ОПТОПАРЫ

Основные понятия. Оптопарой называют оптоэлектронный при­бор, в котором конструктивно объединены в общем корпусе из­лучатель и фотоприемник, взаимодействующие друг с другом оп­тически и электрически. Связи между компонентами оптопары могут быть прямыми или обратными, положительными или отри­цательными, одна из связей (электрическая или оптическая) мо­жет отсутствовать.

В состав единого прибора вместе о оптопарой или несколькими •оптопарами могут входить еще и дополнительные микроэлектрон­ные или оптические элементы. И конструктивно, и функционально ■такие приборы существенно отличаются от элементарной оптопа- ры, поэтому в литературе принято использовать для их названия термин оптрон, при этом имеется в виду оптоэлектронный прибор .любого произвольного вида с внутренними оптическими связями.

Основные функциональные разновидности этих приборов пред­ставлены на рис. 7.1. Оптопара с. прямой оптической и оборван­ной электрической связью (рис. 7.1,а) используется как элемент развязки, она получила очень широкое распространение, и о ней пойдет речь ниже. Оптрон с прямой электрической и оборванной оптической связью (рис. 7.1,6), т. е. оптрон с оптическими входом и выходом, представляет собой преобразователь световых сигна­лов: это может быть простое усиление (ослабление) интенсивно­сти света, преобразование спектра или направления поляризации, преобразование некогерентного излучения в когерентное и т. п. Если в таком оптроне фотоприемник и излучатель многоэлемент- яые, то он может выполнять функцию преобразователя изобра­жений. В оптроне с электрической и оптической связями (рис. 7.1,в) при определенных условиях может осуществляться частич­ная или полная регенерация (восстановление) входного сигнала за счет энергии обратной связи, в силу чего на вольт-амперной характеристике появляется падающий участок или несколько участков — такой прибор получил название регенеративного оп- трона. В регенеративном оптроне могут реализоваться любые комбинации видов входных и выходных сигналов (электрических или оптических).

Рис. 7.1. Электрические и оптические связи в оптронах: a — оптопара для электрической развязки; б— оптрон с оптическим входом и выходом; в — регенеративный оптрон (И — излучатель; ФП — фотоприемник; УС — электронное уст­ройство связи, включающее схемы питания И и ФП)

Важным элементом оптопары является оптический канал меж­ду излучателем и фотоприемником. Существуют три его разновид­ности. Прежде всего это простой светопровод, предназначенный для передачи энергии излучения на фотоприемник; чаще всего он выполняется в виде прозрачной иммерсионной среды. Возможно и такое конструктивное решение, при котором в зазор между излу­чателем и приемником имеется доступ извне; в этом случае мы имеем оптопару с открытым оптическим каналом. Наконец, им­мерсионная среда может быть выполнена из материала, светопропускание которого изменяется при внешних воздействиях; такой прибор называют оптопарой с управляемым оптическим каналом.

Математическая модель. Оптрон в общем случае состоит из четырех функциональных частей, для описания которых исполь­зуются следующие параметры:

S_i, Вт/А, — эффективность излучателя, определяемая видом выбранного излучателя, режимом его возбуждения, температурой;

S_ф, А/Вт, — чувствительность фотоприемника, зависящая от внутреннего усиления этого прибора;

K_опт — передаточная функция оптического канала (например, при использовании обычной иммерсионной среды А_опт определя­ется условиями ввода-вывода излучения, поглощением в среде, геометрическими факторами);

К_ус — передаточная характеристика электронного устройства связи (например, при использовании линейного усилителя К_ус есть коэффициент его усиления).

При расчете линейного режима (малый сигнал) работы оптрона используются дифференциальные значения перечисленных ко­эффициентов; расчет режима переключения (большой сигнал) требует знания их интегральных значений.

Приведем два примера. Коэффициент передачи тока оптопары на рис. 7.1а, представляющий отношение выходного и входного токов

и для любого конкретного прибора может быть рассчитан с ис­пользованием формул, приводившихся ранее для излучателей, фотоприемников, оптических сред.

