ32, разработанные НПП «Восток» (Новосибирск), работают в диапа-
зоне (2...20) мкм.
Особенностью пироэлектрических приемников излучения является то, что они, будучи
по существу емкостными элементами, имеют очень большое внутреннее сопротивление
(Ю10... 1011 Ом) и низкие выходные токи (1(Г12...1О" А). Это создает значительные трудно-
сти при согласовании их с входными каскадами усилителей. Ко входным цепям усилитель-
ных устройств, работающим совместно с пироэлектрическими приемниками, предъявляется
ряд специфических требований: высокое входное сопротивление, малая входная емкость,
низкий уровень собственных шумов.
Совокупности указанных требований удовлетворяют полевые транзисторы и усилители
на их основе.
Принципиальная электрическая схема устройства, содержащего пироэлектрический
элемент (ПФП), подключенный к интегральному операционному усилителю с входным
дифференциальным каскадом усиления на основе полевых транзисторов (ДА), приведена на
рис. 6.27.
Основные параметры такого устройства определяются следующим образом.
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ФОТОПРИЕМНЫЕ ПРИБОРЫ
171
Напряжение выходного сигнала:
и»»
= Ф£исо/?нСп
✓	О \1/2
Г1
Ц + (сотп)2 )
(6.53)
где тп = R„Cn; RH — сопротивление нагрузки пироэлектрического элемента; Сп — собствен-
ная емкость пироэлектрического элемента; тп — постоянная времени пироэлектрического
элемента; тос — постоянная времени цепи обратной связи усилителя; Ф— поток, восприни-
маемый пироэлектрическим элементом.
Рис. 6.27. Схема устройства с пирофотоприемником
Напряжение шума, приведенное ко входу в единичной полосе частот:
и Г АкТ , 2е/з , 4/cTtga (ОСП)2'
ш°х |_(оэСп)2/?н (соСп)2 ыСп ' f J’
(6.54)
где /, — ток затвора входного полевого транзистора; Т — температура окружающей среды;
а — угол потерь пироэлектрического элемента; Kf— спектральная плотность напряжения
шума входного транзистора усилителя на заданной частоте f
В приведенной формуле первый член представляет собой составляющую теплового шу-
ма входного сопротивления, второй — составляющую дробового шума входного полевого
транзистора, третий — составляющую шума пироэлектрического элемента, четвертый —
составляющую шума усилителя, приведенного ко входу.
Тесты
6.1.	Назовите тип собственного поглощения света в кристаллах, используя рис. 1.
6.2.	Назовите тип примесного поглощения света в кристаллах, используя рис. 1.
6.3.	Каким образом используется закон Бугера в оптоэлектронике:
а)	позволяет рассчитать числовую апертуру;
б)	позволяет рассчитать фоточувствителыюсть
фотоприемника;
в)	позволяет оценить степень поглощения света
в твердом теле;
г)	позволяет определить граничную длину волны
фотоприемника?
6.4.	Укажите граничную длину волны фотоэффекта, используя рис. 2.
172
ГЛАВА 6
6.5.	Что называется фотодиодом с барьером Шоттки:
а)	прибор, использующий слой с собственной
проводимостью;
б)	прибор, использующий внутри структуры
металлический слой;
в)	прибор, использующий внутри структуры гетеропереход;
г)	прибор, использующий внутри структуры слой с малым
сопротивлением?
6.6.	Что называется гетерофотодиодом:
а)	прибор, использующий контакт металл-полупроводник;
б)	прибор, использующий слой с высокой проводимостью;
в)	прибор, использующий слой с низкой проводимостью;
г)	прибор, использующий полупроводниковые материалы с
различной шириной запрещенной зоны?
6.7.	Какие особенности имеют ЛФД фотоприемники:
а)	используют фотодиффузионный режим;
б)	отличаются малым уровнем собственных шумов;
в)	используют возможность усиления фототока;
г)	отличаются повышенным уровнем собственных шумов?
6.8.	Что предусматривается в структуре фотоприемника для по-
вышения чувствительности:
а)	короткая поглощающая свет область;
б)	длинная поглощающая свет область;
в)	узкая поглощающая свет область;
г)	оптические контакты с низким сопротивлением?
6.9.	В какой области фотоносители перемещаются, используя механизм дрейфа:
а) в области оптических контактов;
б)	в области р-и-перехода;
в)	в пассивной /?-области;
г)	в пассивной «-области?
6.10.	По какой формуле можно рассчитать токовую чувствительность к освещенности:
а)5/ =А;	6)S, =-^J b)S„ = И;	г)5И£/=1±?
Фг	,ЕУ Еу	*“ Ф,	УЕ‘ Е,
Глава 7
ОПТРОНЫ
7.1. Устройство и принцип действия оптронов
Оптронами называются такие оптоэлектронные приборы, в которых имеются излучатели и
фотоприемники, используются оптические и электрические связи, а также конструктивно
созданные друг с другом элементы. Некоторые разновидности оптронов называются опто-
парами, или оптоизоляторами.
Принцип действия любого оптрона основан на двойном преобразовании энергии. В из-
лучателях энергия электрического сигнала преобразуется в оптическое излучение, а в фото-
приемниках, наоборот, оптический сигнал вызывает электрический ток или напряжение или
приводит к изменению его сопротивления.
Наибольшее распространение получили оптроны с внешними электрическими выхода-
ми и выходными сигналами и внутренними оптическими сигналами (рис. 7.1). Конструкция
такого опторона имеет вид, показанный на рис. 7.2.
Рис. 7.1. Структурная схема оптрона
с внутренней оптической связью
В электрической схеме такой прибор выпол-
няет функцию выходного элемента — фотопри-
емника с одновременной электрической изоля-
цией (гальванической развязкой) входа и выхо-
да. Излучатель является источником фотонов,
в качестве которого может быть использован све-
тодиод или миниатюрная лампа накаливания.
Оптической средой может служить воздух, стек-
ло, пластмасса или волоконный световод. В каче-
стве фотоприемников используются фотодиоды,
фототранзисторы, фототиристоры и фоторези-
сторы. Очень часто применяются интегральные
фотодиодно-транзисторные структуры. Различ-
ные комбинации этих элементов позволяют по-
лучить весьма разнообразные входные, выход-
ные и передаточные характеристики.
Рис. 7.2. Пример конструкции
диодно-диодного оптрона
с внутренней оптической связью
174
ГЛАВА7
На практике применяется и другая разновидность оптронов: использующая внешние
входные и выходные оптические сигналы и внутренние электрические сигналы (рис. 7.3).
Как правило, такие приборы содержат усилители фототока.
Рис. 7.3. Оптрон с внешней оптической связью
В отдельных случаях применяются оптроны, одновременно использующие оптические
и электрические связи (один из возможных вариантов приведен на рис. 7.4).
Рис. 7.4. Оптроны, одновременно использующие оптические
и электрические связи
С конструкторско-технологической точки зрения излучатель и фотоприемник являются
равноправными. Эффективность преобразования энергии и срок службы оптрона в основ-
ном определяются излучателем. При разработке излучателя для оптрона главная трудность
заключается в оптимизации согласования с фотоприемннком. К параметрам, подлежащим
оптимизации, относятся коэффициент усиления, ширина полосы частот, размеры оптиче-
ского окна, электрические характеристики. Поскольку желательно иметь малое последова-
тельное сопротивление, наилучшим вариантом служит излучатель на основе GaAs. Стре-
мятся получить и малую величину прямого напряжения, но это менее важно, чем оптимиза-
ция усиления и частотной полосы.
Требования к виду оптического окна излучателя оптрона и обычного светодиода значи-
тельно отличаются друг от друга. Светодиоды изготавливают с кольцевой излучающей об-
ластью площадки, чтобы получить высокий коэффициент отношения видимой излучающей
области к фактической. Для оптрона излучающая область должна быть настолько малой,
насколько это совместимо с допустимой плотностью тока, а контактная площадка размеща-
ется так, чтобы минимально затемнить излучающую область. Это обеспечивает лучшую
связь с приемником. Малый размер излучающей области позволяет уменьшить бесполезные
краевые потери, как тока, так и излучения и обеспечить постоянство условий связи незави-
симо от разброса величины зазора и точности совмещения с чувствительной областью фо-
топриемника у различных образцов оптронов.
ОПТРОНЫ
175
При выборе оптической среды ее изолирующие свойства играют определяющую роль,
если расстояние между излучателем и приемником очень мало.
Если же расстояние достаточно велико, например, при использовании волоконной опти-
ки, линз или другой среда (отражающей или пропускающей), изолирующие свойства стано-
вятся менее важными. Зато большое значение приобретает спектр пропускания, особенно,
если применяются пластмассы. В большинстве оптронов для уменьшения потерь на френе-
левское отражение от поверхности излучателя и приемника используют просветляющие по-
крытия. При этом одновременно создается изоляция, так как материалы покрытий не явля-
ются проводниками электрического тока. Во многих типах оптронов для создания хорошей
изоляции между излучателем и приемником применяют слой пленки из прозрачного фторо-
пласта. Оптическая изоляция позволяет иметь прибор, обеспечивающий оптическую связь
сигналов двух раздельных электронных схем, несмотря на то, что последние гальванически
развязаны. Напряжение изоляции таких приборов может достигать тысяч вольт.
Принципиальные физические достоинства оптронов, как уже отмечалось выше, обу-
словленные использованием фотонов в качестве носителей информации, заключаются в
обеспечении очень высокой электрической изоляции входа и выхода, однонаправленности
потока информации, отсутствии обратной связи с выхода на вход и широкой полосе про-
пускания.
Кроме того, важными достоинствами оптронов являются:
-	возможность бесконтактного (оптического) управления электронными объектами и
обусловленные этим разнообразие и гибкость конструкторских решений управления;
-	невосприимчивость оптических каналов связи к воздействию электромагнитных по-
лей, что в случае оптронов с протяженным оптическим каналом обусловливает высо-
кую помехозащищенность, а также исключает взаимные наводки;
-	возможность создания функциональных микроэлектронных устройств с фотоприем-
никами, характеристики которых под действием оптического излучения изменяются
по заданному (сколь угодно сложному) закону;
-	расширение возможностей управления выходным сигналом оптрона путем воздейст-
вия (в том числе и неэлектрического) на материал оптического канала и, как следст-
вие этого, создание разнообразных датчиков и приборов для передачи информации.
Современным оптронам присуши и определенные недостатки:
-	низкий кпд, обусловленный необходимостью двойного преобразования энергии (элек-
тричество-излучение-электричество), и значительная потребляемая мощность;
-	сильная температурная зависимость параметров;
-	высокий уровень собственных шумов;
-	конструктивно-технологическое несовершенство, связанное в основном с использова-
нием гибридной технологии.
Перечисленные недостатки оптронов по мере совершенствования материалов, техноло-
гии, схемотехники постепенно устраняются. Широкое применение оптронов определяется
прежде всего уникальностью достоинств этих приборов.
7.2.	Типовая структурная схема оптрона
Входное устройство (ВхУ) служит для преобразования входных сигналов в такие, которые
обеспечивают эффективную работу излучателя (И) (рис. 7.5). В условиях запуска оптрона,
например от логической интегральной микросхемы, необходимо обеспечить усиление тока
от 0Д...1 до 10...15 мА. Дополнительные требования к входному устройству — экономим-
176
ГЛАВА7
ность, достаточно высокое быстродействие (не снижающее быстродействие всего оптрона
в целом).
I-*Ф	Ф—*1
Рис. 7.5. Типовая структурная схема оптрона:
И — излучатель; ВхУ — входное устройство; ОК — оптический канал;
ФП — фотоприемник; УУ — устройство управления; ВыхУ — выходное устройство
Основные требования, предъявляемые к излучателю оптрона, состоят в достижении вы-
сокого кпд электронно-оптического преобразования, высокого быстродействия и достаточ-
но узкой направленности излучения. Кроме того, желательно, чтобы минимальный входной
ток был невелик (примерно 1 мА); для линейных систем важно также иметь широкий дина-
мический диапазон входных токов, т.е. широкий диапазон токов, в котором квантовая эф-
фективность излучателя и соответственно коэффициент передачи по току оптрона постоянны.
Назначение оптического канала ОК — максимально полная передача энергии оптиче-
ского сигнала к ФП, что требует хорошего пропускания оптического сигнала без искажения
его формы. При этом необходимо обеспечить минимальное рассеяние излучения в стороны
во избежание влияния на другие чувствительные к оптическому сигналу элементы устрой-
ства и максимальную защиту от внешнего излучения во избежание ложных срабатываний
оптрона.
Принципиальная возможность управления свойствами оптического канала (например, с
помощью электрооптических или магнитооптических эффектов) отражена введением в
структурную схему оптрона устройства управления УУ. При этом изменение выходного
сигнала можно осуществлять как по электрическому входу оптрона, так и по оптическому
входу фотоприемника. Возможны и другие конструктивные изменения оптического канала,
изменяющие функции оптрона. Так, оптрон с открытым ОК (воздушный зазор между И
и ФП) пригоден для считывания информации с перфоносителей, перемещающихся в этом
зазоре. Выбирая ОК, который меняет свои свойства при внешних неэлектрических воздей-
ствиях, можно получить разнообразные оптоэлектронные датчики.
В ФП происходит преобразование оптического сигнала в электрический с минимальными
потерями его информативности, что определяет требование высокой фоточувствительности
ФП при достаточном быстродействии. Иногда ФП сочетает в себе и функцию предвари-
тельного усиления фотосигнала. Очевидно, что эффективность работы цепочки И-ОК-ФП
может быть реализована лишь при согласовании спектральных характеристик всех входя-
щих в нее элементов.
Наконец, выходное устройство ВыхУ обеспечивает преобразование сигнала ФП в стан-
дартную форму, удобную для передачи в следующие за оптроном каскады (чаще всего это
аналоговые или цифровые микросхемы или полупроводниковые ключи). Так же как и для
входного устройства здесь важны быстродействие и экономичность.
Таким образом, для всех звеньев оптрона важны кпд преобразования, которое в этом
звене осуществляется, и быстродействие. При этом необходимо согласование элементов
по оптическим и электрическим характеристикам (по спектральной — в цепи «излучатель-
ОПТРОНЫ
177
оптический канал-фотоприемник»; по электрическим — в цепях «входное устройство-из-
лучатель и фотоприемник-выходное устройство»); по допустимым условиям эксплуатации
(диапазон рабочих температур, срок службы, механическая прочность и т.п.); по конст-
руктивно-технологическим признакам. Обеспечение согласования и совместимости элемен-
тов — центральная задача оптимального конструирования оптронов.
7.3.	Классификация и параметры оптронов
Одним из основных элементов оптоэлектронных цепей является оптрон, представляющий
собой оптически связанную пару из электрически управляемого источника оптического из-
лучения и фотоприемника, электрические характеристики которого могут в достаточно ши-
роких пределах изменяться в зависимости от интенсивности излучения.
В основу классификации оптронов могут быть положены различные критерии.
Оптроны можно классифицировать по их главному функциональному назначению.
Здесь различают оптроны трех типов:
-	оптроны с внешней оптической и внутренней электрической связями, предназначен-
ные для усиления к преобразования излучения;
-	оптроны с внутренней оптической связью, используемые в качестве переменных со-
противлений;
-	оптроны с электрической связью, используемые в качестве ключевых элементов.
Иными критерием для классификации оптронов может служить тип применяемого фо-
топриемника, выбором которого в основном определяются параметры оптронов. По типу
используемого фотоприемника оптроны подразделяются на использующие фотодиоды
(рис. 7.6, а), одиночные фототранзисторы (рис. 7.6,6), составные фототранзисторы (рис. 7.6, в),
фототиристоры (рис. 7.6, г) и фоторезисторы (рис. 7.6, Э).
Рис. 7.6. Условные обозначения оптопар
К основным параметрам оптрона относятся: коэффициент передачи тока, сопротивле-
ние развязки и быстродействие.
Коэффициент передачи тока Kt определяется как отношение тока на выходе оптрона к
току на входе
^,=V^nG,	(7.1)
N«
где цн = —-----квантовая эффективность излучателя, определяемая отношением числа
излученных квантов N„ к числу электронов, прошедших через ^-«-переход излучателя
к — коэффициент, характеризующий передачу света от излучателя к фотоприемнику; г] фп —
эффективность фотоприемника, определяемая как отношение числа носителей заряда, про-
шедших в выходной цепи, к числу поглощенных квантов; G — коэффициент усиления.
178
ГЛАВА7
Увеличение коэффициента передачи — одна из основных задач, которые стоят при кон-
струировании оптронов, поэтому целесообразно проследить возможность повышения каж-
дой из его составляющих.
Увеличение квантовой эффективности излучателя может быть достигнуто за счет повы-
шения доли излучательных переходов в процесс рекомбинации, что связано с:
-	совершенствованием структуры и повышением чистоты полупроводникового мате-
риала;
-	использованием для излучателей непрямозонных полупроводников, в которых про-
цесс излучательной рекомбинации связан с наличием мелких рекомбинационных цен-
тров, в силу чего излучаются кванты, энергии которых меньше энергии, соответст-
вующей ширине запрещенной зоны полупроводника, и, следовательно, вероятность
поглощения которых в полупроводнике существенно снижается;
-	использованием кристаллов специальной формы (например, полусферической) и по-
крытий с коэффициентами преломления, близкими к коэффициенту преломления по-
лупроводника, для снижения потерь, связанных с полным внутренним отражением на
границе раздела полупроводника с окружающей средой.
Эффективность фотоприемника определяется его электрофизическими и структурно-то-
пологическими параметрами. Выбор оптимального сочетания этих параметров при конст-
руировании фотоприемника с учетом требований к его спектральной характеристики позво-
ляет повысить эффективность т]фп. Высокая спектральная согласованность фотоприемника и
излучателя — одно из основных средств повышения т]ф„.
Повышение к состоит в снижении зазора между излучателем и фотоприемником и
оптимальном выборе оптической среды между ними. Кроме того, повышение к может
быть достигнуто снижением коэффициента отражения на границе оптической среды и
фотоприемника за счет нанесения просветляющего слоя. Показатель преломления слоя
пс должен быть равен (пК — показатель преломления покрываемого материала),
А.
а разность фаз падающей и отраженной волн и J (2/и + 1) должна быть кратной л.
4
(Здесь X — длина волны; d — толщина просветляющего слоя, т = 1, 2, 3, ...) При вы-
полнении этих условий отражение излучения с длинной волны X = 4<7ис равно нулю.
Внутреннее усиление характерно для таких фотоприемников, как фототранзистор, фото-
тиристор.
Увеличение G может быть достигнуто, если совместно с фотоприемником на одном
кристалле изготавливается усилитель. В простейшем случае — это один дополнительный
транзистор к фототранзистору (схема Дарлингтона).
Необходимо учитывать, что обычно увеличение G ведет к снижению быстродействия и
ухудшению температурной стабильности.
Более полное представление о коэффициенте передачи тока дает передаточная характе-
ристика для одного из типов оптронов.
Основные характеристики оптронов представлены в табл. 7.1, где быстродействие оп-
тронов характеризуется суммарным временем включения и выключения. Резисторные оп-
троны принято характеризовать не коэффициентом передачи, а отношением темнового со-
противления резистора 7?т к сопротивлению при освещении Аос.
ОПТРОНЫ
179
Таблица 7.1. Основные характеристики оптронов
Тип оптроиа	Коэффициент передачи,%	Сопротивление связи, Ом	Быстродействие, с	^Т^ОС
Диодные	0,5...1	1О"...1О13	НТ8*	-
Транзисторные	10...100 1000... 10000 (схема Дарлингтона)	10"...10”	(2...5)10~6	-
Тиристорные	100	io"...io13	(20. ..100) 10"6	-
Резисторные	—	—	10"'... 10~2	1О4...1О7
* Дляр-г-и-диода в качестве фотоприемника.				
7.4.	Электрическая модель оптрона
Рассмотрим динамическую модель диодной оптопары: во-первых, диодная оптопара содер-
жит в своем составе два оптоэлектронных прибора — излучающий диод и фотоприемник
(фотодиод); соответственно модель оптопары состоит из моделей компонентов; во-вторых,
диодная оптопара в классе оптоэлектронных приборов обладает наилучшими параметрами
изоляции и быстродействием, что определило ее широкое применение.
Динамическая модель излучающего диода состоит из источника тока /д, динамического
сопротивления диода гдя„ (определяется сопротивлениями базы диода, омических контак-
тов и выводов), сопротивления утечки гут и емкости диода Ся (рис. 7.7, а). Источник тока
1Д, управляемый напряжением U, для излучающего диода обычно описывается выражени-
ем, соответствующим кусочно-линейной аппроксимации ВАХ диода (рис. 7.7, б). Участок
ВАХ диода для напряжений 0 < U < Uo необходимо учитывать в излучающем диоде, из-за
сильного влияния барьерной емкости диода при этих значениях напряжения U иногда
для снижения значения С61 вводят постоянное прямое напряжение смещения С/см
(см. рис. 7.7, б).
В качестве динамической модели излучающего диода как правило используют модель
Эберса-Молла или зарядоуправляемую модель.
Для модели Эберса-Молла имеем соответственно схеме замещения на рис. 7.6, а.
1Д = ^[exP(^/(wT))-!];
Сц = ^-61 + {-лиф ’
сб| =C760(]-tJ/V)-*;
слиф = ро ехр((//(/жрт))](отфт/тХ	(7.2)
где <рт = 0,026 В (при Т= 25°С); у = 0,7...0,75 В; Сдаф — диффузная емкость.
Параметры модели 10, т, <рт можно вычислить из условия аппроксимации статической
ВАХ излучающего дйода по выражению
= /0[ехр(17, - //ди„)/(/жрт)], j = 1, 2,3, ..., N,	(7.3)
где U, — соответствующие j-й экспериментальной точке ВАХ диода значения тока и на-
пряжения диода; N— число экспериментальных точек.
180
ГЛАВА 7
Вычисления проводят, например, методом наименьших квадратов.
Модель фотоприемника для фотодиодного режима работы состоит из источника фототока
/ф = Мд, источника тока р-н-перехода, управляемого напряжением, / = 70ехр[(77/(/ифт)- 1] и
барьерной емкости фотодиода Cg2- Следует подчеркнуть, что быстродействие оптопары за-
метно ограничивается барьерными емкостями С6Ь Сб2. Даже у малоинерционных излучаю-
щих диодов Cei = (50...200) пФ, значения емкости фотодиода Сб2 существенно меньше
(1... 10 пФ), однако она заряжается малым током /ф, и ее влияние на скорость переключения
оптопары также оказывается значительным.
Параметры электрической изоляции оптопары описываются проходной емкостью Спр
и сопротивлением изоляции R. Особенно важную роль в динамике работы оптопар играет
емкость Спр. Емкостный ток в цепи изоляции оптопары зависит от скорости изменения на-
пряжения как на входе оптопары, так и на выходе, т.е. возможна электрическая обратная
связь через проходную емкость и соответственно ложное переключение или самовозбужде-
ние устройства.
ОПТРОНЫ
181
Разновидностью оптронов является волстрон (рис. 7.8) — прибор, содержащий излуча-
тель и фотоприемник, между которыми располагается волоконный световод (длина которо-
го может составлять десятки-сотни метров), представляющий единую конструкцию.
Рис. 7.8. Устройство волстрона
7.5.	Резисторные оптопары
В резисторной оптопарах в качестве излучателя используются СИД, ИК-излучающий диод
или сверхминиатюрная лампочка накаливания. В качестве фотоприемного элемента приме-
няется фоторезистор — полупроводниковый резистор, сопротивление которого уменьшает-
ся при воздействии видимых световых или невидимых инфракрасных лучей. Уменьшение
сопротивления фоторезистора происходит за счет генерации светом пар свободных носите-
лей заряда — электронов и дырок, увеличивающих электропроводность полупроводника.
Фоторезисторы оптопар изготавливаются на базе селенида кадмия CdSe или сернистого
кадмия CdS. Важным требованием является согласованность излучателя и приемника по
спектральным характеристикам.
Темновой ток фоторезистора при отсутствии воздействия света от излучателя обычно
составляет единицы микроампер. При облучении проводимость фоторезистора значительно
возрастает (в сотни, тысячи раз), она пропорциональна силе света излучателя. Поэтому пу-
тем изменения тока через излучатель можно управлять проводимостью фоторезистора.
Свойства фоторезисторов не зависят от полярности приложенного напряжения, что позво-
ляет включать их в цепь переменного тока.
Фоторезистор и излучатель объединены внутри корпуса оптопары оптически прозрач-
ной средой (клеем) с большим сопротивлением изоляции. Поэтому цепь излучателя надеж-
но изолирована от выходной цепи оптопары — фотоприемника. Параметры оптопар зависят
от температуры. Повышение температуры фоторезистора приводит к увеличению его свето-
вого сопротивления и снижению фототока. При повышении температуры темновой ток уве-
личивается, темновое сопротивление уменьшается.
К отрицательным свойствам резисторных оптопар относится их низкое быстродействие.
Важнейшими характеристиками резисторной оптопары являются: входная ВАХ (рис. 7.9, а),
выходная температурная (рис. 7.9, б), передаточная, а также — зависимость выходного со-
противления от входного тока (рис. 7.9, в), частотная характеристика (рис. 7.9, г).
Резисторные оптопары применяются преимущественно для бесконтактной коммутации
и управления в цепях постоянного и переменного токов.
182
ГЛАВА 7
Рис. 7.9. Характеристики резисторной оптопары
Достоинствами резисторных оптопар, определяющими их широкое применение, яв-
ляется линейность и симметричность выходной характеристики, отсутствие фотоЭДС, воз-
можность работы при больших значениях напряжений любой полярности (сотни вольт)
в выходной цепи, высокие значения темнового сопротивления (RT = 106... 1011 Ом).
7.6.	Диодные оптопары
В диодной оптопаре в качестве фотоприемного элемента используется фотодиод на основе
кремния, а излучателем служит инфракрасный излучающий диод. Максимум спектральной
характеристики излучающего диода приходится на длину волны около 1 мкм. При облуче-
нии в фотодиоде возникает генерация пар носителей заряда — электронов и дырок. Интен-
сивность генерации пропорциональна силе света, а следовательно, входному току. Свобод-
ные электроны и дырки разделяются электрическим полем перехода фотодиода и заряжают
p-область положительно, а «-область отрицательно. Таким образом, на выходных выводах
оптопары появляется фотоЭДС. В реальных приборах она не превышает (0,7...0,8) В, а кпд
составляет около 1 %.
Если к фотодиоду оптопары приложено обратное напряжение более 0,5 В, то электроны
и дырки, генерированные излучением, увеличивают обратный ток фотодиода. Такой режим
работы приемного элемента оптопары называется фотодиодым. Значение обратного фото-
тока практически линейно возрастает с увеличением силы света излучающего диода.
Для повышения быстродействия создаются фотодиоды с р-/-л-структурой. В них меж-
ду легированными областями р- и n-типа используется полуизолирующий слой кремния
ОПТРОНЫ
183
с собственной проводимостью /. Возникающее в /-области сильное электрическое поле при-
водит к сокращению времени пролета носителей заряда через эту область и к быстрому на-
растанию и спаду фототока. Время нарастания и спада фототока в таких фотодиодах может
составлять единицы и даже доли наносекунд. Однако быстродействие оптопары в целом за-
висит еще и от быстродействия излучателя, а также от сопротивления выходной нагрузки.
Реальные значения времени задержки сигнала в диодном оптроне составляют около 1 мкс.
. Для описания свойств диодных оптопар обычно используют входные и выходные ВАХ,
передаточные характеристики в фотогенераторном и фотодиодном режимах.
Выходная характеристика оптопары аналогична обратной ветви ВАХ диода. Обратный
ток практически не зависит от напряжения. При большом напряжении возникает электриче-
ский пробой фотодиода.
Передаточная характеристика в фотодиодном режиме представляет собой зависимость
выходного тока от входного и практически линейна в широком диапазоне входных токов.
Коэффициент передачи тока составляет единицы процентов.
Передаточная характеристика в фотогенераторном режиме нелинейна. ФотоЭДС при
увеличении входного тока стремится к насыщению: она не может превышать контактной
разности потенциалов на переходе фотодиода и обычно составляет (0,5. ..0,8) В.
Зависимости коэффициента передачи диодной оптопары от входного тока, выходного
напряжения и температуры приведены на рис. 7.10, а-в.
