FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A KOMUNIKAČNÍCH TECHNOLOGIÍ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ
OPTOELEKTRONIKA Kapitola 2.
Obsah Obsah .........................................................................................................................................2 1 Úvod........................................................................................................................................4 1.1 Optoelektronika, její předmět a postavení ........................................................................................................4 1.2 Historický vývoj ...............................................................................................................................................7
Seznam obrázků .......................................................................................................................10 Seznam tabulek ........................................................................................................................10
OPTOELEKTRONIKA
1 Úvod Již mnoho desítek let stojí elektronika, jako prostředek řešení většiny rozhodujících úloh vědecké a technické praxe, v pořadí zájmu vědecko-technického rozvoje. Úspěchy elektroniky v každé etapě jejího vývoje určovaly do značné míry tempo pokroku ve vědě a technice. Elektronika byla naopak schopna využít a aplikovat mnohé z výsledků vědeckého poznání v nejrůznějších oborech lidské činnosti a promítnout je často do vzniku relativně samostatného směru ve svém vývoji. Vznikla tak elektrovakuová elektronika, tranzistorová elektronika, mikroelektronika a konečně optoelektronika.
1.1 Optoelektronika, její předmět a postavení Člověk poznává svět prostřednictvím smyslové signální soustavy. Převážná část získaných poznatků je tvořena zpracováním zrakových vjemů. To je jedna z příčin, proč byly účinky světla na neživou přírodu od nepaměti objektem zkoumání přírodovědců. Již v počátcích vývoje lidské civilizace byly k přenosu zpráv na velké vzdálenosti využívány optické principy. Podobně i první kroky v technice záznamu a zobrazení informace byly nerozlučně spjaty s využitím principů interakce hmoty se světlem. Bouřlivý rozvoj elektroniky však způsobil, že většina oblastí zpracování informace se v posledních desetiletích stala téměř výlučnou doménou elektroniky. Některé významné objevy a pokrok v technologii výroby polovodičů, přípravy ultračistých materiálů a dokonalých monokrystalů ukazují v poslední době nové možnosti při využití optického spektra záření a optických principů zpracování signálů v elektronických systémech přenosu, transformace, záznamu či zobrazení informace. Optické principy zpracování informace mnohdy skýtají ve srovnání s elektronickými principy možnosti dosažení vyšší kvality, jak z hlediska rychlosti, tak i z hlediska objemu zpracované informace. Ryze optické způsoby zpracování informace však dosud nejsou, zejména z materiálových důvodů, realizovatelné. Proto se rozšiřují pokusy spojovat elektronické a optické principy zpracování informace, vhodně při tom skloubit jejich přednosti a potlačit nedostatky. Vznikají tak optoelektronické prvky a soustavy, založené na využití poznatků teorie informace, teorie elektromagnetického pole, geometrické, vlnové, kvantové a nelineární optiky, zvláště však teoretické elektrotechniky a elektrooptiky. Optické záření či světlo v nich přijímá roli buď přímého nositele informace, nebo prvku zprostředkujícího realizaci žádané transformace, záznamu či zobrazení informace. Jedním z významných oddílů fyziky je elektrooptika, vědní obor, stojící na rozhraní mezi optikou, elektrodynamikou a kvantovou mechanikou a zabývající se teorií vzájemné přeměny energie z elektrických forem do optické. Analyzuje jevy probíhající v elektronických měničích, prvcích realizujících konverzi energie mezi elektrickými a optickými formami, a řeší syntézu těchto prvků. Základní okruhy problému, kterými se elektrooptika zabývá, tvoří otázky interakce hmotného prostředí s elektromagnetickým zářením a možnosti generace elektromagnetického záření hmotou. Elektrooptika se však nespecializuje jen na řešení otázek maximalizace energetické účinnosti elektrooptických měničů. Ve svém rámci se věnuje také problémům lineárních měničů, tedy problémům převodu