Оптоэлектроника — Википедия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Оптоэлектроника — раздел электроники, занимающийся вопросами использования оптических и электрических методов обработки, хранения и передачи информации^[1][2]. Его предметная область охватывает теоретическое исследование взаимодействия электромагнитных полей оптического диапазона (частоты 3×10¹¹ — 3×10¹⁷ Гц или длины волн 1 нм — 1 мм) с электронами в твёрдых телах и других субстанциях. Помимо этого оптоэлектроника включает в себя прикладные принципы создания оптоэлектронных приборов, которые функционируют на основе этого теоретического фундамента. Определяющей их особенностью является совместное использование электронных и оптических сигналов в качестве носителей информации, а также — преобразование оптической и электрической энергии друг в друга^[3]

.

Классификация устройств по назначению[править | править код]

1. Для преобразования света в электрический ток — фото-сопротивления (фоторезисторы), фотодиоды (pin, лавинный), фототранзисторы, фототиристоры, пироэлектрические приёмники, приборы с зарядовой связью (ПЗС), фотоэлектронные умножители (ФЭУ).
2. Для преобразования тока в световое излучение — различного рода лампы накаливания, электролюминесцентные индикаторы, полупроводниковые светодиоды и лазеры (газовые, твердотельные, полупроводниковые).
3. Для изоляции электрических цепей (последовательного преобразования «ток-свет-ток») служат отдельные устройства оптоэлектроники — оптопары — резисторные, диодные, транзисторные, тиристорные, оптопары на одно-переходных фототранзисторах и оптопары с открытым оптическим каналом.
4. Для применения в различных электронных устройствах служат оптоэлектронные интегральные схемы — интегральные микросхемы, в которых осуществляется оптическая связь между отдельными узлами или компонентами с целью изоляции их друг от друга (гальванической развязки).

• Носов Ю. Р. История оптоэлектроники: общая характеристика. //Исследования по истории физики и механики.2006. М.: Наука, 2007.- С.325-339.
• Мосс Т., Баррел Г., Эллис Б. Полупроводниковая оптоэлектроника. М.: Мир, 1976.- 431 с.
• Marius Grundmann: Nano-optoelectronics — concepts, physics and devices. Springer, Berlin 2002, ISBN 3-540-43394-5.
• Safa O. Kasap: Optoelectronics and photonics — principles and practices. Prentice Hall, Upper Saddle River 2001, ISBN 0-201-61087-6.
• Kiyomi Sakai: Terahertz optoelectronics. Springer, Berlin 2005, ISBN 3-540-20013-4.
• Гридин В.Н., Дмитриев В.П., Дмитриев М.В. Оптоэлектронные приборы, системы и сети. — М.: Наука, 2007. — 226 с. — ISBN 5-02-034267-X.
• А. Н. Игнатов, Оптоэлектронные приборы и устройства — М.: Экотрендз, 2006—272 c ISBN 5-88405-074-7
• Шарупич Л. С., Тугов Н. М. Оптоэлектроника. — М.: Энергоатомиздат, 1984. — 256 с. — 18 000 экз.

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.

Криоэлектроника

Криоэлектроника (криогенная электроника) — направления электроники и микроэлектроники, охватывающие исследование взаимодействия электромагнитного поля с электронами в твердых телах при криогенных температурах и создание электронных приборов на их основе.

К криогенным температурам относят температуры, при которых наступает глубокое охлаждение, т. е. температуры от 80 до 0К. В криоэлектронных приборах используются различные явления: сверхпроводимость металлов и сплавов, зависимость диэлектрической проницаемости некоторых диэлектриков от напряженности электрического поля, появление у металлов при температуре ниже 80К полупроводниковых свойств при аномально высокой подвижности носителей заряда и др. Принципы криоэлектроники используют для построения ряда приборов (криотроны, квантовые и параметрические усилители, резонаторы, фильтры, линии задержки и др.). Наиболее распространенным из этих приборов является криотрон, представляющий собой переключающий криогенный элемент, основанный на свойстве сверхпроводников скачком изменять свою проводимость под воздействием критического магнитного поля.

Действие криотрона аналогично работе ключа или реле. Криотрон может находиться только в одном из двух состояний — либо в сверхпроводящем, либо с малой электропроводностью.