Рис. 7.10. Зависимость коэффициента передачи диодных оптопар
от входного тока (а), выходного напряжения (б) и температуры (в)
При использовании диодных оптопар в электронных устройствах реализуется ряд
свойств, присущих этому классу оптопар: высокое быстродействие, малые темновые токи
выходной цепи, высокое сопротивление гальванической развязки.
7.7.	Транзисторные оптопары
Транзисторная оптопара выполняется с фотоприемным элементом на базе фототранзистора.
Как правило, в оптопарах используются фототранзисторы со структурой п-р-п на основе
кремния, чувствительные к излучению с длиной волны около 1 мкм. Излучателями служат
арсенидо-галлиевые диоды или диоды на тройном соединении, максимум спектрального из-
лучения которых лежит вблизи области наибольшей чувствительности фототранзистора.
Семейство выходных характеристик транзисторной оптопары приведено на рис. 7.11.
184
ГЛАВА 7
Рис. 7.11. Выходные характеристики транзисторной оптопары
Излучательный диод конструктивно расположен так, что большая часть света направля-
ется на базовую область фототранзистора. Излучатель и приемник изолированы друг от
друга оптически прозрачной средой.
При отсутствии излучения в цепи коллектора фоторезистора, включенного по схеме с
общим эмиттером, протекает обратный темновой ток, аналогичный по происхождению и
характеристикам току в обычных биполярных транзисторах.
Обратный темновой ток сильно зависит от температуры. При ее повышении на 10 °C он
примерно удваивается. Для уменьшения темнового тока между выводами базы и эмиттера
фоторезистора включается внешний резистор с сопротивлением 0,1... 1,0 МОм.
При облучении в базовой области генерируются пары электрон-дырка. Электроны вы-
тягиваются из базы в сторону положительно заряженного коллектора, а дырки остаются в
базе и создают положительный заряд. Это эквивалентно возникновению отпирающего тока
базы транзистора, вследствие чего ток коллектора также увеличивается.
Соотношение между током базы и коллектора имеет вид
Аых —
где /ф 6 — генерированный излучением фототок в базе фоторезистора; Л21 — коэффициент
усиления тока.
Таким образом, фоторезистор обладает внутренним усилением фототока К,. Наиболь-
шим внутренним усилением обладают оптопары, использующие составные фототранзисто-
ры. Их коэффициент усиления фототока Ki может превышать 1000, однако они имеют худ-
шие показатели быстродействия. Быстродействие обычных диодно-транзисторных оптопар
/п = 2...4 мкс.
Оптопары можно характеризовать параметром, называемым добротностью'.
Q=Kjtn.
Этот параметр для различных типов оптопар остается постоянным в широком интерва-
ле значений входных токов. Значение добротности зависит от напряжения изоляции Um.
При Um= 1...5 кВ,б = 0,1...1%мкс_|.
Основные параметры и характеристики входной цепи транзисторной оптопары анало-
гичны параметрам диодных оптопар, так как в них используются сходные излучатели.
Выходные характеристики существенно отличаются от аналогичных оптопар. Зависимость
коэффициента передачи тока от входного тока отклоняется от линейной, причем тем боль-
ше, чем больше входной ток и чем лучше усилительные свойства фоторезистора.
ОПТРОНЫ
185
Типичные зависимости К, от входного тока различных транзисторных оптопар приведе-
ны на рис. 7.12. Здесь кривая 1 соответствует диодно-транзисторной оптопаре, кривая 2 —
транзисторной оптопаре, кривая 3 — оптопаре с составным фоторезистором. Нелинейность
характеристик объясняется тем, что коэффициент усиления транзистора зависит от тока ба-
зы и поэтому не является постоянной величиной.
К,, отн. ед.
Рис. 7.12. Зависимости коэффициента передачи
по току от входного тока для транзисторных оптопар
При больших входных токах коэффициент передачи по току с повышением температу-
ры линейно уменьшается, как и в случае диодных оптопар. В общем случае характер кри-
вых К, =f(T) определяется зависимостью от температуры квантового выхода как светодиода,
так и транзистора. Повышение температуры приводит к возрастанию инерционности тран-
зисторных оптопар. Одновременно увеличивается и темновой ток фотоприемника. Это осо-
бенно сильно сказывается в случае оптопар с составными фоторезисторами: при увеличе-
нии температуры от 25 до 100°C их темновой ток возрастает в 104...105 раз, а у обычных
оптопар — в 102... 103 раз.
Транзисторные оптопары находят применение в аналоговых и цифровых коммутаторах,
оптоэлектронных реле, в линиях связи для гальванической развязки и др.
7.8.	Тиристорные оптопары
В тиристорных оптопарах в качестве приемного элемента используется кремниевый фото-
тиристор. Семейство ВАХ фототиристорного оптрона приведено на рис. 7.13.
Фототиристор так же, как обычный тиристор имеет четырехслойную структуру р-п-р-п.
Конструктивно оптопара выполнена так, что основная часть излучения входного диода на-
правлена на высокоомную базовую область п фоторезистора. К крайним областям — аноду
р и катоду п прикладывается внешнее выходное напряжение «плюсом» к аноду. При облу-
чении в n-базе генерируются пары носителей заряда — электронов и дырок. Электрическим
полем центрального (коллекторного) перехода между п- и p-областями носители заряда раз-
деляются. При этом электроны остаются в и-базе, а дырки попадают в p-базу. Происходит
инжекция неосновных носителей заряда из крайних переходов структуры, называемых
эмиттерными. Лавинообразное нарастание тока через структуру приводит к «отмиранию»
186
ГЛАВА 7
тиристора. Все три перехода оказываются смещенными в прямом направлении, и падение
напряжения на фототиристоре в отпертом состоянии получается малым.
Рис. 7.13. Семейство вольт-амперных характеристик фототиристорного оптрона
Фототиристор так же, как и фототранзистор обладает большим внутренним усилением
фототока. В отличие от фототранзистора, включенное состояние фототиристора сохраняет-
ся и при прекращении излучения входного диода. Таким образом, управляющий сигнал на
тиристорную оптопару может подаваться только в течение небольшого времени, необходи-
мого для отпирания тиристора. Этим достигается существенное уменьшение энергии, тре-
буемой для управления тиристорной оптопарой.
Чтобы запереть тиристор, с него следует снять внешнее напряжение. Если тиристор
включается в цепь переменного или пульсирующего напряжения, то выключение тиристора
происходит при уменьшении напряжения и тока через тиристор до значения, при котором
не может поддерживаться включенное состояние прибора.
При отсутствии входного сигнала, что соответствует необлученному состоянию базо-
вой «-области, через фототиристор протекает малый темновой ток утечки. Темновой ток
сильно зависит от температуры. При повышении температуры на 10°С ток примерно уд-
ваивается.
Тиристорные оптопары используются в качестве ключей для коммутации больших токов
и высоковольтных цепей как радиоэлектронного (17= 50...600 В, 1 = 0,1...10,0 А), так и
электрохимического ((/= 100... 1300 В, 1= 6...320 А) назначения.
Времена переключения тиристорных оптопар находятся в интервале от десятков микро-
секунд до десятков миллисекунд.
Важным достоинством этих приборов является то, что, управляя значительными
мощностями в нагрузке, они потребляют малую мощность цепями управления и поэтому
совместимы по входу с интегральными микросхемами.
Тесты
7.1.	Что называется оптроном:
а)	прибор, использующий преобразование электрической энергии в оптическую;
б)	прибор, использующий преобразование оптической энергии в электрическую;
в)	прибор, использующий преобразование электрической энергии в оптическую и оптической
энергии в электрическую;
г)	прибор, использующий излучатель и фотоприемник не связанные между собой?
ОПТРОНЫ
187
7.2.	Используя рис. 1, выберите, какое преобразование реализуется узлом оптрона, соответствующим
номеру 4:
а)	преобразование электрического сигнала в электрический;
б)	преобразование электрического сигнала в оптический;
в)	преобразование оптического сигнала в электрический;
г)	преобразование оптического сигнала в оптический.
3
Рис. 1
7.3.	Используя рис. 1, выберите, какое преобразование реализуется узлом оптрона, соответствующий
номеру 2\
а)	преобразование электрического сигнала в электрический;
б)	преобразование электрического сигнала в оптический;
в)	преобразование оптического сигнала в электрический;
г)	преобразование оптического сигнала в оптический.
7.4.	Какие известные оптроны могут обладать коэффициентом передачи превышающим единицу:
а) диодные;
б)	диодно-резисторные;
в)	диодно-транзисторные;
г)	тиристорные.
7.5.	Какая емкость характеризует работу СИД при прямом включении (рис. 2):
а) Сдь	б) Сдг;	в)Сбь	г)Спр?
7.6.	Какая емкость характеризует работу ФД при прямом включении (рис. 2):
а) Сдь
б) Сдг;
в) Сбь
г) Спр?
188
ГЛАВА7
7.7.	Укажите номер, который указывает на корпус СИД (рис. 3).
Рис. 3
7.8.	Используя рис. 3, укажите номер, который указывает на корпус ФД.
7.9.	Используя рис. 3, укажите номер, который указывает на световод.
7.10.	Используя рис. 3, укажите номер, который указывает на фотоприемник.
Глава 8
ИНДИКАТОРНЫЕ ПРИБОРЫ
8.1.	Жидкокристаллические индикаторы
8.1.1.	Основы теории
В 1888 г. австрийский ботаник Ф. Рейнитцер впервые описал необычное поведение бензоа-
та холестерина, который плавился при 145 °C, превращаясь в мутную жидкость, причем
мутность исчезала при 179 °C, выше которой вещество вело себя как обычная прозрачная
жидкость. В 1889 г. физик О. Леманн обнаружил, что в указанном интервале температур это
вещество обладает оптической анизотропией, свойственной твердым кристаллам. Так как
это вещество обладает и текучестью, Леманн ввел для подобного состояния вещества тер-
мин «жидкий кристалл» (ЖК). В дальнейшем выяснилось, что ЖК-состояние встречается
примерно у одного из 200 органических соединений и может наблюдаться у одних веществ
в строго определенном интервале температур (термотропные ЖК), у других — в определен-
ном интервале концентрации растворов этих веществ (лиотропные ЖК). Кроме того, было
установлено, что в зависимости от молекулярного строения возможны различные структу-
ры ЖК: холестерическая, нематическая и смектическая (рис. 8.1).
Рис. 8.1. Структуры жидких кристаллов:
а — смектическая; б — нематическая; в — холестерическая
В основе принципиальной возможности практического использования ЖК лежит силь-
ная зависимость их структуры от внешних факторов: температуры, давления, электрических
и магнитных полей. Эта зависимость объясняется слабостью межмолекулярных сил, обес-
печивающих упорядоченную структуру ЖК, вследствие чего малые изменения внешних
факторов могут вызывать существенные изменения в структуре. В электронике использу-
ются лишь термотропные ЖК.
У чистых веществ температурный интервал существования ЖК-состояния невелик, но
он увеличивается при смешивании жидких кристаллов различной молекулярной структуры.
При этом наблюдается понижение температуры перехода в твердокристаллическое состоя-
190
ГЛАВА 8
ние и изменение температуры перехода в состояние изотропной жидкости. В настоящее
время термотропные ЖК-металлы (чистые вещества и смеси) перекрывают температурный
диапазон от -20 до +250 °C.
Все ЖК состоят из молекул вытянутой формы. Вандерваальсовы взаимодействия обес-
печивают упорядоченное расположение молекул, вследствие чего их длинные оси в сред-
нем ориентируются вдоль некоторого общего направления. Тепловое движение приводит
к отклонениям длинных осей отдельных молекул от этого среднеквадратического направле-
ния на углы до 40°. Различные структуры ЖК отличаются характером упорядочения молекул.
Наиболее широкое практическое использование нашли нематические жидкие кристаллы
(НЖК).
Нематические ЖК-НЖК (см. рис. 8.1, 6) — менее упорядочены по сравнению со смек-
тическими. Весь объем НЖК можно разбить на небольшие области, различающиеся направ-
лениями преимущественной ориентации, вследствие чего возникает оптическая неоднород-
ность среды и наблюдается сильное рассеяние света. Поэтому ЖК и в проходящем, и в от-
раженном свете представляется мутным. Одинаково ориентируя молекулы внешним полем,
можно добиться однородности и практически полного просветления ЖК.
Важными характеристиками НЖК являются оптическая и диэлектрическая анизотро-
пия (ДА). Мерой оптической анизотропии служит разность
Ди =	,	(8.1)
пар лерп ’	V >
где ипяр(лперп) — показатель преломления световой волны, электрический вектор которой
параллелен (перпендикулярен) направлению преимущественной ориентации.
У всех НЖК Ал > 0. Как правило, Ал > 0,2, а средний показатель преломления
иср =(ипар +иперпУ2 лежит в интервале 1,4...1,8. Мерой ДА служит величина
Де = е — £ ,	(8.2)
пар перп’
где ЕПар(еПеРп) — диэлектрическая проницаемость, измеряемая вдоль (поперек) направления
преимущественной ориентации.
В соответствии со знаком Де различают положительную (Де > 0) и отрицательную
(Де < 0) ДА. Величина и знак Де зависят от частоты поля. При частотах порядка десятков
килогерц возможно изменение знака. Вследствие ДА внешнее однородное электрическое
поле вызывает ориентацию молекул НЖК: при положительной ДА длинные оси молекул
стремятся расположиться вдоль поля, при отрицательной — поперек. В основном именно
эти свойства НЖК используют в подавляющем большинстве ЖК-устройств, в частности,
для электрического управления двойным лучепреломлением и динамического рассеяния
света.
Суть первого эффекта состоит в том, что при неизменном направлении распространения
света через НЖК включение внешнего электрического поля вызывает переориентацию мо-
лекул НЖК, величина которой растет с ростом напряженности поля. Таким образом, изме-
няется взаимная ориентация луча света и оптической оси ЖК. Вследствие этого разность
хода между обыкновенным и необыкновенным лучами можно менять от нуля до dt\n (d—
толщина ЖК вдоль луча) или от d&n до нуля (в зависимости от исходной взаимной ориента-
ции луча и осей молекул и от знака Де). Эффект динамического рассеяния заключается в
следующем. В НЖК с отрицательной ДА вводится органическая легирующая примесь,
вследствие диссоциации которой в объеме НЖК появляются свободные носители заряда
(ионы). При включении внешнего переменного электрического поля возникают преимуще-
ственная ориентация молекул НЖК и колебания пространственного заряда. Взаимодействие
этих явлений приводит к тому, что при напряженностях внешнего поля, меньше некоторой
ИНДИКАТОРНЫЕ ПРИБОРЫ
191
пороговой, в ЖК устанавливается течение в виде цилиндрических вихрей (домены Вильям-
са). При дальнейшем росте поля возрастают токи проводимости, которые при величине по-
ля, равной критической, приводят к разрушению упорядоченной структуры ЖК, созданной
полем, возникновению турбулентности и, вследствие этого, оптической неоднородности,
сопровождаемой сильным рассеянием света.
Для работы ЖК-устройства существенна ориентация молекул ЖК относительно поверх-
ности пластин. Различают ориентации: гомеотропную (длинные оси молекул перпендику-
лярны плоскости пластин), гомогенную (длинные оси молекул параллельны некоторому об-
щему направлению в плоскости пластин), квазигомогенную (длинные оси молекул различ-
ных областей ЖК параллельны различным направлениям в плоскости пластин). При отсут-
ствии внешних полей ориентация молекул в ЖК-ячейке определяется ориентацией молекул,
находящихся вблизи поверхности стеклянных пластин, поэтому поверхностные свойства
внутренних плоскостей пластин имеют чрезвычайно важное значение для характеристик
ЖК-устройств. Специальная обработка поверхности пластин позволяет ориентировать по-
верхностные молекулы ЖК гомеотропно, гомогенно, квазигомогенно. Для .создания полу-
прозрачных проводящих покрытий, как правило, используют смесь SnO2 и 1п2О3.
Наибольшее распространение на практике получили два типа ЖК-ячеек: на основе эф-
фекта динамического рассеяния и твист-эффекта (рис. 8.2). На рисунках показано располо-
жение молекул при разных управляющих токах.
Рис. 8.2. Ячейка на основе динамического рассеяния (а);
ЖК-ячейка на основе твист-эффекта (б)
192
ГЛАВА8
8.1.2.	Ячейки на основе эффекта динамического рассеяния (ДР-ячейки)
Первоначальная «укладка молекул» может быть любой, но для лучшего контраста жела-
тельна гомеотропная. Используются НЖК с отрицательной ДА, поэтому при напряженно-
стях электрического поля меньше пороговой в объеме ЖК устанавливается гомогенная ори-
ентация (оптическая ось перпендикулярна к лучу света), а при напряженностях электриче-
ского поля больше пороговой — хаотическая, приводящая к рассеянию, которое сопровож-
дается деполяризацией света. Следовательно, если электроды на дальней от наблюдателя
пластине сделать зеркальными, а на ближней — полупрозрачными, то при напряженности
поля между электродами меньше пороговой ЖК будет прозрачным и зеркальные электроды
будут хорошо различимы (в отраженном свете). Если напряженность поля превысит поро-
говую, то ЖК станет мутным и зеркальные электроды не будут видны. Таким образом, соз-
дав на обоих пластинах систему электродов и меняя управляющее напряжение, на них мож-
но получить то или иное видимое изображение.
8.1.3.	Ячейки на основе твист-эффекта
Схематическое изображение работы ячейки на основе скручивающих нематических струк-
тур — СНС (твист-эффекта) представлено на рис. 8.2. «Укладки» молекул вблизи обеих
пластин гомогенные, причем направление ориентации на одной пластине составляет 90°
с направлением на другой. Вследствие этого в объеме ЖК возникает спиральная «укладка»
нематических плоских структур (всего четверть витка спирали), приводящая к тому, что
проходящий через ЖК плоско-поляризованный свет превращается в слабо эллиптически-
поляризованный свет, азимут которого поворачивается на 90°.
Используется НЖК с положительной ДА, поэтому при включении внешнего поля в объ-
еме ЖК начинает устанавливаться гомеотропная ориентация и при напряженностях, превы-
шающих пороговую, весь объем ЖК превращается в одноосный кристалл, в котором свет
распространяется вдоль оптической оси, т.е. эффект вращения плоскости поляризации про-
падает. Ячейки при таком эффекте, в отличие от эффекта динамического рассеяния, могут
работать только «на просвет», т.е. в проходящих лучах света. Если с обеих сторон от ячейки
поставить скрещенные поляризатор и анализатор, то при отсутствии управляющего напря-
жения на электродах свет свободно проходит через анализаторы, и данный участок
ЖК-ячейки будет светлым. Если включить напряжение, превышающее пороговое, то плос-
кость поляризации света не будет вращаться, свет через анализатор не пройдет, и этот уча-
сток ячейки будет темным.
Основными характеристиками ЖК-устройств являются оптические (контраст и пропус-
кание), электрооптические (зависимость контраста и пропускания от управляющего напря-
жения) и быстродействие.
Контраст и пропускание определяются как отношение интенсивностей света, выходя-
щего из ЖК-устройства в исходном и возбужденном состояниях ЖК-ячейки. Это отноше-
ние называется пропусканием, если наблюдение ведется навстречу входящему лучу,
и контрастом в остальных случаях. Для ДР-ячеек контраст составляет от 15 до 100, про-
пускание — 20 в расходящихся лучах и 2500 для лазерного излучения. Для ячеек на основе
твис-эффекта контраст и пропускание — (40... 100). Зависимость контраста и пропускания
от управляющего напряжения представлена на рис. 8.3.
ИНДИКАТОРНЫЕ ПРИБОРЫ
193
Рис. 8.3. Зависимость контраста и пропускания от управляющего напряжения:
1 — пропускание ячейки на основе твист-эффекта; 2 — контраст ДР-ячейки
Частота управляющего напряжения в ДР-ячейках ограничена сверху и снизу. Нижний
предел (5... 10 Гц) обусловлен необратимыми электролитическими процессами. Снижение
контраста при высоких частотах объясняется уменьшением времени ускорения ионов,
вследствие чего они не успевают приобретать энергию, необходимую для возникновения
турбулентных течений.
Ячейки на основе твист-эффекта могут работать и при постоянном напряжении, но
электролитические эффекты уменьшают срок службы до 2000 ч.
Верхний предел определяется частотой (10... 100) кГц, при которой Де становится рав-
ной нулю, а затем меняет знак.
Рис. 8.4. Характеристика быстродействия ЖК-ячеек
Однако вследствие роста емкостных токов с увеличением частоты верхнюю частоту
управляющего напряжения выбирают обычно в диапазоне от 1 до 10 кГц. При подаче
управляющего напряжения (рис. 8.4) наблюдается плавное изменение контраста, наступаю-
щее с некоторой задержкой, затем достигается плато и спад. Время задержки включения Г01
(реакции) пропорционально т]/(Де£2), а время выключения / ,0 (релаксации) пропорционально
Зс/2, где и — вязкость ЖК, Де — ДА; Е = U/d — напряженность поля; d— толщина ЖК. Вре-
мя Г01 и t'° тем короче, чем лучше выполнена первоначальная ориентация молекул.
7 - 3322
194
ГЛАВА8
8.1.4.	Основные типы и параметры ЖК-индикаторов
Как показано на рис. 8.5, принципиально ЖК-индикаторы состоят из двух плоскопараллель-
ных стеклянных пластин, между которыми находится слой жидких кристаллов толщиной
(12...20) мкм.
Рис. 8.5. Жидкокристаллический индикатор на эффекте динамического расстояния:
1 — прокладка; 2 — жидкие кристаллы; 3 — отражающее покрытие; 4 — заднее стекло;
5 — общий электрод; 6 — прозрачные электроды сегментов; 7 — переднее стекло
На одной из стеклянных пластин прозрачным токопроводящим покрытием нанесен ри-
сунок цифр, представляющий собой конфигурацию в виде сегментов, с помощью которых
можно воспроизвести цифры от 0 до 9. На другой пластине прозрачным токопроводящим
покрытием нанесен электрод, являющийся общим для цифр. Обе пластины покрытыми по-
верхностями обращены друг к другу.
Существуют индикаторы, работающие в отраженном («на отражении») и проходящем
(«просвет») свете. В первом случае на заднее стекло индикатора наносится отражающий
слой, во втором — за индикатором должен быть использован дополнительный источник
света.
При подаче управляющего напряжения жидкие кристаллы в зоне действия электриче-
ского поля теряют прозрачность, и если задняя отражающая поверхность белая, то наблю-
датель видит темную цифру на светлом фоне. Если задний отражатель имеет черный цвет и
внутренние поверхности корпуса индикатора также зачернены, то матово-светлое изобра-
жение цифр будет хорощо заметно на черном фоне.
При работе индикатора на просвет изображение цифр более темное, чем фон. Если при
этом мощность установленного источника света составляет 0,5 Вт, то яркость ЖК-индика-
тора становится сравнимой с яркостью газоразрядного или светодиодного индикатора, ис-
пользуемого в условиях обычной освещенности.
Выводы от сегментов выполнены в виде износостойких токопроводящих дорожек на
стекле. Соединение выводов индикатора с элементами схемы управления осуществляется
с помощью разъема.
Другим принципом, используемым для создания ЖК-индикаторов, является эффект
вращения плоскости поляризации поляризованного света слоем жидких кристаллов, исче-
зающий под действием электрического поля (твист-эффект). Индикаторы, работающие
на этом принципе, получают, помещая капельку жидких кристаллов между двумя скрещен-
ИНДИКАТОРНЫЕ ПРИБОРЫ
195
ними поляроидными пластинами. Капелька растекается между ними в виде тонкой пленки.
Сами скрещенные поляроиды имеют взаимно перпендикулярные плоскости поляризации
света и поэтому являются совершенно непрозрачными. Но если между этими пластинами
имеется слой неметаллических жидких кристаллов, которые в результате технологической
обработки приобрели свойство вращения плоскости поляризации проходящего света на 90°,
то вся эта оптическая система получается прозрачной (рис. 8.6).
Рис. 8.6. Жидкокристаллический индикатор, основанный на эффекте
вращения плоскости поляризации слоем жидких кристаллов (твист-эффект):
1 — стеклянная ячейка; 2 — отражающее покрытие; 3 — поляроидная пластина
с вертикальной плоскостью поляризации; 4 — жидкие кристаллы; 5— прокладка;
6 — прозрачные электроды; 7 — поляроидная пластина с горизонтальной плоскостью поляризации
При приложении электрического поля все молекулы жидких кристаллов ориентируются
вдоль поля и эффект вращения плоскости поляризации исчезает. В результате через систе-
му, показанную на рис. 8.7, а, пропускание света прекращается.
а
Рис. 8.7. ЖКИ, работающий по принципу,
а — пропускания света; б — отражения света;
1 — стеклянная пластина; 2— прозрачный электрод; 3— изоляционная прокладка;
4 — прозрачный электрод; 5 — слой ЖК; 6 — вывод
7
195
ГЛАВА 8
Если возбуждается не весь слой жидких кристаллов, а определенные участки в виде
символа или цифры, то изображение данного символа (цифры) будет темным в проходящем
свете по сравнению с невозбужденной областью (фоном). Этот принцип получения индика-
ции является более прогрессивным, так как дает значительный выигрыш в мощности по-
требления и позволяет получать более высокий контраст. В большинстве серийно выпускае-
мых типов ЖК-индикаторов использован данный принцип.
Возбуждение ЖК-слоя в индикаторах осуществляется переменным напряжением сину-
соидальной формы или формы типа «меавдр», с эффективным значением (в зависимости от
типа) от 2,7 до 30 В и частотой (30... 1000) Гц. Постоянная составляющая напряжения не до-
пускается из-за появления электролитического эффекта, что ведет к резкому сокращению
срока службы индикатора.
К основным параметрам ЖК-индикаторов относятся:
-	контраст знака по отношению к фону К — отношение разности коэффициента ярко-
сти фона и знака индикатора к коэффициенту яркости фона, выраженное в процентах;
-	ток потребления /пот — среднее значение переменного тока, протекающего через ин-
дикатор (сегмент) при приложении к нему номинального напряжения управления ра-
бочей частоты;
-	напряжение управления Ц,пр — номинальное значение эффективного переменного на-
пряжения, приложенного к сегментам индикатора;
-	рабочая частота напряжения управления/ра6;
-	минимальное напряжение управления [/ynpmin — минимальное значение эффективного
переменного напряжения, приложенного к сегментам индикатора, при котором обес-
печивается заданный контраст знака по отношению к фону;
-	максимально допустимое напряжение управления {7уПршах — максимальное значение
эффективного переменного напряжения, приложенного к сегментам индикатора, при
котором обеспечивается заданная надежность индикатора при длительной работе;
-	время реакции тртак — интервал времени при включении, в течение которого ток по-
требления увеличивается до 0,8 максимального значения;
-	время релаксации — интервал времени при выключении, в течение которого ток
потребления снижается до 0,2 максимального значения.
Важнейшей характеристикой цифро-знакового ЖК-индикатора как прибора отображе-
ния информации является зависимость контраста знака от напряжения управления. С уве-
личения напряжения контраст круто растет до порогового значения, после чего увеличе-
ния контраста с увеличением t/ynp практически не происходит. Значение С7упр min выбирает-
ся на пологом участке кривой вблизи порога. Отметим, что контраст знака индикатора
представляет собой функцию эффективного значения (7упр и практически не зависит от
его формы.
Жидкокристаллический индикатор как элемент электрической цепи эквивалентен кон-
денсатору. Вследствие этого вольт-амперная характеристика I^m =f(Uynp) прн номинальной
частоте управляющего напряжения близка к линейной, а частотная характеристика
/пот ~ ф(/раб) имеет вид монотонно возрастающей кривой. Постоянная составляющая управ-
ляющего напряжения не должна превышать 1 % эффективного значения.
Важная особенность ЖК-индикатора — низкий ток потребления, составляющий единицы
или сотни микроампер (в зависимости от принципа работы). В интервале рабочих температур
(1...50°С) ток потребления несколько увеличивается с ростом температуры. ЖК-индикатор
имеет низкое быстродействие, связанное с инерционными процессами перестройки струк-
тур органических кристаллов. Быстродействие существенно зависит от температуры. В зоне
температур, близких к нижнему пределу, быстродействие резко падает.
ИНДИКАТОРНЫЕ ПРИБОРЫ
197
Система обозначений ЖК-индикаторов содержит несколько букв и цифр. Сочетание
ИЖК обозначает: индикатор жидкокристаллический. Четвертый элемент обозначения: бук-
ва Ц обозначает — цифровой, а С — символьный. Пятый элемент — цифра, указывающая
номер разработки. Цифра после дефиса указывает число разрядов индикатора, а число через
косую дробную черту соответствует высоте в миллиметрах цифры (символа) в разряде.
