Оптоэлектроника
Э. Розеншер, Б. Винтер
Появление представляемой российскому читателю книги «Оптоэлектроника» является в определенном смысле закономерным и долгожданным событием. Подобно тому, как изобретение транзистора в 1947 г. привело к вычислительному изобилию наших дней, оптоэлектроника как научно-техническое направление, стартовав с открытия на заре прошлого века О. В. Лосевым явления электролюминесценции в кристаллах карбида кремния, приобрела такую динамику своего развития, что становится правомерным сравнение развития оптоэлектроники с очередной научно - технической революцией. При попытке проанализировать феномен оптоэлектроники прежде всего бросается в глаза широкий диапазон ее областей применения: обширный круг волоконно-оптических датчиков, жидкокристаллические приборы, лазерные принтеры, СД плоские цветные электролюминесцентные панели, декодеры штрих-кодов, новое поколение эндоскопических медицинских инструментов и т. д. Успехи, проблемы и перспективы оптоэлектроники освещены во многих тысячах публикаций, которые появляются каждый год, а также в трудах многочисленных конференций, проводящихся ежегодно.
Отечественному читателю знакомы как переводные [1], так и отечественные [2, 3] книги по указанной тематике. Однако темпы появления новой информации о принципиально новых оптоэлектронных приборов таковы, что постоянно имеется потребность во все новых и новых книгах по оптоэлектронике.
Есть и еще одна «изюминка», выделяющая представляемую книгу из других печатных изданий подобного рода. В ней предпринята попытка осмыслить оптоэлектронику как самостоятельную науку. По своему жанру — это не монография, а учебное пособие. Авторы избрали непростой путь — в рамках одной книги изложить необходимые сведения из целого ряда самостоятельных дисциплин (физики полупроводников и полупроводниковых приборов, физики твердого тела, квантовой механики, статистической физики), при этом изложить ab initio, по возможности, ясно и непротиворечиво.
Структурно, книга из 13 глав с многочисленными дополнениями условно делится на две примерно равные части. В первой части подробно изложены физические основы явлений, лежащих в основе оптоэлектроники (квантовая механика электрона, фотона, электрон-фотонного взаимодействия, спонтанное и вынужденное излучение и т. д.). С учетом того, что оптоэлектроника приобретает все более отчетливый квантово-механический характер, представляется разумным, такое внимание авторов к выводу основных соотношений из фундаментальных основ. Методически ценным является то, что студентам прививаются навыки работы с достаточно сложным расчетным инструментарием (формализмом матрицы плотности, формализмом квантования электромагнитного поля, фейнмановскими диаграммами), что, в свою очередь, является подготовительной стадией к формализму функций Грина [4] и уравнений Дайсона, наиболее адекватно пригодным для рассмотрения проблемных вопросов оптоэлектроники с учетом многочастных эффектов.
Естественно, что в силу ограниченного (хотя и достаточно большого) объема, представляемая книга не является всеобъемлющим компендиумом по оптоэлектронике: вторая часть книги посвящена достаточно подробному рассмотрению основных классообразующих приборов (электрооптических модуляторов, фотоприемников (включая тепловизионные приемники излучения), оптических параметрических генераторов, светоизлучающих и лазерных диодов (включая квантово-каскадные и поверхностно-излучающие лазерные диоды)).
Особую ценность книге как учебнику придают многочисленные примеры расчетов, а также компьютерные программы, приведенные в ней. Методически ценным является использование в книге метода аналогии, когда для описания внешне непохожих и несвязанных явлений используется один и тот же формализм. Поучительными являются и многочисленные факты из истории науки с ее кризисами и взлетами.
Вместе с тем (что, впрочем, естественно) книга не лишена определенных недостатков, связанных с реальной «фактурой» и технологией оптоэлектроники.
Оптоэлектронные материалы представлены несколько эклектично и однобоко. Авторы сконцентрировали свое внимание исключительно на «идеальных» моно - кристаллических структурах, в то время как современной оптоэлектроникой задействованы не только монокристаллические материалы, но и поликристаллические, аморфные и даже полимерные среды. Строго говоря, даже приводимые в книге материалы (в особенности твердые растворы) следует рассматривать как частично неупорядоченные среды, характеризуемые определенной величиной дальнего и ближнего порядка, а также определенной амплитудой флуктуаций как состава, так и связанных с ним параметров.
При рассмотрении физических аспектов оптоэлектроники опущены такие важные явления, как эффекты зонной структуры, и очень схематично рассмотрены экситонные эффекты, в то время как современная оптоэлектроника использует явления связанные как с экситонами Ванье—Мота, так и с экситонами Френкеля.
В приборной части незаслуженно «обойденным» оказался такой важный класс приборов, как оптроны.
И наконец, как справедливо отмечают авторы, оптоэлектроника сегодня привлекает в свои учебные аудитории не только студентов, специализирующихся в области научных исследований, но также и студентов инженерно-технических специальностей, а сам предмет очень интересует инженеров-практиков. И в этом смысле книга страдает определенной академичностью. За пределами рассмотрения остался широкий круг вопросов, связанных с особенностями применения и схемотехникой оптоэлектронных приборов.
В заключение следует подчеркнуть, что одним из важных аспектов современной оптоэлектроники является многоуровневое проектирование:
• проектирование и реализация оптоэлектронных сред с необходимым набором физических свойств;
• проектирование и реализация приборных структур, способных обеспечить необходимые технические характеристики оптоэлектронных приборов;
• проектирование оптических микросистем;
• схемотехника применения оптоэлектронных приборов в сложных системах.
Другим, не менее важным аспектом современной оптоэлектроники является ее устремленность в будущее и по-хорошему «амбициозные» планы реализации оптоэлектронных интегральных схем, оптических процессоров и, в конечном счете, оптоэлектронных компьютеров.