Время перехода криотрона из одного состояния в другое составляет несколько долей микросекунды, т. е. эти приборы обладают высоким быстродействием. Криотроны весьма микроминиатюрны: на 1 см² площади может быть размещено до нескольких тысяч криотронов. На основе криотронов можно создать криотронные БИС, выполняющие логические функции, функции запоминания с неразрушающим считыванием, управления и межэлементных соединений. Однако необходимость работы в условиях глубокого охлаждения и связанные с этим технологические трудности резко ограничивают применение криотронов. Усилители, принцип действия которых основан на использовании криоэлектронных явлений, главным образом служат для приема слабых сигналов СВЧ. Они обладают ничтожно малым уровнем шумов, широкой полосой пропускания (десятки гигагерц) и высоким усилением (до 10000). Шумовые температуры криоэлектронных усилителей достигают единиц и долей градуса Кельвина.

Перечислим основные особенности различных типов криоэлектронных усилителей.

Квантовые усилители служат для усиления электромагнитных волн за счет вынужденного излучения возбужденных атомов, молекул или ионов. Эффект усиления квантовых усилителей связан с изменением энергии внутриатомных (связанных) электронов в отличие от ламповых усилителей, в которых используются потоки свободных электронов. Наиболее подходящим материалом для квантовых усилителей радиодиапазона оказались диамагнитные кристаллы с небольшой примесью парамагнитных ионов. Обычно применяют рубин, рутил, изумруд с примесью окиси хрома. Охлаждение квантовых усилителей производят жидким гелием в криостатах.

В параметрических усилителях роль активного элемента выполняет либо p-n-переход в полупроводнике с высокой подвижностью носителей заряда при температурах ниже 90 К, либо переход металл —полуметалл (InSb). Этот полуметалл при температурах ниже 90 К приобретает свойства полупроводника, имеющего подвижность носителей заряда в 100—1000 раз выше, чем германий и кремний. В параметрическом усилителе периодически изменяется емкость колебательной системы. Мощность, потребляемая параметрическими усилителями, равна примерно 0,02—0,1

Вт.

Сверхпроводниковые усилители также основаны на принципе параметрического усиления, но в них периодически изменяется не емкость, а индуктивность колебательной системы. Индуктивным элементом такого усилителя служит тонкая пленка сверхпроводника при температуре ниже Т_к0. В сверхпроводящей пленке возникает так называемая сверхиндуктивность L_к, обусловленная взаимодействием возникающих в ней высокоэнергетических электронных пар. Индуктивность L_к при определенном выборе геометрии пленки может преобладать над обычной индуктивностью

L проводника. Внешним электромагнитным полем можно периодически разрушать и восстанавливать такие электронные пары, изменяя их концентрацию п_к, и тем самым периодически изменять индуктивность L_к по закону

L_к = 1/п_к

Принцип действия параэлектрических усилителей основан на использовании явления высокой поляризации некоторых диэлектриков (например, CrTiO₃ при низких температурах. Тангенс угла диэлектрических потерь таких диэлектриков (параэлектриков) при температурах ниже 80 К сильно зависит от внешнего электрического поля.

а)	б)
Рис.10. Параэлектрический усилитель: а– структура активного элемента; б– зависимость емкости от напряжения (1 – пленка параэлектрика; 2 – металлические пленки; 3 – конденсатор; 4 – диэлектрическая подложка;)

Активный элемент параэлектрического усилителя представляет собой конденсатор, заполненный параэлектриком, помещенным в электромагнитное поле (накачка). Ёмкость конденсатора периодически изменяется с частотой накачки, что позволяет осуществить параметрическое усиление (рис.10).

На рис.10,а приведена структура активного элемента параэлектрического усилителя, а на рис.10,б — зависимость его емкости от напряжения при температуре 4,2 К. Пунктиром показана эта же зависимость при нормальной температуре (300 К).

Криоэлектронные резонаторы теоретически должны иметь бесконечно большую добротность из-за отсутствия потерь в поверхностном слое сверхпроводящих стенок. Однако практически потери существуют вследствие инерционности электронов. Наибольшая добротность достигается в дециметровом диапазоне волн. При длине волны 3 см добротность криоэлектронных резонаторов равна примерно 10

7— 10⁹. Сверхпроводящие резонаторы обычно работают при [гелиевых температурах (Т = 4,2 К).

Криоэлектронный фильтр представляет собой цепочку последовательно соединенных сверхпроводящих резонаторов. Избирательность такого фильтра в полосе запирания повышена в 10³ — 10⁶ раз по сравнению с обычными фильтрами.

К.риоэлектронные линии задержки представляют собой тонкий кабель из сверхпроводника, свернутый в спираль и помещенный в криостат. Время задержки определяется длиной кабеля и соответствует единицам или долям миллисекунды. Для получения времени задержки, измеряемого наносекундами или пикосекундами, используют сверхпроводящие меандры — извилистые линии из узких тонких сверхпроводящих пленок на диэлектрической подложке. Изменяя внешним полем распределенную индуктивность такой линии, можно управлять временем задержки.