Приборы, разработанные до введения описанной системы, обозначены иначе. Напри-
мер, наименование ЦИЖ-5 расшифровывается следующим образом: цифровой индикатор
жидкокристаллический, номер разработки 5, а ИЖК-2 — индикатор жидкокристалличе-
ский, номер разработки 2.
Основные параметры жидкокристаллических индикаторов сведены в табл. 8.1.
Таблица 8.1. Основные параметры ЖК-индикаторов
Тип	Принцип действия	Область применения	Число разря- дов	Основные параметры			
				Контраст знака, %	Ток по- требле- ния, мкА	Напряже- ние управ- ления, В	Высота цифры, мм
ИЖКЦ-1-1/18	Твист-эффект	Отображение циф- ровой информации в устройствах пневмоавтоматики	1	83,3	7	7	18
ЦИЖЗ-1 ЦИЖЗ-2	Динамическое рассеяние	То же	1	90	200	20	35
ЦИЖ-8	То же	Отображение информации на табло группового пользования	1	90	1500	24	40
ЦИЖ-6	Твист-эффект	Отображение цифровой инфор- мации в малогаба- ритных приборах точного времени	4	83,3	1	4,5	3
ЦИЖ-2		То же	4	83,3	1,5	4,5	4,5
ИЖКЦ2-4/5 ИЖКЦЗ-4/5	- »-	- » —	4	83,3	1	2,7	5
ИЖКЦ-4/3		Отображение информации на табло группового пользования	4	83,3	0,8	2,7	3,2
ИЖКЦ1-4/16	Динамическое рассеяние	Отображение цифровой инфор- мации в настоль- ных электронных часах и измери- тельных приборах	4	90	2000	24	16
ИЖКЦ1-4/18	Твист-эффект	Отображение цифровой инфор- мации электрон- ной аппаратуры	4	87,5	100	7	18
198
ГЛАВА 8
Окончание таблицы 8.1
Тип	Принцип действия	Область применения	Число разря- дов	Основные параметры			
				Контраст знака, %	Ток по- требле- ния, мкА	Напряже- ние управ- ления, В	Высота цифры, мм
ИЖКЦ1-4/24 ИЖКЦ2-4/24	Твист-эффект	Отображение цифровой инфор- мации в электрон- ных настольных часах	4	80	9,5...25	3	24
ИЖКЦ1-6/17 ИЖКЦ2-6/17	То же	Отображение цифровой инфор- мации в электрон- ных приборах точного времени	6	90	45	6	16,6
ИЖКЦЗ-6/17 ИЖКЦ4-6/17	— » —	Отображение ин- формации в ра- диоприемных уст- ройствах	6	90	70	9	17
ЦИЖ-5	Динамическое рассеяние	Отображение цифровой инфор- мации в электрон- ных приборах точного времени	6	90	60	15	16
ЦИЖ-9	Твист-эффект	Отображение ин- формации в мало- габаритных при- борах точного времени	6	83	2	2,7	5 \
ИЖКЦ1-8/5	То же	Индикация в мик- рокалькуляторах	9	83,5	8	9	5
ЦИЖ-4 ЦИЖ-4-1	Динамическое рассеяние	Отображение цифровой инфор- мации в приборах с автономным пи- танием	9	90	100	20	6
Использование ЖК-индикаторов в радиоэлектронной аппаратуре стимулируется рядом
факторов: низкими токами потребления и напряжениями управления, совместимостью ра-
боты с интегральными микросхемами, низкой стоимостью. К возможным областям их при-
менения относятся: индикаторные устройства измерительной аппаратуры, электронные ча-
сы и микрокалькуляторы, информационные панели и указатели. Весьма сложным аспектом
применения ЖК-приборов являются средства управления (особенно это относится к много-
разрядным индикаторам).
ИНДИКАТОРНЫЕ ПРИБОРЫ
199
8.1.5.	Схемы включения жидкокристаллических индикаторов
На рис. 8.8, а показана схема возбуждения сегментов сигналом переменного напряжения
[18]. Устройство состоит из двух логических схем И с двумя входами DD2, DD3, инвертора
DD1 и ключа-формирователя на транзисторе VT. На коллектор транзистора подается напря-
жение, равное двойной амплитуде номинального переменного напряжения возбуждения
данного жидкокристаллического индикатора.
С транзистора VT на сегмент индикатора снимается однополярное переменное напряже-
ние прямоугольной формы амплитудой 40 В. Для исключения постоянной составляющей
импульсного питающего напряжения (она недопустима из физических условий работы жид-
ких кристаллов) к общему электроду прикладывается постоянное напряжение 20 В.
DD2
а
DD2
Г= 15-20 Гц
б
Рис. 8.8. Схема возбуждения сегментов ЖК-индикатора:
а — переменным напряжением различной частоты;
б — по методу сдвига фаз управляющего напряжения
200
ГЛАВА 8
На вход DD2 подается напряжение возбуждения с частотой^ = (30...50) Гц, а на вход
DD3 — напряжение гашения с частотой/г = (1О...4О) кГц. При низком логическом уровне
управляющего сигнала открывается DD2, и транзистор работает в импульсном режиме
с частотой, соответствующей частоте возбуждения ЖК-сегмента. Управляющий сигнал
с высоким логическим уровнем, поступающий с дешифратора на управляющий вход, от-
крывает DD3. В результате устройство формирует напряжение повышенной частоты, на ко-
торую ЖК-сегмент не реагирует. С учетом того, что устройство управления должно быть
соизмеримо по потребляемой мощности с ЖК-индикатором, все логические схемы выпол-
нены на основе КМДП-структур.
Кроме описанного, используется также другой тип устройства возбуждения ЖК-инди-
каторов (рис. 8.8, б). На входе логических схем DD2 и £>03 от внешнего генератора подают-
ся импульсные напряжения с частотой fB = (15...20) Гц, сдвинутые по фазе относительно
друг друга на 180°. В зависимости от уровня управляющего сигнала на сегмент индикатора
через ключ-формирователь (транзистор КП) прикладывается напряжение прямоугольной
формы, прямое либо сдвинутое по фазе. На общий электрод индикатора через другой ключ-
формирователь (транзистор К72) постоянно подается сигнал одной фазы.
При совпадении фаз на электродах сегмента последний не возбуждается, при различии
фаз происходит возбуждение сегмента. Отметим, что фазовый способ управления позволяет
уменьшить напряжение питания индикатора в два раза.
При использовании многоразрядных индикаторов требуется большое число внешних
соединений, необходимых для управления сегментов. Это заставляет прибегнуть к созда-
нию мультиплексорного управления. На рис. 8.9 показан принцип управления четырехраз-
рядным индикатором с разделенными общими электродами для каждого разряда, который
заключается в объединении идентичных сегментов по всем разрядам и последовательной
адресацией данных в соответствующие разряды. Процесс отображения четырехразрядного
числа осуществляется по тактам. В каждом такте переменное управляющее напряжение
прикладывается к шине управления сегментов и к линии общего электрода того разряда, ко-
торый возбуждается в данном тракте. Благодаря большому времени релаксации жидких
кристаллов, цифры разрядов в период между тактами возбуждения продолжают читаться
без приложения напряжения.
Рис. 8.9. Схема соединений сегментов при мультиплексном управлении
многоразрядными цифровыми ЖК-индикаторами
Штриховыми линиями выделены отдельные разряды индикаторов
ИНДИКАТОРНЫЕ ПРИБОРЫ
201
8.1.6.	Схемы управления многоразрядными индикаторами
Рассмотрим принцип и схемы управления многоразрядными цифровыми индикаторами,
имеющими восемь разрядов и более. Такие индикаторы необходимы в электронных кальку-
ляторах и измерительных приборах для работы с многозначными числами. Каждый разряд
индикатора состоит из семи сегментов, позволяющих набрать любую цифру, и восьмого
сегмента (точки) для обозначения порядка многозначного числа. Для индикации необходи-
мой цифры достаточно между выводами сегментов, составляющих данную цифру, и общим
выводом индикатора приложить соответствующие данному типу индикатора управляющие
напряжения. Рассмотрим, каким образом можно подать управляющее напряжение в случае
многоразрядных (например, восьмиразрядных) индикаторов.
Возможны два режима работы: непрерывный и мультиплексный (или метод стробирова-
ния). В обоих случаях информация, выводимая на индикатор, хранится в виде двоичных ко-
дов, знаков, чисел в запоминающих устройствах или регистрах. Например, для рассматри-
ваемого случая каждый знак числа представлен трехразрядным кодом (23 = 8), а все восьми-
значное число храниться в 24-разрядном регистре (24 = 3x8). Непрерывный режим работы
индикаторов осуществляется по схеме, представленной на рис. 8.10.
Рис. 8.10. Схема управления знаковыми индикаторами в непрерывном режиме:
Дш — дешифратор; БУ — буфеные устройства; И — индикатор
Код каждого разряда индикатора поступает на соответствующий дешифратор Дш. Вы-
ходные сигналы дешифратора логически являются управляющими сигналами соответст-
вующих знаков индикатора, однако по своим электрическим параметрам они могут не соот-
ветствовать требуемым уровням тока или напряжения. Поэтому после дешифратора стоит
буферное устройство БУ, преобразующее выходные напряжения дешифратора до уровня,
необходимого для управления индикатором.
С буферного устройства сигнал поступает непосредственно на индикатор И. Функции
буферного устройства может выполнять и дешифратор, если его выходные сигналы пригод-
ны для управления индикатором. Для ЖК-индикаторов подходят дешифраторы, выполнен-
ные на МДП-транзисторах.
202
ГЛАВА 8
Недостатками непрерывного режима работы являются необходимость большого чис-
ла выводов к многоразрядным индикаторам (для восьмиразрядного — 65 выводов), большо-
го числа дешифраторов и буферных устройств. Кроме того, поскольку все разряды индика-
тора действуют одновременно, то потребляется большая мощность (особенно для светоди-
одных индикаторов).
Этих недостатков лишен мультиплексный режим работы индикаторов, основанный на
свойстве инерционности человеческого глаза. Он заключается в следующем. Все разряды
индикатора опрашиваются не одновременно, а поочередно с достаточно высокой частотой.
Так как глаз обладает инерционностью 1/30... 1/40 с, то при частоте f> 50 Гц человек будет
воспринимать все знаки светящимися одновременно.
Схема, реализующая мультиплексный режим, показана на рис. 8.11. В этой схеме за-
дающий генератор запускает трехразрядный счетчик, управляющий коммутаторами и клю-
чами (К), подключенными к сегментам индикатора.
Рис. 8.11. Схема управления знаковыми индикаторами
для работы в мультиплексном режиме:
СЧ — счетчик; К — ключ; Дш — дешифратор; БУ — буферное устройство;
И — индикатор; ЗГ — задающий генератор
В каждом состоянии счетчика коммутатор соединяет с дешифратором те разряды запо-
минающего регистра, которые содержат код знака с номером, равным номеру состояния
счетчика. Одновременно открывается ключ к этому знаку, и данный знак оказывается в те-
чение этого такта под действием тех же управляющих сигналов, что и в непрерывном режи-
ИНДИКАТОРНЫЕ ПРИБОРЫ
203
ме. Общие выводы остальных знаков в это время отключены от управляющей схемы, поэто-
му в данном такте будет светиться следующий знак и т.д. Для получения такой же средней
яркости свечения (для световых индикаторов), как и в случае непрерывного режима, необ-
ходимо, чтобы амплитуда импульса тока равнялась среднему току в непрерывном режиме,
умноженному на число знаков индикатора. Поскольку для светодиодов пиковый ток может
превышать среднее значение приблизительно в 20 раз, то таким методом можно управлять
индикаторными панелями на светодиодах, содержащих до 20 разрядов.
Более сложная схема по сравнению с непрерывным режимом оправдывается для много-
разрядных индикаторов существенным сокращением количества внешних выводов с инди-
каторов (для восьмиразрядного индикатора с 65 до 16, а для больших индикаторов выиг-
рыш будет еще больше) и сокращением количества обслуживающих схем (дешифраторов и
буферных устройств), которых здесь требуется всего по одной, независимо от количества
разрядов индикатора.
8.2.	Электролюминесцентные индикаторы
8.2.1.	Устройство и принцип действия
Электролюминесцентный индикатор (рис. 8.12) представляет собой плоский конденсатор,
одной из обкладок которого является сплошной прозрачный электрод, а другой — электри-
чески разделенные металлические площадки (мозаичный электрод).
Рис. 8.12. Устройство электролюминесцентного индикатора:
1 — стекло; 2— прозрачный электрод; 3— изолирующая пленка;
4— слой люминофора; 5—металлический электрод; 6—пластмассовый корпус
Между электродами размещается тонкопленочная структура из люминесцентного по-
рошка, приготовленного на основе сульфида цинка, легированного специальными активато-
рами. При приложении к электродам индикатора переменного напряжения в слое люминес-
центного порошка возникает световое излучение. В зависимости от примененного активатора
получаются разные цвета свечения: зеленый, желтый, голубой, красный. Технологически
для получения индикатора используют стеклянную подложку, на которую методом элек-
тронно-лучевого испарения в вакууме наносится рабочая пленка люминесцентного порош-
ка, заключенная между двумя изолирующими слоями, например пленками оксида иттрия.
204
ГЛАВА8
Передний электрод выполняется прозрачным, задний — из непрозрачной алюминиевой
пленки заданной конфигурации.
Напыление алюминиевых сегментов и контактных площадок осуществляется испарени-
ем металла в вакууме с помощью специального трафарета. Для создания сложных рисунков
используется метод фотолитографии. Электролюминесцентные индикаторы возбуждаются
переменным напряжением синусоидальной или прямоугольной формы с эффективным зна-
чением до 250 В и частотой от 400 Гц до 5 кГц.
8.2.2.	Типы и параметры
Электролюминесцентные индикаторы могут применяться как информационное табло и све-
товые указатели (особенно больших форматов), плоские источники рассеянного света. Их
несомненные преимущества: низкая потребляемая мощность, получение всех цветов све-
чения, низкая себестоимость.
Имеются перспективы создания электролюминесцентного телевизионного экрана. В от-
личие от электронно-лучевой трубки электролюминесцентный экран имеет плоскую конст-
рукцию и более простое управление, не требует высокого напряжения, а также обладает
полным набором цветового спектра.
В настоящее время наиболее оправдано применение электролюминесцентных индика-
торов (ЭЛИ) в крупногабаритных многоцветных системах отображения информации груп-
пового пользования. Например, индикатор типа ЗЭЛ2 предназначен для использования
в виде отдельных панелей в сборных многоцветных крупноформатных мнемосхемах для
отображения состояния сложных систем.
Индикатор ЗЭЛ1 предназначен для отображения информации, в том числе для индика-
ции положения объекта на рабочем поле из 133 светящихся строк.
Особенность ЭЛИ — необходимость коммутировать переменное напряжение 220 В.
Данные об ЭЛИ сведены в табл. 8.2.
Таблица 8.2. Основные данные электролюминесцентных индикаторов
Тип	Функциональные возможности	Область применения	Основные параметры	
			Яркость, кд/м2	Напряжение возбуждения, В
ИТЭЛ1 ИТЭЛ2 итэлз	Одноэлементные ЭЛИ	Крупногабаритные пульты, экраны, табло	10...30	220
3 ЭЛ-41 3 ЭЛ-42	Многоэлементные ЭЛИ. Число элементов — 35	Устройства индикации	20	220
ЗЭЛ1	Многоэлементные ЭЛИ. Число элементов в виде светя- щихся зеленых полосок —133	То же	25	220
И ЭМ1-16ОМ ИЭМ1-20ОМ И ЭМ2-20ОМ ИЭМ2-16ОМ	Мнемонические ЭЛИ различного цвета свечения	Отображение информации на мне- монических схемах и пультах	10...25	220
ИНДИКАТОРНЫЕ ПРИБОРЫ
205
8.2.3.	Схемы включения электролюминесцентных индикаторов
В схеме, изображенной на рис. 8.13, а, роль коммутирующего элемента выполняет транзи-
стор. При отсутствии сигнала на базе транзистор VT заперт, ток через первичную обмотку
трансформатора не протекает, индикатор не возбужден. При подаче на базу транзистора
сигнала с частотой 40 Гц на вторичной обмотке повышающего трансформатора появляется
переменное напряжение с эффективным значением около 220 В.
В схеме на рис. 8.13,6 при поступлении положительного сигнала на управляющий
электрод коммутационный тиристор переходит в проводящее состояние. Особенностью
тиристора данного типа является его двунаправленная проводимость. После того, как тиристор
открылся, все рабочее напряжение внешнего питающего генератора прикладывается к соот-
ветствующему сегменту индикатора.
Схема применения более мощного симметричного тиристора типа КУ208Г для комму-
тации ЭЛИ представлена на рис. 8.14.
Входной сигнал, поступающий на базу транзистора К£>1, формирует на коллекторе от-
рицательный импульс, который, проходя через диод ГО2 на управляющий электрод сим-
метричного тиристора KD3, открывает его. При этом загорается соответствующий сегмент
или знак индикатора. Для устранения засветки индикатора от токов утечки симметричного
тиристора параллельно сегментам включается шунтирующий резистор /?ш. Перспективным
прибором для коммутации ЭЛИ является резистивный оптрон, который обладает высокой
надежностью, простотой управления, практически исключает паразитную засветку сегмен-
тов индикатора.
Управление матричными ЭЛИ с построчной адресацией имеет свои особенности.
Структурная схема управления для индикатора с организацией «семь строк на пять столб-
цов» показана на рис. 8.15.
206
ГЛАВА8
—о
~220 В
400 Гц
Рис. 8.14. Схема коммутации сегмента с большой светящейся площадью
Рис. 8.15. Структурная схема управления
матричным электролюминесцентным индикатором
Все сегменты матрицы связаны с источником питания: построчно через управляющие
элементы УЭ1-УЭ7, а по столбцам — через УЭ1-УЭ5. Схема содержит коммутатор строк
и два регистра, связанных со столбцами индикатора. Входная информация, соответствующая
состоянию первой строки, в виде двоичного пятиразрядного числа поступает на входной
регистр. Затем на регистры и коммутатор подаются два установочных импульса, первый из
ИНДИКАТОРНЫЕ ПРИБОРЫ
207
которых приводит в исходное состояние (обнуляет), а второй дает команду передачи ин-
формации из входного регистра в выходной и одновременно выдает сигнал коммутатору на
включение управляющего элемента первой строки матрицы.
В это время во входной регистр вводится новый двоичный код, соответствующий со-
стоянию возбуждения второй строки, и процесс повторения. Работая в таком режиме, инди-
катор может отображать непрерывно меняющуюся информацию.
8.3.	Плазменные панели и устройства на их основе
Перспективными устройствами отображения информации являются плазменные панели,
объем продаж которых к 2005 г. достиг 90 млрд долл. США [37].
К основным достоинствам плазменных панелей относятся:
-	отсутствие вредного воздействия на организм человека;
-	большой угол обзора (до 160°);
-	малое время готовности;
-	большой срок службы;
-	высокая надежность, механическая, климатическая устойчивость.
Плазменные панели используются в телевизионных видеомодулях, мониторах специ-
ального применения, экранах коллективного пользования и других системах.
Одна из первых разработок телевизионного модуля содержала плазменную панель
с диагональю 40 дюймов и обеспечивала яркость 300 кд/м2. Конструкция ячейки индикации
телевизионного модуля показана на рис. 8.16, структура индикаторной ячейки —
на рис. 8.17, а временная диаграмма импульсов — на рис. 8.18.
Рис. 8.16. Модель ячейки индикации телевизионного модуля:
Yj— выборочный; S1-S2 — общие электроды; BS — контрастная полоса
Рис. 8.17. Структура индикаторной ячейки
208
ГЛАВА8
-AJi------
" п__мт
sn пппп
Ч.....ЛЛ] L
Рис. 8.18. Временная диаграмма импульсных напряжений телевизионного модуля
На основе плазменных панелей создаются цветные мониторы с числом элементов
от 128x128 до 1024x1024 с шагом их расположения 0,7...0,28 мм. Параметры мониторов
оранжево-красного и зеленого цветов свечения приведены в табл. 8.3.
Таблица 8.3. Параметры мониторов оранжево-красного и зеленого цветов свечения
Наименование параметра, единица измерения	Значение параметра монитора	
	оранжево-красного цвета свечения	зеленого цвета свечения
Информационная емкость, пиксель	640x480	640x480
Яркость свечения, кд/м2	35	200
Размер элемента отображения, мм	0,28	0,42
Размер рабочего поля по диагонали, дюйм	10	14
Читаемость информации при освещенности, лк	30 000	75 000
Потребляемая мощность при 20% засветке, Вт, не более	12	30
Габаритные размеры (без блока питания), мм	240x195x90	320x256x105
Присоединительные размеры (винты М5 с лицевой стороны монитора), мм	266x181	320x265
Температурный диапазон эксплуатации мониторов, °C	-40...+55	-40...+55
Современные плазменные панели содержат 1024x1024 триад элементов, а мониторы на
их основе обеспечивают яркость до 500 кд/м2 и контраст до 500:1.
ИНДИКАТОРНЫЕ ПРИБОРЫ
209
Принципиально новым видом панелей для экранов коллективного пользования (ЭКП)
являются плазменные панели переменного тока. Они могут эффективно использоваться для
отображения компьютерной и телевизионной информации. По сравнению с ЭКП на панелях
постоянного тока новые панели имеют в пять-шесть раз большую яркость без увеличения
потребляемой мощности, экологически безвредны (в составе газового наполнения панелей
отсутствует ртуть), способны отображать до 256 градаций по каждому цвету. Как и ЭКП, на
панелях постоянного тока они имеют малый вес (40 кг/м2) и толщину (до 8 см), широкий
угол обзора (до 140°), высокую надежность в эксплуатации, простоту обслуживания.
Последовательность импульсов, изображенных на временной диаграмме (см. рис. 8.18)
образует одно субполе кадра и включает режимы инициализация (подготовительного обще-
го стирания, общего зажигания и общего стирания), адресации (селективной записи), подго-
товки индикации и самой индикации.
Режим подготовительного общего стирания осуществляется для создания во всех ин-
дикаторных ячейках одинакового состояния перед режимом общего зажигания путем фор-
мирования на всех электродах напряжения нулевого уровня в течение времени, равного
длительности процесса деионизации разряда.
Режим общего зажигания заключается в возбуждении разрядов между электродами У и
S3. Для этого на электродах Y формируют положительный импульс с амплитудой Ur, а на
электроде S3 — импульс отрицательной полярности с амплитудой, которая не превышает
UY. Формирование двух следующих друг за другом импульсов общей записи на электродах
К и S3 позволяет расширить диапазон управления, но приводит к уменьшению собственного
яркостного контраста.
Режим общего стирания реализуется сразу после режима общего зажигания и его про-
цесс аналогичен режиму подготовительного общего стирания. В режиме общего стирания
все индикаторные ячейки газоразрядной индикаторной панели (ГИП) переводятся в «вы-
ключенное» состояние, т.е. такое, при котором последующая подача импульсов поддержки
на электроды ГИП не приведет к возникновению разрядов и свечению каких-либо ячеек.
Режим общего стирания создает оптимальные условия для процесса селективной записи ин-
дикаторных ячеек в режиме адресации.
Режим адресации (селективной записи) обеспечивает перевод адресуемых (выбранных)
индикаторных ячеек ГИП в состояние «включено», т.е. такое, при котором подача на элек-
троды Y, S3 и S2 импульсов поддержки в режиме подготовки индикации приведет к возбуж-
дению разрядов в этих ячейках, а последующая подача импульсов поддержки на электроды
S3, S2 и S1 — к свечению этих ячеек в течение времени индикации.
Селективная запись в адресуемых ячейках производится с участием электродов управ-
ления X. На индикаторных электродах Y устанавливают уровень напряжения «полки» UY,
а на электродах S3, S2 и S1 — нулевой уровень напряжения. На электродах Y последова-
тельно от И до К480 формируются импульсы сканирования отрицательной полярности
с амплитудой С/ск, суммирующиеся с напряжением - UY (адресация строк). На выбранных
в соответствии с выходными данными электродах X устанавливается уровень напряжения
1)х, а на остальных электродах X — низкий уровень напряжения. При этом в адресуемой
строке Yj инициируется разряд в ячейках с высоким уровнем напряжения Ux, который вызы-
вает разряд между электродами Y и X, переводя данные ячейки в состояние «включено».
Режим подготовки индикации стабилизирует процесс разряда между К и S3 путем
подачи на электроды Y импульса положительной полярности с длительностью не менее вре-
мени деионизации разряда. Последующая подача на электроды S3 и S2 противофазных им-
пульсов поддержки обеспечивает стабилизацию разряда между электродами S3 и S2 перед
режимом индикации.
8 - 3322
210
ГЛАВА 8
В режиме индикации на электроды S3, S2 поступают синфазные импульсы поддержки,
а на электроды S1 подаются противофазные к ним импульсы поддержания разряда с ампли-
тудой Ur. При этом на электродах Xустанавливают уровень напряжения Ux. Серия разрядов с
интенсивным свечением продолжается до окончания режима индикации и перевода ячеек в
«выключенное» состояние импульсом общего стирания видеомодулей на сорокадюймовых
ГИП имеют следующие основные параметры:
Информационная емкость, пиксель..............................853x480
Шаг расположения пикселей, мм................................1,05
Яркость, кд/м2...............................................400-450
Контраст.....................................................300:1
Потребляемая мощность, Вт....................................300
8.4.	Электрохромные индикаторы
К этому классу относятся индикаторы, в которых наложение внешнего электрического поля
приводит к изменению цвета активного материала, В качестве веществ, меняющих свой
цвет, могут использоваться триоксид вольфрама (WO3), иридиево-оксидные пленки, рад
других неорганических оксидов. Кроме того, в этих целях могут использоваться и некото-
рые органические вещества — виологены, биперилловые соли, некоторые жидкие кристал-
лы. Схематическое изображение электрохромного индикатора представлено на рис. 8.19.
Слой WO3 толщиной 0,1... 1 мкм создается на стеклянной подложке — он наноситься на
прозрачный электрод (пленку 1п2О3 толщиной 0,1...0,2 мкм), например путем термического
напыления. Поверх активного слоя напыляют слой диэлектрика (например, SiO2 толщиной
0,05 мкм) и затем — пленочный электрод (золото, толщина пленки 0,01 мкм).
Если на прозрачный электрод такой ячейки подается отрицательный потенциал, из не-
го в слой WO3 будут инжектироваться электроны. В результате на катоде происходят ре-
акции образования вольфрамовой бронзы, и в активном слое возникают центры окраши-
вания; цвет пленки становится синим. Реакция образования вольфрамовой бронзы обрати-
ма; при перемене полярности питающего напряжения индикатор восстанавливает началь-
ный цвет (инжекции электронов из пленки золота препятствует слой SiO2). Рабочее на-
пряжение подобных индикаторов составляет доли вольт, контраст 2:1 достигается при-
мерно за секунду.
Важной особенностью электрохромного индикатора является наличие памяти; окраска
активного слоя может сохраняться в течение многих часов до тех пор, пока не будет подан
импульс стирающего напряжения противоположной полярности. Заряд, требуемый для из-
менения цвета индикатора, оказывается очень малым (до 5 мКл/см2). Таким образом, при-
боры этого типа еще более экономичны, чем жидкокристаллические.
Основные недостатки электрохромных индикаторов: инерционность (время переклю-
чения может достигать 1 с) и недостаточная долговечность. Они выдерживают не более
1-Ю7 переключений, а это означает, что если их использовать, например, в часах для высве-
чивания секундной цифры, то их срок службы составит не более 3000 ч. Быстродействие
можно увеличить, используя в качестве активного материала не твердое вещество, а жид-
кость, однако срок службы при этом еще больше снижается (внутри ячейки могут происхо-
дить неконтролируемые химические реакции); слабее в последнем случае оказывается вы-
ражен и эффект памяти.
ИНДИКАТОРНЫЕ ПРИБОРЫ
211
Рис. 8.19. Устройство твердотельного электрохромного индикатора:
1 — стеклянная пластина; 2 — прозрачный электрод; 3 — слой аморфного WO3;
4 — слой диэлектрика; 5 — электрод
В целом, однако, электрохромные индикаторы вполне пригодны для высвечивания мед-
ленно меняющейся информации, когда отчетливее выявляются их достоинства — эконо-
мичность и высокий (не хуже, чем у ЖКИ) контраст. Температурный же диапазон работы
электрохромных индикаторов даже более широк (от-20 до +70 °C), вдобавок информация
может считываться при больших углах обзора, чем с жидкокристаллических.
