Оптопара

Реферат: Винахід 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. Оптопара містить на підкладці електричні провідники, випромінюючі та приймаючі світлове випромінювання АЕ, що оптично з'єднані за допомогою ізолюючого та прозорого до світлового випромінювання покриття, яке утворене щонайменше з одного шару, отриманого з матеріалу халькогенідного склоподібного напівпровідника на основі багатокомпонентних систем, які містять Ge, Pb, Ga, As, Sb, S, Se, взятих у відповідних співвідношеннях. Форма зовнішнього шару покриття виконана у вигляді півсфери або параболічної поверхні обертання. Щонайменше один випромінюючий та приймаючий світлове випромінювання активний елемент виконано з можливістю працювати на одній або різних довжинах хвиль в максимумі випромінювання та чутливості з однаковою або різною періодичністю та тривалістю часу. Технічним результатом винаходу є розширення області використання, підвищення ефективності роботи та спрощення конструкції. UA 115905 C2 (12) UA 115905 C2 UA 115905 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід 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 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 можуть бути оптично з'єднані за допомогою ізолюючого покриття. Ефективність роботи такої оптопари 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 напівпровідниковий фотопристрій [2], що містить світловипромінюючий елемент або фотоприймач, які захищені герметиком. Захист фотопристрою, при роботі у середовищі з підвищеною вологістю, здійснюється за допомогою нанесення на герметик з'єднань кремнію, які містять угрупування кілець силсесквіосану за формулою (AR1R2S1OS1O1,5)n(BR3R4S1OS1O1,5)p(HOSiO1,5)m-n-р, (у формулі, А є гідролізною групою; В є заміщений або незаміщений алкіл або водень; кожен із R 1, R2, R3 і R4 незалежно метил або феніл; m є число, вибране з чисел 6, 8, 10 і 12; n є цілим числом від 2 до m; і p є цілим числом від 0 до m-n), або одержаних шляхом часткового гідролізу вказаного з'єднання. Підвищений рівень освітленості фотоприймача або збільшення зовнішнього квантового виходу світловипромінюючого елемента отримується за рахунок фокусуючої дії напівсферичної форми й матеріалу покриття, при одночасному забезпеченні механічного захисту. Недоліком використання такого напівпровідникового фотопристрою є наявність складних технологічних циклів одержання оптичного покриття, можливості працювати на різних довжинах хвиль в максимумі випромінювання і чутливості фотоприймача, внаслідок сильного поглинання матеріалом покриття випромінювання в середній інфрачервоній області спектра. Відомий багатоканальний оптрон з кількома оптичними передавачами та/або приймачами [3], який взятий як прототип, 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 розмішені 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 оптопарою. В основу винаходу поставлена задача розширити область використання оптопари, підвищити ефективність її роботи та спростити конструкцію. 1 UA 115905 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Поставлена задача вирішується за рахунок того, що оптопара містить на підкладці електричні провідники, випромінюючі та приймаючі світлове випромінювання АЕ, що оптично з'єднані за допомогою ізолюючого та прозорого до світлового випромінювання покриття, яке утворене щонайменше з одного шару, отриманого з матеріалу халькогенідного склоподібного напівпровідника на основі багатокомпонентних систем, які містять Ge, Pb, Ga, As, Sb, S, Se, взятих у відповідних співвідношеннях, причому форма зовнішнього шару покриття виконана у вигляді півсфери або параболічної поверхні обертання, а щонайменше один випромінюючий та приймаючий світлове випромінювання активні елементи виконані з можливістю працювати на одній або різних довжинах хвиль в максимумі випромінювання та чутливості з однаковою або різною періодичністю та тривалістю часу. Розширення області використання оптопари відбувається за рахунок того, що оптичне покриття, утворене щонайменше з одного шару, причому форма зовнішнього шару покриття виконана у вигляді 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 випромінювання випромінюючих АЕ та фокусуючої дії для потоків випромінюючих АЕ вздовж оптичної осі оптопари (фіг. 1) або від зовнішнього джерела. Розміщення щонайменше одного випромінюючого