Большие перспективы создает использование в микроэлектронике эффектов Джозефсона. Открытие эффекта Джозефсона в туннельных переходах двух слабо связанных сверхпроводников сделало возможным создание сверхпроводящих систем обработки информации с высокими значениями параметров. Быстродействие этих систем достигает 10 пс (10^-11 с), а мощность рассеяния 100 нВт ⁽10^-7 Вт), т. е. показатель качества—произведение быстродействия на мощность— порядка Ю^-18 Дж или в миллион раз выше, чем в кремниевых микросхемах. Основная трудность разработки БИС на основе эффекта Джозефсона связана с получением стабильных, воспроизводимых тонких (порядка 2 нм) изолирующих пленок, а также с работой в условиях глубокого охлаждения.

Криоэлектроника — это… Что такое Криоэлектроника?

        криогенная электроника, направление, охватывающее исследование взаимодействия электромагнитного поля с электронами в твёрдых телах при криогенных температурах (ниже 90К) и создание электронных приборов на их основе. В криоэлектронных приборах используются различные явления: Сверхпроводимость металлов и сплавов, зависимость диэлектрической проницаемости некоторых диэлектриков (См. Диэлектрики) от электрического поля, появление у металлов при Т          К криоэлектронным приборам следует отнести: запоминающие и логические криоэлектронные устройства вычислительной техники; генераторы, усилители, переключатели, резонаторы, детекторы, преобразователи частоты, фильтры, линии задержки, модуляторы и др. приборы СВЧ; сверхпроводящие Магнитометры, Гальванометры, Болометры и др. Одной из задач К. является создание электронных охладителей, а также миниатюрных приборов, сочетающих в одной конструкции электронную схему, Криостат, служащий герметической оболочкой, и охлаждающее устройство.          Криотроны. Развитие К. началось с создания Криотрона (1955) — миниатюрного переключательного элемента, действие которого основано на явлении сверхпроводимости. Криотроны — элементы логических, запоминающих и переключательных устройств. Они отличаются низким потреблением энергии (10^-18дж), малыми габаритами (до 10^-6мм²), быстродействием (время переключения Криоэлектроника 10^-11сек). Первые проволочные криотроны были вскоре заменены плёночными (1958—1960). В 1955—56 появились др. плёночные запоминающие элементы: персистор, персистотрон, ячейка Кроу, однако они не получили распространения. Основным криоэлектронным элементом в вычислительной технике остался плёночный криотрон. В 1967 был разработан плёночный туннельный криотрон (криосар), основан на Джозефсона эффекте.          Криоэлектронные усилители. Проблема приёма слабых сигналов СВЧ стимулировала появление низкотемпературных твердотельных усилителей, основанных на разных физических явлениях и обладающих ничтожно малыми шумами. К ним следует отнести прежде всего парамагнитный Квантовый усилитель и параметрический усилитель, работающий при температуре 90K. В последнем роль активного элемента (параметрического полупроводникового диода (См. Параметрический полупроводниковый диод)) играет либо р—n-переход в полупроводнике (См. Полупроводники) с высокой подвижностью носителей при Т Полуметаллы) (InSb, рис. 1). Последний приобретает при Т 2—10³ раз выше, чем у Ge и Si. Мощность, потребляемая таким усилителем, Криоэлектроника 10^-1— 10^—2 вт.

         Сверхпроводниковый усилитель также основан на принципе параметрического усиления, но в этом случае периодически изменяется не ёмкость С колебательной системы, а её индуктивность L (рис. 2). Индуктивным элементом такого усилителя служит тонкая плёнка сверхпроводника при температуре несколько ниже T_kp. В сверхпроводящей плёнке возникает т. н. «сверхиндуктивность» L_{кобусловленная кинетической энергией движущихся сверхпроводящих электронных пар. Индуктивность Lk при определённом выборе геометрии плёнки может преобладать над обычной индуктивностью L проводника. Внешним электромагнитным полем можно периодически разрушать и восстанавливать сверхпроводящие электронные пары, изменяя их число ns, и этим самым можно периодически изменять индуктивность Lkпо закону: Lk = 1/ns.}

         Параэлектрические усилители основаны на аномально высокой поляризации некоторых диэлектриков (например, CrTiO₃) при низких температурах. Диэлектрическая проницаемость таких диэлектриков (параэлектриков) от 10 до 15·10³, при Т рис. 3). Активный элемент параэлектрического усилителя представляет собой электрический конденсатор, заполненный таким параэлектриком, помещенным в электромагнитное поле (накачка). Ёмкость такого конденсатора периодически изменяется с частотой накачки, что позволяет осуществить параметрическое усиление (рис. 4).

