Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Оптроны. Активный оптрон

1.1 Активный оптрон. Характеристики. Конструкции

Функциональные возможности оптрона могут быть, как указывалось ранее, существенно расширены при введении обратных связей (электрических или оптических). Наиболее интересен оптрон, в котором приемник и излучатель электрически соединены, а также имеется оптическая положительная обратная связь. На вольт-амперной характеристике такого устройства, получивше-го название регенеративного оптрона, могут быть падающие участки -- функционально прибор

а--общая схема; б--структура передаточной функции: в--разновидности вольт-амперных характеристик.

Рис. 4.11- Регенеративный оптрон

пригоден для использования в качестве переключателя, усилителя, генератора как электрических, так и световых сигналов.

Для осуществления регенерации, т. е. частичной или полной компенсации потерь энергии сигнала с помощью положительной обратной связи, в схему регенеративного оптрона (рис. 4.11,а) вводится усилитель-преобразователь электрических сигналов У; в частном случае усилитель может быть совмещен с фотоприемником (как это, например, имеет место в фоторезисторе или фототранзисторе). Функционально схема регенеративного оптрона представляется в 'виде замкнутого кольца преобразований сигнала, состоящего из пяти звеньев (рис. 4.11,6).

Коэффициент регенерации этого функционального кольца Крег всегда может быть выражен в виде произведения передаточных функций каждого из звеньев:

представляют собой дифференциальные коэффициенты светоотдачи излучателя, светопропускания оптического звена, фоточувствительности приемника, внутреннего усиления фотоприемника, усиления 'внешнего усилителя-преобразователя.

Если выполняется условие Крег>1. то имеет место полная регенерация, т. е. усиление сигнала при прохождении им всего функционального кольца. Вследствие этого в оптроне возникает 'неустойчивость: значения токов, напряжений, мощности излучения претерпевают скачки.

При различных способах включения излучателя, приемника и усилителя-преобразователя можно получить устройства, управляемые током (приборы с отрицательным сопротивлением), управляемые напряжением (приборы с отрицательной проводимостью) , неустойчивые и по току и по напряжению; можно использовать такой усилитель-преобразователь, что условие полной регенерации будет выполняться в нескольких точках вольтамперной характеристики, т. е. получить многоустойчивый оптрон (рис. 4.11,в).

Представление регенеративного оптрона в виде функционального кольца (рис. 4.11,6) показывает, что выражение для Крег не зависит от того, с «какой связи и с какого звена начинать рассмотрение замкнутой цепи, т. е. значение Крег одинаково при любом расположении и физическом характере входа .и выхода. Возможность оперирования со световыми и электрическими сигналами в любых возможных сочетаниях и обусловливает широту

01, 02, 03, 04 -- резисторные оптроны с электролюминесцентным излучателем.

Рис. 4.12 - Оптоэлектронный триггер функциональных возможностей регенеративного оптрона.

В заключение отметим еще один путь расширения возможностей оптрона. Если между излучателем и приемником обычного гальванически развязанного оптрона поместить среду, характеризующуюся тем 'или иным видом электрооптического эффекта, то получим оптрон с управляемым оптическим каналом. Как элемент электрической цепи такой оптрон представляет собой шестиполюсник с двумя входами: по цепи излучателя и по управляющей цепи. Кроме обычных оптронных параметров, устройство описывается и модуляционной характеристикой вида

Использование в качестве управляемой оптической среды слоя жидкого кристалла позволяет достигнуть усиления по мощности 10³... 10⁴; применение прозрачной сегнетоэлектрической ЦТСЛ-керамики открывает возможности для расширения частотного диапазона прибора вплоть до 10... 100 МГц.

Оптоэлектронные преобразователи света и изображений основаны на использовании оптронных устройств с оптическими входом и выходом (рис. 4.16). При засветке участка фоторезистора его сопротивление уменьшается; это 'ведет к соответствующему возрастанию тока, протекающего через примыкающий участок электролюминофора, и к повышению яркости свечения этого участка. Большое значение коэффициента усиления, присущее фоторезисторам, позволяет в таком устройстве

получить и значительное усиление света. Свобода в выборе фоторезистивных и излучающих материалов делает возможным управление спектральными характеристиками .прибора.

