2.1.2. Элементы оптопары

Достижение высокого к. п. д. оптрона связано с получением высоких значений параметров, характеризующих преобразование и передачу энергии во всех его элементах. Желательно, чтобы параметры составных частей оптопары были согласованы по спектральным характеристикам, быстродействию, температурным свойствам, габаритам; при этом определенные требования предъявляются и на основе технологических соображений. В результате зачастую одно или несколько из вышеперечисленных требований приходится нарушать ради получения максимальных значений каких-либо определенных параметров.

Как уже отмечалось, источником излучения в оптронах в большинстве случаев служат инжекционные светодиоды. Помимо необходимости получения возможно больших к.п.д. преобразования электрической энергии в световую и высокого быстродействия светодиоды, применяемые в оптронах, должны обладать достаточно узкой направленностью излучения (для снижения потерь энергии на пути от источника света к фотоприемнику) и работать при сравнительно небольших входных токах (для согласования с микроэлектронными системами управления). Желательно также, чтобы квантовый выход таких излучателей был постоянным в по возможности более широком диапазоне входных токов, что важно для использования этих приборов в аналоговых схемах (см. 2.3.1). В оптронах могут применяться также полупроводниковые лазеры (см. 1.2.5). Этому препятствуют, однако, большие значения рабочих токов таких приборов, их сравнительно низкая долговечность и высокая стоимость.

Наиболее употребительными материалами для излучателей оптронов являются GaAs, GaAlAs, GaAsP. Светодиоды на основе этих материалов излучают в красной (0,67—0,7 мкм) и ближней инфракрасной (0,8-0,95 мкм) областях спектра. В отличие от обычных светодиодных индикаторов, для которых во многих случаях важно увеличение размеров высвечиваемых символов, излучающая область светодиодов, применяемых в оптронах, должна иметь минимальную площадь, так как при этом не только уменьшаются потери излучения, но и ослабляются требования к точности совмещения этой области с приемным окном фотоприемника. Номинальное напряжение возбуждения подобных светодиодов составляет 1,2—1,7 В, потребляемая ими мощность— 1—50 мВт.

Среду оптического канала выбирают, исходя из следующих соображений. Во-первых, она должна сводить к минимуму потери света, для чего материал оптического канала должен не только быть спектрально согласован с излучателем и фотоприемником, но и иметь показатель преломления, близкий к тем, которыми характеризуются эти элементы оптопары. Во-вторых, материал оптического канала должен обеспечивав высокий уровень электрической изоляции между входом и выходом оптрона (сопротивление изоляции оптопары обычно составляет ~ 1 • 1012 Ом). В-третьих, зачастую оптической среде приходится выполнять дополнительную функцию — служить основой, придающей оптрону конструктивную целостность и предохраняющей его элементы от механических, климатических и радиационных воздействий.

Используют по крайней мере три основных варианта оптического канала. В первом оптической средой служат полимерные оптические клеи, лаки, вязкие вещества (например, незасыхающие вазелиноподобные силиконовые составы), а также некоторые марки стекол (например, халькогенидные). Второй вариант оптического канала — воздушный, при этом для лучшей светопередачи могут использоваться фокусирующие системы на основе стеклянных линз. Третий вариант связан с использованием в качестве оптического канала волоконных световодов. Выбор варианта обусловливается требованиями, связанными с применением оптопары. Так, для получения высоких значений электрической изоляции, создания коротких линий оптической связи используют волоконные световоды, для устройств считывания информации с перфоленты требуется воздушный канал (перфоленту вводят в зазор между излучателем и фотоприемником) и т. д. Кроме того, необходимо учитывать, что многие из перечисленных материалов имеют свои недостатки. Так, полимеры характеризуются провалами спектра пропускания в ближней инфракрасной области (эти провалы обусловлены резонансным поглощением света химическими группами ОН, СН3, СН2, NH2, NH), а также изменением основных параметров со временем (что, естественно, сказывается на характеристиках всей оптопары в целом). Со своей стороны, стекла, применяемые в оптронах, менее устойчивы к резким перепадам температуры, имеют невысокую адгезию к материалам излучателя и фотоприемника.

Важнейшим достоинством оптронов является их способность осуществлять гальваническую развязку элементов электронной схемы. Оптроны, у которых в качестве оптического канала используют тонкие слои полимерных лаков или стекол обладают сравнительно невысокой электрической прочностью изоляции. Так называемое статическое напряжение изоляции Uиз (максимально допустимое постоянное напряжение между входом и выходом оптопары) у них составляет 100—500 В. У оптронов с воздушным зазором значение Uиз выше (до 1 — 5 кВ) и ограничивается уже электрической прочностью корпуса прибора; в оптронах с волоконными световодами максимально допустимое статическое напряжение изоляции может достигать 50—150 кВ.

К. п. д. оптрона, его срок службы, а также ряд других параметров в значительной степени определяются излучателем, и именно поэтому совершенствованию светодиодов уделяется большое внимание. В то же время оптрон как элемент электронной схемы характеризуется не столько излучателем, сколько типом используемого фотоприемника. С практической точки зрения важно, какие функции способен выполнять прибор, а это как раз и определяется фотоприемником, который, таким образом, должен обладать не только высокой эффективностью преобразования падающего на него излучения в электрический ток, но и требуемым быстродействием. В связи с этим различают оптопары резисторного, диодного, транзисторного и тиристорного типов.

Основным материалом фотоприемников для оптронов служит кремний, применяемый в диодных, транзисторных и тиристорных оптропарах. Так, кремниевый p-i-n-фотодиод по спектру и быстродействию хорошо согласуется со светодиодами на основе GaAs:Zn, GaAlAs, GaAsP, а кремниевые фототранзисторы и фототиристоры—с GaAlAs- и GaAs : Si-излучателями. В качестве материала фоторезисторов широко используют CdS и CdSe, хорошо согласующиеся по спектру с излучателями на основе GaP и GaAsP. Следует отметить, однако, что быстродействие фотоприемника зачастую ограничивает быстродействие всей оптопары в целом (это имеет место прежде всего в резисторных оптопарах).

Введение в оптоэлектронику


*****
© Банк лекций Siblec.ru
Формальные, технические, естественные, общественные, гуманитарные, и другие науки.