         Существуют усилители, в которых используются комбинации перечисленных методов. Например, сочетание изменяющихся индуктивности L сверхпроводника и ёмкости С «запертого» перехода металл — полуметалл позволяет создать усилитель, где одновременно от одного генератора модулируется С и L, что улучшает характеристики усилителей (рис. 5).

         Количественным критерием чувствительности криоэлектронных усилителей является их Шумовая температура Т_ш. У криоэлектронных усилителей она достигает единиц и долей градуса К (рис. 6). Наряду с этим криоэлектронные усилители обладают широкой полосой пропускания и высоким усилением (обычно от 10 до 10⁴).          Криоэлектронные резонаторы. Повышение стабильности частоты генераторов СВЧ ограничено величиной добротности Q объёмных резонаторов (См. Объёмный резонатор), которая зависит от активных потерь энергии в их проводящих стенках. Теоретически предел Q обычных резонаторов 2—8·10³ для основного типа волн в сантиметровом диапазоне. Добротность может быть увеличена в 10—100 раз охлаждением до 15—20K за счёт уменьшения рассеяния электронов на тепловых колебаниях кристаллической решётки (См. Колебания кристаллической решётки) металла.          Резонаторы со сверхпроводящими стенками теоретически должны обладать бесконечно большой добротностью из-за отсутствия потерь в поверхностном слое сверхпроводника. В действительности же потери существуют вследствие инерционности электронов. С другой стороны, на очень высоких частотах (Криоэлектроника 10¹¹гц), когда энергия кванта электромагнитного поля сравнима с энергией расщепления сверхпроводящих электронных пар (3,52 k T), потери в сверхпроводящем и нормальном состояниях становятся одинаковыми. Поэтому наибольшая добротность (Q Криоэлектроника 10¹¹) достигается в дециметровом диапазоне длин волн. Для λ = 3 см добротность сверхпроводящих резонаторов Криоэлектроника 10⁷—10¹⁰. С помощью сверхпроводящих резонаторов стабильность частоты обычных Клистронов может быть улучшена с 5․10^-4 до 10^-9—10^-10, т. е. до уровня стабильности квантовых стандартов частоты (См. Квантовые стандарты частоты) при сохранении всех преимуществ клистронов. Сверхпроводящие резонаторы обычно работают при гелиевых температурах (4,2 К). Если в них используются сверхпроводники 1-го рода, то их рабочая температура поднимается до 10—15 К.

         Фильтры и линии задержки. Сверхпроводящий фильтр представляет собой цепочку последовательных соединений сверхпроводящих резонаторов. Избирательность в полосе запирания у такого фильтра повышена в 10³—10⁶ раз по сравнению с обычными фильтрами.

         Сверхпроводящая линия задержки в простейшем виде представляет собой тонкий кабель из сверхпроводника, свёрнутый в спираль и помещенный в криостат. Его длина соответствует времени задержки сигнала (τ Криоэлектроника мсек или долей мсек). Применяется в радиолокации и измерительной технике. Для τ Криоэлектроника нсек или псек используются сверхпроводящие меандры — извилистые линии из узких тонких сверхпроводящих плёнок на диэлектрической подложке. Изменяя внешним полем распределённую индуктивность такой линии, можно управлять временем задержки τ. Применяются также параэлектрические фильтры и линии задержки.

         Охлаждение в К. достигается различными методами. Криостат, который обычно служит оболочкой прибора, часто соединяют с криогенной установкой. Для охлаждения используются

        также Джоуля — Томсона эффект, Пельтье эффект, Эттингсгаузена эффект, Магнитное охлаждение и др. В приборах для космических исследований охлаждение и поддержание низких температур достигается за счёт использования отвердевших газов (1 кг твёрдого азота может находиться в космосе до 1 года).          Иногда несколько приборов помещают в общий криостат, который может выполнять также определённые функции, например служить антенной (См. Антенна). Т. о. осуществляют интеграцию. Развитие К. особенно интегральной, приводит к увеличению надёжности приборов, уменьшению их габаритов, веса и расширяет области их применения (рис. 7).

         Лит.: Брэмер Д ж., Сверхпроводящие устройства, пер. с англ., М., 1964; Крайзмер Л. П., Устройства хранения дискретной информации, 2 изд., Л., 1969; Алфеев В. Н., Радиотехника низких температур, М., 1966; его же, Криогенная электроника, «Известия ВУЗОВ. Радиоэлектроника», 1970, т. 13, в. 10, с. 1163—1175; Электронная техника. Серия 15, Криогенная электроника, в. 1, М., 1969, с. 3; Малков М., Данилов И., Криогеника, М., 1970; Уильямс Дж., Сверхпроводимость и ее применение в технике, перевод с английского, М., 1973.