та приймаючого світлове випромінювання АЕ в одному з шарів, утворених із різних за хімічним складом запропонованих халькогенідних склоподібних напівпровідників і можливість працювати на одній або різних довжинах хвиль в максимумі випромінювання та чутливості з однаковою або різною періодичністю та тривалістю часу дозволяє використати запропоновану оптопару як керовані дискретні елементи і оптичних сенсорів в середній ІЧобласті спектра, що також значно розширює область її використання. Ефективність роботи оптопари, особливо в середній ІЧ-області спектра, забезпечується використанням матеріалів для утворення шарів оптичного покриття із халькогенідних склоподібних напівпровідників на основі багатокомпонентних систем, які містять Ge, Pb, Ga, As, Sb, S, Se, взятих у відповідних співвідношеннях. Такі матеріали дозволяють суттєво зміщувати область своєї прозорості при малому коефіцієнті поглинання за рахунок зміни хімічного складу та вирішувати проблему узгодження показника заломлення покриття (n=2,1-2,9) з показником заломлення матеріалу (n=3,3-3,6) для різних типів випромінюючих і приймаючих світлове випромінювання АЕ, що призводить до ефекту просвітлення при одночасному їх механічному захисті. Промислове використання даного винаходу не вимагає значних затрат внаслідок того, що АЕ та корпуси, в яких розміщені АЕ, випускаються промисловістю, планарне розміщення АЕ та нанесення шарів оптичного покриття відбувається в одному технологічному циклі, а матеріали для них технологічні у виготовленні. Технічні рішення, які використовуються у даній оптопарі спрощують її конструкцію. Перераховані вище нові ознаки дозволяють суттєво розширити область використання оптопари, підвищити ефективність її роботи та спростити конструкцію. На фіг. 1 наведено діаграми направленості випромінюючого та чутливості приймаючого світлове випромінювання АЕ вздовж оптичної осі оптопари: 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 схематично наведено конструкцію оптопари з шаром покриття, який оптично 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. На фіг. 3 схематично наведено конструкцію оптопари з двома шарами покриття, які оптично з'єднують випромінюючий та приймаючий світлове випромінювання АЕ. Шари 5 і 6 оптичного покриття утворені з різних за хімічним складом халькогенідних склоподібних напівпровідників на основі багатокомпонентних систем, які містять Ge, Pb, Ga, As, Sb, S, S, взятих у відповідних співвідношеннях. На фіг. 4 схематично наведено конструкцію оптопари на основі поширеного в напівпровідниковій промисловості корпусу ТО-18. 2 UA 115905 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 На корпусі 1, який використовується як підкладка, розміщені випромінюючий 3 АЕ та приймаючий 4 світлове випромінювання АЕ, які оптично з'єднані шаром 5 покриття та електрично з'єднані спільним струмовиводом 2. При використанні більшої кількості випромінюючих 3 АЕ та/або приймаючих 4 світлове випромінювання АЕ застосовуються корпуси ТО-5 або ТО-8. Оптопара 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 частина світлового потоку, яка поглинається приймаючим 4 світлове випромінювання АЕ. Інша частина світлового потоку, завдяки шару 5 покриття, виконаного у формі півсфери або параболічної поверхні обертання, фокусується вздовж оптичної осі оптопари та випромінюється за його межі, утворюючи діаграму направленості ДН-2. Внаслідок поглинання потоку випромінювання приймаючим 4 світлове випромінювання АЕ в ньому генеруються нерівноважні електронно-діркові пари. В залежності від типу приймаючого 4 світлове випромінювання АЕ на його електричних контактах 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 оптопари наведена на фіг. 1. Завдяки запропонованій формі шарів оптичного покриття, приймаючий 4 світлове випромінювання АЕ може приймати також світлове випромінювання, що утворене іншими джерелами випромінювання за межами оптопари. 