Коэффициент регенерации оптрона (см. рис. 7.1,в), характери­зующий усиление сигнала при прохождении оптоэлектронного кольца,

При K_peг > l имеет место полная регенерация, вследствие чего возникают неустойчивости, приводящие к скачкам токов, напря­жений, мощности излучения. Поэтому регенеративные оптроны могут выступать как генераторы и усилитeли электрических и оптических сигналов, бистабильные и многоустойчивые элементы. Однако реализовать эти богатые потенциальные возможности обычно не удается из-за низкого КПД двукратного преобразова­ния энергии.

Заметим в заключение, что приборы вида, приведенного на рис. 7.1,6, без звена оптической связи лишь формально относятся к оптронам — при их работе не проявляется и при расчете не учитывается специфика оптического взаимовлияния компонентов.

Оптопары — элементы электрической развязки. В качестве элементов электрической развязки оптопары (см. рис. 7.1,а) по­лучили широкое промышленное распространение благодаря то­му, что для их успешного функционирования высокий КПД не является обязательным, а также из-за многочисленных принципи­альных достоинств этих приборов, таких как идеальная электри­ческая развязка, высокое напряжение изоляции, однонаправлен­ность распространения информации, широкополосность.

К этому следует добавить совместимость оптопар с изделиями микроэлектронига — технологическую, эксплуатационную, по уровням входных и выходных сигналов. Среди оптопар, использу­емых для развязки, наиболее широко представлены такие, у ко­торых в качестве фотоприемника применены фототранзистор, фо­тодиод, фототиристор, фоторезистор (рис. 7.2).

Диодные и транзисторные оптопары применяются главным об­разом в цепях передачи цифровых информационных сигналов; критерием качества служит комбинированный параметр Ki/t_зд (t_зд — время задержки распространения сигнала). По этому па­раметру диодные оптопары значительно опережают транзистор­ные, достигая 10⁷ с^-1; теоретически предельное значение К_i/t_зд ≈ 10⁹ с^-1 (при использовании GaAlAs-светодиодов и кремниевых pin-фотодиодов). Этим и обусловлено доминирование диодных оптопар в ЭВМ, в технике обработки и передачи цифровой ин­формации. Следует отметить, что диодные оптопары имеют низ­кий коэффициент передачи тока (К_i= 1 ... 3%) и требуют обяза­тельного усиления выходного сигнала: поэтому они используются либо в составе оптоэлектронных микросхем (см. ниже), либо с дополнительным электронным обрамлением.

Важной разновидностью диодных оптопар являются так назы­ваемые дифференциальные оптопары (рис. 7.2,в) — приборы, в которых один излучатель воздействует на два идентичных фото­диода. Подобие выходных характеристик двух каналов дифферен­циальной оптопары позволяет использовать эти приборы для неис­каженной передачи аналоговых сигналов: непосредственно для пе­редачи применяется один канал, а другой служит для организа­ции цепи отрицательной обратной связи, корректирующей темпе­ратурные, деградационные и другие изменения мощности излуча­теля.

В устройствах бесконтактного управления удобны транзистор­ные оптопары, а для оптической коммутации высоковольтных сильноточных цепей — тиристорные. Критерий качества таких уп­равляющих оптопар, определяемый отношением коммутируемой мощности в выходной цепи к мощности на входе, достигает 10⁶... ... 10⁷. Быстродействие транзисторных и тиристорных оптопар ха­рактеризуется временами переключения, типичные значения 5...

Рис. 7.2. Основные виды оптопар: а — транзисторная; б — диодная; в — резисторная; г — с составным транзистором; д— тиристорная; е— дифференциальная диодная

... 50 мкс, в лучших образцах удается получить 1 мкс. Очевидная перспектива развития транзисторных оптопар связана с исполь­зованием в качестве фотоприемника гетеротранзисторов на осно­ве твердых растворов А³В⁵ — при этом вполне реально сниже­ние времен переключения до 1 ... 10 не. Транзисторные оптопа­ры—наиболее массовый тип элементов электрической развязки.