energie z jedné formy do druhé bez újmy na objemu informace nesené některými fyzikálními parametry děje probíhajícího při konverzi energie. Kmitočtový rozsah elektromagnetického záření zajímavý pro elektrooptiku můžeme omezit shora frekvencí, při níž kvaziimpuls fotonů p = h ν již nelze zanedbat vzhledem k hybnostem elektronů s nerelativistickými rychlostmi p = mev . Zdola lze kmitočtový obor optického záření ohraničit frekvencemi, kdy přestává být pozorovatelný kvantový charakter záření a jednoznačně vynikají jeho vlnové vlastnosti. Optické záření, které plní v optoelektronických systémech funkci nositele informace, umožňuje přenos a zpracování informačních zpráv nejen formou jednorozměrného časového signálu s(t), jak je běžné u elektronických systémů, ale dovoluje zpracovávat informaci i paralelním způsobem, prostřednictvím časové a prostorové modulace parametrů nosné vlny. Optoelektronické systémy jsou tedy schopny zpracovávat i tzv. časoprostorové signály s(x,t), popř. s(x,y,t), představující v podstatě časově ∞ proměnné zobrazení parametru s nad jednorozměrným prostorem 1 ℜ ≡ {x, y}−∞ , či nad dvojrozměr-
ným prostorem 2 ℜ ≡ {x, y}−∞ . Z tohoto pohledu je zřejmé, že na optické systémy můžeme pohlížet jako na systémy schopné zpracovávat informace nesené jednorozměrným a časovým signálem ∞
4
Úvod v jednom i mnoha paralelních kanálech, či jako na systémy umožňující zpracování časově proměnných lineárních a plošných obrazců. Z těchto dvou hledisek plynou i některá specifika v požadavcích na elektrooptické měniče zajišťující vzájemný přechod od elektrických k optickým formám zpracování klasických jednorozměrných i zobecněných vícerozměrných signálů. Jak už jsme se zmínili, vedle energetických elektrooptických měničů se tedy elektrooptika zabývá i tzv. signálovými a obrazovými elektrooptickými měniči. Rozlišuje při tom elektrooptické přijímače realizující přeměnu energie optické v elektrickou (O → E ) , elektrooptické přijímače převádějící energii z formy elektrické do optické (E → O ) , a konečně elektrooptické převáděče, jejichž charakteristickým rysem je to, že na vstupu i výstupu je stejný druh energie, ale procesu převedení se zúčastní i energie druhého typu (O → E → O, E → O → E ) . Graficky je přehled rozsahu elektrooptiky znázorněn na Obr. 1.1a v tabulce Tab. 1.1. Optoelektronika, technická disciplína zabývající se, jak je zvykem udávat, soustavami pro zpracování elektrických a optických signálů využitím kombinace elektronických a optických metod, aplikuje poznatky elektrooptiky o všech druzích elektrooptických signálových obrazových a částečně energetických měničů. Elektrooptika však nezkoumá procesy nebo přeměny typu (O → O ) , (O → X ) , (O → X →O ) , E → E , či (E → E → E ) , kde X značí energii jiného druhu nežli elektrická nebo optická (např. chemická energie…). Tím se z obsahu elektrooptiky vylučuje řada jevů nevyužívajících sice elektrooptické přeměny, souvisejících však s problematikou přenosu, záznamu a zobrazení optické informace, tedy jevů, které bez ohledu na vyslovenou definici nepochybně přísluší do tématiky zpra-
Obr. 1.1 Přehled rozsahu elektrooptiky (viz též Tab. 1.1)
5
OPTOELEKTRONIKA covávané optoelektronikou. Jeví se proto důležité rozšířit a zobecnit uvedenou jednoduchou definici předmětu optoelektroniky tak, abychom se ani při dnešním bouřlivém vývoji této oblasti techniky příliš neodchýlili od současné náplně zkoumané problematiky. Tab. 1.1. Přehled rozsahu elektrooptiky
Číslo v Obr. 1.1 1
Druh elektrooptického měniče
Hlavní aplikace
Příbuzné obory
energetické příjímače záření, fotovoltaické a termoelektrické články
energetika, fotoelektrická energetika (solární energetika, přenos energie) fotometrie, signalizace a automatizace, telekomunikace, optoelektronika televize, snímání dat, vstupní periferie počítačů ozařování a osvětlování, lokální ohřev, přenos energie, obrábění signalizace, soustavy automatického řízení, telekomunikace, optoelektronika televize, výstupní periferie počítačů, reprodukční technika, záznam obrazu, optické paměti zesilování a spektrální transpozice záření optoelektronika, zpracování informace nesené optickým signálem noktovize, rentgenová diagnostika, elektronová mikroskopie ? zesilovače elektrického analogového signálu, logické obvody, relé optoelektronika ?
