Оптоэлектроника — оптоэлектронные устройства, применение, преимущества и недостатки

Эта статья дает краткое представление об основах оптоэлектроники, принципах работы, оптоэлектронных устройствах, их применениях и будущих перспективах.

Оптоэлектроника является одной из быстроразвивающихся областей технологии, которая связана с применением электронных устройств для поиска, обнаружения и контроля света. Это используется для многочисленных целей, таких как телекоммуникации, мониторинг и зондирование, длинноволновый Li DAR, микроволновые фотонные связи, медицинское оборудование и общая наука. Телекоммуникации с использованием волоконной оптики и рентгеновских аппаратов в больницах — вот несколько иллюстраций этой технологии.

Что такое оптоэлектроника

В научном контексте оптоэлектроника занимается изучением и применением электронных устройств, взаимодействующих со светом, которые могут быть обнаружением света, его созданием и эксплуатацией для нескольких целей. Это включает в себя гамма-излучение, рентгеновское излучение, ультрафиолетовое излучение, инфракрасный и видимый свет. Оно также включает в себя исследование, проектирование и изготовление аппаратных устройств, которые облегчают преобразование электричества в фотонные сигналы.

Оптоэлектронные устройства — это прежде всего преобразователи, то есть они могут преобразовывать одну форму энергии в другую. Эти устройства производят свет, расходуя электрическую энергию. Они также могут обнаруживать свет и преобразовывать световые сигналы в электрические сигналы для обработки компьютером.

Оптоэлектроника использует квантово-механическое воздействие света. Это свойство используется в основном в материалах, которые используются при изготовлении полупроводников. Ниже упоминается несколько таких эффектов света.

Светоэлектрический или Фотовольтайческий

Здесь свет напрямую преобразуется в электричество. Солнечные батареи наилучшим образом используют этот эффект прямого преобразования.

Фотопроводимость

Этот электрический феномен делает материал более электронно проводящим. Это достигается за счет поглощения электромагнитных излучений, таких как ультрафиолетовый свет, инфракрасный и видимый свет. Как правило, он используется в датчиках формирования изображений с зарядовой связью (CCD).

Вынужденная эмиссия

В этом процессе под напряжением молекула взаимодействует с легким фотоном. Это взаимодействие уменьшает энергетический уровень фотона и приводит к освобождению или испусканию соответствующего фотона. Затем он переносится в электромагнитное поле. Квантовые каскадные лазеры и лазерные диоды используют этот процесс.

Радиационная рекомбинация

При таком подходе перенос электрона происходит в полупроводниках от валентной к проводящей зоне. Это приводит к эффекту рекомбинации и процессу генерации носителей, который производит свет. Светодиоды используют этот принцип для производства света.

Принцип работы оптоэлектронной системы связи

Типичная оптоэлектронная система связи состоит из компонентов, а именно:

  • Источник света
  • Оптический передатчик
  • Фото муфта
  • Волоконно-оптический, волновод
  • преобразователь
  • Оптический приемник или детектор

Источник света

Свет, излучаемый источником, действует как вход в оптический передатчик. Светодиоды и лазерные диоды используются в качестве источника света в зависимости от применения. Они генерируют входные электрические сигналы для системы связи.

Оптический передатчик

Оптический передатчик преобразует сигнал, полученный от лазерного диода или светодиода, в оптический выход.

Фото муфта

Фотоприемники передают электрические сигналы между двумя изолированными цепями через канал передачи, который может быть оптическим волокном, волноводом или свободным пространством. Это также обеспечивает высокое напряжение изоляции.

Волоконно-оптический,  волновод

Он действует как среда передачи и направляет электромагнитные волны в оптическом спектре.

Преобразователь

Преобразователь модулирует сигнал, пропорциональный падающему свету, и сигнал дополнительно подвергается соединению через канал.

Оптический приемник или детектор

Фотодиоды и фототранзисторы обычно используются в качестве оптических детекторов. Детектор света преобразует падающий свет в электрический сигнал, и он дополнительно обрабатывается или сохраняется для получения информации. Генерируемый электрический сигнал является либо фото-током, либо фото-напряжением.

Оптоэлектронные приборы

Оптоэлектронное устройство состоит из различных полупроводниковых сплавов, которые лежат на подложках. Различные полупроводниковые слои наносятся последовательно на подложку при расширении многоквантовой ямы активных областей лазера.

Эти слои осаждаются, изменяя между областями барьера и скважины. Отверстия и электроны объединяются в области скважины, чтобы произвести лазерный свет. Барьерные области используются для ограничения дырок и электронов внутри скважины.

Оптоэлектронные устройства включают в себя:

  • Информационные дисплеи с использованием светодиодов
  • Фотодиоды
  • Система дистанционного зондирования
  • Солнечные батареи

Теперь мы рассмотрим некоторые из распространенных оптоэлектронных устройств, используемых сегодня.

Фотодиоды

Этот полупроводниковый датчик света генерирует электричество или напряжение, когда свет касается соединения. Соединение здесь является активным pn-переходом, работающим в режиме обратного смещения. Когда возбужденный фотон попадает на фотодиод, создаются пары электрон-дырка.