Резисторные оптопары также получили широкое распростране­ние. Фоторезисторы в отличие от всех фотоприемников с р-п-пе­реходами характеризуются высокой линейностью и симметрич­ностью вольт-амперной характеристики, отсутствием внутренних ЭДС, низким уровнем шумов. В резисторных оптопарах выходное сопротивление при изменении режима входной цепи может изме­няться в 10⁷... 10⁸ раз. Все это и обусловливает удобство и неза­менимость резисторных оптопар в аналоговых устройствах. Недо­статки резисторных оптопар — низкое быстродействие (0,01... 1 с) и сильная температурная нестабильность параметров — ограничи­вают проникновение этих приборов в технику обработки инфор­мации.

Кроме рассмотренных оптопар известный интерес представля­ют или могут представить и другие, у которых в качестве фото­приемника используются МДП-фототранзисторы, фотоварикапы,, лавинные фотодиоды, однопереходные транзисторы, функциональ­ные фоторезисторы и т. д. Эти оптопары имеют отличия, свойст­венные используемому фотоприемнику.

Широкое распространение получили также оптоэлектронные микросхемы — главным образом переключатели, состоящие из- быстродействующей диодной оптопары и ключевого усилителя на выходе, — этим обеспечивается полное согласование по уровням входных, выходных сигналов со стандартными логическими мик­росхемами. Удобство применения окупает некоторые потери быстродействия, обусловленные необходимостью значительного усиления сигнала, снимаемого с фотодиода.

Перспективны также оптоэлектронные коммутаторы силовой нагрузки — микросхемы или устройства, выполняющие функции реле переменного и постоянного тока и содержащие оптическое звено в цепи управления. В них обычно применяются транзистор­ные и тиристорные оптопары.

Оптоэлектронные коммутаторы аналоговых сигналов и развя­зывающие усилители также отличаются от своих микроэлектрон­ных аналогов лишь введением электрической развязки — в мик­росхемах первого типа используются диодные оптопары с боль­шими значениями Кг, в микросхемах второго типа — дифферен­циальные диодные оптопары.

Существуют и некоторые другие оптоэлектронные микросхемы, например объединение излучателя (или матрицы излучателей) со сканистором или с ФПЗС, однако заметного распространения эти приборы не получили.

Устройство оптопар. Наиболее распространенная «этажерочная» конструкция оптопары реализуется несколькими способами. Во-первых, это соединение кристаллов излучателя и фотоприем­ника с помощью оптического клея (он одновременно выполняет функции иммерсионной среды и несущей конструкции) и получе­ние таким образом бескорпусной оптопары (рис. 7.3,о). Во-вторых, это приклеивание активных кристаллов с разных сторон прозрачной пластинки: слюдяной, стеклянной, фианитовой, сап­фировой и др. (рис. 7.3,6). В-третьих, это предварительное жест­кое закрепление активных кристаллов на специальных площадках деталей корпуса — кристаллы оказываются на нужном расстоя­нии друг над другом после сборки (рис. 7.3,в). В качестве светопроводящей среды в этом варианте обычно применяют вазелиноподобные полимеры, не вызывающие механических напряжений.

Рис. 7.4. Разновидности монолитных оп­топар:

а- на GaAs (СаА1Аз)-полуизоляторе; б— на структуре GaAs-сапфир; е — на основе кремния с локально выращенной GaAs-областыо; г — с GaP-излучателем и фотодиодом Шотки на аморфном кремнии; д — тонкопленочного с электролюминофором и фотопроводником (СД — излучатель; ФД — фотодиод)

Недостаток всех трех разновидностей оптопар — сборка «по вертикали», не применяемая в традиционной микроэлектрони­ке, — преодолевается в «панель­ной» конструкции (рис. 7.3,г) с расположением всех активных кристаллов в одной .плоскости. Это позволяет использовать су­ществующее высокопроизводи­тельное оборудование для монта­жа кристаллов и разварки выво­дов; «платой» за технологические приобретения является ухудше­ние передаточных свойств опто­пары.

Оптоэлектронмые микросхемы выполняются в виде гибридных оборок одной из двух типичных модификаций: бескорпусные оптопара и микросхема; беслорпусные светодиод и интегрирован­ный фотоприемник, содержащий на одном кремниевом кристалле фотодиод и микросхему.

