|
| |
|
Слаботочка Книги Оптоэлектроника является одним из самых актуальных направлений современной электроники. И это не случайно. Прибори оптоэлектроники характеризуются исключительной функциональной широтой, они успешно используются во всех звеньях информационной системы для генерации, преобразования, передачи, хранения и отображения информации. При создании оптоэлект-ропных приборов используется много новых физических явлений, синтезируются уникальные материалы, разрабатываются сверхпрецизионные технологии. Оптоэлектроника достигла стадии промышленной зрелости, но это только первоначальный этап, так как перспективы развития многих ее направлений практически безграничны. При подготовке книги ставилась цель рассмотреть опто-электронику как единую область техники, в которой большое число различны.х направлений, несмотря на кажущуюся несхожесть, объединены физическими и конструктивно-технологическими основами, материалами, элементной базой. Так, несмотря на функциональное различие, тесно переплелись оптические транспаранты, индикаторы, оптические запоминающие среды; физика диэлектрических волноводов служит базой развития волоконно-оптических линий связи, устройств интегральной оптики, оптоэлект-ронных датчиков. Новые направления оптоэлектроники чаще всего возникают как слияние - интеграция - ряда уже известных направлений оптоэлектроники и традиционной микроэлектроники: таковы интегральная оптика и волоконно-оптические линии связи; оптические запоминающие устройства, опирающиеся на голографию, лазерную технику; оптические транспаранты, использующие достижения фотоэлектроники и нелинейной оптики. При изложении материала основное внимание уделялось опто-электронным приборам и их физическим основам. Автор не стремился избежать субъективных оценок тенденций развития того или иного направления оптоэлектроники, многие суждения явились результатом частных бесед с ведущими специалистами, аналитический метод познания дополнен эвристическим. Представлялось важным и обязательным описывать не только достижения оптоэлектроники, но и ее слабые стороны, нерешенные проблемы - возможно, это нацелит часть читателей, (особенно молодых) на их устранение. Автор выражает благодарность за дискуссии по отдельным вопросам чл.-кор. АН СССР Б. Г. Грибову, проф. В. М. Андрееву Д. 3. Гарбузову, А. И. Дирочке, В. И. Королькову, М. Мухитдинову, В. В. Новикову, В. Н. Сретенскому, М. А. Тришенкову, В. Н. Уласюку и канд. техн. наук И. В. Кирющевой, Л. А. Логунову. ВВЕДЕНИЕ licTOKH оптоэлектроники в современном ее понимании можно отнести к 1864 г., когда Дж. К- Максвеллом была предложена система уравнений электродинамики, в одном из выводов которой утверждались электромагнитная природа света и единство природы радиоволн и оптического излучения. Эта теория успешно объяснила совокупность опытных данных по оптике - явлений дифракции, интерференции, спектрального разложения и других, полученных ранее, начиная с XVII в. (X. Гюйгенс, И. Ньютон,-О. Френель, М. Фарадей и др.). К концу XIX в. появились новые .экспериментальные факты, не объяснимые в рамках волновой теории. Для преодоления возникших противоречий М. Планк вы-.двинул гипотезу о том, что испускание и поглощение излучения осуществляется дискретно в виде квантог (или фотонов); им была создана теория теплового излучения (формула Планка, 1900 г.). Иа основе представления о том, что излучение не топько испуг-кается, но и распространяется в виде квантов. А. Эйнштейн в ;Ь905 т. предложил теорию фотоэффекта. Иными словами, сфор-мир-овалось представление, что квантовая природа (дискретность) шрисуща самому излучению; дуализм света нашел отражение в известной формуле, связывающей энергию фотона Еф и частоту световых колебаний v следующим обргзом: E = hv. В 1922 г. К. Комптон, изучая рассеяние фотонов на свободных электронах, показал, что фотону присущ также импульс hv/c = h/X. К концу 392D-X гг. квантово-волновая теория оптического излучения была полностью