Параметры основных типов оптоэлектронных индикаторов приведены в табл. 8.4.
Таблица 8.4. Параметры оптоэлектронных индикаторов
Тип индикатора	Яркость, кд/м2	Цвет сечения	Время переклю- чения, с	Управляю- щее напря- жение, В	Расходуемая мощность на знак, мВт	Угол обзора, град.
Активные						
Вакуумные накальные	500...20000	Желтый Синий	10-2...10"'	5	50... 1000	±60
Вакуумные люминесцентные	30... 1000	Зеленый Желтый Красный	10’3	50...70	100	±45
Газоразрядные	50...900	Зеленый Желтый Красный	1оЛ..кг3	70...300	30...500	±45
Светодиодные	10...400	Красный Голубой	юЛ.ло-6	0,5...10	10...700	±50
Электролюминес- центные	10...70	Зеленый Желтый Красный	ю2	115...220	5	±80
Пассивные						
Жидкокристалли- ческие	-	-	10ч	3...30	Ю’.-.Ю’1	±30
Электрохромные	-	-	юЛ.,1	0,1...1,0	10 ’ - 10"1	±60
8*
212
ГЛАВА8
Тесты
8.1.	На каком явлении основан принцип действия ЖКИ с динамическим рассеянием:
а)	рассеяние электронов;
б)	рассеяние дырок;
в)	на основе ионов;
г)	рассеяние фотонов?
8.2.	На каком явлении основан принцип действия
ЖКИ с твист-эффектом:
а)	рассеяние электронов;
б)	рассеяние дырок;
в)	на основе ионов;
г)	рассеяние фотонов?
8.3.	Определите, чему соответствует элемент ЖКИ с
динамическим рассеянием, указывающий на
прокладку (рис. 1).
8.4.	Определите, чему соответствует элемент ЖКИ с
динамическим рассеянием, указывающий на
жидкие кристаллы (см. рис. 1).
8.5.	Используя рис. 2, в устройстве электролюминес-
центного индикатора укажите номер, который
указывает на электроды.
8.6.	Используя рис. 2, в устройстве электролюминес-
центного индикатора укажите номер, который
указывает на прозрачный электрод.
8.7.	Используя рис. 2, в устройстве электролюминес-
центного индикатора укажите номер, который
указывает на изолирующую пленку.
8.8.	Используя рис. 2, в устройстве электролюминес-
центного индикатора укажите номер, который
указывает на слой люминофора.
8.9.	Используя рис. 2, в устройстве электролюминес-
центного индикатора укажите номер, который
указывает на металлический электрод.
8.10.	Используя рис. 2, в устройстве электролюми-
несцентного индикатора укажите номер, кото-
рый указывает на пластмассовый корпус.
Глава 9
ПРИМЕНЕНИЕ ОПТОЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ
9.1.	Устройство и принцип действия оптоэлектронных
генераторов
9.1.1.	Блокинг-генератор
Вариант импульсного устройства типа блокинг-генератора представлен на рис. 9.1. Примене-
ние диодного оптрона позволяет исключить импульсный трансформатор, не поддающийся
микроминиатюризации. Оптрон О пропускает постоянный ток, поэтому схема формирует
импульсы прямоугольной формы, длительность которых ограничена лишь инерционностью
транзистора и параметрами С-цепи. Важным достоинством является высокая помехо-
устойчивость схемы по цепи питания.
Рис. 9.1. Оптронный блокинг-генератор:
а — принципиальная схема; б — временные диаграммы работы
214
ГЛАВА 9
Схема работает следующим образом.
При поступлении на вход запертого транзистора VT запускающего сигнала ir транзистор
переходит в активный режим, через СИД оптрона начинает протекать ток коллектора транзи-
стора 4 и в базу транзистора через фотодиод оптрона и конденсатор С поступает ток обратной
связи /б- Под действием сигнала обратной связи транзистор переходит в режим насыщения.
Амплитуды выходного напряжения С7ВЬИ и коллекторного тока насыщения равны:
^ВЫХ Un UH UCJl9
(9.1)
где UH, Uca — соответственно напряжение насыщения VT и на световоде.
Транзистор и СИД соединены последовательно.
Современные СИД имеют меньшее значение максимально допустимого прямого тока,
чем транзистор. Поэтому предельное значение выходного тока в схеме определяется не
транзистором, а СИД оптрона и составляет 100...200 мА. Длительность выходного импульса
ги равна интервалу времени, на котором базовый ток транзистора спадает от начального зна-
чения /go До тока на границе насыщения /бн> т.е.
^б(^и) Аэн -Азо е с >
где /бн = 7кн/0; 0 — коэффициент передачи по току транзистора;
/кн R
60 =
(9.2)
(9.3)
где /-б — базовое сопротивление транзистора; тс = г6С; /б — ток базы; /бн — ток базы при на-
сыщении транзистора.
Получим выражение для расчета длительности импульса
t„ = тс1п/бо//бн = Тс1пА,Р,	(9.4)
где kt — коэффициент передачи по току оптрона.
Таким образом, для формирования импульсов большой длительности необходимо при-
менение транзисторов с большим 0, так как кх диодных оптронов менее 5 • 10”2.
Длительность паузы между импульсами 1П определяется временем восстановления базо-
вой цепи — длительностью разряда хронирующего конденсатора С через резистор R:
г R
Гп=2,3—С.	(9.5)
г6+Л
Оптронный блокинг-генератор пс сравнению с трансформаторным обладает повышен-
ной термостабильностью, так как коэффициент передачи оптрона с ростом температуры
уменьшается, а транзистора увеличивается; кроме того, схема проще конструктивно, техно-
логичнее. Недостатком схемы является снижение энергии выходного импульса, связан-
ное с малой допустимой мощностью рассеяния СИД оптрона.
В импульсных схемах оптрон может выступать как многофункциональный элемент, т.е.
возможно использование дополнительно к электрической изоляции других свойств оптро-
на. Например, наличие на ВАХ фотодиодов диодных оптронов участков с большим диффе-
ренциальным сопротивлением позволяет использовать их в качестве источника постоянного
тока для заряда емкости в генераторах линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН).
9.1.2.	Генератор линейно изменяющегося напряжения
Принципиальная схема ГЛИН изображена на рис. 9.2. Длительность рабочего (прямого) хо-
да ср выходного напряжения задается открытым состоянием диодного оптрона Оь дли-
ПРИМЕНЕНИЕ ОПТОЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ
215
тельность обратного хода 1обр — разрядом конденсатора С через транзисторный оптрон О2.
Амплитуда выходного напряжения составляет примерно t/n. Таким образом, для расчета tp
имеем из схемы (рис. 9.2, б):
rp=C/nC/(VBx),	(96)
где kt — коэффициент передачи О( по току; /вх — входной ток всетовода оптрона.
Рис. 9.2. Оптронный генератор линейно изменяющегося напряжения:
а — принципиальная схема; б — временная диаграмма работы;
Um — амплитуда; /у— управляющий ток
В диапазоне напряжений 0,5... 15 В изменение тока фотодиода для современных оптронов
составляет 0,2...1,0 мкА. Включение в цепь базы О2 резистора R позволяет регулировать
длительность обратного хода ГЛИН, что используется для получения импульсов треуголь-
ной формы.
9.1.3.	Генератор с мостом Вина
Принципиальная схема генератора с мостом Вина приведена на рис. 9.3.
Устройство содержит операционный усилитель DA и полосовую фазирующую цепь, со-
стоящую из конденсаторов С и фоторезисторов R$. На частоте генерации полосовая фази-
рующая цепь вносит нулевой фазовый сдвиг, а подключение ее к неинвертирующему входу
операционного усилителя (ОУ) обеспечивает выполнение баланса фаз. Баланс амплитуд
обеспечивается элементами цепи отрицательной обратной связи (ООС): резисторами R2 и
Rt. Если отношение сопротивлений указанных элементов равно затуханию фазирующей це-
пи на частоте генерации Ло, то устройство генерирует колебания синусоидальной формы.
Если » Ли то устройство генерирует колебания прямоугольной формы.
Частота колебаний зависит от сопротивлений фоторезисторов, управляемых прямым то-
ком, протекающим через светодиод ED,
f =—-—
0 2лС/?ф
Прямой ток обеспечивается регулируемым источником управляющего напряжения t7ynp.
(9-7)
216
ГЛАВА 9
Рис. 9.3. Схема оптоэлектронного генератора с мостом Вина
9.2.	Применение оптоэлектронных приборов
в аналоговых ключах и регуляторах
К областям применения аналоговых оптронов можно отнести использование их в широко-
полосных трансформаторных устройствах, усилителях различных сигналов, аналоговых
/' ключах и регуляторах. Схема простого усилителя и аналогового ключа на основе оптрона,
обеспечивающего электрическую развязку от остальной части схемы, изображена на
рис. 9.4, а. Входной сигнал Е/и, подаваемый на вход оптрона, после преобразования в излу-
чение попадает на базу фоторезистора, осуществляя тем самым управление амплитудой то-
ка на выходе оптопары и напряжением на сопротивлении нагрузки R„. Коэффициент пере-
дачи всего устройства определяется значением используемого транзисторного оптрона.
Если на вход светодиода подать запирающее напряжение {7ynp, то коммутация аналогового
сигнала происходить не будет (состояние «выключено»).
К светодиоду прикладываются отпирающее напряжение смещения и напряжение ком-
мутирующего сигнала (состояние «включено»).
Электронный регулятор и ключ потенциометрического типа могут быть выполнены по
схеме, приведенной на рис. 9.4, б. Здесь используется диодно-резисторный оптрон. Фоторези-
стор используется в качестве сопротивления управляемого световым потоком светодиода. Ко-
р
эффициент передачи определяется по формуле К =--—. При ~ 0 коэффициент пе-
редачи близок к нулю.
В аналоговых устройствах используют диодные и резисторные, а также (в некоторых
случаях) транзисторные оптопары. Требования к аналоговым оптронам определяются кон-
кретными условиями их применения и поэтому общего критерия качества, подобного тому,
который имеет место в случае цифровых оптронов (добротности), для них нет.
В то же время для сохранения формы передаваемого сигнала желательна линейность
передаточной характеристики (постоянство Л( в достаточно широком диапазоне токов). Этому
ПРИМЕНЕНИЕ ОПТОЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ
217
требованию в наибольшей мере отвечают диодные оптроны, хотя у них интервал значений
входного тога 1Ь при которых постоянен, не слишком велик. Так, у оптопары АОД 101
даже при ее термостатировании передача аналогового сигнала с нелинейностью менее 2%
осуществляется лишь при двух-трехкратном изменении /(.
Рис. 9.4. Примеры применения оптронов в аналоговых устройствах:
а — аналоговый ключ; б — электронный регулятор
Сказанное означает, что при проектировании аналоговых устройств, использующих оп-
троны, необходимо предусматривать дополнительные меры по линеаризации передаточной
характеристики. В этой связи перспективным является применение дифференциальных оп-
тронов (с одним излучателем и двумя фотоприемниками), у которых коэффициент передачи
по току между излучателем и первым фотоприемником, а также между излучателем и вторым
фотоприемником одинаковы, причем в равной мере меняются в зависимости от условий рабо-
ты (амплитуда Т, входного тока 1Ь входного напряжения Ui). Фотоприемники включены та-
ким образом, чтобы при подаче сигнала входной ток одного из них увеличивался, а другого в
той же мере уменьшался. Увеличение к\, первого канала оптрона примерно компенсируется
уменьшением кх второго, а общая передаточная характеристика оптопары выравнивается.
Принципиальная схема оптоэлектронной ИМС К249КН1 приведена на рис. 9.5. Микро-
схема предназначена для коммутации аналоговых сигналов. Она содержит два диодных оп-
трона и два электронных ключа на транзисторах УТ\ и К72, выходы которых включены
встречно-последовательно для уменьшения остаточного напряжения до 0,1 мВ. При проте-
кании прямого тока через светодиоды СД1 и СД2 возникают световые потоки ФД1 и ФД2,
воздействующие на фотодиоды, работающие в фотогальваническом режиме.
218
ГЛАВА 9
Рис. 9.5. Принципиальная схема оптоэлектронной
ИМС К249КН1
Фотодиоды включены последовательно с целью формирования суммарной фотоЭДС,
достаточной для надежного открывания биполярных транзисторов в состоянии «включено».
В этом случае биполярные транзисторы имеют низкие значения выходного сопротивления,
и коммутирующее напряжение С/вх с малым затуханием поступает в нагрузку ключа.
Если управляющее напряжение £7упр отсутствует, светодиоды свет не излучают и, следо-
вательно, фотоЭДС равна нулю; биполярные транзисторы находятся в закрытом состоянии;
а ключ обеспечивает состояние «выключено». Микросхема выполнена по гибридно-пленоч-
ной технологии, так как светодиоды невозможно изготовить с использованием кремниевой
технологии полупроводниковых ИМС.
9.3.	Применение оптронов для выполнения
логических функций
Использование оптронов (прежде всего, диодных и транзисторных) в цифровых и импульс-
ных устройствах связано с возможностью их быстрого переключения из состояния с низким
уровнем сигнала на выходе в состояние с высоким уровнем, или наоборот. В качестве при-
мера можно привести оптоэлектронные элементы, позволяющие реализовать основные ло-
гические функции в устройствах цифровых систем. Так, схема, представленная на
рис. 9.6, а, моделирует операцию логического умножения (И), а схема на рис. 9.6, б — опе-
рацию логического сложения (ИЛИ). В первом случае выходное напряжение U2 поддер-
живается на высоком уровне, близком к напряжению С7Ь только если оба фототранзистора
ФТ1 и ФТ2 включены и через них идет ток, близкий к насыщению, а во втором — при вы-
ходе на насыщение ВАХ любого из фототранзисторов ФТ1 или ФТ2.
Схемы изображенные на рис. 9.6, в, г, реализуют выполнение операций И-НЕ и
ИЛИ-HE соответственно. В них транзисторы включены по схемам с общим эмиттером, что
обеспечивает выполнение операции НЕ. Выходные электроды транзисторов ФТ1 и ФТ2 на
рис. 9.6, в соединены последовательно. Только в случае воздействия световых потоков на
оба транзистора их выходные сопротивления оказываются низкими, и на входе фиксируется
потенциал, соответствующий логическому нулю.
ПРИМЕНЕНИЕ ОПТОЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ
219
Выходные электроды транзисторов ФТ1 и ФТ2 на рис. 9.6, г соединены параллельно.
Достаточно, чтобы световой поток воздействовал на базовую область хотя бы одного тран-
зистора, для того чтобы сопротивление выходной цепи этого цифрового элемента стало
низким, и, следовательно, фиксировалось напряжение логического нуля на выходе.
Рис. 9.6. Логические оптоэлектронные элементы для выполнения операций:
а — И; б — ИЛИ; в — И-НЕ; г — ИЛИ-НЕ
Еще одним примером использования оптронов в цифровых устройствах может слу-
жить оптоэлектронная микросхема серии 249ЛП1 (рис. 9.7). При протекании по цепи ар-
сенид-галлиевого светодиода номинально-
го входного тока в цепи фотоприемника
(кремниевого фотодиода) возникает фото-
ток, одновременно являющийся базовым
для транзистора УТГ, этот ток достаточен
для отпирания транзистора. Эмиттерный
ток транзистора VT1 поступает в базу VT3
и переводит его в режим насыщения. При
этом напряжение на выходе микросхемы
оказывается равным падению напряжения
на насыщенном транзисторе (примерно
0,3 В). Если же входной ток оптрона мень-
ше номинального, то через его фотоприем-
ник течет лишь малый темновой ток и тран-
зистор VT1 оказывается запертым. В этом
Рис. 9.7. Принципиальная схема
оптоэлектронной ИМС К249ЛП1
220
ГЛАВА 9
случае через резистор R1 течет базовый ток транзистора VT2, причем его значение таково,
что VT2 находится в режиме насыщения. Транзистор VT3 закрыт, так как на его входе от-
сутствует отпирающее напряжение. В результате напряжение на выходе оптопары соответ-
ствует потенциалу логической «1» (составляет примерно 2,5 В).
9.4.	Применение оптронов как аналогов
электрорадиокомпонентов
Применение оптронов характеризуется их внедрением во все новые области электроники,
вычислительной техники, автоматики, электроники [4].
Элементарные оптроны и оптоэлектронные интегральные схемы (ОЭИС) широко исполь-
зуются в цифровых устройствах для связи блоков, выполненных на различной основе (напри-
мер, для сопряжения биполярных и МОП-ИС, туннельно-диодных и транзисторных схем
и т.п.), управления силовыми цепями моторов и реле переменного и постоянного тока от низ-
ковольтных маломощных логических схем; связи логических схем с периферийным оборудо-
ванием ЭВМ; в качестве элементов развязки от земли в источниках питания, маломощных ре-
ле в электролюминесцентных системах отображения информации; в контрольно-измеритель-
ных устройствах, непосредственно подключаемых к сильноточным цепям переменного тока.
Оптроны, пригодные для передачи аналоговых сигналов, находят все более широкое
применение в качестве коммутирующих элементов в линиях телефонной связи; в цепях свя-
зи различных датчиков с ЭВМ; в медицинской электронике.
Оптоизоляторы и оптроны с гибким световодом применяются в аппаратуре контроля
высоковольтных линий электропередачи; в измерительных системах, предназначенных для
работы в условиях сильных помех (СВЧ наводки, искрение и т.п.); в устройствах управле-
ния и контроля высоковольтных электровакуумных приборов (клистроны, ЭЛТ, ЭОП
и т.п.); в технике физического эксперимента.
Оптроны с открытым оптическим каналом (оптопрерыватели и отражательные оптро-
ны) незаменимы в устройствах считывания информации с перфоносителей при ее вводе в
ЭВМ, в качестве индикаторов положения объектов и состояния их поверхностей, в качестве
датчиков вибрации, заполнения объемов жидкостью и т.п.
Широта функциональных возможностей оптронов обусловлена тем, что они являются
схемотехническими аналогами многих традиционных электрорадиокомпонентов, деталей,
устройств (табл. 9.1).
Таблица 9.1. Оптрон как аналог электрорадиокомпонентов
Электрорадиокомпонент		Оптронный аналог			
Наименование	Схема	Наименование	Схема		
Импульсный трансформатор	U п	Транзисторный и диодный оптроны		и.	
Переключатель			Тиристорный, резисторный и транзисторный оптроны			
Переменный резистор		Резисторный оптрон	с		
ПРИМЕНЕНИЕ ОПТОЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ
221
Окончание таблицы 9.1
Электро радиокомпоиент
Оптронный аналог
Наименование
Схема
Наименование
Потенциометр
Сдвоенный резисторный
оптрон
Переменный
конденсатор
Разъем
Оптрон с варикапом
Оптоэлектронный
разъем
Линия связи
Батарея
Радиолампа
Оптрон с гибким
световодом
Изолированный
источник питания
Оптрон с управляемым
оптическим каналом
Следует в заключение отметить важную роль оптронов в исследовании новых видов из-
лучателей и фотоприемников. Опробование согласованных пар для оптических линий связи
проще всего предварительно провести в оптронах. Исследовать временную деградацию, ра-
диационную стойкость, термостабильность, инерционность нового вида излучателя удобнее
всего, используя этот излучатель в оптроне с фотоприемником, соответствующие свойства
которого хорошо изучены. Оптронные конструкции удобны и для исследования светопере-
дачи в различных оптических средах.
9.5.	Устройство и принцип действия
оптоэлектронных усилителей
Характерным примером оптоэлектронной линейной схемы может служить линейный диф-
ференциальный усилитель [23] (рис. 9.8, а). Оптический канал передачи сигналов, постро-
енный на транзисторных оптопарах, должен быть тщательно симметрирован.
Оптопары подобраны с идентичными характеристиками и параметрами. В режиме по-
коя через СИД оптопар протекают одинаковые токи (/СД1 = /еда)- Фототоки оптопар /СД|
и /еда при этом направлены встречно и не оказывают влияния на выходной усилитель DA3.
Возможные временные и температурные изменения электрического статического режима
222
ГЛАВА 9
и параметров взаимно компенсируются. С другой стороны, входной сигнал С/вх, воздейст-
вующий на каскад DA1, передается через оптопару и усиливается усилителем DA3. Нели-
нейность передаточных характеристик оптопары в таком устройстве не компенсируется.
Два однотипных транзистора с одинаковыми параметрами ИЛ и К72 обеспечивают ли-
нейный режим работы светодиодов О1 и 02. С помощью резистора R5 устанавливается не-
обходимый коэффициент усиления всего устройства.
В результате при большом UBX коэффициент передачи кц оптопары О, изменяется, а Ад
оптопары О2 постоянен, так как ток /еда фиксирован. Нелинейность усиления такого усили-
теля составляет 1.. .5 %, стабильность к, в течение 100 000 ч при 25°С примерно 5.. .20 %.
Рис. 9.8. Аналоговые (линейные) оптоэлектронные микросхемы:
а — параметрический дифференциальный усилитель;
б—усилитель с дифференциальным оптроном
Значительно повышается качество передачи аналогового сигнала при использовании
дифференциальных оптронов. Рассмотрим принцип улучшения линейности передаточной
характеристики с помощью дифференциального оптрона на примере схемы рис. 9.8, б. СИД
ПРИМЕНЕНИЕ ОПТОЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ
223
оптрона СД освещает два однотипных, имеющих идентичные параметры, фотодиода ФД1 и
ФД2. Ток СИД 1Сд в такой схеме определяется не только входным током 7ВХ, но и током об-
ратной СВЯЗИ /фр
7сд ~	+ /фi) — &i(/Bx + кц1сд),	(9-8)
где к, — коэффициент усиления каскада на основе DA1; ка — коэффициент передачи по
току пары дифференциального оптрона ФД1 -СД.
Из первого равенства имеем
/сд = (^14х)/(1 + Л1Л,1).	(9-9)
При глубокой обратной связи к^кп » 1 ток СИД 7Сд = l«Jkn и фототок пары СД-ФД2
оптрона /ф2 = kalmlkn. Для однотипных пар в дифференциальном оптроне коэффициенты кл
и ка одинаковы и изменяются в равной степени. В результате /ф2(0 - и не зависит от
нелинейности и нестабильности характеристик оптрона. Усиление полезного сигнала обес-
печивается DA2. Нелинейность усиления такого усилителя с дифференциальным оптроном
составляет 0,01.. .0,2 %, стабильность Л] в течение 100 000 ч составляет 0,075 %.
9.6.	Устройство и принцип действия
оптоэлектронных цифровых ключей
Сравнение динамических параметров различных типов оптронов с аналогичными парамет-
рами дискретных диодов, транзисторов и микросхем показывает, что быстродействие оп-
тронов в настоящее время несколько хуже. Поэтому оптронные схемы, вообще говоря, ус-
тупают по быстродействию однотипным устройствам без оптических связей. Снижение бы-
стродействия, связанное с введением оптронов, оказывается сравнительно небольшим лишь
при согласовании режима эксплуатации элементов оптрона. Использование в оптронах
излучателей (СИД) и диодных или транзисторных фотоприемников приводит к тому, что
быстродействие таких оптронов определяется в основном барьерными емкостями излучателя
и приемника оптрона. Например, типичные значения емкостей излучателей быстродействую-
щих оптронов составляют 20...300 пФ, а емкостей фотодиодов и фототранзисторов —
5... 15 пФ. Поэтому для уменьшения длительности переключения оптрона необходимо:
1) форсировать перезаряд входной емкости излучателя; 2) уменьшать длительность перезаря-
да выходной емкости фотоприемника, изолируя или компенсируя емкостную нагрузку и
уменьшая амплитуду выходного напряжения.
Быстрое переключение излучателя с одновременным обеспечением мощного и стабиль-
ного потока излучения достигается при управлении оптронами током значительной амплиту-
ды. При этом необходимо, во-первых, фиксировать уровень прямого тока СИД, чем удается
обеспечить стабильность светового потока; во-вторых, не превышать предельно допустимого
тока СИД. Важно также обеспечить универсальность схем питания излучателя, чтобы режим
работы СИД не менялся при замене одного из компонентов схемы.
Рассмотрим в качестве примера переключение излучения от интегральной микросхемы.
В схеме ИС (рис. 9.9, о) используется принцип переключения тока I, заданного в цепи высо-
коомным резистором R (режим источника тока). Если выходной потенциал ИС UBBn превы-
шает напряжение (77п - t/сд), то диод VD заперт, а ток 1— протекает через светоизлучающий
224
ГЛАВА9
диод, обеспечивая генерацию стабильного светового потока. При переключении ИС ее вы-
ходной потенциал снижается, диод VD отпирается и практически весь ток I переключается
на вход ИС: светоизлучающий диод быстро запирается. В качестве входной ИС можно ис-
пользовать микросхемы семейства ТТЛ, а также ИС с эмиттерными связями.
В качестве согласующего элемента используется также эмиттерный повторитель
(рис. 9.9, б). Очевидно, что при этом выходной ток ИС составляет (0,01 -0,03) 7 в зависимо-
сти от коэффициента передачи по току транзистора УТ. Следует иметь в виду, что эмиттер-
ный повторитель управляется выходным напряжением ИС, и поэтому ток светодиода I мо-
жет меняться при смене ИС.
Рис. 9.9. Согласование входа оптрона с выходом ИС:
а — задание входного тока с помощью резистора: б — с помощью транзисторного усилителя
Рассмотрим условия эффективной работы цифровых оптронов на нагрузку. Выходной
ток современных диодных фотоприемников относительно невелик, быстродействие фото-
приемников ниже уровня современных микросхем. Поэтому для оптимального согласова-
ния выхода диодного фотоприемника с нагрузкой необходимо введение промежуточных
усилителей тока, а также форсирование перезаряда выходной емкости фото приемника и
емкости нагрузки.
Эффективна при работе на значительную емкостную нагрузку схема рис. 9.10, а с по-
следовательным соединением — транзисторов в паре с диодным оптроном. При подаче ло-
гической единицы (высокий уровень напряжения) на Вх1 и логического нуля (низкий уро-
вень напряжения) на Вх2 отпираются оптрон Oi и транзистор УТ], а конденсатор С„ быстро
заряжается значительным эмиттерным током 7Э1. Транзистор VT2 и оптрон О2 при этом за-
перты. При изменении сигналов (нуль на Вх] и единица на Вх2) конденсатор Сн быстро за-
ряжается через открытый транзистор К72.
Улучшаются выходные динамические характеристики оптронов в схеме рис. 9.10, б, что
связано, главным образом, с уменьшением сопротивления нагрузки фотоприемника.
В цепь связи транзисторного фотоприемника и нагрузочного резистора RH введен быст-
родействующий транзистор по схеме с общей базой. Выход фототранзистора оказывается
нагруженным на низкоомное входное сопротивление транзистора, что ускоряет перезаряд
барьерной емкости. Формирование сигнала на 7?н определяется быстродействующим тран-
зистором.
ПРИМЕНЕНИЕ ОПТОЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ
225
Рис. 9.10. Согласование выхода оптрона с нагрузкой:
а — схема с последовательным соединением фототранзисторов;
б — схема с быстродействующим транзистором
9.7.	Оптоэлектронные приборы в устройствах
для измерения высоких напряжений и управления
устройствами большой мощности
Весьма интересно применение линейных оптронов в измерительной технике. Например,
при измерении напряжений свыше 5 кВ традиционными методами необходимы: 1) приме-
нение высоковольтного разделительного трансформатора; 2) применение незаземленного
синхронизированного осциллографа или 3) измерение разности напряжений по отношению
к «земле» с помощью делителей напряжения. Все эти методы, однако, трудоемки, требуют
громоздкого оборудования, обладают низкой точностью. Хорошие перспективы для сниже-
ния массогабаритных показателей измерительного оборудования и улучшения точности из-
мерения высоких напряжений имеет применение аналоговых оптронов. Главными пре-
имуществами при этом являются простота изоляции и высокое быстродействие. На
рис. 9.11 приведены примеры схем такого оптоэлектронного измерителя.
На рис. 9.11, а светоизлучающий диод СД включен последовательно с шунтирующим
силовой прибор резистором, что увеличивает потребление мощности и не позволяет изме-
рять обратные напряжения. В схеме рис. 9.11,6 измеряемый сигнал Um„ поступает на
СИД через понижающий делитель напряжения. Светоизлучающий диод находится под
постоянным смещением 1/оп.