Одно из направлений техноло­гического совершенствования оптронов состоит в разработке мо­нолитной оптопары, изготавли­ваемой в виде интегрированной твердотельной структуры в едином технологическом процессе. Однако пока ни в одном из предло­женных и опробованных вариантов (рис. 7.4) не удалось добить­ся сочетания всех необходимых параметров, а также долговечно­сти, надежности и устойчивости к внешним воздействующим фак­торам. Низкая эффективность излучающих и фоточувствительных структур, плохая светопередача и невысокие изоляционные ха­рактеристики оптической среды, невоспроизводимость технологи­ческого процесса, неудовлетворительная совместимость используе­мых материалов — причины, которые порознь или в совокупности не позволяют достигнуть желаемого результата. По поводу попы­ток создания монолитных оптопар следует сделать одно замеча­ние. Дело в том, что если даже будет достигнут успех, это, при всей своей значимости, не приведет к кардинальному технологи­ческому перевороту в области оптронов. Во-первых, в большинст­ве случаев применения оптопара соединена с микросхемой усиле­ния-преобразования фотосигнала, и использование монолитной оп­топары не устранит гибридности устройства в целом. Во-вторых, большинство конструкций монолитных оптопар сохраняет «этажерочную» структуру, выводы которой выходят на противоположные грани, поэтому при их монтаже не может быть использовано вы­сокопроизводительное сборочное оборудование. Совершенная кон­струкция оптрона должна сочетать не только монолитность, но и «квазипланарность», т. е. изготовление всех составных элементов в едином технологическом процессе и расположение выводов в одной плоскости, как это имеет место в устройствах интегральной оптики.

Появление волоконных световодов дало толчок развитию так называемых длинных оптронов или волстронов, в которых излу­чатель и фотоприемник неразъемно связаны друг с другом от­резком волоконно-оптического кабеля. Такой прибор выгодно от­личается от традиционной короткой ВОЛС, содержащей пару оп­тических соединителей, лучшей передаточной характеристикой (выигрыш в К; достигает 2 ... 5 раз), большей надежностью, мень­шими габаритными размерами и стоимостью. Волстроны длиной от десятков сантиметров до нескольких метров незаменимы в качестве элементов электрической развязки в сверхвысоковольт­ной радиоэлектронной и электротехнической аппаратуре, во мно­гих случаях внутриобъектового применения они удобнее, чем ко­роткие ВОЛС.

В оптопарах с открытым оптическим каналом из­лучатель и фотоприемник смонтированы отдельно друг от друга, и специфика оптопары проявляется лишь в обеспечении наилуч­шей светопередачи. В оптроне с управляемым оптическим кана­лом между излучателем и фотоприемником содержится элемент, светопропускание которого может регулироваться. Чаще всего это электрооптический (жидкий кристалл, сегнетокерамика) или магнитооптический материал — управление свойствами канала осуществляется электрически. Как элемент схемы такой оптрон представляет собой шестиполюсник с двумя входами: по цепи излучателя и по цепи управления оптическим каналом. При его описании кроме параметров оптопар используется еще модуляци­онная характеристика вида I_вых = f(U_упр, I_упр) при I_вх=const (I_вх, I_вых — входной и выходной токи; U_упр, I_упр — напряжение и ток управления). Подобно тому, как это принято для электронной лампы или полевого транзистора, удобно также оперировать та­ким параметром, как крутизна ∆I_вых/∆U_упр.

Светопропускание канала может изменяться и при других формах воздействия: давлении, засветке, нагреве и т. п. В этjм случае оптопара с управляемым оптическим каналом, так же как и оптопары с открытым

каналом, выступает в качестве сенсорно­го элемента — датчика .

Функциональные возможности оптронов очень широки (табл. 7.1). Отметим, что в каждой строке таблицы оптрон выступает не просто как аналог того или иного традиционного элемента, а как прибор, осуществляющий заданную функцию принципиально по-иному, с добавлением новых важных свойств. Так, переменные резисторы на основе оптопар не содержат подвижных механиче­ских контактов — источников шумов и ненадежности; волстрон, в отличие от металлического провода, кроме передачи сигнала обес­печивает и электрическую развязку, помехозащищенность, скрыт­ность. Несомненно, что по мере совершенствования конструкций и технологии, улучшения параметров функциональная значимость оптронов в микро- и оптоэлектронике будет возрастать.