сформирована. Важное открытие было сделано в 1917 г. А. Эйнштейном: теоретически рассматривая электронные переходы в атомах при генерации света, он установил, что возможен процесс вынужденного (индуцированного) излучения, т. е. генерация или усиление света активной средой. Экспериментально этот процесс был реализован в 1954 г. одновременно А. М. Прохоровым и Н. Г. Басовым в СССР и Ч. Таунсом в США. Изобретенный ими молекулярный генератор на аммиаке работал в радиочастотном диапазоне (1=1,24 см), однако стало ясно, что на том же принципе можно получить эффективную генерацию и оптического излучения. Такой генератор - лазер был вскоре создан. В 1960 г. в США почти одновременно появились первый твердотельный лазер на рубине (А=694 нм) и газовый гелий-неоновый лазер {К= = 633 нм). В 1962 г. Н. Г. Басовым была предсказана возмож-иость создания полупроводникового лазера, в 1963 г. такой при-бор на основе арсенида галлия (=900 нм) был реализован в США Холлом. В период 1963-1967 гг. Ж- И. Алферовым изобретены и экспериментально изготовлены полупроводниковые гете-ролазеры - экономичные долговечные приборы, способные работать при комнатной температуре. Появление лазеров и в особенности гетеролазеров определило техническое содержание многих ведущих направлений оптоэлект- роники. Taic, еще в 1947 г. Д. Габор изобрел голографию - метод получения объемного изображения объекта путем интерференции двух когерентных световых волн: предметной и опорной. По сравнению с фотографией преимущество голографии для целей информатики состоит в том, что удается сохранить полную информацию, несомую световой волной. Несмотря на очевидные достоинства голографической регистрации, метод в течение 15 лет пребывал «в спячке» (выражение Д. Габора), пока, наконец, записью лазерных голограмм на поверхности (Э. Лейт и Ю. Упат-ниекс, 1962 г.) и в объеме вещества (Ю. Н. Денисюк, 1963 г.) не началась новая, современная глава истории этого метода. Аналогичная ситуация сложилась и в нелинейной оптике, изучающей особенности распространения и взаимодействия с веществом высокоинтенсивных световых лучей. Развитие идей началось в 1920-е гг., однако техническую значимость нелинейная оптика обрела лишь после 1961 г., когда был продемонстрирован эффект удвоения частоты излучения рубинового лазера в кристалле кварца (П. Франкен). Наряду с открытиями, связанными с изобретениями лазера, важны и многие другие открытие и изобретения оптоэлектроники, в которых совершенно по-новому были использованы давно известные явления, вещества, устройства. В 1927 г. О. В. Лосевым впервые наблюдалось свечение карбид-кремниевых детекторов, в 1955 г. обнаружена инжекционная люминесценция в арсениде галлия, в 1962-1964 гг. появились светодиоды инфракрасного (ИК) диапазона, затем «красные» и «зеленые» и, наконец, в 1967 г. - первые цифровые светодиодные индикаторы на основе тройного соединения арсенид-фосфид галлия. Жидкокристаллическое (мезофазное) состояние в некоторых органических веществах было обнаружено при ботанических опытах еще в 1888 г . но первые индикаторы на жидких кристаллах появились лишь в 1969 г. после синтеза сверхчистых материалов и обнаружения в них электрооптического эффекта динамического-рассеяния. Свечение электрического разряда в газах известно с середины прошлого века, но первый газоразрядный индикатор появился в 1954 г., а многоэлементная плазменная панель, обеспечивающая конкурентоспособность этого направления, - лишь в начале 70-х гг. О низковольтной (5... 20 В) каюдолюминесценции писали еще в 1940-х гг., а первые вакуумные индикаторы на этом эффекте созданы в 1966-1967 гг. История фотоприемников также берет свое начало еще в прошлом веке, когда У. Смит (1873 г.) открыл внутренний фотоэффект и А. Г. Столетов (1888 г.) - внешний. С 1917 г. началось промышленное использование фоторезисторов, в 1940 г. были созданы приборы, чувствительные в ИК-диапазоне, современные фо- [0] 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 |