В устройстве 'на рис. 4.16 в качестве излучателя применен порошковый электролюминофор, и этим определяется необходимость использования переменного питающего .напряжения. Перспективны синтерированные тонкопленочные люминофоры, обладающие большей яркостью, большей нелинейностью вольт-яркостной характеристики, 'высокой разрешающей способностью, меньшей инерционностью. Для оптоэлектронных преобразователей пригодны светоизлучающие диоды и лазеры, а также фотоприемники с р--п- перехода ми, изготавливаемые на различных полупроводниках; в этом случае соответствующее оптронное устройство реализуется не в монолитном, а в гибридном твердотельном исполнении.

Принцип оптоэлектронного преобразования света и изображений позволяет создать ряд важных и интересных устройств. Это уже рассмотренные усилители света, коэффициент усиления в которых может составлять 10³... 10⁵ на каскад. При необходимости усилить многоцветное изображение производится стандартная процедура спектрального разложения и выделения R-, G-, В-компонент. их раздельное усиление в «красном», «зеленом» и «синем» оптроне и синтезирование на выходе устройства.

Различие спектральных характеристик приемника и излучателя дает основу для создания твердотельного аналога электронно-оптического преобразователя (ЭОП) инфракрасного излучения в видимое, позволяя тем самым избавить системы ночного видения от недостатков, присущих электронно-лучевым трубкам (большие габариты, высоковольтность и т. п.).

Возможность поэлементного усиления изображения, присущая оптронным системам, позволяет отделять слабое световое изображение от маскирующего его фона. При высокой разрешающей способности тонкопленочных устройств это, в конечном счете, позволяет повысить контрастность изображения.

Возможно создание оптоэлектронного инвертора-преобразователя 'негативного изображения в позитивное (или наоборот) с одновременным его усилением.

При использовании лазерного излучателя в оптроне осуществляется преобразование некогерентного излучения в когерентное.

Усиление, спектральное преобразование, повышение контрастности, преобразование некогерентного излучения в когерентное--вот то основное, что обеспечивают твердотельные оптоэлектронные преобразователи, построенные .на принципе оптрона.

1.2 Перспективы оптронов

Общая классификация изделий оптронной техники представлена на рис. 4.17. В основу этой схемы положен смешанный конструктивно-функциональный принцип, учитывающий как основное назначение прибора, так и, специфику его устройства. Каждое из выделенных .на-правлений не является завершенным и может в дальнейшем пополняться новыми приборами.

.

На схеме не показаны все те важнейшие конструктивные и функциональные разновидности, в которых могут быть представлены элементарные оптроны. Так. уже упоминалось, что основные их типы--транзисторные, диодные, резисторные--изготавливаются в виде оптронных сборок, высоковольтных оптоизоляторов, дифференциальных оптронов.

1.3 Логические элементы на основе оптронов. Применение оптронов

С помощью элементной базы оптоэлектроники можно создавать логические схемы типа И, ИЛИ, НЕ, НЕ-ИЛИ и более сложные, на основе которых синтезируются регистры, полусумматоры, преобразователи электрических сигналов, триггеры, генераторы релаксационных колебаний и т.д.

Реализация элементарных логических функций может быть проиллюстрирована с помощью оптронной пары: электролюминесцентный конденсатор (ЭЛК) - фоторезистор. Схемы логических устройств И, ИЛИ, НЕ показаны на рис.1.23.

В схеме И (рис.1.23,а) излучение ЭЛК возможно лишь при одновременном возбуждении входов и . Для нормальной работы должны выполняться неравенства

где n - число последовательно включенных фотоприемников; - сопротивление фотоприемников в режиме фотопроводимости; темновое сопротивление фотоприемников.

При выполнении указанных неравенств отсутствие возбуждения на любим из входов "запирает" источник света. Эти же неравенства

Ограничивают максимально возможное число входов величиной

n_{мах ,}

где U* - опорное напряжение ЭЛК. Для схем на основе сублимированных пленок А^ІІB^VI(ZnS, MnCdSe) число входов достигает 100-1000. Для порошковых материалов тех же элементов n мах =10-100.

