Основы Электроники и Оптики

Творческая работа по дисциплине: „Основы электроники и оптики“

Выполнила: преподаватель МЦК-ЧЭМК Васильева И.С.

Элементная база оптоэлектроники. Электромагнитный спектр и область его исользования в волоконной оптике.

Оптоэлектроника – отрасль электроники, изучающая эффекты и явления взаимного преобразования электромагнитного излучения оптического диапазона с электрическими сигналами. Охватывает диапазон длин волн от ультрафиолетового до ультракрасного излучения.

Включает в себя такие разделы, как оптроника и фотоника.

• Фотоника — это наука о генерации, управлении и обнаружении фотонов, особенно в видимом и ближнем инфракрасном спектре, а также о их распространении на ультрафиолетовой длинноволновой инфракрасной и сверхинфракрасной части спектра.

Оптроника - раздел физики и техники, связанный с преобразованием электромагнитного излучения оптического диапазона в электрический ток и обратно.

Основные понятия оптоэлектроники

Квантовая электроника – область оптоэлектроники, где используются явления генерации и усиленияэлектромагнитных колебаний на основе вынужденного излучения.

Лазер – квантовый генератор оптического излучения.

Мазер – молекулярный генератор электромагнитного излучения радиодиапазона.

Энергетический уровень — собственные значения энергии квантовых систем, состоящих из микрочастиц и подчиняющихся законам квантовой механики.

Квант – порции, которыми происходит поглощение или излучение энергии.

Когерентные и некогерентные излучатели. Класификация изделии некогерентной оптоэлектроники. Виды лазеров. Особенности работы лазеров

К источникам некогерентного излучения относятся светоизлучающие диоды (СИД). В них электрический ток преобразуется в видимый свет – в оптическое излучение. В основе работы СИДа лежит явление инжекционной люминесценции.

Для того, чтобы излучение выдаваемое светодиодом было в области видимого света используются материалы с большой шириой запрещенной зоны.

Излучающей является только одна область, поэтому при изготорлении стремятся получить максимальную инжекцию.

Основные параметры светодиодов:

1) значение переменного тока I max

2) постоянное прямое напряжение

3) длина волны излучения

4) сила света

5) яркость свечения

6) угол излучения

Основная характеристика светодиода-излучательная характеристика

Достоинства светодиодов:

1) высокое быстродействие

2)высокий КПД преобразования электрической энергии в световую

3) высокая направленность излучения

Область применения:

Применяется для световой и знаковой индикации в различных приборах, индикаторах. Основное применение – в оптронах

Источники когерентного излучения:

Лазеры(оптические квантовые генераторы)представляют собой источник когерентного электромагнитного излучения оптического диапазона,действие которого основано на использовании вынужденного (стимулированного,индуцированного)излучения.Для работы лазера в веществе необходимо создать инверсную населенность энергетических уровней.Это можно сделать с помощью инжекции носителей заряда при прямом включении р-n перехода;путем облучения п/п с помощью света.

Основные режимы работы лазера:

1)Импульсный режим;

2)Режим непрерывного генерирования;

3)Режим импульсно-перерического лазерного излучения;

Отличия лазерного излучения от излучения СИД

1)высокая монохромность излучения

2)когерентность излучения(излучение синхронизирования,т.к. фаза излучаемых фотонов совпадают)

3)узкая направленность

ФОТОДИОДЫ.

Фотодиод-фотоэлектронный прибор, имеющий один p-n переход, два вывода, работающий под действием обратного напряжения и за счет поступления светового потока.

Характеристики фотодиода:

1. ВАХ

I=f(U)при ф=соnst

Ф-световой поток

Из графика видно, что фототок управляется световым потоком

2. световая характеристика

I=f(ф) при U=const

Световая характеристика линейна, что является достоинством фотодиода, изменение фототока происходит пропорционально изиенению светового потока

Параметры фотодиодов

1.Интегральная чувствительность

2.Спектральная чувствительность-зависит от материала, из которого изготовлен прибор и от длинны волны света.

Недостатком фотодиодов является инерционность. Причина-емкость p-n перехода, которая не может мгновенно зарядится и разрядится.

Фотодиоды Шотк и

Такие фотодиоды образуются на основе структуры металл-полупроводник.для получения фототока структура так же освещается и подается обратное напряжение. Тогда электроны металла, получив дополнительную энергию за счет освещения, могут преодалеть потенциальный барьер и перейти в полупроводник. Причем ток фотодиода будет возникать на более длиноволновом участке света. Следовательно, спектральная характеристика фотодиодов Шотк и будет значительно шире, чем у обычных фотодиодов из того же полупроводника.

Лавинные фотодиоды.

