Особенности оптической электроники
Необходимость дальнейшего освоения оптического диапазона и перенесение на него хорошо развитых в настоящее время методов радиофизики, радиотехники и электроники определяются рядом принципиальных обстоятельств [4]:
· частота электромагнитных колебаний (несущая частота n0) в оптическом диапазоне существенно выше, чем в радиодиапазоне. Например, частота световых колебаний в наиболее освоенной видимой и ближней инфракрасной областях спектра (~1015 Гц - 1013 Гц) в миллионы раз превышает частоту радиоволн в областях радио- и телевещания. Это определяет высокую информационную емкость оптического канала связи. Напомним, что для передачи обычного телевизионного изображения требуется полоса частот Dn » 5МГц. Поэтому в метровом диапазоне (при l = 1 м n0 = 300 МГц) можно передать лишь около десятка телевизионных программ. В оптическом диапазоне при том же отношении Dn/n0 это число возрастает в миллионы раз;
· длина световых волн существенно меньше, чем длина радиоволн. Это позволяет получить высокую концентрацию оптического излучения в пространстве, поскольку минимальный объем, в котором можно сфокусировать электромагнитное излучение, имеет характерные размеры порядка длины волны. Размеры волноводов, по которым может передаваться излучение с малыми потерями, также должны быть порядка длины волны. Поэтому оптические волноводы (световоды) при прочих равных условиях обладают существенно меньшими (на несколько порядков) размерами по сравнению с СВЧ – волноводами, что важно с точки зрения микроминиатюризации электронной аппаратуры. И наконец, в оптическом диапазоне нетрудно сформировать узкую диаграмму направленности излучения с углом расходимости 0,1° и менее. Для формирования подобной диаграммы в радиодиапазоне (при l = 1 м) потребовалась бы антенна диаметром порядка сотен метров. В оптическом диапазоне функцию такой антенны способны выполнить, например, сферическое зеркало или линза умеренных размеров, поскольку для получения одинаковой диаграммы направленности размер антенны пропорционален длине волны;
· передача информации осуществляется фотонами. В отличие от электронов, которые служат основными носителями информации в обычных электронных приборах, фотоны являются электрически нейтральными частицами, не взаимодействующими между собой и с внешним электрическим и магнитным полями. Это определяет возможность идеальной гальванической развязки входа и выхода, однонаправленность потока информации, высокую помехозащищенность, исключение взаимных наводок и паразитных связей между различными элементами схемы. Поэтому использование оптических методов в современной микроэлектронике заметно расширяет ее функциональные возможности, позволяя выполнять многоканальные сложные связи и осуществлять «оптический монтаж», исходя лишь из требуемых функциональных задач. Так как фотон в оптоэлектронных системах является основным носителем информации, то по аналогии с электроникой, оптоэлектронику называют также фотоникой;
· применение оптических методов записи, хранения и обработки информации открывает новые возможности для построения ЭВМ. Это обусловлено, с одной стороны, возможностью реализации новых принципов параллельной обработки информации (например, на основе голографических методов), а с другой – возможностью достижения высокой плотности записи информации (~108 бит/см2) в оптических запоминающих устройствах.
На сегодняшний день реализована лишь небольшая часть перечисленных преимуществ оптической электроники, которая, по мнению специалистов, будет в значительной мере определять технику завтрашнего дня. Для реализации этих преимуществ необходимо прежде всего понимать физические процессы взаимодействия оптического излучения с веществом, ибо они являются фундаментом всей квантовой и оптической электроники.
Квантовая электроника – область науки и техники, исследующая и применяющая квантовые явления для генерации, усиления и преобразования когерентных электромагнитных волн.
Оптоэлектроника – область науки и техники, исследующая и применяющая процессы взаимодействия оптического излучения с веществом для передачи, приема, переработки, хранения и отображения информации.
Оптическое излучение – электромагнитное излучение оптического диапазона.
Оптический диапазон спектра составляют электромагнитные колебания, длина волн которых лежит в пределах от 10 нм до 1 мм. Внутри оптического диапазона выделяют видимое (l = 0,38 ¸ 0,78 мкм), инфракрасное (l = 0,78 ¸ 1000 мкм) и ультрафиолетовое (l = 0,01 ¸ 0,38 мкм) излучение.
Световые волны – электромагнитные волны оптического диапазона.
Монохроматическое излучение– оптическое излучение, характеризующееся какой-либо одной частотой (одной длиной волны) световых колебаний.
Квантовый усилитель – усилитель электромагнитных волн, основанный на использовании вынужденного излучения.
Квантовый генератор – источник когерентного излучения, основанный на использовании вынужденного излучения.
Лазер (оптический квантовый генератор) – квантовый генератор оптического излучения.
Мазер – квантовый генератор электромагнитного излучения радиодиапазона.
Вынужденное излучение – когерентное электромагнитное излучение, возникающее в результате вынужденного испускания.
Вынужденное испускание – когерентное испускание фотона при квантовом переходе системы в результате взаимодействия с внешним электромагнитным полем.
Когерентность – согласованное протекание во времени и в пространстве колебательных или волновых процессов. Электромагнитная волна называется когерентной, если ее амплитуда, частота, фаза, направление распространения и поляризация постоянны или изменяются по определенному закону (упорядоченно).
Дата добавления: 2017-05-02; просмотров: 1231;