         В. Н. Алфеев.

        

        Рис. 1. а — эквивалентная схема низкотемпературного параметрического усилителя; б — вольтамперная характеристика перехода металл—полуметалл (U — напряжение, I — ток) и зависимость его ёмкости С от напряжения при Т н и ω_н — напряжение и частота накачки; в — переход металл—полуметалл является активным элементом усилителя.

        

        Рис. 2. а — схема сверхпроводящего усилителя; L — yправляемая индуктивность; R_п — сопротивление перехода Джезефсона; б — активный элемент усилителя.

        

        Рис. 3. Зависимость диэлектрической проницаемости ε и угла диэлектрических потерь δ от температуры Т.

        

        Рис. 4. а — активный элемент параметрического усилителя; б — зависимость его ёмкости С от напряжения при Т = 4, 2 К, пунктир — эта же зависимость при комнатной температуре.

        

        Рис. 5. Криоэлектронный усилитель с 4 управляемыми реактивными параметрами.

        

        Рис. 6. Зависимость шумовой температуры Т_ш, различных усилителей СВЧ от частоты: 1 — сверхмалошумящие электровакуумные (специальные типы ЛБВ) и полупроводниковые (туннельные и транзисторные) усилители; 2 — неохлаждаемые параметрические усилители; 3, 4, 5 — криоэлектронные усилители азотного, водородного и гелиевого уровней охлаждения; 6 — парамагнитные квантовые усилители.

        

        Рис. 7. Низкотемпературный параметрический усилитель для сверхдальнего приёма телевизионных сигналов через искусственные спутники Земли: 1 — криостат; 2 — колебательная система с активным элементом; 3 — генератор накачки; 4 — входной фильтр.

Большая советская энциклопедия. — М.: Советская энциклопедия. 1969—1978.

Глава 17. Основы оптоэлектроники

∙отсутствие электрических и механических контактов в системе;

∙идеальную гальваническую развязку входа и выхода;

∙однонаправленность потока информации и отсутствие обратного влияния приемника на источник;

∙возможность создания сильно разветвленных коммуникаций,

нагруженных на несогласованные разнородные потребители энергии;

∙невосприимчивость оптических каналов связи к воздействию электромагнитных полей, отсутствие взаимодействия в самих каналах связи – отсюда высокая помехозащищенность, отсутствие взаимных наводок.

5.Возможность непосредственного оперирования с зрительно воспринимаемыми образами, визуализация электрических сигналов.

6.Возможность существенного продвижения в область функциональной микроэлектроники, создания функциональных оптоэлектронных устройств и систем.

Необходимость развития оптоэлектроники связана и с тем, что

классическая микроэлектроника не может комплексно решить задачу микроминиатюризации радиоэлектронной аппаратуры. Такие элементы и компоненты, как импульсные трансформаторы, реле контакты, кабели, разъемы, электронно-лучевые трубки и т.д., плохо стыкуются с интегральными микросхемами и отличаются громоздкостью, невысокими эксплуатационными характеристиками, малой надежностью и высокой стоимостью. Именно на долю перечисленных компонентов приходится 90 – 95% объема, массы, потребляемой мощности, числа отказов и стоимости современной РЭА.

Оптоэлектроника открывает реальные пути преодоления этих противоречий. Более того, оптоэлектроника позволяет существенно

повысить быстродействие современных ЭВМ и объемы перерабатываемой информации. Таким образом, оптоэлектроника, начав свое развитие с дополнения и усовершенствования современной микроэлектроники, в будущем позволит создать принципиально новые, функциональные средства информационной техники.

Отметим основные исторические этапы развития оптоэлектроники. 1864 г. – Дж. К. Максвелл сформулировал основные уравнения

электродинамики.

1873 г. – У. Смит открыл и в 1888 году А.Г. Столетов провел исследования внутреннего и внешнего фотоэффектов.

1917 г. – А. Эйнштейн показал возможность создания вынужденного (индуцированного) излучения.

1947 г. – Д. Габор создал основы голографии.

