Оптико-електронний пристрій

Реферат: Оптико-електронний пристрій містить на підкладці електричні провідники, випромінюючі й приймаючі світлове випромінювання активні елементи, що оптично з'єднані за допомогою ізолюючого та прозорого до світлового випромінювання покриття. Випромінюючий і приймаючий світлове випромінювання активні елементи розміщені всередині оптичного покриття, утвореного у формі півсфери або параболічної поверхні обертання з компаунду або халькогенідного склоподібного напівпровідника, та виконані з можливістю працювати на одній або різних довжинах хвиль в максимумі випромінювання й чутливості з однаковою або різною періодичністю та тривалістю часу. UA 108171 U (12) UA 108171 U UA 108171 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до радіоелектроніки та напівпровідникової оптоелектроніки, безпосередньо до випромінювачів та приймачів випромінювання, які працюють в оптичному діапазоні спектра. Такі світлочутливі пристрої широко використовуються в телекомунікації, безконтактних ключових елементах у схемах автоматики, системах спостереження та багатофункціональних приладах напівпровідникової фотоніки. Загально відомо, що оптопара є оптико-електронним пристроєм, який складається із активних елементів (АЕ) джерела світлового випромінювання (світлодіод, електролюмінісцентний випромінювач або напівпровідниковий лазер) і фотоприймача (фототранзистор, фотодіод, фототиристор або фоторезистор), об'єднаних в одному корпусі, та оптичного узгоджувального або керуючого середовища. Ефективність роботи такого оптрона залежить від світлотехнічних параметрів джерела світлового випромінювання та фотоприймача, а також від матеріалу та форми ізолюючого покриття, крізь яке проходять оптичні сигнали. Найбільш перспективними і технологічними ізоляційними матеріалами для оптичного з'єднання АЕ, що працюють в області спектра оптичного діапазону, є полімерні компаунди і склоподібні халькогенідні стекла (ХС), які прозорі в широкій області спектра оптичного діапазону із заданим показником заломлення та мають великий питомий опір. Крім того вони забезпечують хорошу адгезію до матеріалу АЕ та корпусу, узгоджуються з їх коефіцієнтами термічного розширення і технологічні у виготовленні. Відома оптопара з відкритим оптичним каналом [1], що містить керований напівпровідниковий випромінювач світла та фотоприймач випромінювання, які оптично з'єднані один з одним, фотоприймач містить фотоконденсатор з світлочутливим шаром, який змінює свою діелектричну проникність під дією оптичного опромінювання. Технічним результатом даної оптопари є малогабаритність, простота конструкції та її швидкодія. Недоліком використання такої оптопари є відсутність оптичного з'єднання за допомогою ізолюючого покриття, що зменшує ефективність передачі й приймання АЕ оптичних сигналів, можливості працювати на різних довжинах хвиль в максимумі випромінювання і чутливості АЕ та відсутність механічного захисту. Відомий багатоканальний оптрон із закритим оптичним каналом [2], що містить підкладку, на якій розміщені оптично з'єднані вивідні рамки, формувальний компаунд та сукупність оптопар, кожна з яких містить оптичний випромінювач, оптичний приймач та оптично передаючий носій, який розміщений між оптичним випромінювачем і оптичним приймачем, причому оптичний випромінювач і оптичний приймач електрично з'єднані з вивідними рамками. Недоліком використання такого багатоканального оптрона є складність конструкції та технологічного виготовлення, можливості працювати на різних довжинах хвиль в максимумі випромінювання і чутливості фотоприймача та роботи з різними оптичними випромінювачами і/або оптичними приймачами, що знаходяться поза оптроном. Відомий багатоканальний оптрон з кількома оптичними передавачами та/або приймачами [3], який взятий як найближчий аналог, що містить керуючу оправу із щонайменше однією світлонаправляючою порожниною з можливістю визначення форми і заповнену прозорим герметиком, всередині якої на підкладці розміщені оптичні передавачі та приймачі. Прозорий герметик у рідкій формі вводиться в порожнину заданої форми та затвердіває. Оптично направляюча порожнина оправи може бути одержана у формі відбиваючої поверхні або мікрооптики, яка сформована на ній. Керуюча оправа може мати одну порожнину, яка охоплює всі розміщені на поверхні оптичні передавачі або приймачі або кілька порожнин, всередині кожної з яких розміщені на поверхні пари - передавач і приймач. Технічним результатом використання такого оптрона є підвищення ефективності роботи оптопар та одержання однакових світлотехнічних параметрів наявних на підкладці оптопар