výroba elektrické energie
2
přijímače optického signálu: fotoelektrické a pyroelektrické detektory fotonů, bolometry
3
přijímače obrazu: snímací elektronky a jiná snímací zařízení
4
zdroje, vysílače záření: žárovky, katodoluminiscenční a elektroluminiscenční zdroje, výbojky, lasery vysílače optického signálu: zdroje záření s vnitřní nebo vnější modulací (elektroluminiscenční diody, lasery)
5
6
vysílače obrazu: obrazovky, elektronická projekční zařízení, laserové projektory, zobrazovací systémy
7 8
kvantové zesilovače záření, převaděče záření optrony, kvantové zesilovače záření
9
převáděče obrazu, zesilovače jasu
10 11
? optrony
12
?
příjem rádiových signálů
fotografie, kinematografie, holografie výroba tepelné energie
vysílání rádiových signálů
fotografie, kinematografie, polygrafie
-----
infračervená fotografie, rtg skiaskopie, xerografie --elektronika
řádkovací elektronová a optická mikroskopie Optoelektronikou zde budeme nazývat technickou disciplínu zabývající se návrhem a konstrukcí prvků a soustav pro přenos, transformaci, záznam a uchování elektrických a optických, jedno i vícerozměrných signálů i soustav pro přenos a transformaci energie, principiálně založených na využití vlastností fotonové vazby, účinků optického záření na hmotu či vlivu hmotného prostředí na elektromagnetické pole optického oboru. Třebaže intenzívní vývoj optoelektroniky probíhá teprve v posledních dvou desetiletích, vydobyl si tento obor techniky pevné místo mezi progresivními způso-
6
Úvod by zpracování informace a našel úzký vztah k mnoha technickým disciplínám, v nichž se zdálo být neotřesitelné výsadní postavení elektroniky. Velmi vysoká frekvence nosné vlny v optických komunikacích ν ≈ 1015 Hz , tedy až 105x vyšší než nejvyšší kmitočty v osvojeném pásmu centimetrových vln, dovoluje kupříkladu použít mnohem vyšší modulační kmitočty, a tím dává možnost dosažení vysoké informační kapacity optického kanálu. Ve spojení s velmi nízkými hodnotami útlumu optických vláknových vlnovodů, až 0,5 dB/km, znamená využití optoelektroniky kvalitativní krok v rozvoji kabelové telekomunikační techniky. Malá hodnota délky vlny optického záření, λ ≈ 10 −6 m , má zásadní význam při vytváření ostře směrových vlnových polí s rozbíhavostí menší než 1”. Tato skutečnost dovoluje velmi koncentrovaně a s malými ztrátami přenášet elektromagnetickou energii do zadané oblasti v prostoru, což otevírá možnost použití optoelektronických zařízení např. v jaderné technice, ale i ve vojenství. Délkou vlny je také omezen minimální průměr vlnového svazku šířícího se volným prostorem. Hodnota λ3 představuje teoretickou mez minimálního objemu zaujímaného kvantem elektromagnetického záření. Pro obor optických kmitočtů to znamená např. možnost dosažení velmi vysoké hustoty zápisu informace v optických pamětech s přímým záznamem (až 1012 bit/m²). Malá divergence optického záření spolu s malým minimálním průřezem vlnového svazku umožňuje realizovat časoprostorové modulace světelného paprsku. Minimální element vlnoplochy modulovatelný nezávisle na okolí je velikostí plochy blízký hodnotě λ2 (10-12m²). Otevírají se tak nebývalé možnosti pro