Физические основы использования элементов информационных систем в оптическом диапазоне

Основу современных информационных систем составляют электронные приборы. Однако они имеют серьезные недостатки: низкую помехозащищенность, необходимость надежного экранирования аппаратуры и линий связи, высокую стоимость и большую массу кабелей управления и передачи сигналов, трудность обеспечения электрический изоляции, сложность микроминиатюризации таких традиционных элементов, как трансформаторы, реле, контакты, переменные резисторы.

Большая часть из указанных недостатков обусловлена тем, что для передачи информации в электронных приборах используются отрицательно заряженные частицы – электроны. Поэтому для успешного решения проблем дальнейшего развития информационной техники необходимо применять устройства, работа которых основана на других физических явления. Как показали исследования, широкие возможности открываются при совместном использовании электронных и оптических методов и средств, т.е. при переходе от электроники к оптоэлектронике.

Оптоэлектроника – это раздел науки и техники, изучающий как оптические, так и электронные явления в веществах, их взаимные связи и преобразования, а также приборы, схемы и системы, созданные на основе этих явлений. В оптоэлектронных устройствах передача информации осуществляется электрически нейтральными фотонами, что обеспечивает принципиальные преимущества:

u высокую информационную емкость оптического канала, обусловленную тем, что частота световых колебаний ( - Гц) в - раз выше, чем в освоенном радиотехническом диапазоне;

u большую плотность записи информации (до бит/мм²), так как малое значение длины волны световых колебаний обеспечивает возможность фокусировки луча лазера на площадке в 1мкм²;

u возможность параллельной обработки информации и непосредственного оперирования со зрительно воспринимаемыми образами, так как минимальная элементарная площадка в плоскости, перпендикулярной направлению распространения, которая может быть выделена для независимой модуляции части луча, близка к мм²;

u высокую помехозащищенность каналов связи и отсутствие взаимных наводок, так как оптическое излучение невосприимчиво к воздействию электромагнитных полей;

u практически идеальную гальваническую развязку цепей, а значит, и возможность создания сильно разветвленных коммуникаций, включающих несогласованные разнородные потребители энергии;

u однонаправленность передачи сигнала и отсутствие обратного воздействия приемника на источник информации, что существенно упрощает анализ и проектирование оптоэлектронных систем;

u возможность дальнейшей микроминиатюризации компонентов и переход к средам с распределенными параметрами, что создаст реальные перспективы создания устройств функциональной микроэлектроники и интегральной оптики.

Элементную базу оптоэлектроники составляют оптоэлектронные приборы, использующие для своей работы электромагнитное излучение оптического диапазона.

Оптический диапазон спектра составляют электромагнитные волны с длиной волны λ от 1 мм до 1 нм. Внутри оптического диапазона выделяют инфракрасное ИК (λ=0,78 мкм÷ 1мм), видимое (λ=0,38÷0,78 мкм) и ультрафиолетовое УФ (λ=1нм ÷ 0,38мкм) излучение (рис. 5.33). В ряде случаев в технике оптическое излучение характеризуется не длиной волны, а частотой световых колебаний ν или энергией фотонов Wф, причем справедливы соотношения: ν=3 / λ и Wф=1,23/ λ, где Wф [эВ], ν [Гц] и λ[мкм].

Плоскопараллельный монохроматический луч света, т.е. луч, электромагнитные колебания в котором происходят с одной строго постоянной частотой, может быть описан уравнением

,

Где – вектор напряженности электрического поля волны; е – единичный вектор, характеризующий направление поляризации; - амплитуда; t – время; n – показатель преломления среды; с – скорость света в вакууме; - координата в направлении распространения луча.

Рисунок 5.33. Спектры электромагнитного излучения

Для временной модуляции оптического излучения могут быть использованы такие параметры электромагнитной волны, как направление поляризации, амплитуда, частота и фаза .

Направление поляризации определяет плоскость, в которой происходит колебание вектора Е, причем если при распространении луча света она остается неизменной, то такое излучение называется плоско- (или линейно- ) поляризованным. Любое излучение может быть представлено как наложение двух лучей, поляризованных во взаимно перпендикулярных плоскостях.

Излучение реальных источников занимает определенный интервал оптического диапазона, характеризуемый шириной спектра излучения.

Если генерация электромагнитных колебаний происходит в атомах вещества независимо друг от друга, то параметры е, , ν и φ в уравнении волны различны для всех осцилляторов. Такое излучение называется естественным или некогерентным. В тех случаях, когда наблюдается согласованность между фазами колебаний в различных точках пространства в различные моменты времени, говорят о пространственной или временной когерентности соответственно.

Абсолютно когерентным является лишь монохроматический точечный источник излучения, однако с помощью лазеров удается получить излучение с высокой степенью когерентности. Именно это свойство излучения определяет наиболее впечатляющие перспективы оптоэлектроники и выделяет два направления ее развития: когерентную оптоэлектронику, базирующуюся на использовании лазеров, и некогерентную оптоэлектронику, в устройствах которой используются источники естественного излучения.

Элементная база современной оптоэлектроники включает в себя следующие группы приборов:

1. источники излучения (лазеры, светодиоды);

2. фотоприемники излучения (фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы, фототиристоры, фоточувствительные приборы с зарядовой связью);

3. оптроны и оптоэлектронные микросхемы;

4. приборы для отображения информации;

5. оптические каналы связи.