Принцип работы основан на использовании явления вторичной миссии и ударной ионизации.Под действием световой энергии в p-n переходе фотодиода создаются первичные носители заряда,которые под действием сильного электрического поля сталкиваются с нейтральными атомами вещества,в результате чего происходит передача части кинетической энергии электронам валентной зоны для их перемещения в зону проводимости,в результате этого создаются дополнительные носители заряда,называемые вторичными носителями заряда.данный процесс создания вторичных носителей называется ударной ионизацией.Этот процесс протекает лавинообразно и увелечение фототока через фотодиод присходит за счет лавиного умножения носителя заряда. Основным достоинством лавинных фотодиодов является высокая чувствительность,т.е способность обнаруживать слабые оптические сигналы

Оптрон. Классификация и назначение оптронов.

Оптрон-устройство, предназначенное для преобразования электрических и оптических сигналов. Он состоит из двух элементов-излучателя света и приемника излучения. Эти два элемента конструктивно объединены в одном корпусе,

УГО оптронов

• Резисторный оптрон

УГО транзисторного оптрона

УГО диодного оптрона

УГО тиристорного оптрона

Структурная схема оптрона

ИС-источник света

ОК-оптический канал передачи информации

ФП-фотоприемник

Ф-световой поток

Принцип работы оптрона

Электрическая энергия поступает на светодиод, где происходит преобразование в оптическое иэлучение, которое передается по оптическому каналу на фотоприемник, где вновь преобразуется в электрическую энергию.передача информации осуществляется с помощью электрических нейтральных частиц- фотонов.В следствии этого оптроны обладают следующими преимуществами:

1.высокая помехоустойчивость

2.полная гальваническая развязка выхода и входа схемы,т.е отсутствие паразитных ОС

3.широкая полоса пропускания.

НЕДОСТАТКИ:1.наличие собственных шумов 2.из-за двойного преобразования энергии затрачивается большая мощность.ОСНОВНЫМ ПАРАМЕТРОМ оптрона является коэффициент передачи тока.

Основная характеристика оптрона-характеристика передач

Характеристика не линейна. Нелинейность характеристики связана с нелинейностью излучательной характеристики самого светодиода. В зависимости от профиля индекса преломления, оптическое волокно бывает:1.многомодовое волокно со ступенчатым индексом.2.многомодовое волокно со сглаженным индексом.3.одномодовое волокно со ступенчатым индексом

Мода-траектория распространения света. Волокно позволяет свету распространятся по множеству траекторий,которые зависят от свойства и размера волокна. свет,падающий в волокно, в одно и то же время достигает противоположного конца волокна в разные моменты времени. Это расплывается модовая дисперсией. Дисперсия ограничивает ширину полосы пропускания, и, конечно, информационную емкость кабеля.

Существуют следующие виды дисперсии:

1.модовая

2.молекулярная

3.волноводная

Усилители постоянного тока(УПТ). Особенности схем УПТ. УПТ прямого усилителя „Дрейф нуля“. Причина появления. Способ усиления.

УПТ предназначен для усиления по току, по напряжению и по мощности медленно изменяющихся сигналов во времени. Особенностью этих усилений является то, что коэффицент усиления при понижении частоты сигнала остается стабильным и при этом f=0. Област применения: применяется в устройствах автоматической регулировки изменения, электронно-измерительной аппаратуре, в электронных стабилизаторах, в автоматических регулирующих и следящих устройствах и др.

По принципу действия УПТ делятся на 2 вида:

1.УПТ прямого усиления

2. УПТ с преобразованием частоты сигнала

Особенности УПТ прямого усиления

Заключается в том, что связь между каскадами непосредственная. Так же в схеме УПТ отсутствуют:индуктивность, трансформаторы, емкость блокировачная. Недостатком является появление „дрейф нуля“

„ дрейф нуля“-это самопроизвольная изменение уровня выходного напряжения с течением времени. Помеха „дрейф нуля“ опасна тем,что она ограничивает чувствительность усилителя, кроме того при длительной непрерывной работе усилителя напряжение „дрейф нуля“ может оказаться сопремиримым с полезным напряжения. Основная причина появления „дрейф нуля“ применение обратного тока. Способы уменьшения „дрейф нуля“:

1.использование стабилизированных источников питания

2.перед работой необходимо немного“прогреть“ аппаратуру

3.использование баллансных каскадов

Балансные каскады

каскады,где выходная цепь усилителя выполнена в виде сбалансированого моста, причем к одной диагонали моста подключается нагрузка, а к другой диагонали подводится питание. Если мост сбалансирован, то напряжение „дрейф нуля“ будет=0. Транзисторы могут включаться между собой как последовательно, так и параллельно

Дифференциональный каскад

Каскад называется дифференциональным(разностным),т.к он усиливает разность двух напряжений.