Оптоэлектроника — Физическая энциклопедия

ОПТОЭЛЕКТРОНИКА — область физики и техники, использующая эффекты взаимного преобразования элек-трич. и оптич. сигналов. Хотя эффекты преобразования световой энергии в электрическую (детектирование света с помощью фотоприёмников) и обратное преобразование (электролюминесцентные источники) были известны давно, термин «О.» возник лишь после того, как эти преобразования стали использоваться в вычислит. технике, и прежде всего для взаимных превращений световых и электрич. сигналов при отображении, хранении, передаче и обработке информации. Термин «О.» вошёл в употребление в 1960-х гг., когда появились приборы — оптроны ,в к-рых для обеспечения надёжных гальванич. развязок между электронными цепями используется пара «источник света (светодиод) — приёмник этого излучения».
Применение оптич. сигналов в принципе позволяет увеличить скорость передачи и обработки информации благодаря более высокой несущей частоте и возможности параллельного функционирования мн. каналов. Однако в наиб. степени пока используются такие свойства оптич. сигналов, как высокая помехозащищённость, обеспечение надёжных гальванических развязок между электронными цепями, слабое затухание в волоконных световодах и возможность острой фокусировки.
Поскольку оптоэлектронные приборы предназначены прежде всего для вычислит. техники и информац. систем, они должны обладать компактностью, малым потреблением энергии и высоким кпд.
Осн. элементами О. являются источники излучения (когерентные и некогерентные), фотоприёмники, модуляторы, дефлекторы, волоконные световоды и согласующие элементы, мультиплексоры и демультиплексоры, а также пространственно-временные модуляторы света (управляемые транспаранты), используемые для двумерного динамич. отображения и обработки информации.
Источники излучения. К некогерентным источникам излучения относят источники спонтанного излучения. Это — светодиоды (СД), из к-рых наиб. распространёнными являются СД на основе гетероструктур системы AlGaAs. Рекордный кпд этих СД превышает 20% (однако при ВЧ электрич. модуляции он уменьшается), их быстродействие достигает 0,1 нс. В отличие от когерентных источников СД обладают большой угл. апертурой и спектральной шириной излучения. Изготовляются матрицы СД.
Когерентными источниками излучения в О. служат гл. обр. инжекционные лазеры. Применяются гетероструктуры, из к-рых также наиб. распространёнными являются системы AlGaAs. Вследствие лазерного эффекта ширина линии ~ 0,1 нм, расходимость луча не более 30°, кпд до 50%. Длина волны меняется в зависимости от состава твёрдого раствора активной области. Наиб. освоен (на 1990) диапазон длин волн от
0,78 мкм до 1,55 мкм, хотя существуют более длинноволновые и коротковолновые лазеры. Частота модуляции излучения инжекц. лазеров достигает 20 Ггц. В монолитном (интегральном) виде изготовляются строчки (до 100 элементов на см^-1) и матрицы инжекц. лазеров.
Приёмники излучения. В качестве них используются фотодиоды (ФД), гл. обр. pin-диоды и фотодиоды Шоттки. В pin-диодах быстродействие1 нc, квантовая эффективность до 90%, усиление фототока практически отсутствует, материалы: GaAs (0,8 мкм), InGaAs ( = 1,3 — 1,55 мкм). В фотодиодах Шоттки быстродействие также1 нc; квантовая эффективность до 40%, материалы: п — GaAs, GaAs — AlGaAs, InGaAs ( = 0,82 — 1,6 мкм).
Там, где требуется высокая чувствительность, применяются фототранзисторы и лавинные ФД. Они обладают внутр. усилением до 100 и более; материалы: Ge, InGaAs, InGaPAs, GaAs, Si. В качестве фотоприёмников используются также планарные фотосопротивления с малым зазором между омическими контактами и экстрагирующими электродами, быстродействие 80 — 200 пс, материалы: InGaAs ( = 1,3 — 1,5 мкм), р — GaAs ( 0,85 мкм) и др.
Особое значение для О. приобретают строчки и матрицы фотоприёмников, использующие эффект зарядовой связи в полупроводниках (см. Прибор с зарядовой связью ).Эти приёмники позволяют принимать, хранить нек-рое время и последовательно передавать при считывании оптич. сигналы. Такие фотоприёмники широко применяются для регистрации изображений и их последоват. передачи по каналам связи. По чувствительности они не уступают обычным фотоприёмникам. Осн. материал — Si.