syntézu soustav s paralelním zpracováním informace. Využitím transformačních vlastností optických členů lze jednoduchými prostředky sestavovat jak členy realizující velmi složité integrální transformace vícerozměrných signálů, prostorovou filtraci, kódování a analýzu plošných obrazců, tak i členy realizující paralelní formou složité maticové operace s velkými soubory dat pracující rychlostmi blížícími se rychlosti světla. Spolu s rozvojem optických pamětí se zdá být tento fakt počátkem etapy optoelektroniky v konstrukcích vysoce výkonných výpočetních komplexů. Použití elektricky neutrálních fotonů jako nositelů vazby při přenosu informace, a z toho vyplývající možnost ideálního galvanického oddělení vstupu a výstupu soustavy, možnost zaručení jednosměrného toku informace, možnost konstrukcí multiplexerů bez jinak nezbytného přizpůsobování zátěže, necitlivost k vlivům rušících elektromagnetických polí a odolnost proti vzájemným přeslechům a parazitním vazbám v paralelních kanálech, všechny tyto přednosti odkrývají principiálně nové možnosti konstrukce vazebních prvků a členů vyhovujících i nejpřísnějším požadavkům na kvalitu přenosu informace a určených pro nejsložitější provozní podmínky. Optoelektronické přenosové členy se u platní všude tam, kde je elektronické zařízení vystaveno působení vysokých a velmi vysokých napětí, účinkům extrémních teplot, vibrací či agresivních prostředí. Miniaturizací a integrováním prvků optoelektronických soustav zpracování informace je možno vytvářet jednotky obdobné elektronickým integrovaným obvodům. Tyto optické integrované funkční celky pak nabízejí zcela nový přístup k řešení mnoha složitých problémů přenosu a zpracování signálů. S rozvojem technologie integrované optiky se tyto prvky mohou stát konkurenty prvků moderní mikroelektroniky. Možnosti holografie dále kvalitativně rozšiřují aplikace optoelektroniky a ukazují nové způsoby řešení problémů v oblasti záznamové a zobrazovací techniky, v oblasti rozpoznávání obrazců, a tedy při konstrukcích periferních zařízení počítačů. Optoelektronika zaznamenala výrazné úspěchy v metrologii, lokaci a navigaci, zasloužila se o rozvoj televizní techniky, byla kolébkou noktovize a termovize. Pronikla do geologie, biochemie, medicíny a dalších oborů lidské činnosti. Bouřlivý rozvoj výzkumu v oblasti optoelektroniky je stimulován zejména tím, že se současné prostředky techniky zpracování informace ocitají na dosah hranic svých teoretických možností, jak co do rychlosti, tak co do minimalizace objemu a energie nutné pro elementární operaci. Proto optoelektronika, která v řadě případů nabízí zcela nové, teoreticky mnohem méně omezené prostředky informační techniky, přechází mnohde od funkcí obsluhy a doplňků současné mikroelektroniky k přímým náhradám mikroelektronických zařízení v základních funkcích soustav zpracování informace.
1.2 Historický vývoj Vývoj této byť velmi mladé technické disciplíny se opírá o řadu fyzikálních poznatků a objevů s podstatně vzdálenější minulostí. Některé významné objevy tvořící teoretický základ optoelektroniky jsou spojeny se jmény fyziků minulého století Faraday, Maxwell, Kerr.