Затем электроны диффундируют в pn-переход, создавая электрическое поле. Это электрическое поле равно отрицательному напряжению, найденному на несмещенном диоде. Этот процесс называется внутренним фотоэлектрическим эффектом. Фотодиоды можно использовать в трех форматах:

  • Фотоэлектрические: как солнечные элементы
  • Вперед смещен: как светодиод
  • Обратное смещение: как фотодетектор

Они используются в различных типах схем и приложениях, таких как медицинские инструменты, камеры, устройства связи, безопасность и промышленное оборудование.

Солнечные батареи

Этот фотоэлектрический элемент осуществляет прямое преобразование солнечной энергии в электричество. Солнечный свет состоит из фотонов. Когда эти фотоны сталкиваются с атомами кремния солнечного элемента, происходит передача энергии от фотонов к потерянным электронам. Эти электроны высокой энергии затем попадают во внешние цепи.

Солнечные батареи состоят только из двух слоев. Первый загружен электронами, которые всегда готовы прыгнуть на второй слой. Второй слой имеет несколько недостающих электронов и, следовательно, может вместить электроны из первого слоя.

Солнечные батареи выгодны, так как это экономически выгодно и не требует подачи топлива. Они требуют минимального обслуживания. Они используются в сельской электрификации, океанских навигационных системах и производстве электроэнергии в космосе.

Лазерные диоды

Laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) — усиление света стимулированным излучением — лазер. Излучением является источником направленного, когерентного и высоко монохроматического света. Он функционирует в условиях вынужденного излучения. Лазерный луч обычно 4*0,6 мм и простирается на расстояние 15 метров. Полупроводниковые лазеры или инжекционные лазеры широко используются сегодня.

При приложении напряжения к PN-переходу происходит инверсия населенности электронов. Лазерный луч затем доступен из этой полупроводниковой области. Конечные точки pn-перехода в лазерном диоде имеют полированную поверхность. Эти полированные поверхности являются отражающими по своей природе и помогают испускаемым фотонам отражаться обратно, создавая тем самым больше пар электронов. Таким образом, вновь созданные фотоны будут иметь ту же фазу, что и предыдущие фотоны.

Применение оптоэлектроники

Оптоэлектронные полупроводниковые приборы оказывают значительное влияние практически на все области информационных технологий. Эти устройства могут быть классифицированы на основе их функциональных ролей, таких как вывод, ввод, обработка, передача, память и другие.

Многие технологии и физические свойства используются приложениями, использующими оптоэлектронику. Несколько таких применений получили наше понимание и контроль только в течение предыдущего десятилетия.

Ниже упоминаются некоторые области применения оптоэлектронных устройств:

  • Светодиоды произвели революцию в системе освещения и используются в таких областях, как компьютерные компоненты, часы, медицинские приборы, волоконно-оптическая связь, коммутаторы, бытовая техника, бытовая электроника и 7-сегментные дисплеи.
  • Солнечные элементы используются в нескольких проектах на основе солнечной энергии для измерительных систем, системы автоматического полива, контроллера заряда солнечной энергии, солнечных уличных фонарей на основе Arduino и солнечных панелей для слежения за солнцем.
  • Оптические волокна используются в телекоммуникациях, волоконных лазерах, сенсорах, биомедицинских и других отраслях промышленности.
  • Лазерные диоды находят свое применение в военной отрасли, хирургических процедурах, оптических запоминающих устройствах, проигрывателях компакт-дисков, локальных сетях и в электрических проектах, таких как роботизированные транспортные средства с радиочастотным управлением

Преимущества оптоэлектроники

Преимущества оптоэлектроники:

  • Оптоэлектроника очень помогла военной и аэрокосмической промышленности. Передаваемые воздушные радиочастотные линии могут не достигать намеченных приемников из-за ограниченного пространства, туннелей или морских судов, и для преодоления этого они используют оптические повторители и оптоволоконные сети.
  • Оптоэлектроника дала новое измерение в разработке спутников будущего.
  • Это обеспечивает высокую пропускную способность для связи.
  • Оптоэлектронные устройства потребляют меньше энергии.

Недостатки оптоэлектроники

Недостатками оптоэлектроники являются:

  • Оптоэлектронные устройства чувствительны к температуре.
  • Муфта требует точного выравнивания оптоэлектронных компонентов.
  • Интеграция оптоэлектронных элементов на подложку затруднена.

Будущее оптоэлектронных устройств

Оптоэлектроника — это жизненно важная технология, которая обеспечивает бесперебойное функционирование информационной индустрии. Академически, оптоэлектроника охватила изучение электронных устройств для передачи, излучения и модуляции световых сигналов. Однако сегодня его сфера применения расширилась и включает в себя электрооптику и фотонику. Коммерчески значимые технологии для материаловедения, связи, вычислительной техники и медицины стремительно развиваются благодаря достижениям в оптоэлектронике.

Технология оптоэлектроники сегодня предоставляет больше возможностей для исследований и разработок. Его эффект можно увидеть в областях снижения затрат, улучшения производительности и больших объемов производства. Промышленные и академические сообщества предсказывают светлое будущее для исследований в области технологий оптоэлектроники. Ожидается, что текущие достижения в области фотоники и оптики произведут революцию в 21 веке.


Тимеркаев Борис — 68-летний доктор физико-математических наук, профессор из России. Он является заведующим кафедрой общей физики в Казанском национальном исследовательском техническом университете имени А. Н. ТУПОЛЕВА — КАИ

comments powered by HyperComments
Оценки статьи:
1 Звезда2 Звезды3 Звезды4 Звезды5 Звезд (Пока оценок нет)
Загрузка...