Модуляторы. Как правило, в СД и инжекц. лазерах осуществляется внутр. модуляция путём изменения питающего тока. Для внеш. модуляции используется в осн. эл—оптич. эффект в LiNbО₃. Однако полуволновое напряжение в этом кристалле более 1 кВ. Разрабатываются др. материалы — с меньшим полуволновым напряжением и технологически интегрально совместимые с излучателями системы AlGaAs и InGaPAs на тех же растворах.
Увеличение числа каналов связи в волоконных СД достигается также путём передачи информации по одному каналу на разных длинах волн, т. е. от разл. источников с соответствующим разделением на приёмных концах. С этой целью применяются мультиплексоры и демультиплексоры, к-рые обычно изготовляются в интегральном виде путём соединения или ветвления оптич. волноводов. Селекторами длин волн являются дифракц. решётки, вводящими и выводящими элементами — призмы. Материалом служит, как правило, LiNbО₃ с вводимыми в него легирующими добавками для создания волноводов; большие надежды связываются с твёрдыми растворами соединений A^III B^v и A^IIB^VI.
Дефлекторы лазерного излучения — необходимые элементы в системах оптич. записи и считывания информации. Они могут быть применены также как модуляторы излучения. Используется либо эл—оптич. эффект в двулучепреломляющих кристаллах либо дифракция на акустич. волнах. Дефлекторы на основе эл—оптич. эффекта более быстродействующие, чем эл—акустические, но обладают меньшей эффективностью.
Пространственно-временные модуляторы света (ПВМС) — матрицы светоклапанных устройств, позволяющие создавать и обрабатывать двумерные изображения. Управление пропусканием ПВМС может осуществляться электрич. или магн. полями (эл—оптически или магн—оптически управляемые транспаранты соответственно) или слабыми световыми сигналами (оптически управляемые транспаранты). Наиб. распространение получили ПВМС на жидких кристаллах. Они обладают наим. полуволновым напряжением (~1В), но их быстродействие не превышает десятков мкс. Применение спец. керамик для ПВМС обеспечивает быстродействие до 10^-7 с, но полуволповое напряжение значительно выше (~100 В).
Для передачи оптич. сигналов в О. возможно использование как свободного пространства, так и волоконных световодов, обеспечивающих исключительно высокую домехозащитность при потерях менее 1 дБ/км.
Увеличение кол-ва и ассортимента выпуска элементов О. происходит очень интенсивно, составляя ежегодный прирост ок. 20%, что связано с большим коммерч. выпуском систем, базирующихся на оптоэлек-тронных элементах. Наиб. распространение получили лазерные звукопроигрыватели, в к-рых информация записана в цифровом представлении на жёстких или гибких дисках (компакт-диски) и считывается острофокусируемым лучом инжекц. лазера. Выпускаются (в Японии) видеопроигрыватели, работающие по этому же принципу.
Большое значение приобретают оптоэлектронные элементы для волоконно-оптич. линий связи, к-рые должны заменить совр. кабельные линии связи на длинные и короткие дистанции, решить проблемы кабельного телевидения и видеотелефонов. Несколько свето-волоконных кабелей соединили Америку с Европой, прокладываются кабели через Тихий океан. Источниками световых сигналов в этих линиях являются инжекц. лазеры, приёмники — быстродействующие лавинные ФД; через неск. десятков км располагаются ретрансляц. узлы (лазер — фотоприёмник), компенсирующие ослабление и дисперсию световых сигналов.
О. позволяет создать перестраиваемые процессоры ,управляемые ПВМС и матрицами фотоприёмников, а также обеспечивает построение БИС и СБИС (см. Интегральная схема ),допускающих интеграцию в третьем (вертикальном) измерении. С О. связывают надежды на возможность дальнейшего совершенствования вычислит. техники: передача информации будет осуществляться оптич. сигналами, что позволит вести обработку одновременно по мн. параллельным каналам, близко расположенным друг к другу, но обладающим высокой помехозащитностью. Проводятся интенсивные исследования по созданию новых оптоэлектронных элементов, к-рые имели бы два устойчивых состояния с разл. оптич. свойствами (оптич. бистабильные элементы) и выполняли бы в оптике роль, аналогичную роли транзисторов в электронике. Создание таких элементов позволит начать конструирование оптических (или оптоэлектронных) вычислит. машин (ОВМ и ОЭВМ), превосходящих по производительности ЭВМ и способных выполнять 10¹² операций в с и более.