7
OPTOELEKTRONIKA Problematikou průchodu a vedení světla tenkými vrstvami dielektrik se zabýval již Newton, po něm zejména Young a Fresnel. Jejich práce vytvořily ve druhé polovině 19. stol. základ pro objev Angličana J. Tyndalla, že světlo je vedeno a směrováno dielektrickým prostředím (tenkým paprskem vody vytékajícím horizontálně a nádoby). Technické využití tohoto poznatku však přišlo teprve po uplynutí celého století. V roce 1964 formuloval J. K. Maxwell základní soustavu rovnic elektrodynamiky dokazující mimo jiné totožnost podstaty radiových vln a podstaty optického záření a umožňující odvodit matematický popis šíření elektromagnetických vln reálnými hmotnými prostředími. Několik let na to, v roce 1873, pozoroval anglický fyzik W. Smith (nezávisle na něm i Rus A. G. Stoletov v roce 1888) jev fotoelektrické vodivosti při dopadu slunečních paprsků na destičku selenu. Po několika letech byl sestrojen první selenový fotočlánek měnící sluneční energii v elektrickou přímou konverzí na principu fotovoltaického jevu a objeven i vnější fotoelektrický jev. v roce 1875 pozoroval Kerr v nitrobenzenu a později i v sirouhlíku vznik optické anizotropie působením elektrického pole. Objevil tak kvadratický elektrooptický jev způsobující umělý dvojlom v izotropních látkách využívaný k polarizaci světla a později k modulaci či deflekci optického záření. V roce 1917 byla geniálním německým fyzikem Albertem Einsteinem objevena při analýze interakce záření a hmoty možnost indukované emise světla, a položeny tak první základy rozvoje kvantové elektroniky. V roce 1947 se v časopise Nature objevuje první zmínka Denise Gabora o fázovém záznamu koherentního optického vlnového pole a o zobrazení trojrozměrných objektů. Je představen princip holografie. Einsteinovu fenomenologickou elementární teorii záření a existenci stimulované emise experimentálně potvrdili v r. 1954 nezávisle Američané Gordon, Zeiger a Townes a sovětští vědci N. G. Basov a A. M. Prochorov sestavením prvního mikrovlnného kvantového zesilovače a později generátoru MASERu (Microwave Amplification by Stimulated Emision of Radiation) založeného na separaci molekul čpavku excitovaných na vyšší hladinu kmitového spektra. Poté následoval i návrh tříhladinového maseru s pevnou látkou podaný Blombergenem (1956). Vzniká tak nové odvětví techniky – kvantová elektronika. Schawlow a Townes uvedli v roce 1958 teoretický rozbor možností kvantových generátorů záření v optické oblasti , naznačili postup ověření položené teorie konstrukcí optického zesilovače v plynné fázi a navrhli užití Fabry-Perotova rezonátoru. Jejich úvahy úspěšně realizoval v r. 1960 T. H. Maiman, který však místo plynu použil jako aktivní látky monokrystalu rubínu a FabryhoPerotovým rezonátorem tvořeným postříbřenými čely rubínové tyčky. Vytvořil tak první impulsně pracující pevnolátkový LASER (Light Amplification by Stimulated Emision of Radiation). Rok nato byl spuštěn první kontinuální plynový laser pracující v infračervené oblasti se směsí helia a neonu. Tyto práce položily základní kameny tzv. "laserové" optoelektroniky. Počátkem intenzivního rozvoje nelineární optiky byly pokusy amerického fyzika P. Frankena, který se svými spolupracovníky v roce 1961 demonstroval generaci druhé harmonické složky záření rubínového laseru procházejícího monokrystalem křemenu. V následujícím období byla prezentována řada prací zabývajících se stimulovanou emisí záření v polovodičích. Teoretický základ myšlenky využití polovodičů pro generaci koherentního záření rozpracovali v letech 1958 až 1959 Basov s Popovem. Injekcí v p-n přechodech pro vybuzení koherentního záření se dále zabýval i O. N. Krochin. První injekční laser byl konečně sestrojen v r. 1962 současně v celé řadě laboratoří USA i SSSR. Všechny