Далее через высоковольтный световод промодулированный по напряжению (/дел, свето-
вой сигнал поступает на фотоприемник ФП и затем на измерительное устройство (электрон-
ный осциллограф ЭО). Преимущества подобного метода измерения высоких напряжений:
1) масса и габариты системы измерения невелики, что позволяет встраивать ее в испытатель-
ное оборудование; 2) большое входное сопротивление; 3) возможность работы с заземленным
оборудованием на стороне измерения.
226
ГЛАВА 9
Рис. 9.11. Измерительные оптоэлектронные преобразователи:
УС — устройство сравнения (компаратор)
Оптроны в ключевых схемах используются для бесконтактного управления элементами
сильноточных высоковольтных цепей с помощью слаботочных управляющих устройств.
Так, применение мощных тиристорных оптопар типов ТО-6,3; ТО-Ю и других позволяет
переключать напряжение до 1300 В и ток до 320 А с помощью интегральных схем в цепи
управления тиристорной оптопарой.
Область применения таких приборов не отличается от обычных тиристоров. Тиристор-
ные оптопары меньшей мощности типа АОУЮЗ или оптопары с составным транзистором
типа АОТ110 применяют в схемах формирователей импульсов средней мощности (с ампли-
тудой тока 1.. .5 А).
Рис. 9.12. Оптронный формирователь
импульсов
Схема такого формирователя для запуска
мощного тиристора изображена на рис. 9.12.
Конденсатор С предварительно заряжается от
источника питания силового тиристора Т
через резистор R и диод VD, а затем разряжа-
ется при поступлении импульса от схемы
управления СУ на вход тиристорной оптопа-
ры Oj через тиристор оптопары, резистор
и управляющий переход тиристора Т. Вы-
ключение О] происходит быстро, так как к
моменту запирания через него протекает ма-
лый ток &U/R, где At/— разница в падениях
напряжения на тиристорах Т и в О|.
9.8.	Применение инфракрасных диодов
Инфракрасные диоды находят применение в разнообразных устройствах, принцип работы
которых основывается либо на электрическом управлении мощностью излучения диода (пу-
тем изменения прямого тока), либо на управлении коэффициентом передачи оптического
канала при постоянной мощности излучения.
ПРИМЕНЕНИЕ ОПТОЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ
227
Перспективной считается область применения ИК-диодов в качестве преобразователя
энергии и источника передачи информации, в узлах и линиях, требующих оптической связи
или гальванической развязки.
Ниже приводятся примеры использования ИК-диодов, охватывающие различные облас-
ти и схемотехнические особенности их использования [18].
На рис. 9.13 изображена схема устройства, позволяющего оценивать частоту вращения
вала. Постоянное излучение, направленное на вал с продольными чередующимися полоса-
ми черного и белого цветов, отражается на фотоприемник, который при вращении вала по-
следовательно получает световые импульсы. Частота следования этих импульсов в любой
момент соответствует частоте вращения вала. После преобразования их в электрические
импульсы на выходе устройства фиксируется частота вращения.
Рис. 9.13. Схема измерителя частоты вращения вала
На рис. 9.14 приведена схема оптического переключения на основе ИК-диода KD1 и фо-
тотранзистора КП. Светонепроницаемая заслонка может перемещаться перпендикулярно
оптическому каналу и вызывать отпирание и запирание фототранзистора.
Пороговый элемент, подключенный к коллекторам транзисторов, устраняет инерцион-
ность включения и выключения фототранзистора, вызванную нерезким перекрытием свето-
вого луча, и формирует на выходе импульсы переключения с крутым фронтом.
228
ГЛАВА9
Разработаны клавиатуры для дистанционного управления дисплейным комплексом или
персональным компьютером с передачей данных в ИК-диапазоне. Клавиатура представляет
собой пульт со схемами питания, кодирования и формирования сигналов, передаваемых с
помощью ИК-диодов в сторону фотоприемников, установленных непосредственно на
управляемой аппаратуре.
Дистанционная передача сигналов с помощью ИК-излучения имеет преимущества как
перед кабельной связью (отсутствие проводов и возможных электрических наводок), так и
перед высокочастотным радиоуправлением (опасность электромагнитных помех и влияние
передаваемых радиосигналов на другие системы).
Перспективно применение ИК-диодов в фотонных линиях связи, которые могут осуще-
ствляться по воздуху (атмосферные оптические линии) и волоконно-оптическому кабелю
(волоконно-оптические линии).
Оптимальным расстоянием для атмосферных оптических линий считается протяжен-
ность около 1,6 км (например, связь между крупными зданиями). На таком расстоянии ли-
нии устойчивы к воздействию большинства неблагоприятных погодных факторов, таких
как снег, дождь или туман.
Волоконно-оптические линии могут применяться для передачи данных от ЭВМ к пери-
ферийным устройствам, для обмена информацией между узлами аппаратуры, находящейся
в разных помещениях.
Другое направление применения волоконно-оптических линий — беспроволочные теле-
фонные кабели. Светопроводник, заключенный в полихлорвиниловую оболочку и стальную
оплетку, может обеспечить надежную связь на многие километры, при этом число частот-
ных каналов в такой линии в несколько раз больше, чем в электропроводной; скорость пере-
дачи информации (телеграфом) выше; имеется гарантия от утечки данных через электро-
магнитные наводки.
Для получения световой энергии, подводимой к волоконно-оптической линии, сущест-
вуют различные типы схем возбуждения ИК-диода, являющегося генератором энергии из-
лучения. На рис. 9.15 показана схема формирования мощных импульсов излучения с резки-
ми фронтами включения и выключения.
Рис. 9.15. Схема формирователя оптических импульсов
Транзисторы VT1 и К72 отпираются импульсами внешнего генератора. Параметры пи-
тания U„ и сопротивления резисторов R2 выбираются такими, чтобы транзисторы дейст-
вовали в режиме лавинного пробоя.
ПРИМЕНЕНИЕ ОПТОЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ
229
Схема возбуждения ИК-диода прямым током около 100 мА, обладающая высокой поме-
хоустойчивостью, показана на рис. 9.16.
При включении логического элемента И-НЕ потенциал базы транзистора КП снижает-
ся, ток, стабилизированный транзистором И73, переключается в эмиттерную цепь транзи-
стора К72, а транзистор КП и диод KD2 выключаются. При этом суммарный ток, потреб-
ляемый данным устройством по коллекторным цепям транзисторов КП и VT2, не изменяет-
ся и, следовательно, переключение ИК-диода не создает помехи в цепи питания.
Рис. 9.16. Помехоустойчивая схема
возбуждения ИК-диода
Устройство, схема которого показана на рис. 9.17, применяется в автомате считывания
информации с документа или записи текста на бумагу и служит для точной установки листа
бумаги в исходное положение.
Работа такой установки состоит в обнаружении края движущегося листа и остановке
движения. Сигнал вырабатывается в момент появления края бумаги. При выходе края листа
из зоны прямого отражения лучей на окошко фотоприемника последний запирается и тран-
зистор К73 переходит в состояние насыщения. Транзистор К74 запирается, VT5 отпирается,
и на резисторе /?9 выделяется выходной сигнал. Устройство срабатывает даже при медлен-
ном изменении входного сигнала, так как транзисторы VT3 и К74 включены в схему триггера
с эмиттерной связью, выполняющего функцию порогового элемента.
Примером применения ИК-диода в бытовой радиоаппаратуре может служить система
дистанционного управления. Для передачи команд используется принцип импульсно-ко-
довой модуляции инфракрасного излучения. Устройство, формирующее импульсный код
передачи, состоит из сенсорного коммутатора, тактового генератора, счетчика, формиро-
вателя и двухкаскадного импульсного усилителя, показанного на рис. 9.18, нагруженного
ИК-диодами.
230
ГЛАВА 9
Рис. 9.17. Оптоэлектронное устройство контроля
правильности установки листа бумаги
Рис. 9.18. Формирователь и импульсный усилитель системы
дистанционного управления
ПРИМЕНЕНИЕ ОПТОЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ
231
В схеме использованы два диода VT\ и К72 типа АЛ107А для усиления общей излучаю-
щей мощности. В зависимости от выбранной команды они излучают посылки света, состоя-
щие из 2... 15 импульсов длительностью около 50 мкс. Дальность действия такого устройства
до 10... 15 м, угол действия соответствует углу направленности излучения выбранного диода.
Схема дистанционного переключателя телевизионных каналов приведена на рис. 9.19.
Переключатель представляет собой передатчик модулированного ИК-излучения; фотопри-
емник, детектирующий ИК-сигнал, встроен в корпус телевизора. При нажатии кнопки SB1
начинает работать генератор, собранный на микросхеме DD1. Частота генерируемых им им-
пульсов зависит от значений Ri и С] и при указанных на схеме номиналах равна примерно
1 кГц. Эти импульсы модулируют ток, протекающий через транзисторы ИЛ, И72 и после-
довательную цепь из ИК-диодов VDX-VD3.
В результате излучаются ИК-сигналы частотой 1 кГц. С учетом того, что устройство-пе-
редатчик питается от малогабаритных элементов, оно монтируется в небольшом автоном-
ном корпусе и может переключать телевизор на расстоянии до 5 м.
Рис. 9.19. Оптоэлектронное устройство
переключения каналов
Простая схема, показанная на рис. 9.20, служит генератором ИК-излучения в устройст-
вах оптического реле, которое можно использовать в самых различных областях: в народ-
ном хозяйстве, при выполнении научных экспериментов, в быту, спортивной электронике.
Оптореле может работать в режиме прерывания луча (в этом случае фотоприемник
устанавливается напротив излучателя) и на отражение лучей, в режиме локатора (фото-
приемник размещается рядом с излучателем). В первом случае реле срабатывает при
прерывании луча (например, фотофиниш), во втором оно реагирует на приближение к
нему какого-либо предмета или человека, что может служить датчиком, например в ох-
ранной сигнализации.
232
ГЛАВА 9
Рис. 9.20. Оптоэлектронный генератор
9.9.	Приемники цифровых волоконно-оптических систем связи
Цифровые волоконно-оптические системы связи (ВОСС) предназначены для передачи сиг-
налов, несущих информацию от передающей информационной системы (ИС) к ИС прием-
ника (абонента). Как передающая ИС, так и принимающая информацию ИС работают с
цифровыми электрическими сигналами. В то же время сам процесс передачи информацион-
ных сигналов осуществляется оптическими импульсами, распространяющимися вдоль
ВОЛС. Последовательность электрических сигналов (сообщение), формируемое передаю-
щей ИС, преобразовывается оптическим передатчиком в последовательность оптических
сигналов, вводимых в оптическое волокно и распространяющихся в нем до приемной части.
В приемной части ВОЛС оптические сигналы вновь преобразуются в электрические. Преоб-
разование оптических сигналов в электрические происходит в приемниках оптического из-
лучения.
Приемники оптического излучения (фотоприемники) в цифровых системах связи
представляют собой сложные устройства, осуществляющие преобразование световых сиг-
налов в электрические [42]. Для этого световое излучение преобразуется в электрический
ток, усиливается, а затем происходит восстановление переданного сообщения и формиро-
вание соответствующего этому сообщению электрического сигнала. Большинство дейст-
вующих оптических систем передачи информации используют двоичный (бинарный) код
и простейшую амплитудную модуляцию с двумя значениями амплитуды сигнала. Прием-
ники оптического излучения для таких систем и будут рассмотрены здесь, тем более что
они имеют наиболее простую структуру. В последнее время в научных лабораториях ин-
тенсивно исследуются различные новые формы модуляции. Приемники для таких систем
имеют более сложную структуру, но в них составной частью присутствуют приемники
бинарных амплитудно-модулированных сигналов. Цифровой фотоприемник (приемник
цифровой ВОСС с амплитудной модуляцией и прямым детектированием) состоит из че-
тырех блоков. В первом блоке происходит последовательное преобразование оптиче-
ских сигналов в электрический ток (оптоэлектронное преобразование). Во втором бло-
ке осуществляется линейное усиление электрического тока, в третьем — восстановление
данных, а в четвертом — создание выходного электрического сигнала. Структура прием-
ника показана на рис. 9.21.
ПРИМЕНЕНИЕ ОПТОЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ
233
Оптический
сигнал
Рис. 9.21. Структурная схема
цифрового фотоприемника
Преобразование модулированного светового излучения (светового сигнала) в модули-
рованный электрический ток происходит в фотодиоде. Ток фотодиода усиливается мало-
шумящим трансимпедансным усилителем. Выходящие из него импульсы тока усиливают-
ся линейным усилителем с автоматической регулировкой усиления (АРУ), фильтруются и
попадают в блок восстановления данных, где усиленный электрический импульс делится
на три части. Одна часть импульса используется для формирования частоты в блоке син-
хронизации. Вторая часть электрического импульса служит для формирования постоянно-
го порогового тока, используемого в качестве уровня сравнения с импульсами тока ин-
формационного сигнала. Третья часть подается на схему сравнения, где сравнивается с
пороговым значением тока для принятия решения о том, какой символ («1» или «О») пере-
дан. Сравнивать значение импульса тока с пороговым значением необходимо в точно оп-
ределенные моменты времени, соответствующие середине тактовых периодов. Интервалы
времени, в которые происходит сравнение порогового тока с величиной тока фотодиода,
задает генератор тактовой частоты. Для оптимальной работы фотоприемника величина
среднего значения усиленного тока должна примерно совпадать с пороговым значением.
Выполнение этого условия обеспечивает блок автоматической регулировки усиления.
Схема усиления управляет работой формирователя электрических сигналов, который в за-
висимости от результатов сравнения вырабатывает электрический сигнал, соответствую-
щий логической «1» или «О».
Важнейшей рабочей характеристикой действующей системы передачи информации, оп-
ределяющей качество связи, является коэффициент ошибок. Его значение равно отношению
числа ошибочно интерпретированных символов к общему числу переданных символов.
Причина возникновения ошибок — наличие шумов.
Действительно, в реальных системах связи значения фототока, соответствующие и «1»,
и «О», флуктуируют во времени из-за наличия шумов. Такие временные флуктуации тока
могут привести к ошибочной интерпретации информационного символа.
Природу возникновения ошибок в двоичных цифровых системах связи с амплитудной
модуляцией поясняет рис. 9.22.
234
ГЛАВА 9
а	б
Рис. 9.22. Возникновение ошибок в двоичных цифровых системах связи:
а — электрический информационный сигнал с шумом на входе схемы сраанения;
б — плотность распределения вероятностей измеренных значений тока сигнала для 1 и 0;
/о — уровень нуля; — уровень единицы; 7о — уровень сравнения; fo — длительность такта;
область Р(1 /0) — вероятность интерпретации 0 как 1; Р(0/1) — вероятность интерпретации 1 как 0
Из-за наличия шумов измеренное значение тока отличается от его точного значения.
Разброс измеренных значений тока при передаче логических «1» и «0» описывается соот-
ветствующими функциями Fi(I) и F0(I) плотности распределения вероятностей.
На рис. 9.22, б графики функций F(I) и F0(T) показаны соответственно верхней и нижней
кривыми. Как видно из рисунка, графики этих функций пересекают прямую, соответствую-
щую уровню тока сравнения ID. Это означает, что существует некоторая, обычно весьма ма-
лая, но отличная от нуля вероятность интерпретации принятого сигнала. Вероятность /’(1/0)
ошибочной интерпретации «0» как «1» определяется площадью под частью функции рас-
пределения /о(/), отсекаемой уровнем тока сравнения ID.
Аналогично вероятность Р(0/1) ошибочной интерпретации «1» как «0» определяется площа-
дью под частью функции распределения /*)(/), отсекаемой уровнем тока сравнения /в. При рав-
ной вероятности передачи «0» и «1» коэффициент ошибок определяется простым выражением
*ош =(1/2)(Р(1/0) + Р(0/1)).
В предположении гауссовского распределения шума с нулевыми средними значениями
интенсивности и со среднеквадратическими отклонениями Oj и ст2 для «1» и «0» соответст-
венно коэффициент ошибки определяется как
^ош(0 = -4= Jdxexpf-ЦегГсЩЦ
п 1
где Q = ——— — показатель качества принимаемого сигнала.
Voi+oJ
Для нормальной работы цифровой системы связи необходимо, чтобы шум не превышал
некоторого заданного значения. При фиксированной скорости передачи информации и пре-
небрежении шумами самого светового сигнала шумы фотоприемника можно считать посто-
янными и не зависящими от мощности света. Очевидно, что в этом случае Кош уменьшится
при увеличении амплитуды полезного сигнала и увеличится при его уменьшении. Мини-
мальное значение средней мощности оптического излучения, необходимое для передачи
данных с заданным коэффициентом ошибок, называется чувствительностью оптического
приемника. В цифровых системах голосовой связи максимально допустимое значение коэф-
ПРИМЕНЕНИЕ ОПТОЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ
235
фициента ошибок обычно принимается равным 10-9. Чувствительность может выражаться
в линейных единицах, производных от ватта (нВт, мкВт) или в логарифмических — децибе-
лах по отношению к милливатту (дБм).
Реальная чувствительность приемников определяется многими факторами: нормируе-
мым значением коэффициента ошибок, формой импульса, скоростью передачи информа-
ции, шириной полосы приемника и шумами оптического излучения. Поэтому практически в
спецификациях чувствительность приемника задается только для вполне определенного пе-
редатчика, скорости передачи двоичных сигналов и их формы.
С увеличением скорости передачи информации чувствительность ухудшается (т.е. воз-
растает) в линейных единицах приблизительно пропорционально скорости В, бит/с. Чувст-
вительность современных цифровых высокоскоростных приемников на основе pin-фото-
диодов определяется тепловыми шумами трансимпедансного усилителя (рис. 9.23).
Рис. 9.23. Зависимость чувствительности типичного цифрового оптического приемника
на основе pin-фотодиода и квантовый предел чувствительности оптических приемников
В отсутствии шумов чувствительность фотоприемника определяется квантовыми свой-
ствами светового излучения и называется квантовым пределом чувствительности.
9.10.	Принципы цифровой оптической записи
и воспроизведения информации с компакт-дисков
9.10.1.	Устройство и разновидности компакт-дисков
Компакт-диск представляет собой особый вид носителя аудио- и цифровой информации, при
изготовлении которого используются последние достижения науки и технологии. Он пред-
ставляет собой круглую пластину диаметром 12 или 8 см, состоящую из нескольких слоев.
Основным является очень тонкий металлический светоотражающий слой (обычно алюминие-
вый), в котором и записана вся информация. Для защиты от внешних воздействий он закрыт с
двух сторон довольно толстыми (до 1мм) слоями прозрачного пластика. С тыльной стороны
на диске могут быть расположены красочные наклейки, не влияющие на его параметры.
236
ГЛАВА 9
Прежде всего, эти диски изготовляются со вспомогательной разметкой (pregroove),
в ней закодирована временная сетка (Actual Time In Pregroove, ATIP — действительное вре-
мя по разметке), одновременно служащая и для разбивки диска на кадры (блоки), и допол-
нительная информация о диске — коды, рекомендуемые значения скорости вращения и
мощности записывающего лазера. Разметка используется для нахождения служебных и
пользовательских областей диска и для облегчения слежения за информационной дорожкой
в процессе записи. При считывании слежение производится, как обычно, по записанной ин-
формационной дорожке.
Кроме этого, диск содержит две служебные области: область калибровки мощности
(Power Calibration Area, РСА) и область памяти программы (Program Memory Area, РМА),
расположенные внутри от «официального» радиуса начала записи. Первая используется
для выбора оптимальной мощности лазера перед каждой записью, вторая — для временного
хранения параметров и адресов дорожек в случае записи одной сессии в несколько приемов.
РСА и РМА представляют собой таблицы фиксированной длины емкостью по 100 эле-
ментов каждая, что ограничивает как общее количество случаев записи, так и этапов фор-
мирования незакрытых сессий.
Одна или несколько дорожек образуют программную область (Program Area); она мо-
жет формироваться в несколько приемов, между которыми адреса и параметры дорожек со-
храняются в РМА. На этом этапе доступ к записанным дорожкам имеют только приводы
CD-R, так как обычные приводы CD-ROM «не знают» о РМА и требуют, чтобы программная
область была обрамлена зонами Lead-In (4500 блоков — 9 Мбайт, время записи 1 мин) и
Lead-Out (2250 блоков — 4,5 Мбайт, время записи 30 с), а также наличия ТОС в Lead-In.
Структура, состоящая из зон Lead-In, Program Area и Lead-Out, называется сессией, а про-
цесс записи Lead-In и Lead-Out вокруг области данных — закрытием сессии.
Минимальной единицей информации, записываемой на CD-R за один прием, является
дорожка (track) в формате CD-DA (Compact Disk-Digital Audio) или CD-ROM (Compact
Disk-Read Only Memory). Минимальная длина дорожки — 300 блоков (вместимость данных
600 кбайт, время записи 4 с). В начале каждой дорожки формируется служебный зазор (pre-
gap), содержащий ее параметры, размером 150 блоков (300 кбайт, время записи 2 с) для од-
нотипных дорожек и 225 блоков (450 кбайт, время записи 3 с) для дорожек разных типов.
Маркировка дисков: обозначениями CD-R и CD-RW маркируются однократно исполь-
зуемые и перезаписываемые диски. Диски CD-R можно применять для записи в приводах
CD-RW, но не наоборот.
На всех дисках указывается максимальное гарантированное время записи (обычно
74 мин, 333 000 блоков). В случае, когда предварительная разметка сделана на большее вре-
мя, на диск возможна запись более продолжительной программы, однако в случае недоста-
точной длины размеченной дорожки диск будет испорчен. Точное количество доступных
для записи блоков зависит от модели диска; его можно получить, запросив свойства диска в
записывающей программе. Некоторые диски имеют менее 333 000 доступных блоков.
На большинстве дисков указана их максимальная вместимость (обычно 650 Мбайт при
размере блока 2048 байт). На дисках некоторых производителей (например, Maxell) вмести-
мость в рекламных целях указывается в миллионах байтов (680), что означает те же 650
Мбайт. Отдельные диски маркируются цифрой 780, что обозначает емкость диска в звуковых
секторах (74 мин по 176 кб). При записи в формате mode 2 за счет большей величины блока
данных возможна запись более 650 Мб ценой снижения корректирующей способности кода.
На диске или коробке сообщается также максимально допустимая скорость записи
(1х...6х). Для записи на повышенных скоростях необходим рассчитанный на эти скорости
регистрирующий слой. Превышение допустимой скорости записи может привести к смазы-
ПРИМЕНЕНИЕ ОПТОЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ
237
ванию информационных меток и последующей плохой читаемости диска либо к полной его
негодности. Отсутствие маркировки скорости или упоминания о ней в сопроводительном
тексте говорит о том, что запись на повышенных скоростях не гарантируется.
Надежность дисков CD-R/RW в сравнении со штампованными. Поскольку отра-
жающий слой дисков CD-R/RW как правило выполняется из золота и серебра, менее под-
верженных окислению, чем алюминий, в большинстве штампованных дисков они тускнеют
медленнее обычных. Однако материал регистрирующего слоя CD-R/RW более чувствите-
лен к свету и также подвержен окислению и разложению. Кроме того, регистрирующая
пленка находится в полужидком состоянии и потому чувствительна к ударам и деформаци-
ям диска, например к его перегибу при извлечении из коробки. Наиболее оптимистичная
оценка времени жизни дисков на основе фталоцианина — около 100 лет, однако реальные
цифры для большинства современных дисков (цианин и другие материалы) гораздо ниже.
Примерная оценка долговечности среднего CD-R на основе массовой статистики — около
двух-трех лет и более при аккуратном обращении и около года — при интенсивном использо-
вании в сочетании с неаккуратным обращением (удары, перегибы, воздействие тепла, влажно-
сти, яркого света и т.п.). Для качественно изготовленных и записанных дисков при полном со-
блюдении условий хранения и эксплуатации время жизни оценивается минимум в 10 лет.
Изготовление и тиражирование компакт-дисков. Основной способ изготовления дис-
ков — прессование с матрицы. Оригинал формируется с исходной цифровой мастер-ленты,
содержащей уже подготовленный и закодированный цифровой сигнал, специальным высоко-
точным станком на стеклянном диске, покрытом слоем фоторезиста — материала, изменяю-
щего свою растворимость под воздействием лазерного луча. При обработке записанного
оригинала растворителем на стекле возникает требуемый рельеф, который методом гальва-
нопластики переносится на никелевый оригинал (негатив), который может служить матри-
цей при мелкосерийном производстве либо основой д ля снятия позитивных копий, с которых,
в свою очередь, снимаются негативы для массового тиражирования.
Штамповка выполняется методом литья под давлением: с негативной матрицы прессу-
ется поликарбонатная подложка с рельефом, сверху напыляется отражающий слой, который
покрывается лаком. Поверх защитного слоя обычно наносятся информационные надписи и
изображения.
Диски с возможностью записи (CD-R) изготавливаются таким же методом, но между ос-
новой и отражающим слоем располагается слой органического вещества, темнеющего при на-
гревании. В исходном состоянии слой прозрачен, при воздействии лазерного луча образуются
непрозрачные участки, эквивалентные питам (углублениям). Для облегчения слежения за до-
рожкой при записи на диске в процессе изготовления формируется предварительный рельеф
(разметка), дорожка которого содержит метки кадров и сигналы синхронизации, записанные
со сниженной амплитудой и впоследствии перекрываемые записываемым сигналом.
Записываемые диски за счет наличия органического фиксирующего слоя имеют более
низкий коэффициент отражения, чем штампованные, отчего некоторые проигрыватели
(Compact Disk Player, CDP), рассчитанные на стандартные алюминиевые диски и не имею-
щие запаса по надежности чтения, могут воспроизводить диски CD-R менее надежно, чем
обычные.
Хотя запись на так называемый мастер-диск осуществляется с помощью лазера, этот
способ не пригоден для производства сотен или тысяч копий. Запись одного мастер-диска
длится более полутора часов. Кроме того, в качестве основы для мастер-дисков использу-
ются материалы, которые недостаточно прочны и надежны. Если необходимо напечатать
небольшой тираж компакт-дисков, с оригинала (мастер-диска) методами химического осаж-
дения и последующей гальванопластики снимается металлическая копия (матрица). Ее уже
238
ГЛАВА9
можно использовать для печати копий (таким способом штампуются виниловые грампла-
стинки). Однако этим методом можно получить лишь небольшое количество экземпляров,
поскольку матрица постепенно изнашивается. Процесс массового производства дисков со-
стоит их трех этапов:
-	с мастер-диска вышеописанным способом снимается первичная матрица;
—	с помощью первичной матрицы делают копию мастер-диска, на этот раз из достаточ-
но прочного металла;
-	эту копию мастер-диска можно многократно использовать для получения вторичных
(рабочих) матриц.
При таком способе можно получить множество рабочих матриц с одной копии мастер-
диска, причем его оригинал сохраняется практически в неприкосновенности, а в технологиче-
ском процессе используются относительно недорогие материалы. Те компакт-диски, которые
приобретаются в магазине, отштампованы на поликарбонатной основе, покрытой алюминием
и защитным слоем пластика. Тонкое алюминиевое покрытие повторяет профиль поверхности
основы, что позволяет по отражению лазерного луча от поверхности определить, есть ли на
ней углубление или нет. Описанная технология используется как при производстве звуковых
дисков, так и CD-ROM.
Считывание информации с диска происходит за счет регистрации изменений интенсивно-
сти отраженного от алюминиевого слоя излучения маломощного лазера. Оно поступает на фо-
тодатчик, величина электрического сигнала с которого зависит от того, отразился ли луч от
гладкой поверхности или был рассеян на неоднородности. Углубления (штрихи), нанесенные
на компакт-диск в процессе записи, представляют собой неоднородности. Более сильный сиг-
нал с датчика соответствует ровной поверхности («плато»), более слабый — углублению. При
прохождении луча вдоль дорожки записи (а точнее, при движении дорожки записи под лучом,
поскольку считывающее устройство перемещается вдоль радиуса диска, а вращается сам
диск) формируется последовательность импульсных электрических сигналов, преобразуемых
затем специализированным процессором либо в форму двоичных данных, либо в звук.