При параллельном включении фоторезисторов образуется схема ИЛИ (Рис. 1.23б). Здесь сигнал на выходе появляется при воздействии светового потока на любой из параллельно включенных фоторезисторов. Максимальное число входов n в схеме ИЛИ определяется уменьшением результирующего темнового сопротивления R_T/n до значения, когда напряжение на источнике света становится равным или больше U*. При этом

оптрон оптический изображение свет

n_мах =,

Поскольку U*/U₀ ~ 0,1…0,2, то при nмах<<1, отношение R_T/Zис должно превышать 10…100, что проще всего достигается на материалах А^ІІВ^VI.

В схеме НЕ (Рис.1.23 в) при подаче входного сигнала на любой фотоприемник ЭЛК шунтируется и гаснет, что соответствует логическому отрицанию.

Максимальное число входов в схеме НЕ определяется суммарным сопротивлением параллельно включенных фотоприемников, при котором напряжение на источнике света становится меньше U*.Тогда

n_мах.

Аналогичные схемы могут быть выполнены и на других оптронных парах: инжекционных фотодиодах, фототранзисторах, фототиристорах и т.д.

Варианты схем И и ИЛИ показаны на рис.1.24 а и б, соответственно. Принципиально эти схемы не отличаются от ранее рассмотренных.

Области применения функциональной оптоэлектроники накладывает жесткие требования к характеристикам и параметрам применяемых элементов, в частности, к быстродействию.

Появление лазеров вызвало развитие ряд направлений по их использованию в системах высокопроизводительной обработки информации.

Одно из этих направлений ориентируется на высокое быстродействие (10^-11 с), которое может быть получено у полупроводниковых лазеров в режиме переключения. На базе двойных лазерных диодов оказалось возможным построение основных логических элементов (И, ИЛИ, НЕ и т.п.) с тактовыми частотами в области гигагерц.

Перспективным в этом отношении является использование эффекта Костера для построения лазерных коммутационных элементов. Этот эффект состоит в управлении интенсивностью лазерного излучения воздействием лазерным лучом на области генерации.

Конструкция лазерного ключа на эффекте Костера показана на рис.1.25. Она содержит два инжекционных лазера А и В, сформированных на одном монокристалле. Электрическая развязка лазеров достигается прорезанием в кристалле канавки. Лазерный луч не может излучаться в окружающую среду, так как боковые грани представляют собой загрубленные поверхности, обеспечивающие внутреннее отражение, Чтобы луч вышел из лазера, необходима обработка р - п перехода с точностью не ниже л/ 2..

Эта поверхность показана незаштрихованной. Лазер А (генератор) генерирует продольное излучение В_А , а лазер В (эмиттер) -поперечное В_В . Если сигнал В_А достаточно велик, наблюдается эффект гашения колебаний В_В . Лазерная пара генератор - эмиттер, представляет собой мощный ключ с быстродействием 10^-10 …10^-11 с. На основе этого ключа можно строить различные оптоэлектронные логические схемы. При этом все логические операции выполняются в оптическом блоке схемы, а фотоэлектрическое преобразование используется лишь для вывода информации из блока. На рис.1.26 показаны примеры оптоэлектронных оптических блоков И, ИЛИ, И-НЕ. В схеме И (рис 1.26.a) на одном монокристалле формируются два лазерных перехода А и В. Их поперечные излучения не выходят наружу. Продольное излучение наблюдается только при одновременном возбуждении двух лазерных входов. В системе ИЛИ (рис.1.26.6) лазерные диоды включены параллельно и происходит продольное излучение при подаче на любой лазерный вход импульса тока

Схема И-НЕ (рис.1.26,в) представляет собой комбинацию простейших схем.

Монолитные лазерные схемы допускают до 5*I0¹⁰ срабатываний в секунду, что вполне удовлетворяет потребностям современных цифровых ЭВМ. Однако такие устройства характеризуются высокой потребляемой мощностью, низкой долговечностью и надежностью, дискретностью и сложностью основного элемента. Кроме того, здесь не используется основное преимущество лазера - направленность и когерентность излучения. Поэтому в настоящее время выдвигается задача повышения эффективности работы лазерных диодов.

Размещено на Allbest.ru