konstrukce vycházely z degenerovaného p-n přechodu intermetalického roztoku GaAs. Prvou zprávu o něm dal americký fyzik R. N. Hall se spolupracovníky. V roce 1964 se objevily práce o polovodičových laserech s jinými typy materiálů. Bogdančuk a Děvjatkov získali laserový efekt při bombardování krystalu CdS elektronovým svazkem s vysokou energií. Grasjuk a Katylin sestrojili polovodičový laser s optickým čerpáním. V letech 1963 – 1968 byly intenzivně studovány možnosti využit pro polovodičové lasery injekci v heteropřechodech. Na teoretické statě Kroemera a technologické úspěchy Wodalla z laboratoří IBM při vytváření heterogenních vrstevnatých struktur epitaxí z kapalné fáze navázali Rupprecht, Panish, Hayaski z Bellových laboratoří a Alferov, Andrejev a další z výzkumných ústavů AV SSSR úspěšnými konstrukcemi heterostrukturních laserů GaAs – AlxGa1-xAs. Současně s rozvojem koherentních zdrojů záření se práce výzkumníků zabývaly i dalším typem optických zdrojů, nekoherentními polovodičovými luminiscenčními diodami. Již v roce 1921 se podařilo O. V. Losevovi zachytit a popsat elektroluminiscenci v modré oblasti spektra vzniklou při průchodu stejnosměrného proudu destičkou polykrystalického karbidu křemíku. V r. 1956 byla objevena injekční elektroluminiscence, v r. 1962 se objevují infračervené GaAs luminiscenční diody a v roce 1964 už červené a zelené luminiscenční diody a GaP. Teprve
8
Úvod v poslední době se objevují elektroluminiscenční diody v modré oblasti spektra ponejvíce na bázi GaN se strukturou M-I-S. Pokud se týká fotodetektorů, již v r. 1917 se začalo s průmyslovou výrobou a využitím fotoodporů, posléze ve 20. letech byla provedena řada experimentů s fotoemisními katodami. Většina současných fotoelektrických přijímačů, jako fotodiody, fototranzistory a další prvky založené na p-n přechodu, se objevily až začátkem 50. let. V těchto letech se začalo i se zkoumáním elektrooptických vlastností umělých krystalů dihydrofosfátu amonného (ADP) a dihydrofosfátu draselného (KDP) a byly zvládnuty principy modulace světla. Ve stejném období se začíná rozvíjet i výzkum v oblasti vláknové optiky a optických vlnovodů. Teprve nedávná minulost však dala vzniknout většině dnes využívaných optoelektronických prvků, přístrojů a zařízení. První zmínky o pokusech s optrony se datují do roku 1955, jejich průmyslová výroba však začíná až v letech 1965 ÷ 67. Průkopnické práce v oblasti perspektivních zobrazovacích zařízení, jak na bázi polovodičů, tak prvků s kapalnými krystaly, vznikají až v letech 1966 ÷ 68. Ještě později se začala rozpracovávat problematika tak závažných optoelektronických systémů, jako jsou optické vláknové spoje, jejichž idea se zrodila v roce 1966 a první praktické pokusy se datují do období počátku 70. let. Prvé záznamové destičky holografických pamětí se objevují kolem r. 1967, zrod koncepce a základní experimenty planární integrované optiky spadá do let 1969 - 1971. Je tedy vidět, že optoelektronika je velmi mladá a překotně se rozvíjející oblast vědy a techniky. Přesto si dobyla takových pozic, jakých mnoho jiných technických odvětví nedosáhlo ani za dobu mnohonásobně delší. Rychlý rozvoj této disciplíny je zákonitě doprovázen nestabilitou užívané terminologie a také rychlým morálním stárnutím poznatků a idejí. Přesto se pokusme o podání stručného rozboru nejdůležitějších fyzikálních a technologických principů používaných v několika nejzávažnějších sférách aplikací optoelektroniky.
9
OPTOELEKTRONIKA
Seznam obrázků Obr. 1.1 Přehled rozsahu elektrooptiky (viz též Tab. 1.1) ................................................................... 5
Seznam tabulek Tab. 1.1. Přehled rozsahu elektrooptiky ................................................................................................. 6
10