Глубина каждого штриха на диске — 0,12 мкм, ширина — 0,6 мкм. Они расположены
вдоль спиральной дорожки, расстояние между соседними витками которой составляет
1,6 мкм. Это означает, что плотность дорожек (а точнее, витков одной дорожки) достигает
16 000 дорожек на дюйм (Tracks Per’Inch, TPI, единица измерения плотности их располож-
ения). Длина штрихов и участков плато вдоль дорожки записи может изменяться от 0,9
до 3,3 мкм. Дорожка начинается на некотором расстоянии от центрального отверстия диска
и заканчивается примерно в 5 мм от его внешнего края (т.е., наоборот, по сравнению с грам-
пластинками, дискетами и т.д.). Общая длина спирали составляет около 5 км.
Если на компакт-диске (звуковом или информационном) необходимо отыскать место
записи определенных данных, то его координаты предварительно считываются из оглавле-
ния диска, после чего считывающее устройство перемещается к искомому витку спирали и
ждет появления определенной последовательности битов.
Запись и воспроизведение данных с компакт-диска происходит с постоянной линейной
скоростью перемещения дорожки относительно считывающего устройства. Это означает,
что при считывании информации с внутренних витков спирали диск должен вращаться бы-
стрее, а с внешних — медленнее. Этот способ воспроизведения достался накопителям на
CD-ROM «в наследство» от звуковых проигрывателей, в которых скорость считывания дан-
ных должна была быть строго постоянной. По этой же причине все компакт-диски разбива-
ются на блоки (секторы), частота следования которых при записи и воспроизведении со-
ставляет 75 секторов в секунду, а это означает, что при полном времени «звучания», равном
74 мин, на диске располагается 333 000 блоков.
ПРИМЕНЕНИЕ ОПТОЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ
239
На дисках, записанных в формате CD-AD, в каждом блоке содержится 2352 байта дан-
ных. На CD-ROM 304 байт из них используются для синхронизации, идентификации и за-
писи кодов коррекции ошибок (Error Correction Code, ЕСС), а оставшиеся 2048 байтов пред-
ставляют собой полезную информацию. Поскольку за 1 с считывается 75 блоков, то стан-
дартная скорость передачи данных для дисководов CD-ROM составляет 153 600 байт/с, что
точно равно 150 кбайт/с. Нетрудно подсчитать, что при общем времени «звучания», равном
74 мин, максимальная емкость CD-ROM составит 650 Мбайт.
Компакт-диски с возможностью записи выпускаются в двух вариантах — на 74 и 63 мин.
Конструкция диска CD-DA (Compact Disk — Digital Audio, компакт-диск — цифровой
звук) и способ записи звука на нем описывается стандартом предложивших его фирм Sony
и Philips, изданным в 1980 г. под названием Red Book (Красная книга).
Стандартный компакт-диск состоит из трех слоев: основы, отражающего и защитного.
Основа выполнена из прозрачного поликарбоната, на котором методом прессования сформи-
рован информационный рельеф. Поверх рельефа напыляется металлический отражающий
слой (алюминий, золото, серебро, другие металлы и сплавы). Отражающий слой покрывается
защитным слоем поликарбоната или нейтрального лака так, чтобы вся металлическая поверх-
ность была защищена от контакта со внешней средой. Общая толщина диска — 1,2 мм.
Информационный рельеф диска представляет собой непрерывную спиральную дорож-
ку, начинающуюся от центра и состоящую из последовательности углублений — питов
(pits). Промежутки между питами носят название lands. Чередованием питов и промежутков
различной длины на диске записывается закодированный цифровой сигнал: переход от про-
межутка к питу и наоборот означает единицу, а длина пита или промежутка — длину серии
нулей. Расстояние между витками дорожки выбирается от 1,4 до 2 мкм, стандарт определя-
ет расстояние 1,6 мкм.
9.10.2.	Запись на компакт-диски
Принцип записи информации на поверхности металлического слоя состоит в создании
на ней мельчайших выемок — питов и отражающих поверхностей — флэтов (рис. 9.24, а).
Рис. 9.24. Структура компакт-диска:
а — вид сбоку в разрезе; б — вид сверху;
1 — флэт; 2 — защитный слой; 3 — металлический информационный слой;
4 — прозрачный защитный слой; 5 — пит; б — поверхность компакт-диска
240
ГЛАВА 9
При этом действует цифровой способ представления информации: флэт соответствует
единице (наличию отраженного сигнала), пит — нулю (его отсутствию). Питы представля-
ют собой овальные углубления шириной до 0,5 мкм и глубиной до 0,11 мкм. Они располага-
ются последовательно друг за другом по спирали. Питы и флэты могут в зависимости от со-
держащейся информации изменяться по длине от 0,8 до 3,5 мкм. Расстояние между сосед-
ними дорожками спирали составляет 1,6 мкм (рис. 9.24, б). Чтобы обеспечить постоянную
скорость поступления информации с компакт-диска в тракт обработки, при считывании
скорость вращения компакт-диска должна быть переменной, так как длина витка спирали,
по которой проходит лазерный луч, увеличивается по мере перемещения от внутренней до-
рожки к внешней. Так, при воспроизведении с диска диаметром 12 см с линейной скорос-
тью 4,3218 Мбит/с число его оборотов в минуту изменяется от 500 до 200.
В настоящее время широко используются: система однократной (CD-Recordable — за-
писываемый CD) и многократной (CD-Erasable — стираемый CD, CD-ReWritable — переза-
писываемый CD) записи компакт-дисков. CD-RW и CD-Е обозначают одно и то же — диск
с возможностью стирания и перезаписи, причем название CD-RW практически вытеснило
CD-Е. Терминами CD-R, CD-Е и CD-RW обозначаются как устройства для записи, так и са-
ми диски.
Для однократной записи используются так называемые «болванки», представляющие
собой обычный компакт-диск, в котором отражающий слой выполнен преимущественно из
золотой или серебряной пленки, а между ним и поликарбонатной основой расположен реги-
стрирующий слой из органического материала, темнеющего при нагревании. В процессе за-
писи лазерный луч нагревает выбранные точки слоя, которые темнеют и перестают пропус-
кать свет к отражающему слою, образуя участки, аналогичные питам.
На CD-R организуется та же информационная структура, что и на штампованных дис-
ках, устройство которых рассмотрено в п. 9.10.1. Это позволяет при помощи соответствую-
щего программного обеспечения записывать звуковые, фото- и видеодиски, которые могут
затем проигрываться в бытовых звуковых и видеопроигрывателях. Однако отражающая
способность зеркального слоя и четкость питов у дисков CD-R ниже обычного, отчего неко-
торые устройства могут работать с ними неуверенно.
В перезаписываемых дисках используется промежуточный слой из органической пленки,
изменяющей под воздействием луча свое фазовое состояние с аморфного на кристаллическое
и обратно, в результате чего меняется прозрачность слоя. Фиксация изменений состояния
происходит благодаря тому, что материал регистрирующего слоя при нагреве свыше критиче-
ской температуры переходит в аморфное состояние и остается в нем после остывания, а при
нагреве до температуры значительно ниже критической восстанавливает кристаллическое со-
стояние. Существующие диски выдерживают от тысяч до десятков тысяч циклов перезаписи.
Однако их отражающая способность существенно ниже штампованных и однократных CD,
что затрудняет их считывание в обычных приводах. Для чтения CD-RW формально необхо-
дим привод с автоматической регулировкой усиления фотоприемника (Auto Gain Control),
хотя некоторые обычные приводы CD-ROM и бытовые проигрыватели способны читать их
наравне с обычными дисками.
Перезаписываемый диск может иметь такую же структуру дорожек и файловую систему,
что и CD-R, либо на нем может быть организована специальная файловая система (Universal
Disk Format, UDF) — универсальный дисковый формат, позволяющий динамически созда-
вать и уничтожать отдельные файлы на диске.
Возможности лазерной записи и воспроизведения информации рассмотрим на примере
компакт-дисков CD-ROM — оптических носителей информации. На покрытом алюминием
5-дюймовом пластмассовом диске может храниться до 650 Мбайт данных, что составляет
ПРИМЕНЕНИЕ ОПТОЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ
241
примерно 333 000 страниц текста или 74 мин высококачественного звучания. Термин CD-
ROM относится как к самим дискам, так и к дисководам (накопителям), в которых считыва-
ется информация.
В 1982 г. фирмы Philips и Sony опубликовали стандарт, в котором определялись методы
квантования сигналов, способы их записи, а также размер диска: внешний диаметр 120 мм,
диаметр центрального отверстия — 15 мм, толщина 1,2 мм. Один диск позволял записать
Девятую симфонию Бетховена.
Компьютерные компакт-диски выглядят так же, как и звуковые, но помимо музыки на
них может быть записана и другая информация. Дисководы CD-ROM, которые подключа-
ются к компьютерам, напоминают проигрыватели звуковых компакт-дисков.
Компакт-диск выполнен из полимерного материала (на основе поликарбонатов) и по-
крыт слоем металла (как правило, одним из сплавов алюминия). Информация считывается
именно с этой стороны металлической пленки. Поверх алюминия наносится еще один слой
полимерного покрытия (лака), защищающего металл и, соответственно, записанные на дис-
ке данные от повреждений. Все этикетки и надписи наносятся на верхнюю сторону диска, а
считывание информации осуществляется с нижней поверхности.
С диском CD-ROM следует обращаться так же аккуратно, как с фотографическими не-
гативами. Для его воспроизведения используются оптические устройства, поэтому во избе-
жание потерь информации поверхность CD-ROM должна быть чистой и без царапин. Неко-
торые накопители могут работать только с дисками, уложенными в специальные подающие
устройства (caddy), позволяющими вообще не касаться руками самих носителей.
Различный цвет рабочей поверхности диска объясняется различным материалом регист-
рирующего и отражающего слоев. В качестве регистрирующего слоя для дисков CD-R наи-
более распространены органические соединения, известные под условными названиями
«цианин» (cyanine) и «фталоцианин» (phtalocyanine). Цианин имеет голубой (cyan) цвет (от-
сюда и название материала, не имеющее отношения к цианидам — химическим производ-
ным циановодорода) и характеризуется средней стойкостью к облучению светом и перепа-
дам температуры. Фталоцианин имеет золотистый цвет и значительно более стоек к внеш-
ним воздействиям.
В качестве отражающих материалов используют золото и серебро, реже — алюминий и
сплавы. Соответственно, рабочая поверхность диска с отражающим слоем из бесцветного
металла имеет цвет своего регистрирующего слоя, а отражающий слой из золота изменяет
цвет цианина с голубого на зеленоватый.
Органический слой дисков CD-RW, как правило, имеет серо-коричневый цвет.
9.10.3.	Считывание информации с компакт-дисков
Информация с компакт-диска считывается оптическим способом с использованием коге-
рентного излучения полупроводникового лазера. Выбор такого источника не случаен, так
как при обработке оптического пучка важное значение имеет не только яркость луча, но и
частота и фаза излучения. Стандартная длина волны лазерного излучения составляет
780 нм, т.е. соответствует инфракрасному (тепловому) диапазону, поэтому луч невидим че-
ловеческим глазом. Об этом следует помнить при проведении ремонтных и регулировочных
работ, так как по неосторожности возможно попадание излучения на сетчатку глаза.
Для правильной работы лазерного диода должен быть обеспечен определенный режим
его работы. Он зависит от тока возбуждения, который для разных диодов составляет от 40
до 70 мА. Причем зависимость мощности излучения от протекающего тока имеет довольно
резко выраженный пороговый эффект.
9 - 3322
242
ГЛАВА 9
При старении эмиссионная способность диодов уменьшается, что требует увеличения
тока возбуждения, но превышение значения 150 мА приводит к разрушению диодов. Обыч-
но в схеме питания лазерного диода устанавливается элемент контроля мощности излуче-
ния — фотодиод, включенный в цепь отрицательной обратной связи по управлению.
При считывании информации (рис. 9.25) полупроводниковый лазер 9 формирует луч,
который вначале обрабатывается сложной системой оптических линз и призм 2—4, 8, позво-
ляющих правильно передать его энергию в нужное место компакт-диска 5. Например, полу-
проницаемая зеркальная призма 8 расщепляет падающий и отраженный оптические потоки,
линза-коллиматор 2 формирует параллельный пучок и т.п.
Рис. 9.25. Схема оптического считывания информации с компакт-диска:
1 — фотоприемник; 2 — коллиматор; 3 — зеркальная призма; 4 — фокусирующая линза;
5 — компакт-диск; 6 — отражающий металлический слой; 7 — защитный прозрачный слой;
8 — расщепитель; 9 — полупроводниковый лазер
На некоторых участках распространения пути прохождения падающего и отраженного
потоков совпадают и разделить их удается только вследствие когерентности излучения. По-
падая на поверхность вращающегося компакт-диска в различные ее точки, луч может отра-
зиться от поверхности флэтов, а может и рассеяться в углублениях питов. В результате на
фотоприемник 1 поступает последовательность оптических импульсов, соответствующая
записанной информации. Для обеспечения точного считывания лазерный луч фокусируется
оптической системой на поверхности отражающего металлического слоя 6 в точку диамет-
ром примерно 1 мкм. При этом диаметр несфокусированного пятна на поверхности про-
зрачного защитного слоя 7 достигает значительно большего размера (до 1 мм), в связи с чем
мелкие царапины и частицы пыли не влияют на качество воспроизведения информации.
Между устройством считывания и поверхностью компакт-диска нет механического
контакта, следовательно, диск не изнашивается и его качественные параметры не снижают-
ся. Сильные повреждения поверхности защитного слоя могут привести к искажению отра-
женной информации. Особенно опасны царапины вдоль дорожек записи, так как сразу мо-
жет «выпасть» большой участок последовательных данных. Еще более нежелательны по-
вреждения металлического информационного слоя, которые восстановить невозможно.
ПРИМЕНЕНИЕ ОПТОЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ
243
Для слежения за точкой фокусировки лазерного луча и его движением по информацион-
ной дорожке существуют специальные методы формирования лазерного пучка и обработки
отраженных лучей. Лазерный пучок диода вначале проходит через дифракционную решетку,
с ее помощью формируется несколько параллельных лучей, среди которых три основных:
средний (главный, наиболее мощный) и два боковых (лучи первого порядка с меньшей
мощностью). Эти лучи отслеживают движение лазерного луча по информационной до-
рожке.
Отраженные от поверхности компакт-диска лучи принимаются с помощью фотодиод-
ной матрицы и преобразуются в электрические сигналы. Детекторное поле, образованное
матрицей, обычно разделено на четыре зоны А-D (иногда на три). Имеются также два де-
тектора Е и F боковых лучей (рис. 9.26).
Рис. 9.26. Схема обработки сигналов фотодиодной матрицы
Сумма сигналов А + В + С + D представляет собой высокочастотный сигнал, несущий
аудиоинформацию. Комбинация сигналов (А + С) - (В + D), зависящая от формы пятна от-
раженного луча, определяет степень ошибки фокусировки. В идеальном случае при форме
пятна в виде круга ошибка равна нулю. Разность Е-F зависит от точности следования трех
основных лучей по середине информационной дорожки и определяет степень так называе-
мой ошибки радиального трекинга.
Компенсация ошибок, возникающих в процессе считывания, осуществляется специаль-
ными сервосистемами, исполнительными элементами которых являются катушки фокуси-
ровки и трекинга, входящие в состав оптического адаптера. Они перемещают его объектив
по сигналам, формируемым схемами обработки.
9.10.4.	Алгоритмы обработки информационных сигналов
при записи компакт-дисков
Аналоговая информация (речь, музыка и т.п.) записывается на компакт-диск после сложной
обработки [58].
Сначала осуществляется аналого-цифровое преобразование сигнала, т.е. перевод непре-
рывного сигнала в цифровую форму (рис. 9.27).
9*
244
ГЛАВА 9
Рис. 9.27. Диаграммы аналого-цифрового преобразования сигнала:
а — колебания; б— отсчеты; в — разрешенная сетка квантования
Она подразумевает дискретизацию — замену записываемого аналогового колебания
(рис. 9.27, а) его отсчетами (рис. 9.27, б), взятыми за очень короткое время и следующими
друг за другом через интервал Аг с определенной частотой FK. Мгновенные значения напря-
жения этих отсчетов подвергаются квантованию, что означает замену их истинных значе-
ний ближайшими значениями из разрешенной сетки квантования (рис. 9.27, в). Уровни
квантования отличаются на значение шага А, и каждый уровень квантования соответствует
определенному коду, записываемому последовательностью нулей и единиц (двоичный код).
В результате такой обработки, которую называют амплитудно-импульсной модуляцией
(АИМ), входному аналоговому сигналу ставится в соответствие последовательность цифро-
вых кодов. Точность цифрового представления сильно зависит от правильности выбранных
параметров.
По теореме Котельникова, известной из курса радиоэлектроники, для осуществления
подобного обратимого преобразования частота дискретизации Fa не должна быть меньше
удвоенной верхней частоты спектра аналогового колебания. Это означает, что для аудио-
сигналов, применяемых в технике класса Hi-Fi с частотным диапазоном 20 Гц...20 кГц,
Гд > 40 кГц. Обычно выбирают Fa = 44,1 кГц.
ПРИМЕНЕНИЕ ОПТОЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ
245
Уменьшение кванта А повышает точность преобразования, но при этом возрастает ко-
личество возможных уровней в сетке квантования, что связано с разрядностью аналого-
цифрового преобразователя (АЦП) — количеством разрядов (нулей и единиц) кода. Значе-
ние этого параметра, как правило, ограничено из-за трудностей технического исполнения
элементов. При определенных значениях разрядности ее рост влияет на качество уже не
столь несущественно. Для высококачественной записи и последующего воспроизведения
аудиосигналов считаются достаточными 14 разрядов АЦП, чаще используется 16 разрядов.
Конечная разрядность представления отсчетов непрерывного сигнала в любом случае
приводит к некоторому его искажению, которое выражается в возникновении так называе-
мого шума квантования, несколько ухудшающего общее соотношение сигнал/шум. Замена
отсчетного сигнала на цифровой эквивалентна появлению в нем некоторого добавочного
шума е(и).
Сам процесс квантования (рис. 9.28) может происходить с округлением или усечением.
В первом случае при переводе каждого аналогового отсчета 5ОТСЧ (отмечен горизон-
тальной черточкой) в цифровую форму этому аналоговому отсчету приводится в соответст-
вие ближайшее значение (оно может быть большим или меньшим) квантованного сигнала
Sn (отмечен точкой). Во втором случае каждому значению аналогового отсчета приводит-
ся в соответствие ближайшее меньшее значение квантованного сигнала. Если динамические
диапазоны устройства квантования и квантуемого колебания согласованы, шаг квантования А
постоянен и значительно меньше действующего значения этого колебания, то максимальная
ошибка квантования не превышает ± Д/2 при округлении и А при усечении. Предпочтение от-
дается квантованию с округлением, не дающему систематической ошибки.
Мощность возникающего шума квантования в обоих случаях Ршк = А2/12.
Рис. 9.28. Диаграмма происхождения шума квантования:
S4, Sotcm — цифровой и отсчетный сигналы; е(п) — сигнал ошибки
До сих пор мы предполагали, что уровни квантования в АЦП разделены одним и тем же
интервалом А. Для цифровой обработки аудиосигналов методами импульсно-кодовой моду-
ляции также широко применяется неравномерное квантование. При этом методе шаг кван-
тования непостоянен: он выбирается небольшим при малых уровнях сигнала и постепенно
увеличивается с ростом входного сигнала, так что закон его изменения близок к логарифми-
ческому. Существуют следующие причины применения логарифмического квантования:
246
ГЛАВА 9
-	оно позволяет приблизиться к равновероятному распределению кодовых слов, соот-
ветствующих различным уровням сигнала, что соответствует максимальной информа-
тивности кодированного сигнала;
-	обеспечивает примерно одинаковое отношение сигнал/шум квантования для «громких»
и «тихих» источников сигналов, что повышает качество записи и воспроизведения.
На выходе АЦП сигнал представляет собой 16-разрядный двоичный код отсчета аудио-
сигнала, называемый словом. Это слово может быть разложено на две восьмиразрядные поло-
вины —: байты. При записи стереофонического аудиосигнала отсчеты левого и правого кана-
лов «оцифровываются» по очереди, т.е. за словом левого канала следует слово правого, затем
опять левого и т.д. Такой порядок преобразования позволяет обеспечить очень высокую сте-
пень разделения стереоканалов, присущую проигрывателям компакт-дисков — более 90 дБ.
Для того чтобы при воспроизведении можно было однозначно восстановить поток ин-
формационных данных, слова компонуются в блоки, называемые кадрами, — по 12 слов
в каждом: по шесть для левого и для правого каналов. Частота следования кадров 7,35 кГц.
Следующий этап обработки записываемого сигнала — кодирование информации. По
различным причинам, связанным с эксплуатацией компакт-дисков, возможно возникнове-
ние ошибок при считывании. Введение специального кодирования позволяет обнаруживать
такие ошибки и часто исправлять их, существенно повышая качество воспроизведения ау-
диосигналов.
Первыми операциями являются разделение каждого слова данных на два байта и про-
цедура перемежения этих байтов. Под перемежением понимается перестановка местами в
определенном порядке участков цифрового сигнала, в результате которой он оказывается
«разбросанным» по разным местам информационной дорожки компакт-диска. Это снижает
вероятность того, что возникший в одном месте дефект воспроизведения заметно повлияет на
фрагмент фонограммы. В процессе воспроизведения должна быть предусмотрена процедура
деперемежения, т.е. обратного «сращивания» разбросанных байтов.
Следующая операция — кодирование с применением метода перекрестного контроля из-
быточности (С//?С-кодер). В результате такого кодирования в поток данных вводится допол-
нительная информация (проверочные биты), с помощью которой по специальному алгоритму
можно обнаружить несоответствие, возникшее из-за ошибки, и устранить его. К каждому бло-
ку данных, несущему аудиоинформацию, добавляется также управляющая информация, назы-
ваемая субкодом. Последний также оформляется в блоки и содержит различные служебные
сведения. В зависимости от структуры служебной информации различают восемь различных
каналов субкода. Например, P-канал обеспечивает опознавание начала и конца фонограмм,
Q-канал содержит данные о номере музыкального фрагмента, продолжительности записи и
ряде других параметров.
Последний этап обработки сигнала при записи — преобразование восьмиразрядных кодов
в 14-разрядные канальные коды или ££Л7-модуляция (Eight-to-Fourteen Modulation). Одной из
задач такого канального кодирования является устранение длинных последовательностей ну-
лей или единиц в потоке двоичной информации, которые могут привести к сбоям синхрониза-
ции и ошибкам при декодировании. Общее количество нулей и единиц в потоке становится
приблизительно одинаковым, а плотность записи увеличивается. Происходит сдвиг спектра
записываемого сигнала в более высокочастотную область, что снижает воздействие на него
низкочастотных помех и шумов. После ££Л/-преобразователя, сигналом которого модулиру-
ется лазерный луч записывающего устройства, минимальный размер пита на дорожке ком-
пакт-диска соответствует трем двоичным разрядам информационной последовательности.
Соответствие 8- и 14-битных кодов задается специальной таблицей преобразования, копия
которой имеется в устройствах, осуществляющих обработку сигнала при воспроизведении.
ПРИМЕНЕНИЕ ОПТОЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ
247
9.10.5.	Алгоритмы обработки информационных сигналов при воспроизве-
дении компакт-дисков
Алгоритмы обработки сигналов при воспроизведении информации с компакт-дисков
можно разделить на три основные группы:
-	алгоритмы обработки сигнала, содержащего аудиоинформацию;
-	алгоритмы обработки данных субкода;
-	алгоритмы обработки сервосигналов слежения за фокусировкой, радиальным трекин-
гом и позиционированием оптического адаптера.
9.10.6.	Алгоритмы обработки сигнала, содержащего аудиоинформацию
и данные субкода
Для получения аудиоинформации с компакт-диска при воспроизведении необходимо осущест-
вить операции, обратные тем, которым подвергались сигналы при записи. Для правильного
соблюдения временных соотношений требуется выделить синхронизирующие сигналы.
Считанные с компакт-диска оптические сигналы (сумма А + В + С + D) преобразуются
фотодиодной матрицей в электрические КТЛУ-сигналы, которые вначале проходят через
усилитель, выравнивающий фильтр и формирователь прямоугольных импульсов (EFMT)
(рис. 9.29). Такое представление сигналов значительно упрощает все последующие процеду-
ры обработки, которые ведутся в цифровом виде.
Оптические сигналы
Выходы стереоканалов
Рис. 9.29. Структурная схема операций, производимых над сигналом,
несущим аудиоинформацию
248
ГЛАВА 9
Тактовые синхроимпульсы, следующие с частотой 4,3218 Мбит/с, выделяются узкопо-
лосной системой фазовой автоподстройки частоты. Из последовательности прямоугольных
импульсов методом сравнения с образцовыми комбинациями выделяются кадровые синхро-
сигналы. В результате весь поток данных раскладывается на информационные кадры, экви-
валентные тем кадрам, которые формировались при записи. Далее синхронизированные
/•ТчМУ-данные из 14-битного формата в EFM-демодуляторе преобразуются в 8-битный фор-
мат (байты).
При записи производится перемежение байтов. В процессе воспроизведения осуществ-
ляется обратная операция — деперемежение — возвращение «разбросанных» участков сиг-
нала на свои места и их «сращивание», в результате которого довольно крупные участки
«выпадения» или поражения сигнала помехой разбиваются на более мелкие, которые проще
компенсируются, например, интерполяцией с учетом гладкой формы волны аудиосигналов.
Рассмотрим фрагмент записываемого аудиосигнала (рис. 9.30, а), отсчеты которого по-
сле аналого-цифрового преобразования перемежаются (рис. 9.30, 6), например, поблочно по
закону 1-3-5-4-2. Пусть при наличии какого-либо дефекта компакт-диска в считываемом
сигнале (рис. 9.30, в) происходит «выпадение» части информации. После деперемежения по
обратному закону «выпавшие» отсчеты оказываются разгруппированными (рис. 9.30, г),
и эти одиночные ошибки легко исправляются линейной интерполяцией (штриховые линии).
При обработке без процедуры перемежения-деперемежения большой участок «выпадения»
информации оказывается неисправленным.
После деперемежения производится декодирование информации с помощью перекрест-
ного контроля избыточности. При этом используются дополнительные проверочные биты,
введенные в сигнал при записи. Выявленные ошибки исправляются декодером. Дефектные
слова данных Сдеф корректируются в устройстве интерполяции, которое оценивает значение
слова С_, предшествующего дефектному, и слова С+, идущего после него, вычисляет их
среднее значение:
Сср = (С_ + С+)/2
и заменяет этим значением дефектное слово:
б^деф “ Сер.
В некоторых моделях проигрывателей компакт-дисков используются алгоритмы, позво-
ляющие уменьшить искажения аудиосигналов, вызванные достаточно продолжительным
«выпадением» информации (сильные царапины на поверхности диска и т.п.). Такие схемы
называются антиударными (antishock). Суть алгоритмов заключается в запоминании и по-
вторении информации, предшествующей моменту «выпадения», на некоторое время, пере-
крывающее время действия помехи.
Следующий этап обработки скорректированной информационной последовательности
данных — цифровая фильтрация, при которой из цифровых сигналов с упомянутой выше
частотой дискретизации Fa = 44,1 кГц искусственно формируются аналогичные сигналы, но
с частотой дискретизации, в целое число раз больше указанного значения: 88,2 или 176,4
и т.д. Это делается для того, чтобы при дальнейшем получении непрерывного аудиосигнала
на выходе устройств обработки после цифро-аналогового преобразования было легче осу-
ществить его низкочастотную фильтрацию.
Эти операции выполняются специальным цифровым сигнальным процессором с ис-
пользованием арифметического логического устройства и внутреннего оперативного запо-
минающего устройства (ОЗУ). Последнее при обработке обеспечивает не только хранение
промежуточных результатов вычислений, но и стабилизирует временные параметры вос-
производимых сигналов.
ПРИМЕНЕНИЕ ОПТОЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ
249
а
Рис. 9.30. Алгоритм обработки сигналов с использованием операции
перемежения-деперемежения:
а — фрагмент записываемого аудиосигнала; б — отсчеты аудиосигнала; в — отсчеты аудиосигнала в случае
дефекта компакт диска; в — отсчет аудиосигнала после процедуры перемежения-деперемежения
Поясним это. Даже при нормальном воспроизведении вероятны незначительные колеба-
ния скорости поступления информации с компакт-диска, поэтому возможны изменения пара-
метров выходных аналоговых сигналов. Использование промежуточной памяти (ОЗУ) позво-
ляет, записав в нее нестабильный сигнал, считать его затем со стабильной частотой выборки
и этим устранить ненужные флюктуации.