за рахунок одержання однакових по формі світлонаправляючих поверхонь. Недоліком використання такого оптрона є наявність кількох різних за складністю технологічних циклів, що ускладнює конструкцію, можливості працювати на різних довжинах хвиль в максимумі випромінювання і чутливості фотоприймача та роботи з різними оптичними випромінювачами і/або оптичними приймачами, що знаходяться поза оптроном. В основу корисної моделі поставлена задача розширити область використання оптикоелектронного пристрою, підвищити ефективність його роботи та спростити конструкцію. Поставлена задача вирішується за рахунок того, що оптико-електронний пристрій містить на підкладці електричні провідники, випромінюючі й приймаючі світлове випромінювання активні елементи, що оптично з'єднані за допомогою ізолюючого та прозорого до світлового випромінювання покриття, випромінюючий і приймаючий світлове випромінювання активні елементи розміщені всередині оптичного покриття, утвореного у формі півсфери або 1 UA 108171 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 параболічної поверхні обертання з компаунду або халькогенідного склоподібного напівпровідника, та виконані з можливістю працювати на одній або різних довжинах хвиль в максимумі випромінювання й чутливості з однаковою або різною періодичністю та тривалістю часу. Розширення області використання оптико-електронного пристрою відбувається за рахунок того, що містить оптичне покриття, утворене у формі півсфери або параболічної поверхні обертання, та знаходиться в безпосередньому контакті з випромінюючими та приймаючими світлове випромінювання АЕ. Завдяки такій формі оптичного покриття відбувається ефективне використання бокового світлового потоку випромінюючих АЕ та фокусуючої дії для потоків випромінюючих АЕ вздовж оптичної осі оптико-електронного пристрою (фіг. 1) або від зовнішнього джерела. Можливість працювати на одній або різних довжинах хвиль в максимумі випромінювання та чутливості з однаковою або різною періодичністю та тривалістю часу дозволяє використати запропонований оптико-електронний пристрій як керовані дискретні елементи та в оптичних сенсорах, що також значно розширює область його використання. Ефективність роботи оптико-електронного пристрою забезпечується використанням перспективних і технологічних ізоляційних матеріалів для утворення оптичного покриття, які забезпечують також ефект просвітлення випромінюючих і приймаючих світлове випромінювання АЕ при одночасному їх механічному захисті. Промислове використання даної корисної моделі не вимагає великих затрат внаслідок того, що АЕ та корпуси, в яких розміщені АЕ, випускаються промисловістю, планарне розміщення АЕ та нанесення оптичного покриття відбувається в одному технологічному циклі, а матеріали для них технологічні у виготовленні. Технічні рішення, які використовуються у даному оптико електронному пристрої, спрощують його конструкцію. Перераховані вище нові ознаки дозволяють суттєво розширити область використання оптико-електронного пристрою, підвищити ефективність його роботи та спростити конструкцію. На фіг. 1 наведено діаграми направленості випромінюючого та чутливості приймаючого світлове випромінювання АЕ вздовж оптичної осі оптико-електронного пристрою: ДН-1 діаграма направленості випромінюючого АЕ без оптичного покриття; ДН-2 - діаграма направленості випромінюючого АЕ з оптичним покриттям; ДЧ - діаграма чутливості приймаючого світлове випромінювання АЕ з оптичним покриттям. На фіг. 2 наведено конструкцію оптико-електронного пристрою з оптичним покриттям, яке з'єднує випромінюючий та приймаючий світлове випромінювання АЕ. На підкладці 1 розміщені електричні 2 провідники, випромінюючий 3 АЕ та приймаючий 4 світлове випромінювання АЕ, які оптично з'єднані шаром 5 покриття у формі півсфери або параболічної поверхні обертання. Випромінюючий 3 АЕ та приймаючий 4 світлове випромінювання АЕ виконані з можливістю працювати на одній або різних довжинах хвиль в максимумі випромінювання та чутливості з однаковою або різною періодичністю та тривалістю часу. Оптико-електронний пристрій працює наступним чином. Випромінюючий 3 АЕ, при проходженні крізь нього електричного струму, генерує в оптично прозорий шар 5 покриття світлове випромінювання з діаграмою направленості ДН-1 (фіг. 1). За рахунок відбивання світлового потоку, що попадає на границю поділу шар 5 покриття - повітря під кутом, меншим деякого критичного кута падіння для даного оптичного середовища, утворюється світловий потік, який поглинається приймаючим 4 світлове випромінювання АЕ, розміщеним на заданій відстані від випромінюючого 3 АЕ. Інша частина світлового потоку, завдяки шару 5 покриття, виконаного у формі півсфери або параболічної поверхні обертання, фокусується вздовж оптичної осі оптико-електронного пристрою та випромінюється за його межі, утворюючи діаграму направленості ДН-2. Внаслідок поглинання потоку випромінювання приймаючим 4 світлове випромінювання АЕ в ньому генеруються нерівноважні електроннодіркові пари. В залежності від типу приймаючого 4 світлове випромінювання АЕ на його контактах 2 виникає фото е.