Лит.: 3 и С. М., Физика полупроводниковых приборов, пер. с англ., кн. 1 — 2, М., 1984; Хансперджер Р., Интегральная оптика, пер. с англ., М., 1985; Морозов В. Н., Оптоэлектронные матричные процессоры, М., 1986; Пространственные модуляторы света, М., 1987; Инжекционные лазеры в системах передачи и обработки информации, М., 1987.

Ю. М. Попов.

      Предметный указатель      >>   

криоэлектроника — это… Что такое криоэлектроника?



криоэлектроника

криоэлектро́ника

(криогенная электроника), область науки и техники, занимающаяся применением явлений в твёрдых телах при криогенных температурах (ниже 120 К) в присутствии электрических, магнитных и электромагнитных полей для создания электронных приборов и устройств, работающих на основе этих явлений, – криоэлектронных приборов. Криоэлектронные приборы – твердотельные электронные устройства (полупроводниковые диоды, транзисторы и др.), которые работают при криогенных температурах. Они позволяют значительно повысить чувствительность измерительных электронных устройств при глубоком охлаждении. Существенную роль в развитии криоэлектроники сыграли потребности радиоастрономии и космической связи в радиотелескопах и земных станциях с высокочувствительными приёмными трактами, которые смогли бы компенсировать затухание радиоволн при распространении на протяжённых трассах. Применение криогенного оборудования позволило резко увеличить чувствительность приёмных радиоэлектронных устройств при малом соотношении сигнал – шум. В 1967 г. в СССР была создана система земных станций космической связи «Орбита» для приёма программ Центрального телевидения через спутник связи «Молния». В составе приёмной аппаратуры применялся усилитель, охлаждаемый жидким азотом. В 1978 г. был разработан первый в мире приёмник субмиллиметрового диапазона с гелиевым охлаждением и испытан на борту космического комплекса «Салют-6» – «Союз-27». Применение криогенной аппаратуры на радиотелескопе АН СССР (РАТАН-600) в 1979 г. сделало этот радиотелескоп одним из самых чувствительных в мире и позволило на порядок увеличить объём информации о радиоизлучении Галактики. Применение криогенной аппаратуры в составе радиоприёмных устройств обеспечивает приём радиосигналов с расстояния более 100 млн. км.

Важнейшим разделом криоэлектроники стала сверхпроводниковая криоэлектроника. Она занимается созданием криогенных приборов, работающих на основе явления сверхпроводимости. Перспектива её развития связана с поисками относительно высокотемпературных сверхпроводников. В интегральной криоэлектронике явление сверхпроводимости используется для создания интегральных схем, элементов памяти большой ёмкости и быстродействующих переключателей в цифровой вычислительной технике.

Энциклопедия «Техника». — М.: Росмэн. 2006.

.

Синонимы:

• криостат
• крица

Смотреть что такое «криоэлектроника» в других словарях:

• криоэлектроника — криоэлектроника …   Орфографический словарь-справочник

• криоэлектроника — Направление функциональной электроники, связанное с исследованием электронных эффектов в твердом теле при криогенной температуре и созданием на этой основе криоэлектронных приборов, блоков и систем. [ГОСТ 20935 91] Тематики криоэлектроника EN… …   Справочник технического переводчика

• КРИОЭЛЕКТРОНИКА — (криогенная электроника) область науки и техники, занимающаяся применением явлений, имеющих место в твердых телах при криогенных температурах (в присутствии электрических, магнитных и электромагнитных полей), для создания электронных приборов… …   Большой Энциклопедический словарь

• криоэлектроника — сущ., кол во синонимов: 1 • электроника (7) Словарь синонимов ASIS. В.Н. Тришин. 2013 …   Словарь синонимов

• КРИОЭЛЕКТРОНИКА — область электроники, охватывающая исследование взаимодействия электромагнитных полей в твёрдом теле при криогенных (ниже 120 К) температурах и возможностей создания электронных приборов на этой основе …   Большая политехническая энциклопедия

• Криоэлектроника —         криогенная электроника, направление, охватывающее исследование взаимодействия электромагнитного поля с электронами в твёрдых телах при криогенных температурах (ниже 90К) и создание электронных приборов на их основе. В криоэлектронных… …   Большая советская энциклопедия

• криоэлектроника — 1 криоэлектроника: Направление функциональной электроники, связанное с исследованием электронных эффектов в твердом теле при криогенной температуре и созданием на этой основе криоэлектронных приборов, блоков и систем Источник: ГОСТ 20935 91:… …   Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

• криоэлектроника — (криогенная электроника), область науки и техники, занимающаяся применением явлений, имеющих место в твёрдых телах при криогенных температурах (в присутствии электрического, магнитного и электромагнитного полей), для создания электронных приборов …   Энциклопедический словарь

• криоэлектроника — krioelektronika statusas T sritis radioelektronika atitikmenys: angl. cryoelectronics; cryogenic electronics vok. Kryoelektronik, f rus. криогенная электроника, f; криоэлектроника, f pranc. cryoélectronique, f; électronique cryogénique, f …   Radioelektronikos terminų žodynas

• КРИОЭЛЕКТРОНИКА — (криогенная электроника), область науки и техники, занимающаяся применением явлений, имеющих место в тв. телах при криогенных темп pax (в присутствии электрич., магн. и эл. магн. полей), для создания электронных приборов и устройств …   Естествознание. Энциклопедический словарь