250
ГЛАВА 9
Процесс цифро-аналогового преобразования заключается в формировании непрерывно-
го колебания, мгновенные значения напряжения которого соответствуют двоичному коду
цифрового сигнала, в данном случае — 16-разрядного. Устройство, выполняющее данную
операцию, называется цифро-аналоговым преобразователем (ЦАП). Так как время действия
одного цифрового слова на его входе равно периоду дискретизации, то в первом приближе-
нии на выходе ЦАП непрерывный сигнал имеет вид ступенчатой функции времени
(рис. 9.31), длины «ступенек» которого также равны этому значению. Для сглаживания фор-
мы ФНЧ-сигнала на выходе ЦАП устанавливается фильтр нижних частот (ФНЧ) с ампли-
тудно-частотной характеристикой K(f) (рис. 9.32). Этот фильтр должен быть «прозрачен» в
полосе спектра аудиосигналов (до 20 кГц) и не должен пропускать составляющие с часто-
той дискретизации Fa. Чем больше разница между частотой дискретизации Fa и полосой
пропускания ФНЧ ДГФНЧ, тем лучше осуществляется фильтрация и легче реализуется
фильтр.
Рис. 9.31. Вид сигнала на выходе ЦАП	Рис. 9.32. Амплитудно-частотная
характеристика ФНЧ
Одновременно с процессом цифро-аналогового преобразования осуществляется и де-
мультиплексирование аудиоинформации, т.е. разделение ее на сигналы левого и правого ка-
налов. Это происходит при коммутации и разделении потока чередующихся 16-разрядных
слов левого и правого каналов на два подпотока. В результате попеременного подключения
их к ЦАП (одному или двум в зависимости от конкретной реализации схемы) формируются
два аудиосигнала.
Цифровые данные субкода, поступающие вместе с аудиоинформацией, обрабатываются
отдельно по специальным алгоритмам. Субкод содержит общие сведения о диске и теку-
щую информацию. Общая информация считывается в начале воспроизведения с нулевой
дорожки, а текущая используется в процессе работы для управления устройствами обработ-
ки. При обработке субкода не требуются операции интерполяции и деперемежения, так как
в этих импульсных последовательностях нет зависимости байт и слов друг от друга, как в
аналоговом сигнале. В результате из импульсных комбинаций субкода формируются сигна-
лы, несущие информацию о содержании компакт-диска, количестве фонограмм, номере до-
рожки, сигнале предыскажений, абсолютном и относительном времени воспроизведения и
т.д., которые обеспечивают многие управляющие и сервисные функции.
ПРИМЕНЕНИЕ ОПТОЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ
251
9.10.7.	Алгоритмы обработки сервосигналов
Тракты обработки сервосигналов обеспечивают управление скоростью вращения компакт-
диска, слежение за фокусировкой лазерного луча и его движением строго по информацион-
ной дорожке, а также перемещение оптического адаптера по полю компакт-диска (позицио-
нирование). Управляющие сигналы, осуществляющие эти функции, тесно связаны друг с
другом, и появление одного из них часто невозможно без наличия другого.
В зависимости от скорости вращения компакт-диска изменяется скорость поступления
цифровой информации на устройства обработки, т.е. ее количество в определенный проме-
жуток времени. Это количество может быть легко оценено. На анализе количества посту-
пающей информации построен алгоритм подстройки скорости вращения диска. Если в про-
цессе воспроизведения заполнение некоторого буфера данных не соответствует эталонно-
му, то схема вырабатывает сигнал рассогласования, управляющий скоростью вращения
электродвигателя привода диска. Кроме этого сигнала, имеются управляющие сигналы на-
чала (ускорения) и окончания (торможения) воспроизведения.
Алгоритм управления фокусировкой луча состоит из двух частей: начальный поиск фо-
куса и текущее слежение за фокусом. Для работы устройств фокусировки используется
комбинация сигналов А, В, С, D фотодиодной матрицы (иногда сигналов только три)
(см. рис. 9.26). В начальный момент воспроизведения, независимо от наличия компакт-дис-
ка, запускается схема поиска, перемещающая несколько раз оптическую фокусирующую
линзу для обнаружения момента точной фокусировки по максимуму постоянного напряже-
ния, выделенного из сигнала данных. Эта схема формирует сигнал точной фокусировки.
В процессе воспроизведения с помощью схем сложения и вычитания (см. рис. 9.26)
формируется и анализируется напряжение ошибки фокусировки (А + Q - (В + £>), часто
обозначаемое на схемах FER. Из него после коррекции и усиления формируется управляю-
щий сигнал FE, который воздействует на обмотку катушки фокусировки оптического адап-
тера и перемещает линзу до получения минимальной ошибки.
Процесс слежения за движением сфокусированного лазерного пучка по информацион-
ной дорожке компакт-диска называется радиальным трекингом. Для этого используется
комбинация трех его составляющих: одного главного А + В + С + D и двух боковых лучей
Е и F. Один из боковых лучей находится перед главным, а другой — после него. Они имеют
небольшие противоположные смещения относительно середины дорожки. При воспроизве-
дении постоянно вычисляется разность сигналов Е-F, называемая ошибкой радиального
трекинга TER. Чтобы обеспечить анализ одной и той же точки дорожки, сигнал переднего лу-
ча должен быть задержан относительно заднего. Если главный луч движется точно по середи-
не информационной дорожки, то ошибка равна нулю. При отклонении главного луча форми-
руется напряжение TER соответствующего знака. Для воздействия на обмотку катушки тре-
кинга оптического адаптера, которая перемещает объектив, это напряжение дополнительно
усиливается и корректируется. На практике вместо TER часто используется обозначение ТЕ.
Применяемая регулировка баланса трекинга предполагает установку симметрии сигналов бо-
ковых лучей и, соответственно, симметричности сигнала ТЕ относительно нуля. Это достига-
ется введением регулируемого постоянного напряжения в один из каналов Е или F.
Для отслеживания перемещения всего оптического адаптера по полю компакт-диска в
радиальном направлении (позиционирования адаптера) используется несколько схем, фор-
мирующих сигналы для управления электродвигателем позиционирования. При начальной
установке оптический адаптер перемещается к нулевой (внутренней) дорожке диска. Кон-
троль момента достижения нулевой дорожки обычно осуществляется с помощью концевого
переключателя. В режиме воспроизведения используются уже упомянутая комбинация сиг-
налов E — F, ее низкочастотная часть. При поиске необходимых фрагментов записи лазер-
ный луч пересекает дорожки компакт-диска под управлением сигналов системы управле-
ния. Для работы этой схемы используется информация зеркального детектора, контроли-
252
ГЛАВА 9
рующего нахождение луча между дорожками на зеркальной поверхности (сигнал MIRR),
компаратора точного трекинга (сигнал ТОК) и счетчика дорожек.
9.10.8.	Устройство проигрывателя компакт-дисков
Структурная схема проигрывателя компакт-дисков включает устройства, реализующие вы-
шеприведенные алгоритмы обработки сигналов. В зависимости от модели реализации узлов
и программ обработки проигрыватели могут различаться, но их общая структура (рис. 9.33)
сохраняется.
Компакт-диск
Рис. 9.33. Структурная схема проигрывателя компакт-дисков
ПРИМЕНЕНИЕ ОПТОЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ
253
Можно выделить две основные системы: тракт обработки сервосигналов, обслуживаю-
щий механические устройства, и тракт обработки информационного сигнала.
Первая система обеспечивает управление электродвигателем осевого перемещения
(вращения) компакт-диска, управление электродвигателем позиционирования оптического
адаптера, фокусировку (управление перемещением фокусирующей линзы) и радиальное
слежение (трекинг) — перемещение объектива перпендикулярно дорожке записи.
Вторая система содержит оптический адаптер, включающий маломощный лазерный
диод, формирует когерентное излучение с длиной волны 760...800 нм. Для управления его
мощностью и стабилизации параметров излучения служит специальная схема, контроли-
рующая оптический поток с помощью измерительного фотодиода. Отраженные от поверх-
ности компакт-диска лучи затем принимаются с помощью фотодиодной матрицы и преоб-
разуются в электрические сигналы. Детекторное поле матрицы разделено на зоны A-D
(в некоторых моделях на три). Имеются два детектора боковых лучей EnF.
Процессор сигналов адаптера содержит несколько дифференциальных усилителей, с по-
мощью которых формируются сумма сигналов А + В + С + D, т.е. высокочастотный сигнал,
несущий аудиоинформацию, и сигналы ошибок фокусировки (А + С) - (В + D) и радиально-
го трекинга E-F.
После этого обычно аналоговые сигналы преобразуются в цифровую форму и дальней-
шая обработка осуществляется в цифровом процессоре сигналов.
Из сигналов ошибок FER и TER в результате обработки получаются сигналы управле-
ния электродвигателем позиционирования и обмотками катушек фокусировки и трекинга,
обеспечивающие перемещение самого адаптера и его оптической системы. Предварительно
эти взаимодействия усиливаются каскадами управления.
Для формирования синхроимпульсов в схеме разделения данных тракта обработки
ВЧ-сигнала имеется система фазовой автоподстройки частоты, с помощью которой анали-
зируются частотные параметры суммарного сигнала А + В + С + D.
От скорости вращения электродвигателя привода компакт-диска (осевого перемещения)
зависит скорость поступления информации. Схема контроля скорости вращения анализиру-
ет количество поступающей информации и после соответствующей обработки формирует
управляющее напряжение, которое затем усиливается и воздействует на обмотку рассмат-
риваемого электродвигателя.
Информационный сигнал после преобразования в импульсную форму проходит стадию
EFM-демодуляции, далее разделяется на поток, содержащий аудиоинформацию, и поток,
содержащий информацию субкода.
Процесс последующей обработки аудиоинформации включает деперемежение, деко-
дирование и коррекцию ошибок с помощью перекрестного контроля избыточности, а так-
же интерполяцию сигнала, способную устранить искажения и выпадения отдельных его
участков. Восстановленный и скорректированный поток данных далее подается на цифро-
вой фильтр, который из цифровых сигналов с частотой выборки 44,1 кГц формирует так-
же цифровые сигналы, но с более высокой частотой дискретизации, кратной упомянутому
значению. Дальнейшее цифро-аналоговое преобразование сигналов осуществляется
в ЦАП с фильтрами нижних частот. Разделение низкочастотных колебаний левого и пра-
вого каналов происходит в схеме демультиплексирования ЦАП. Сформированные таким
образом стереосигналы подвергаются дальнейшему усилению и регулировке в низкочас-
тотном тракте.
Сигналы, получаемые в результате декодирования субкода, используются котроллером
управления проигрывателя компакт-дисков, который связан с внешними устройствами
управления (клавиатурой, системным контроллером и т.п.).
254
ГЛАВА9
Для установки компакт-дисков в механизме воспроизведения имеется система загрузки.
В простых моделях диск устанавливается вручную. Принципы построения системы загруз-
ки компакт-дисков зависят от места установки проигрывателя, способа открывания диско-
приемника, количества одновременно устанавливаемых дисков. В любом случае имеется
электродвигатель загрузки со схемой управления, перемещающий дископриемник (поворот-
ный столик или крышка). Схема управления получает информационные сигналы от кон-
троллера проигрывателя. В моделях, где возможна установка нескольких дисков одновре-
менно. (пакетом), дополнительно к этому электродвигателю имеется еще лифтовый меха-
низм, который с помощью электродвигателя осуществляет перемещение дископриемника
в вертикальной плоскости для выбора из пакета заданного диска. В этом случае в схеме пре-
дусмотрен соответствующий датчик и счетчик компакт-дисков.
9.10.9.	Джиттер
Джиттер — быстрое по отношению к длительности периода дрожание фазы цифрового
сигнала, когда нарушается строгая периодичность следования фронтов импульсов. Такое
дрожание возникает из-за нестабильности тактовых генераторов, а также в местах выделе-
ния синхросигнала из комплексного сигнала методом PLL (Phase Locked Loop — петля с за-
хватом фазы, или фазовая автоподстройка частоты — ФАПЧ). Такое выделение имеет ме-
сто, например, в демодуляторе сигнала, считанного с диска, в результате чего образуется
опорный синхросигнал, который путем коррекции скорости вращения диска «подгоняется»
к эталонной частоте 4,3218 МГц. Частота синхросигнала, а следовательно, его фаза и фаза
информационного сигнала при этом непрерывно колеблются с различной частотой. Допол-
нительный вклад может вносить неравномерность расположения питов на диске, порожден-
ная, например, некачественным прессованием или нестабильной записью.
Однако неравномерности сигнала с диска полностью компенсируются входным буфером
декодера, так что любое дрожание и детонация, возникшие до помещения сигнала в буфер, на
этом этапе устроняются. Выборка из буфера управляется стабильным генератором с фиксиро-
ванной частотой, однако таким генераторам тоже присуща определенная, хотя и гораздо
меньшая, нестабильность. В частности, она может быть вызвана помехами по цепям питания,
которые, в свою очередь, могут возникать в моменты срабатывания системы регулирования
(САР) и коррекции скорости диска или положения головки/линзы. На дисках низкого ка-
чества эти коррекции происходят чаще, давая ряду экспертов повод напрямую связывать
стабильность выходного сигнала с качеством диска, хотя на самом деле причиной служат
недостаточно хорошая развязка систем Compact Disk Player (CDP).
9.11.	Фотоэлектрические элементы и системы
Базовой характеристикой развития общества является энергопотребление. В настоящее время
к основным источникам энергии относятся: органическое топливо (нефть, газ, уголь), атомная
энергия, гидроэнергия. Однако используемые виды топлива, во-первых, ограничены в объе-
мах, например, органические виды топлива; во-вторых, являются опасными (атомная энер-
гия); в-третьих, вызывают загрязнение окружающей среды, уровень которого пропорциона-
лен уровню энергопотребления. Одним из путей решения этой проблемы признается исполь-
зование возобновляемых источников энергии: энергии солнца, ветра, биоэнергетики и т.д.
ПРИМЕНЕНИЕ ОПТОЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ
255
Установлено, что энергия, получаемая Землей от Солнца за один час, равна общему ко-
личеству энергии, потребляемой людьми в год. Развитию энергетики на основе использова-
ния излучения Солнца уделяется больше внимания, что связано с рядом факторов:
- экологическая безопасность: в результате сгорания ископаемого топлива образуются
газы: двуокись углерода, азот и диоксид азота. Эти газы оказывают отрицательное
влияние на окружающую среду. При использовании солнечной энергии количество
отработанных газов незначительно;
— неограниченность запаса солнечной энергии: запасы многих ресурсов на Земле огра-
ничены. Подсчитано, что месторождения нефти будут разработаны в течение следую-
щих 43 лет, угля — в течение 174 лет, природного газа — в течение 56 лет, урана —
66 лет. Но солнечная энергия будет существовать всегда.
Возможная мощность фотоэлектрических станций составляет более 1 000 ТВт, а объем
вырабатываемой энергии — 2-1010 ТВт.
В работе [36] приведен анализ развития фотоэлектричества (PV-энергетики) в мире.
9.11.1.	Фотоэлектрические системы
Как правило, фотоэлектрические системы (ФЭС) состоят из следующих элементов: солнеч-
ная батарея, инвертор, накопитель, система контроля.
В зависимости от режима работы ФЭС подразделяются на:
-	автономные (с накопителем);
-	сетевые (накопителем является электрическая сеть).
Технико-экономические характеристики ФЭС, прежде всего, эффективность (кпд) и
стоимость, определяются солнечной батареей, материалами и техникой ее изготовления.
Доля солнечной батареи в себестоимости ФЭС составляет более 60%. Основным структур-
ным компонентом солнечной батареи (СБ) является солнечный элемент.
9.11.2.	Солнечные элементы
Солнечные элементы (СЭ) в зависимости от материала и технологии изготовления делятся на:
- кремневые (объемные, тонкопленочные);
-	СЭ на основе соединений: (А2В6, CdS/CdTe, А3В5 и др.).
В зависимости от структуры материала СЭ подразделяются на кристаллические, поли-
кристаллические и аморфные.
Наибольшее развитие получили кремниевые СЭ на базе монокристаллического кремния
c-Si. Это обусловлено следующими причинами:
-	отработана технология получения кремния и выращивания р-и-переходов;
-	элементы этого типа имеют высокие параметры (кпд, стабильность и надежность);
эффективность СЭ на основе c-Si достигает 26%, коммерческие образцы СЭ имеют
эффективность 14...18%, поликристаллические 12-14%.
Ключевыми направлениями в развитии данного направления являются:
-	создание эффективных и дешевых технологий получения кремния;
-	повышение эффективности путем совершенствования технологии и изготовления СЭ,
исследования и создания комбинированных СЭ и т.д.
Тонкопленочные аморфные солнечные элементы. Наибольшее развитие в области
аморфных тонкопленочных СЭ получила технология аморфного кремния.
256
ГЛАВА 9
Аморфный гидрогенизированный кремний (a-Si:H) в настоящее время считается одним
из основных материалов солнечной энергетики. Солнечные батареи из a-Si:H обладают
рядом преимуществ:
-	большое значение напряжения холостого хода;
-	возможность нанесения на большие площади;
-	использование в качестве подложек различных материалов (стекло, нержавеющая
сталь, полиамид);
-	энерго- и ресурсосберегающая технология;
-	низкая стоимость.
Лучшая эффективность СЭ на основе a-Si:H — 13%. Она получена на элементе с трой-
ной р—I—л-структурой.
Главные проблемы в области технологии a-Si:H:
-	повышение стабильности параметров СЭ (создание многопереходных СЭ);
-	повышение эффективности СЭ.
Тонкопленочные поликристаллические солнечные элементы. В настоящее время
в области тонкопленочных поликристаллических СЭ основной является технология СЭ
на базе CdS/CdTe и CIS (CuInSe и др.). Промышленность выпускает солнечные батареи на
основе CdS/CdTe с кпд 8% и высокой стабильностью. Эффективность экспериментальных
образцов составляет 15... 16%.
Интерес к солнечным элементам, базирующимся на технологии CIS, связан с возможно-
стью получения высокоэффективных СЭ (кпд около 14... 16%).
Основные направления исследований в области тонкопленочных поликристаллических
СЭ связаны с созданием такой технологии элементов, которая обеспечила бы высокую ста-
бильность параметров и возможность нанесения пленок на поверхности больших размеров.
Технико-экономические показатели СЭ из различных материалов приведены в табл. 9.2.
Таблица 9.2. Технико-экономические характеристики солнечных элементов
Материал СЭ	1995 г.		2000 г.		2010 г.	
	Эффектив- ность, %	Цена, долл./Вт	Эффектив- ность, %	Цена, долл./Вт	Эффектив- ность, %	Цена, долл./Вт
Монокристаллический кремний	15	2,40	18	2,00	22	1,50
Поликристаллический кремний	14	2,25	16	1,95	20	1,45
Аморфный кремний	7-9	2,00	10	1,20	14	0,75
Доминирующее положение в технологии СЭ занимают кремниевые (более 80% мирово-
го объема производства).
9.11.3.	Инверторы
В солнечной энергетической установке (СЭУ) инвертор преобразует напряжение постоян-
ного тока, вырабатываемое солнечной батареей или аккумулятором, в напряжение перемен-
ного тока требуемой амплитуды и частоты.
Существуют два типа инверторов:
-	работающие в автономных источниках (автономные инверторы);
-	обеспечивающие подачу энергии в сеть (сетевые инверторы).
ПРИМЕНЕНИЕ ОПТОЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ
257
В СЭУ инвертор должен обладать следующими характеристиками:
-	минимальные потери (кпд не менее 90%);
-	возможность отбора максимальной мощности от солнечной батареи (режим МРР);
-	высокая надежность и долговечность;
-	высокие параметры выходного сигнала;
-	минимальное влияние на параметры сети (при работе с сетью).
В автономных инверторах, как правило, выходной сигнал представляет собой перемен-
ное напряжение 220 В с частотой 50 (60) Гц, а на входе постоянное напряжение от аккуму-
лятора составляет 12,24 или 48 В.
Идеальный автономный инвертор должен иметь следующие свойства:
-	пиковая способность (от 2-х до 4-х номинальных мощностей);
-	низкие потери в режимах холостого хода и ожидания;
-	регулировка выходного напряжения;
-	отключение при низком напряжении батарей;
-	низкий уровень коэффициента гармоник.
Сетевой инвертор преобразует постоянный ток от солнечных батарей в переменный
ток, который поступает в сеть. Принципиальным отличием сетевого инвертора от автоном-
ного является то, что в первом случае организуется синхронизация работы инвертора сете-
вым напряжением.
Система контроля сетевого инвертора должна защитить от короткого замыкания по по-
стоянному току, от потери фазы и т.д. Как правило, на вход сетевого инвертора подается на-
пряжение постоянного тока от 350 до 800 В. Эффективность сетевых инверторов составляет
более 90%.
Эффективность преобразования инверторов во многом определяется характеристиками
силовых ключевых элементов. В инверторах используются:
-	МДП-транзисторы;
-	IGBT-транзисторы (биполярные транзисторы с изолированным затвором);
-	тиристоры.
МДП-транзисторы применяются в инверторах мощностью не более 5 кВА. Основное
преимущество — низкие потери на высоких частотах. Однако МДП-транзисторы по сво-
им предельным энергетическим параметрам значительно уступают биполярным приборам.
Создание IGBT-транзисторов позволило решить проблему коммутации больших токов
(до сотен ампер) при напряжении ~ 1000 В. При этом входные емкости приборов меньше,
чем у мощных МДП-транзисторов, и значение сопротивления канала достигает тысячных
долей Ома. Это позволяет создавать инверторы с IGBT-транзисторами мощностью до
200 кВт. При небольшой и средней мощности, когда не предъявляются высокие требования
к выходному сигналу, в качестве ключевых элементов могут быть использованы тиристоры.
При работе в ФЭС необходимо обеспечить режим отбора максимальной мощности в на-
грузку (режим ММР). Эта проблема решается путем использования экстремального регулято-
ра (ЭР). В настоящее время кпд, достигнутый в инверторах, как правило, составляет 91.. .94%.
Области применения ФЭС:
-	фотоэлектрические станции большой мощности, включенные в энергосистему;
-	телерадиокоммуникации для обеспечения автономного и аварийного электропитания;
-	сельское хозяйство: насосные станции, автономное питание объектов и т.д.;
-	жилищное строительство: автономное и сетевое энергообеспечение жилья, архитек-
турные применения — крыши, фасады зданий;
-	бытовая техника;
-	военная техника;
-	катодная защита трубопроводов и т.д.
258
ГЛАВА 9
9.11.4.	Перспективы развития фотоэлектрических систем в мире
В табл. 9.3 приведены данные по развитию рынка фотоэлектричества в мире в конце XX в.
Таблица 9.3. Данные по мировому рынку развития фотоэлектричества
Объем продаж солнечных элементов, МВт, по годам								
Страна	1993	1994	1995	1996	1997	1998	1999	2000
США	22,44	25,64	34,75	38,85	51,00	53,70	60,80	78,50
Япония	16,70	16,50	16,40	21,20	35,00	49,00	80,00	116,70
Европа	16,55	21,70	20,10	18,80	30,40	33,50	40,00	58,50
Прочие	4,40	5,60	6,35	9,75	9,40	18,70	20,50	24,20
Всего	60,09	69,44	77,60	88,60	125,80	154,90	201,30	277,90
Существуют и расширяются национальные программы и политика в области PV-энерге-
тики. Необходимо отметить важнейшую роль государственной поддержки как исследова-
ний, так и рынка возобновляемой энергетики в мире.
Российская Федерация — крупнейшее по территории государство в мире. Площадь, за-
нимаемая Российской Федерацией, составляет более 17 млн кв. км. Крайняя северная точка
расположена на 82° северной широты, крайняя южная точка — 41° северной широты. Раз-
ница составляет 41° или 4,6 тыс. км. Протяженность с запада на восток — более 9 тыс. км.
Россия обладает значительным энергетическим потенциалом в области возобновляемых
источников энергии, в частности, в PV-энергетике. Для оценки перспектив использования
PV-энергетики в России необходимо, кроме геофизических характеристик, знать и особен-
ности национальной энергетической системы.
Важной характерной чертой существующей энергетической системы России является ее
высокая централизация. Около 90% электроэнергии производится крупными электростан-
циями, объединенными в единую энергетическую систему страны. Практически все насе-
ленные пункты присоединены к электрическим сетям, 87% населения получает электро-
энергию централизованно. Однако большая часть обширной территории России с малой
плотностью населения не присоединена к централизованным электрическим сетям.
По оценкам — это около 10 млн человек, живущих на Севере и Дальнем Востоке страны.
Расширяющееся строительство в зонах отдыха населения требует строительства линий
электропередачи или использования возобновляемых источников энергии. Количество та-
ких потребителей электроэнергии составляет около 5 млн.
Возможный рынок PV-энергетики в России с учетом возможных потребителей, сниже-
ния запасов органического топлива, увеличения стоимости электроэнергии можно оценить
в 3000 МВт. По мере роста требований к экологии, развитию энергосберегающих техноло-
гий этот рынок может быть увеличен до 10 000 МВт.
Широкое использование PV-энергетических систем может быть связано с различными
областями применения: от малых энергетических станций (до 100 Вт), средних энергосис-
тем до 1 кВт и больших станций с мощностью более 1 кВт.
Маломощные станции могут использоваться во всех районах страны. Станции средней
и большой мощности являются, как правило, стационарными, и их применение сильно зави-
сит от местоположения потребителя.
ПРИМЕНЕНИЕ ОПТОЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ
259
Наиболее перспективными для использования PV-энергетики являются южные районы
страны, Якутия, Бурятия.
Наилучший эффект могут дать гибридные энергетические системы. Использование гиб-
ридных станций, используюших энергию различных источников (вода, уголь, энергия
Солнца, ветер и т.д.), решает проблему круглогодичного применения возобновляемой энер-
гии. По всей видимости, возможно применение многофункциональных энергетических сис-
тем, использующих энергию ряда источников: солнца, ветра, гидроэнергетики, низкопотен-
циального тепла и т.д.
В России проблемами фотоэлектричества занимаются очень давно. В результате много-
летних исследований в области технологии и применения PV-энергетики накоплен большой
опыт и имеются широкие возможности по ее развитию.
Наибольшее развитие получили следующие направления:
-	производство солнечных элементов на основе монокристаллического кремния
(эффективность — до 15%, производственные мощности — около 3 МВт);
-	производство солнечных элементов на основе аморфного кремния (производственные
мощности — 1 МВт);
-	производство солнечных элементов на основе соединения А3В5 (эффективность —
до 19%);
-	производство PV-модулей.
Россия продает на внешний рынок около 3 млн кремниевых пластин для солнечных
элементов. Максимальный объем продаж солнечных элементов, оцененный по производст-
ву кремния, в настоящее время может составить около 5 МВт.
Основные направления исследований в области PV-энергетики:
-	новые технологии получения кремния;
-	c-Si солнечные элементы с кпд более 16% и солнечные элементы на основе поликри-
сталлического кремния p-Si с кпд 14%;
-	солнечные элементы на основе А3В5 для космического и наземного использования;
-	технология получения солнечных элементов на базе новых материалов;
-	высокоэффективные инверторы;
-	PV-энергетические системы.
Направления исследований связаны с решение двух глобальных проблем:
-	снижение стоимости элементов PV-систем, прежде всего, солнечных элементов;
-	повышение эффективности PV-систем.
В России в настоящее время нет единой государственной программы по возобновляе-
мым источникам энергии, в том числе и по PV-энергетике.
Главной проблемой развития PV-энергетики в России, как, в общем, всей энергети-
ки на основе возобновляемых источников считается слабое участие государства в разви-
тии этого направления. Прежде всего, несовершенное законодательное обеспечение,
крайне низкие стимулы развития возобновляемой энергетики, недостаточное инвести-
рование.
Оптимистический взгляд на решение этой проблемы основан на том, что, во-первых,
общая тенденция развития возобновляемой энергетики в мире приведет к необходимо-
сти ее развития в России. Во-вторых, активная работа специалистов области PV-энерге-
тики, серьезный научный и технический потенциал в этой области на предприятиях
России. В-третьих, большие природные ресурсы для развития возобновляемой энерге-
тики.