р.с., або під дією електричного поля, прикладеного до його контактів 2, виникає фотострум. Завдяки цьому в електричному колі формується електричний струм. Діаграма чутливості (ДЧ) приймаючого 4 світлове випромінювання АЕ у складі оптикоелектронного пристрою наведена на фіг. 1. Завдяки запропонованій формі оптичного покриття та оптично прозорих матеріалів, з яких вони виготовлені, приймаючий 4 світлове випромінювання АЕ може приймати також світлове випромінювання, що утворене іншими джерелами випромінювання за межами оптико-електронного пристрою. Випромінюючий 3 та приймаючий 4 світлове випромінювання АЕ виконані з можливістю працювати на одній або різних довжинах хвиль в максимумі випромінювання та чутливості з однаковою або різною періодичністю та тривалістю часу. 2 UA 108171 U 5 10 15 20 25 30 35 Випадок 1. Випромінюючий 3 та приймаючий 4 світлове випромінювання АЕ розміщені симетрично відносно оптичної осі оптико-електронного пристрою й працюють на однакових довжинах хвиль в максимумі випромінювання та чутливості з однаковою періодичністю та тривалістю часу. У цьому випадку оптико-електронний пристрій функціонально виконує роль оптопари. Випадок 2. Випромінюючий 3 та приймаючий 4 світлове випромінювання АЕ розміщені симетрично відносно оптичної осі оптико-електронного пристрою й працюють на різних довжинах хвиль в максимумі випромінювання та чутливості. При такій роботі АЕ оптикоелектронний пристрій функціонально виконує роль приймача та передатчика оптичної інформації з відкритим каналом зв'язку на різних довжинах хвиль світлового випромінювання з однаковою або різною періодичністю та тривалістю часу, що значно розширює область його використання. Використання оптичного покриття, утвореного з використанням перспективних матеріалів (компаундів або халькогенідних склоподібних напівпровідників на основі багатокомпонентних систем, які містять Ge, Pb, Ga, As, Sb, S, Se взятих у відповідних співвідношеннях) і виконаного у формі півсфери або параболічної поверхні обертання, дозволило підвищити ефективність роботи різних типів випромінюючих 3 АЕ та приймаючих 4 світлове випромінювання АЕ щонайменше в 2,5-4,0 рази по відношенню до однотипних дискретних світлодіодів та фотоприймачів, що випускаються промисловістю. Як випромінюючі 3 АЕ та приймаючі 4 світлове випромінювання АЕ використовувались напівпровідникові гетероструктури з утвореними р-n-переходами GaInAsSb/AIGaAsSb на основі GaSb та InAsSb/InAsSbP на основі InAs. Оптико-електронний пристрій є механічно стійким і зберігає свої параметри після дії на нього вібраційних навантажень в діапазоні частот від 10 до 500 Гц на вібростенді ВЭДС-400А. Запропонований оптико-електронний пристрій має розширену область використання, підвищену ефективність роботи та просту конструкцію. Джерела інформації: 1. Патент України № 81905. Оптопара, МПК Н03К 17/18. Опуб. 25.02.2008. 2. Патент CN 101893742. Surface mount multi-channel optocoupler, МПК G02B 6/42, A61B 5/00, H01J 40/14, H01L 31/00. Опуб. 17.02.2005. 3. Патент US 2011235975. Optocoupler with light guide defining element, МПК G02B 6/26, B65D 25/54. Опуб. 12.11.2010. 4. Патент України № 89690. Спосіб нанесення оптичного покриття на основі халькогенідних склоподібних сплавів, МПК G02В 1/10, G03С 1/015. Опуб. 25.02.2010. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 40 45 Оптико-електронний пристрій, який містить на підкладці електричні провідники, випромінюючі й приймаючі світлове випромінювання активні елементи, що оптично з'єднані за допомогою ізолюючого та прозорого до світлового випромінювання покриття, який відрізняється тим, що випромінюючий і приймаючий світлове випромінювання активні елементи розміщені всередині оптичного покриття, утвореного у формі півсфери або параболічної поверхні обертання з компаунду або халькогенідного склоподібного напівпровідника, та виконані з можливістю працювати на одній або різних довжинах хвиль в максимумі випромінювання й чутливості з однаковою або різною періодичністю та тривалістю часу. 3 UA 108171 U Комп’ютерна верстка О. Гергіль Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4