ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ И УСТРОЙСТВА

Особенности оптической электроники

Необходимость дальнейшего освоения оптического диапазона и перенесение на него хоро­шо развитых в настоящее время методов радиофизики, радиотехники и электроники опре­деляются рядом принципиальных обстоятельств [4]:

- частота электромагнитных колебаний (несущая частота у0) в оптическом диапазоне существенно выше, чем в радиодиапазоне. Например, частота световых колебаний в наиболее освоенной видимой и ближней инфракрасной областях спектра (~10|5...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 Ду « 5МГц. Поэтому в метровом диапазоне (при Х = 1 м уо = 300 МГц) можно передать лишь около десятка телевизионных программ. В оптическом диапазо­не при том же отношении А/ это число возрастает в миллионы раз;

- длина световых волн существенно меньше, чем длина радиоволн. Это позволяет полу­чить высокую концентрацию оптического излучения в пространстве, поскольку мини­мальный 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 вол­ны. Поэтому оптические волноводы (световоды) при прочих равных условиях облада­ют существенно меньшими (на несколько порядков) размерами по сравнению с СВЧ-волноводами, что важно с точки зрения микроминиатюризации электронной ап­паратуры. И наконец, в оптическом диапазоне нетрудно сформировать узкую диа­грамму направленности излучения с углом расходимости 0,1° и менее. Для формиро­вания подобной диаграммы в радиодиапазоне (при X = 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, фо­тоны являются электрически нейтральными частицами, не взаимодействующими между собой и с внешним электрическим, и магнитным полями. Это определяет возможность идеальной гальванической развязки входа и выхода, однонаправлен­ность потока информации, высокую помехозащищенность, исключение взаимных наводок и паразитных связей между различными элементами схемы. Поэтому ис­пользование оптических методов в современной микроэлектронике заметно расши­ряет ее функциональные возможности, позволяя выполнять многоканальные слож­ные связи и осушествлять «оптический монтаж» исходя лишь из требуемых функ­циональных задач. Так как фотон в оптоэлектронных системах является основным носителем информации, то по аналогии с электроникой, оптоэлектронику называют также фотоникощ

- применение оптических методов записи, хранения и обработки информации открыва­ет новые возможности для построения ЭВМ. Это обусловлено, с одной стороны, воз­можностью реализации новых принципов параллельной обработки информации (на­пример, на основе голографических методов), а с другой — возможностью достиже­ния высокой плотности записи информации (~108 бит/см2) в оптических запоминаю­щих устройствах.

На сегодняшний день использована лишь небольшая часть перечисленных преиму­ществ 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 ве­ществом, 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 электромагни­тных волн.

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 види­мое (А = (0,38...0,78) мкм), инфракрасное (Я. = (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 использо­вании вынужденного излучения.

Квантовый генератор — источник когерентного излучения, основанный на использо­вании 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 колебатель­ных или волновых процессов. Электромагнитная волна называется когерентной, если ее ам­плитуда, частота, фаза, направление распространения и поляризация постоянны или изме­няются по определенному закону (упорядоченно).