|
| |
|
Слаботочка Книги Но эта же особенность - малость поперечного сечения волновода - проявляется в «одномерности» распространяемых волн: интегральная оптика - это «оптика монолуча» в отличие от объемной оптики - оптики светового потока. Таким образом, утрачивается чуть ли не основное достоинство оптических систем - возможность параллельной, многоканальной обработки информации; проблематичным становится использование /голографии. Из рассмотрения перечисленных факторов следует, что интегральная оптика не может выступать в качестве универсального средства информатики, альтернативного «кремниевой» микроэлектронике. Наиболее разумными областями применения принципов и средств интегральной оптики представляются следующие: 1. Оконечные и ретрансляционные устройства ВОЛС. С этого, по существу, началась интегральная оптика, и здесь она несомненно окажется наиболее полезной. 2. Дискретные активные элементы (лазеры, фотоприемники, модуляторы, направленные ответвители и др.), при изготовлении ко орых методами интегральной оптики достигаются существенно более высокие параметры, например полосковые лазеры с распределенной обратной связью. 3. Принципиально новая технология создания «чисто оптических» пассивных и активных (перестраиваемых) элементов (линзы, призмы, фильтры и др.). Сочетание планарной технологии с принципами градиентной оптики (т. е. направленным пространственным изменением оптических свойств среды для достижения в ней требуемых светопередающих характеристик) открывает возможность изготовления высококачественных безаберрационных элементов в массовом производстве с высокой воспроизводимостью параметров и низкой стоимостью. При этом, чтобы «оттеснить» объемную оптику, необходимо развить технику многоканальных, многослойных ИО-устройств, что достаточно сложно, но несомненно практически достижимо. 4. Интегрально-оптические датчики (см. § 7.3). 5. Специальные устройства оптической вычислительной техники, главным образом аналогового типа, простыми средствами реализующие некоторые алгоритмы, «трудные» для цифровой техники (спектроанализаторы, конвольверы радиосигналов, АЦП). Успех этого направления зависит не только от достижения высоких параметров перечисленных устройств, но и в не меньшей степени от их совместимости с изделиями традиционной микроэлектроники. 6. Плоские аналоги волоконных световодов, технологически совместимые с полупроводниковыми микросхемами. В логических схемах на арсениде галлия применение для связи плоских световодов обеспечит сверхскоростную (до 10~ с) обработку, потенциально присущую транзисторам. Плоские световоды представ- Такие устройства функционально будут аналогичны волоконно-оптическим жгутам. ляют собой наиболее удобное средство параллельного переноса информации в кремниевых микропроцессорных сверхкристаллах (т. е. в кристаллах с числом элементов более 10). Наконец, све-товодные связи могут оказаться очень перспективными в решении проблемы «интеграции на целой пластине» (ИЦП), т. е. при объединении в единую систему годных кристаллов большой кремниевой пластины 6e3N ее разделения. Возможность интеграции оптических и электронных схем на одной монолитной подложке и соединения с ней волоконно-оптических элементов представляется столь значительной, что ее выделяют в самостоятельное направление микроэлектроники - интегральную оптоэлектронику. 7. Сверхбыстродействующие цифровые ИО-устройства на основе эффекта нелинейно-оптической бистабильности как элементная база суперкомпьютеров пятого поколения (со скоростью обработки и передачи данных до 10° бит/с). Интегральная оптика существует уже около 20 лет, но, как и на начальном этапе развития, для нее характерно «много оптики и мало интеграции». Практический выход этого направления еще очень незначителен, если проводить сравнение с такими же по продолжительности этапами развития микроэлектроники (1960-1980 гг.) или волоконно-оптической связи (1966-1986 гг.). От успехов развития перечисленных перспективных направлений зависит ответ на вопрос, займет ли интегральная оптика соответствующее ее потенциальным возможностям место в оптоэлектронике и электронной технике. 7.3. ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ ДАТЧИКИ Общая классификация. Датчик или сенсор (от англ. sens - чувство) представляет собой преобразователь неэлектрических воздействий или внешних воздействующих факторов (ВВФ) в адекватные им электрические сигналы. Необходимость и важность контроля и измерения разнообразных ВВФ несомненна; характерная особенность текущего и будущего десятилетий состоит в том, что по мере электронизации всех отраслей народного хозяйства меняются требования к датчику: на смену громоздким, ненадежным, иногда без электрического выхода приборам (представим, например, оптический пирометр или бытовой психрометр) должны прийти датчики, совместимые с другими изделиями микроэлектроники. Основные требования к такому датчику: высокая точность, однозначность, быстрота измерения; интеграция в одном устройстве чувствительного элемента (ЧЭ), схемы преобразования вырабатываемых им сигналов к стандартному виду и необходимых линий связи; избирательность, т. е. способность выделения данного воздействия на фоне других ВВФ; многофункциональность, т. е. пригодность для одновременного контроля двух * Применение этого термина в таком смысле представляется неудачным. или нескольких разнородных воздействий: миниатюрность, твердо-тельность, низкая стоимость; работоспособность в жестких эксплуатационных условиях, надежность, долговечность. Среди наиболее распространенных ВВФ можно назвать температуру, давление, линейную и угловую скорость; вибрацию, ускорение, скорость потока и состав газа или жидкости, акустическое, электрическое и магнитное поля, излучение (световое, ради-ац онное) и др. К числу потребителей датчиков относятся авиационная и автомобильная электроника; технология химического, текстильного, микроэлектронного и фактически любого другого производства; робототехника; контрольно-измерительная аппаратура, сельское хозяйство; медицина, бытовая техника. Большинство прогнозов приводит к заключению, что в будущем около 20% всей продукции электроники придется на датчики. Разнообразные возможности для построения датчиков дает оптоэлектроника. Общая схема любого оптоэлектронного датчика представляет собой оптронную структуру, содержащую излучатель, фотоприемник, оптическую среду между ними, а также элементы электронного и оптического обрамления. Оптическая среда является чувствительным элементом, свойства которого изменяются под влиянием ВВФ. Это изменение происходит прямо, непосредственно или косвенно, двухступенчато через предварительное изменение характеристик другой - промежуточной - среды или промежуточного элемента (ПЭ), взаимодействующей с оптическим чувствительным элементом (ОЧЭ). В схеме промежуточного преобразования чаще всего различные внешние воздействия преобразуются в механическое перемещение. В оптической среде на основе электро-, магнито-, акусто-, ме-ханооптического или других эффектов происходит изменение параметров, воздействующее на проходящее через эту среду излучение. Это показатель преломления или поглощения, коэффициент отражения, сдвиг края почосы поглощения (эффект Келдыша - Франца), нарушение условия полного внутреннего отражения, изменение длины образца, изменение длины оптического взаимодействия, двух образцов и т. п. Это ведет к модуляции излучения, проходящего через ЧЭ и появлению сигнала на выходе фотоири-емника. Условно последовательность преобразований в датчике можно представить в виде 6i (ВВФ) 62 (ПЭ) бз (ОЧЭ) 64 (И) 65 (ФП), (7.14) где 61 ...65 - возмущение (изменение) внешних воздействующих факторов, характеристик промежуточного элемента, оптических свойств чувствительного элемента, параметров излучения, сигнала фотоприемника. • В общем случае оптическая среда может представлять сложную много-элементную структуру или законченное устройство. 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 |