260
ГЛАВА 9
Тесты
9.1.	Что называется оптоэлектронным блокинг-генератором:
а)	генератор прямоугольных импульсов;
б)	генератор синусоидальных импульсов;
в)	генератор колебаний пилообразной формы;
г)	генератор трапециидальных импульсов?
9.2.	Какие особенности имеют оптоэлектронные ключи:
а)	малую потребляемую мощность;
б)	большую мощность, потребляемую цепями управления;
в)	плохую гальваническую развязку цепей управления и сигнала;
г)	хорошую гальваническую развязку цепей управления и сигнала?
9.3.	В каком режиме используются фотодиоды оптоэлектронной микросхемы типа К249КН1:
а) фотодиодном;
б)	фоторезистивном;
в)	лавинном;
г)	режиме фотоЭДС?
9.4.	Какие особенности имеют логические оптоэлектронные элементы:
а)	плохую развязку цепей управления и сигнала;
б)	хорошую развязку цепей управления и сигнала;
в)	малую мощность потребляемую цепями управления;
г)	существенную мощность потребляемую цепями управления?
9.5.	От чего зависит длительность рабочего хода оптоэлектронного ГЛИН:
а)	входного тока СИД;
б)	фотоЭДС р-и-перехода транзистора;
в)	значения емкости;
г)	напряжения питания?
9.6.	От чего зависит частота оптоэлектронного генератора с мостом Вина:
а)	коэффициента усиления операционного усилителя;
б)	сопротивлений элементов цепи отрицательной обратной связи (ООС);
в)	сопротивления фоторезисторов;
г)	емкостей полосовой фазирующей цепи?
9.7.	Какой принцип реализуется при считывании информации с компакт-дисков:
а)	аналоговой демодуляции;
б)	голографического считывания информации;
в)	счета числа впадин и площадок дорожек компакт-диска;
г)	отражения лазерного луча от площадок, образующих дорожки?
9.8.	Выберите элемент, который выполняет операцию ИЛИ (рис. 1).
9.9.	Выберите элемент, который выполняет операцию И-НЕ (рис. 1).
9.10.	Используя рис. 1, в выберите элемент, который выполняет операцию ИЛИ-НЕ.
ПРИМЕНЕНИЕ ОПТОЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ
261
Рис. 1
Ответы
Глава 1. Введение в оптоэлектронику
Тест	1.1	1.2	1.3	1.4	1.5	1.6	1.7	1.8	1.9	1.10
Ответ	в	б	г	а	е, г, д, б, а, ж, в	в	б	а	6	а
Глава 2. Физические основы оптоэлектроники
Тест	2.1	2.2	2.3	2.4	2.5	2.6	2.7	2.8	2.9	2.10
Ответ	б	а	а	б	в	в	г	в, г	б	б
Глава 3. Оптические волноводы
Тест	3.1	3.2	3.3	3.4	3.5	3.6	3.7	3.8	3.9	3.10
Ответ	б	б	в	б	а	г	а	а, г	в	г
Глава 4. Источники некогерентного излучения
Тест	4.1	4.2	4.3	4.4	4.5	4.6	4.7	4.8	4.9	4.10
Ответ	б	б	в	г	а	б	а	д, е	б, е	3
Глава 5. Приборы когерентного излучения
Тест	5.1	5.2	5.3	5.4	5.5	5.6	5.7	5.8	5.9	5.10
Ответ	1	2	/	2	1	2	/	3	3	а, б
Глава 6. Полупроводниковые фотоприемные приборы
Тест	6.1	6.2	6.3	6.4	6.5	6.6	6.7	6.8	6.9	6.10
Ответ	/	2. 3	в	4	б	г	в, г	б	б	б
Глава 7. Оптроны
Тест	7.1	7.2	7.3	7.4	7.5	7.6	7.7	7.8	7.9	7.10
Ответ	в	а	б	в, г	а	б	1	2	4	5
Глава 8. Индикаторные приборы
Тест	8.1	8.2	8.3	8.4	8.5	8.6	8.7	8.8	8.9	8.10
Ответ	в	в	/	2	5, 7	/	3	4	5	6
Глава 9. Применение оптоэлектронных приборов
Тест	9.1	9.2	9.3	9.4	9.5	9.6	9.7	9.8	9.9	9.10
Ответ	а	б, г	г	б, г	в, г	в, г	г	б	в	г
Список сокращений
А
АВС
АИМ
АПП
АРУ
АЦП
ВАХ
ВКР
воле
ВОС
ВОСП
ВОСС
ВУ
гип
ГИС
глин
ДА
ДГС
дкв
ЖК
жки
жкэ
ЗУ
ик
ИМС
ИС
КМОП
кпд
КУ
ЛВС
лд
ЛФД
мко
МП
номинальная числовая апертура
активный волоконный световод
амплитудно-импульсная
модуляция
абсолютный показатель
преломления
автоматическая регулировка
усиления
аналого-цифровой преобразователь
вольтамперная характеристика
вынужденное комбинационное
рассеяние
волоконно-оптическая линия связи
волоконно-оптическая система
волоконно-оптическая система
передач
волоконно-оптические системы
связи
вращательные уровни
газоразрядная индикаторная
панель
гигантская интегральная схема
генератор линейно изменяющегося
напряжения
диэлектрическая анизотропия
двойная гетероструктура
двойная корреляционная выборка
жидкий кристалл
жидкокристаллический индикатор
жидкокристаллический экран
запоминающее устройство
инфракрасный
интегральная микросхема
информационная система
комплементарные приборы
со структурой металл-окисел-
полупроводник
коэффициент полезного действия
колебательный уровень
локальная вычислительная система
лазерный диод
лавинный фододиод
Международная комиссия
по освещению
мультиплексор
МЭВ	монохроматическая электромагнитная волна
НЖК	нематические жидкие кристаллы
ОВ	оптическое волокно
ОЗУ	оперативное запоминающее устройство
ои	окно интерфейса
ок	оптический канал
окг	оптический квантовый генератор
оос	отрицательная обратная связь
опз	область поверхностной зоны
ОС	обратная связь
ОУ	операционный усилитель
оэп	оптоэлектронные приборы
ОЯ СПД особо яркие светоизлучающие ДИОДЫ	
ПВО	полное внутреннее отражение
ПОВ	планарный оптический волновод
пос	положительная обратная связь
пп	полупроводник
ппл	полосковый полупроводниковый лазер
ПФП	пиротехнический фотоприемник
СБИС	сверхбольшая интегральная схема
св	стекловолокно
сд	светодиод
сид	светоизлучающий диод
СКР	спонтанное комбинационное рассеяние
снс	скручивающие нематические структуры
СПФ	спонтанный фотон
ссид	суперлюминесцентный светоизлучающий диод
СТФ	стимулированный фотон
СЭ	солнечный элемент
СЭУ	солнечная энергетическая установка
УБИС	ультрабольшая интегральная схема
ФАПЧ	фазовая автоподстройка частоты
ФД	фотодиод
ФК	фотонный кристалл
ФКВ	фотонно-кристалическое волокно
ФНЧ	фильтр нижних частот
ФП	фотоприемник
264
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ
ФПЗС	фотоприемные приборы с зарядовой связью	DWDM	многоканальная система передачи с плотным
ФЭС	фотоэлектрические системы		мультиплексированием
ЦАП	цифро-аналоговый	EDFA	эрбиевый усилитель
цск	преобразователь	NZDSF	волокно с ненулевой смещенной
	цилиндрическая система		дисперсией
эдс	координат электродвижущая сила	SDH	синхронная цифровая иерархия
ЭКП	экран коллективного	SMF	
	пользования		одномодовое волокно
эли	электролюминесцентный	WAN	система глобальной связи
	индикатор	WDW	система со спектральным
ЭР	экстремальный регулятор		мультиплексированием
ЭУ	электронные устройства	ZWPE	волокно с нулевым водяным
ЭУ	электронный уровень		пиком
Условные обозначения
А3	механический эквивалент света
В	сииий свет
с	скорость света в свободном простран-
стве
Сл	емкость диода
D„	коэффициент диффузии электронов
Dp	коэффициент диффузии дырок
d	толщина диэлектрика
Е	энергия, освещенность поверхности,
вектор напряженности
£фот	энергия фотона
Ефои	энергия фонона
Е3	энергетическая ширина запрещенной
зоны
Еп	энергия дна зоны проводимости
свободного электрона
Е,	энергия потолка валентной зоны
Е,нн	энергия вынуждающего излучения
Ее	облученность поверхности
Еи	энергия накачки
Еф	энергия Ферми
Ею	модуль Юнга
F	коэффициент теплового шума
F(X.)	функция видности
f	частота
/р	граничная частота
G	зеленый свет
//„	энергетическая экспозиция
Hz	световая экспозиция
Фе	поток излучения
Ф„	световой поток
h	постоянная Планка
I,	сила излучения
ток насыщена транзистора
1„	электронная составляющая тока
1р	дырочная составляющая тока
4иф	диффузионный ток
/и	ток насыщения
/о	обратный ток при насыщении
/о6р	обратный ток
/по,	ток утечки по поверхности
/пр	прямой ток
/лр шах максимально допустимый прямой ток
через светодиод
ток рекомбинации
ic	сигнальный ток
/сд	ток через светодиод
/т	ток теплового шума
/т г	ток термогенерации
/тун	ток туннельный
шумовой ток
Д, сила света
к постоянная Больцмана
К,	коэффициент передачи по току
Ку	коэффициент световой эффективности
К„	коэффициент усиления лазера
К„	коэффициент потерь излучения
в резонаторе лазера
Аф	импульс фотона
L	яркость светящейся поверхности
Д	длина когерентности
длина лазерного излучения
Lc	энергетическая яркость
Lv	яркость
М	светимость излучающей поверхности
Л/ф	масса фотона
Ме	энергетическая светимость
п	показатель преломления
Na	число Авогадро
Р	мощность
Е.ых	выделяемая мощность
Рпогл	поглощаемая мощность
Рпред	предельная мощность
Р3	импульс электрона
Рнзл	мощность излучения
Рген	мощность генерируемая внутри
кристалла
Рк	мощность излучения для длины
волны X.
IJV	плотность энергии электромагнитного
поля
Q	добротность
R	коэффициент отражения
Ед	сопротивление диода
гд	динамический резистор
Еогр	ограничивающее сопротивление СИД
R„	сопротивление потерь
г„	последовательный резистор
R, с	темновое сопротивление
R	красный свет, коэффициент отражения
S	площадь поверхности
t	время
Гд„ф	время диффузии
г„	длительность импульса
Г, пмх	максимально допустимая температура
корпуса светодиода
Тп	температура перехода
//,	напряжение контактной разности
потенциалов
U„	напряжение источника питания
(/пр	напряжение прямого смещения
//о5р	напряжение обратного смещения
Еобр mu максимально допустимое обратное
напряжение светодиода
266
УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ
С/о6р и max максимально допустимое импульсное обратное напряжение светодиода U№ напряжение световода VT	групповая скорость	। VK	объем когерентности	। vp	скорость дрейфа дырок	, в электрическом поле Рф	фазовая скорость v(X)	относительная функция ввдности А/	полоса рабочих частот а,	коэффициент поглощения, коэффициент затухания света Р	коэффициент, учитывающий потери X	толщина слоя	' е	диэлектрическая проницаемость диэлектрика	1 г,	внешний квантовый выход Т1опт	коэффициент вывода света	1 Цз	внутренний квантовый выход	I	k	длина волны Lmax	максимальное спектральное распределение светодиода и	магнитная проницаемость диэлектрика \хр	подвижность дырок v	частота оптического излучения центральная частота излучения свм	внутримодовая дисперсия ск	время когерентности смд	материальная дисперсия смм	межмодовая дисперсия ср	время релаксации сф	время излучения фотона су	время жизни на уровне j Э	угол излучения; характеристическая температура Дэбая Эр	расходимость излучения С2	телесный угол
Литература
1.	Игнатов А.Н. Основы оптоэлектроники. 4.1. Излучающие и фотоприемные
приборы. — Новосибирск, 1988. — 61с.
2.	Игнатов А.Н. Основы оптоэлектроники. 4.2. Жидкокристаллические и электро-
люминесцентные индикаторные приборы. — Новосибирск, 1989. — 36 с.
3.	Игнатов А.Н. Основы оптоэлектроники. 4.3. Приборы для фотонной связи и их
применение. — Новосибирск, 1993. — 42 с.
4.	Носов Ю.Р. Оптоэлектроника. — М.: Сов. радио, 1989. — 360 с.
5.	СеливановЛ.В. Основы оптики. 4асть I.—Новосибирск: СибГАТИ, 1995. — 54с.
6.	СеливановЛ.В. Основы оптики. Часть II. — Новосибирск: СибГАТИ, 1995. — 56 с.
7.	СеливановЛ.В. Основы оптики. 4асть V. — Новосибирск: СибГАТИ, 1997. — 56 с.
8.	СеливановЛ.В. Основы оптики. 4асть IV. — Новосибирск: СибГАТИ, 1997. — 63 с.
9.	Goss F., Hanchen Н. Ann. Phys. Ser. 6,1. — Leipzig, 1947. — 333 s.
10.	Хансперджер P. Интегральная оптики: Пер. с англ. — М.: МИР, 1985. — 380 с.
11.	Мальке Г., Гессинг П. Волоконно-оптические кабели: Пер. с англ. — Новоси-
бирск: ИЗДАТЕЛЬ, 1997. — 264 с.
12.	Чео ПК. Волоконная оптика: Пер. с англ. — М.: Энергоатомиздат, 1988. — 279 с.
13.	Гауэр Д. Оптические системы связи: Пер. с англ. — М.: Радио и связь, 1989. —
500 с.
14.	Мэзон У. Физическая акустика. Т. 3. 4. Б: Пер. с англ. — М.: МИР, 1968. — 320 с.
15.	Селиванов Л.В. Основы оптики. 4асть III. — Новосибирск: СибГАТИ, 1995. —
44 с.
16.	Ландсберг ГС. Оптика. — М.: Наука, 1976. — 926 с.
17.	Физические величины: Справочник / Под ред. И.С. Григорьевой,
Е.З. Мейлихова. — М.: Энергоатомиздат, 1991. — 1232 с.
18.	Иванов В.И, Аксенов А.И., Юшин А.М. Полупроводниковые оптоэлектронные
приборы. — М.: Энергоатомиздат, 1988. — 448 с.
19.	Быстров Ю.А. Оптоэлектронные приборы и устройства. — М.: Радио Софт,
2001. —256 с.
20.	Гонда С., СэкоД. Оптоэлектроника в вопросах и ответах. — Л.: Энергоатомиз-
дат, 1989. —184 с.
21.	Пихтин А.Н. Оптическая и квантовая электроника. — М.: Высш, шк., 2001. —
573 с.
22.	Тугое Н.М., Глебов Б.А., Чарыков НА. Полупроводниковые приборы. — М.:
Энергоатомиздат, 1990. — 576 с.
23.	Шарупич Л.С., Тугое Н.М. Оптоэлектроника — М.: Энергоатомиздат, 1984. —
256 с.
24.	Ярив А. Введение в оптическую электронику. — М.: Высш, шк., 1983. — 398 с.
25.	Гроднев ИИ. Волоконно-оптические линии связи. — М.: Радио и связь, 1990. —
223 с.
26.	Справочник по лазерной технике: Пер. с нем. / Под ред. А.П. Напартовича. —
М.: Энергоатомиздат, 1991. — 544 с.
27.	Васильев А.М., Кропоткин М.А., Тихонов В.В. Оптическая электроника. — Л.:
Энергоатомиздат, 1990.— 176 с.
28.	Верещагин И.К., Косяченко Л.А., Кокин С.М. Введение в оптоэлектронику. — М.:
Высш, шк., 1991. — 191 с.
268
ЛИТЕРАТУРА
29.	Волоконная оптика и приборостроение / М.М. Бутусов, С.Л. Галкин,
С.П. Оробинский, Б.П. Пал; Под общ. ред. М.М. Бутусова. — Л.: Машинострое-
ние, 1987. —327 с.
30.	Применение оптоэлектронных приборов: Пер. с англ. / С. Гейг, Д. Эвайс,
М. Ходапп, X. Соренсон. — М.: Радио и связь, 1981. — 344 с.
31.	Иванов А.Б. Волоконная оптика. — М.: Компания Сайрус системе, 1999. — 671 с.
32.	Унгер Г.Г. Оптическая связь. — М.: Связь, 1979. — 264 с.
33.	Ахманов С.А., Никитин С.Ю. Физическая оптика. — М.: Наука, 2004. — 656 с.
34.	Усов Н.Н. Полупроводниковая некогерентная оптоэлектроника // Электронная
промышленность. — 2003. — № 1. — С. 103-111.
35.	Литвак И., Наумов Е. Повышение яркостного контраста электронных видео-
преобразователей // Электроника. Наука. Технология. Бизнес. — 2002. —
№2, —С. 67-71.
36.	Карабанов С.М. Фотоэлектричество. Современное состояние и перспективы
развития // Электронная промышленность. — 2003. — № 4. — С. 75-81.
37.	Ивлюшкин А.Н, Самородов В.Г Развитие плазменных панелей и устройств на
их основе // Электронная промышленность. — 2003. — № 1. — С. 100-102.
38.	Дианов Е.М., Буфетов И.А. Волоконные лазеры — новый прорыв в лазерной
физике И Lightwave Russian edition. — 2004. — № 4. — С. 45-49.
39.	Буфетов И.А., Дианов ЕМ. Оптический разряд в волоконных световодах И
Lightwave Russian edition, 2004. — № 4. — С. 50-51.
40.	Дианов ЕМ. Достижения в области создания фотонно-кристаллических волокон
и сверхширокополосных усилителей // Lightwave Russian edition. — 2004. —
№ 1. —С. 8-11.
41.	Наний О.Е. Волоконно-оптическая связь: Экономическая реальность и техноло-
гические перспективы // Lightwave Russian edition. — 2004. — № 1. — С. 18-21.
42.	Наний О.Е Приемники цифровых волоконно-оптических систем связи // Lightwave
Russian edition. — 2004. — № 1. — С. 50- 51.
43.	Бонсек Р., Дикинсон П., Дас С. Обеспечение высокой пропускной способности
городских сетей при использовании экономичной инфраструктуры // Lightwave
Russian edition. — 2004. — № 3. — С. 18-20.
44.	Наний О.Е., Павлова Е.Г. Фотонно-кристаллические волокна // Lightwave Russian
edition. — 2004. — № 3. — С. 47-53.
45.	Елисеев П.Г. Полупроводниковые лазеры от гомопереходов до квантовых точек
// Квантовая электроника. — 2002. — № 12. — С. 1085-1098.
46.	Слепое Н. Фотонно-кристаллическое волокно-реальность // Электроника. Наука.
Технология. Бизнес. — 2004. — № 5. — С. 80-84.
47.	Кацапов Ф.М., Сергеев В.И. Перспективные материалы для элементной базы оп-
тоэлектроники // Электронная промышленность. — 2004. — № 1. — С. 52-56.
48.	Асененко М.Д., Бараночников М.Л., Смолин О.В. Микроэлектронные фотопри-
емные устройства. — М.: Энергоатомиздат, 1984. — 300 с.
49.	Баленко В.С. Полупроводниковые приборы и основы схемотехники электрон-
ных устройств. — М.: Додэка XXI, 2001. — 368 с.
50.	Ибрагим КФ. Основы электронной техники. — М.: Мир, 2001. — 398 с.
51.	Васерин Н.Н. и др. Применение ПП индикаторов. — М.: Энергоатомиздат, 1991. —
200 с.
52.	Шур М. Физика полупроводниковых приборов: Пер. с англ. — М.: Мир, 1992. —
295 с.
269
53.	Аксененко М.Д., Бараночников М.Л., Смолин О.В. Микроэлектронные фотоприем-
ные устройства. — М.: Энергоатомиздат, 1984. — 209 с.
54.	Парамонов В.М. и др. Двухчастотный волоконный ВКР-лазер // Квантовая элек-
троника. — 2004. —№ 3. — С. 213-215.
55.	Бонсек Р., Дикинсон П., Сантану Д. Обеспечение высокой пропускной способ-
ности городских сетей при использовании экономической инфраструктуры И
Lightwave Russian edition. — 2004. — № 3. — С. 18-20.
56.	Kiiveri Р., Hotoleanu М., Kykkaneh Р., Stenius Р„ Оу L. Новое поколение актив-
ных волононных световодов // Lightwave Russian edition. — 2004. — № 1. —
С. 46-47.
57.	Мюллер С. Модернизация и ремонт персональных компьютеров: Пер. с англ. —
М.: Восточная книжная компания, 1996. — 896 с.
58.	Куликов Г.В. Бытовая аудиотехника. Устройство и ремонт. — М.: Проф. обр. из-
дат., 2001. — С. 73-84.
59.	Трофимов Ю. Полупроводниковые светодиоды — новые сферы применения и
тенденции развития рынка И Электронные компоненты. — 2003. — № 3. —
С. 31-35.
60.	Шептинский Э., Карнов С. Яркие световоды производятся и в России // Электрон-
ные компоненты. — 2003. — № 3. — С. 35-41.
61.	Жданкин В. Электролюминесцентные плоскопанельные дисплеи И Электронные
компоненты. — 2003. — № 7. — С. 97-100.
62.	Давиденко Ю. Светодиодные источники белого света // Схемотехника. — 2004.
-№5 —С. 11-13.
63.	Петраков О. Управление оптронами И Схемотехника. — 2004. — № 5 — С. 27-29.

Александр Николаевич Игнатов, профессор, академик
Международной академии связи. Автор более ста науч-
ных работ, пятнадцати изобретений, монографий «Поле-
вые транзисторы в технике связи», «Полевые транзисто-
ры и их применение», «Микроэлектронные устройства
радиосвязи и радиовещания», учебника «Основы теории
цепей и электроники», учебных пособий «Основы элек-
троники», «Основы оптоэлектроники».
Заведующий кафедрой «Техническая электроника»
Сибирского государственного университета телекомму-
никаций и информатики, г. Новосибирск.
Учебное издание
Александр Николаевич Игнатов
ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ
ПРИБОРЫ И УСТРОЙСТВА
ЛР № 065232 от 20.06.97
Подписано в печать с оригинал-макета 05.04.2006.
Формат 70x100/16. Тираж 1500 экз.
Бумага офсетная № 1. Гарнитура тайме.
Печать офсетная. Усл. печ. л. 22,0- Зак. № 3322
Информационно-технический центр «Эко-Трендз».
Отпечатано в ППП «Типография «Наука»,
121099, Москва, Шубинский пер., 6
ЭК'ОТРЕНДЗ
Информационно-технический центр
ИНЖЕНЕРНАЯ
.ОММУНИКАЦИИ,
Книги издательства «Эко-Трендз» — Инженерная энциклопедия ТЭК
Технологии Электронных Коммуникаций ..
Бакланов И.Г. ТЕСТИРОВАНИЕ И ДИАГНОСТИКА СИСТЕМ СВЯЗИ
Бакланов И.Г. ТЕХНОЛОГИИ ИЗМЕРЕНИЙ ПЕРВИЧНОЙ СЕТИ
Часть 1. Системы El, PDH, SDH
Часть 2. Системы синхронизации В-ISDN, ATM
Беллами Д. ЦИФРОВАЯ ТЕЛЕФОН ИЯ (перевод с англ.)
Берлин А.Н. КОММУТАЦИЯ В СИСТЕМАХ И СЕТЯХ СВЯЗИ
Бузов А.Л„ Быховский МЛ. и др. УПРАВЛЕНИЕ РАДИОЧАСТОТНЫМ СПЕКТРОМ
И ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ СОВМЕСТИМОСТЬ РАДИОСИСТЕМ
Воробьев А.В. ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЕ КОМПЬЮТЕРНЫХ И ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫХ СИСТЕМ
Воронцов А.С. и др. ОПТИЧЕСКИЕ КАБЕЛИ СВЯЗИ РОССИЙСКОГО ПРОИЗВОДСТВА
Власов В.Г., Парфенов Ю.А. КАБЕЛИ ЦИФРОВЫХ СЕТЕЙ ЭЛЕКТРОСВЯЗИ
Валков Л.Н., Немировский M.CV Шинаков Ю.С. СИСТЕМЫ ЦИФРОВОЙ РАДИОСВЯЗИ:
БАЗОВЫЕ МЕТОДЫ И ХАРАКТЕРИСТИКИ
Гребешков А.Ю. СТАНДАРТЫ И ТЕХНОЛОГИИ УПРАВЛЕНИЯ СЕТЯМИ СВЯЗИ
Григорьев В.А. ОРГАНИЗАЦИЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ В ОБЛАСТИ РАДИОСВЯЗИ
Григорьев В.А., Лагутенко О.И., Распаев ЮЛ. СЕТИ И СИСТЕМЫ РАДИОДОСТУПА
Голяницкий ИЛ. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ И МЕТОДЫ В РАДИОСВЯЗИ
Громаков Ю.А., Голяницкий ИЛ. Шевцов ВЛ. ОПТИМАЛЬНАЯ ОБРАБОТКА РАДИОСИГНАЛОВ
БОЛЬШИМИ СИСТЕМАМИ
Громаков ЮЛ., Северин A.BV Шевцов В.А. ТЕХНОЛОГИИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕСТОПОЛОЖЕНИЯ В GSM И UMTS
Довгий СЛ. и др. СОВРЕМЕННЫЕТЕЛЕКОММУНИКАЦИИ. ТЕХНОЛОГИИ И ЭКОНОМИКА
Иванова Т.И. КОМПЬЮТЕРНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В ТЕЛЕФОНИИ
Карташевский В.Г. и др. СЕТИ ПОДВИЖНОЙ СВЯЗИ
Карташевский В.Г. и др. ЦИФРОВЫЕ АТС ДЛЯ СЕЛЬСКОЙ СВЯЗИ
Колтунов М.Н., Рыжков А.В., Давидкин П.Н. ТАКТОВАЯ СЕТЕВАЯ СИНХРОНИЗАЦИЯ
Лагутенко О.И. СОВРЕМЕННЫЕ МОДЕМЫ
Лихтциндер Б.Я. и др. МУЛЬТИСЕРВИСНЫЕ АТМ-СЕТИ
Муссель К.М. ПРЕДОСТАВЛЕНИЕ И БИЛЛИНГ УСЛУГ СВЯЗИ
Парфенов ЮЛ. КАБЕЛИ ЭЛЕКТРОСВЯЗИ
Парфенов Ю.А., Мирошников Д.Г. ЦИФРОВЫЕ СЕТИ ДОСТУПА
/Топов В.И. ОСНОВЫ СОТОВОЙ СВЯЗИ СТАНДАРТА GSM
Резникова Н.П. МАРКЕТИНГ В ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЯХ
Резникова Н.П. и др. МЕНЕДЖМЕНТ В ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЯХ
Росляков А.В. ОБЩЕКАНАЛЬНАЯ СИСТЕМА СИГНАЛИЗАЦИИ №7
Росляков А.В., Самсонов М.Ю., Шибаева И.В. ЦЕНТРЫ ОБСЛУЖИВАНИЯ ВЫЗОВОВ (CALL CENTRE)
Соловьев ЮЛ. СПУТНИКОВАЯ НАВИГАЦИЯ И ЕЕ ПРИЛОЖЕНИЯ
Сухман А.В., Бернов А.В., Шевкопляс Б.В. СИНХРОНИЗАЦИЯ В ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫХ СИСТЕМАХ:
АНАЛИЗ ИНЖЕНЕРНЫХ РЕШЕНИЙ
ТВОРЦЫ РОССИЙСКОЙ РАДИОТЕХНИКИ. Под ред. М.А. Быховскога
Чаадаев В.К. БИЗНЕС-ПРОЦЕССЫ В КОМПАНИЯХ ЭЛЕКТРОСВЯЗИ
Чаадаев В.К., Шеметова И.В., Шибаева И.В. ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ
КОМПАНИЙ СВЯЗИ. СОЗДАНИЕ И ВНЕДРЕНИЕ
И 127473, Москва,
2-й Щемиловский пер., д. 5/4, стр. 1,
ИТЦ «Эко-Трендз»
Тел./факс: (095) 978-4836,978-8031
E-mail: izdat@ekot.ru, office@ekot.ru
eko-trendz@mtu-net.ru
http://www.ekot.ru, http://www.telecomfbrum/bookshop

A. H. Игнатов
ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ И УСТРОЙСТВА
гтггтпгт1ТПъ1ЖЙЩ^
А. Н. Игнатов
ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ
ПРИБОРЫ
И УСТРОЙСТВА
ЭК^ТРЕНДЗ