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. Випадок 1. Випромінюючий 3 та приймаючий 4 світлове випромінювання АЕ розміщені симетрично відносно оптичної осі оптопари й працюють на однакових довжинах хвиль в максимумі випромінювання та чутливості з однаковою періодичністю та тривалістю часу. У цьому випадку оптопара використовується за своїм функціональним призначенням. При роботі АЕ 3 і 4 почергово з різною періодичністю та тривалістю часу оптопара використовується як джерело випромінювання або як фотоприймач. Випадок 2. Випромінюючий 3 АЕ розміщений на оптичній осі оптрона, а приймаючий 4 світлове випромінювання АЕ на заданій відстані від нього й працюють на однакових довжинах хвиль в максимумі випромінювання та чутливості. У цьому випадку оптопара функціонально виконує роль джерела випромінювання, а приймаючий 4 світлове випромінювання АЕ виконує роль керуючого елемента. Керування роботою випромінюючого 3 АЕ в залежності від умов навколишнього середовища та його внутрішнього стану відбувається за рахунок зміни величини струму, що проходить через нього в залежності від величини світлового потоку, який знаходиться у шарі 5 покриття й поглинається приймаючим 4 світлове випромінювання АЕ. За період роботи випромінюючого 3 АЕ приймаючий 4 світлове випромінювання АЕ має можливість працювати з різною періодичністю та тривалістю часу. Така робота оптопари забезпечує високу стабільність утвореного потоку світлового випромінювання, надійність та енергоефективність. Випадок 3. Приймаючий 4 світлове випромінювання АЕ розміщений на оптичній осі оптрона, а випромінюючий 3 АЕ на заданій відстані від нього й працюють на однакових довжинах хвиль в максимумі випромінювання та чутливості. У цьому випадку оптрон функціонально виконує роль фотоприймача, а випромінюючий 3 АЕ виконує роль керуючого елемента. Керування роботою приймаючого 4 світлове випромінювання АЕ відбувається за рахунок контролю його чутливості при попаданні на нього заданої величини світлового потоку, що надходить крізь шар 5 покриття від випромінюючого 3 АЕ. У певний момент часу АЕ працюють разом із однаковою періодичністю та тривалістю часу. Така робота оптопари забезпечує високу стабільність чутливості приймаючого 4 світлове випромінювання АЕ, надійність та енергоефективність. Випадок 4. Випромінюючий 3 та приймаючий 4 світлове випромінювання АЕ розміщені симетрично відносно оптичної осі оптопари й працюють на різних довжинах хвиль в максимумі випромінювання та чутливості. При такій роботі АЕ оптопара 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. Така робота оптопари дозволяє використати її як сучасну елементну базу для оптикоелектронних сенсорів багатофункціональних пристроїв газового аналізу, що значно розширює область її використання. 3 UA 115905 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Використання щонайменше одного шару покриття, утвореного з матеріалів 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 разу відносно до дискретних світлодіодів та фотоприймачів, що випускаються промисловістю для роботи в ІЧ-області спектра. Як випромінюючі 3 АЕ та приймаючі 4 світлове випромінювання АЕ використовувались напівпровідникові гетероструктури з утвореними р-n-переходами GalnAsSb/AIGaAsSb на основі GaSb (область спектра 1,6-2,4 мкм) та InAsSb/lnAsSbP на основі InAs (область спектра 2,8-5,0 мкм). Нанесення шарів оптичного покриття у формі півсфери або параболічної поверхні обертання, утворених з матеріалів на основі багатокомпонентних систем, які містять Ge, Pb, Ga, As, Sb, S, Se, взятих у відповідних співвідношеннях, проводилось по відомій технології, описаній в [4]. Одержана оптопара є механічно стійкою і зберігає свої параметри після дії на неї вібраційних навантажень в діапазоні частот від 10 до 500 Гц на вібростенді ВЭДС-400А. Для підвищення ефективності роботи, оптичне покриття утворене за допомогою шарів 5 і 6 (фіг. 3), причому кожен наступний шар покриття виконаний із матеріалу, який має меншу температуру розм'якшення, а утворення шарів 5 і 6 відбувається в одному технологічному циклі. Для підвищення ефективності роботи, оптичне покриття утворене за допомогою шарів 5 і 6 (фіг. 3), причому кожен наступний шар виконаний із матеріалу показник заломлення якого менший за показник заломлення попереднього матеріалу. У цьому випадку шари 5 і 6 покриття виконують також роль просвітлюючого покриття для АЕ. Для розширення області використання, щонайменше один додатковий шар оптичного покриття виконує роль оптичного фільтра. Оптичне покриття утворене із таких шарів 5 і 6 різного хімічного складу, у яких області пропускання світлового випромінювання відрізняється, що дозволяє використати їх як оптичний фільтр. Для розширення області використання, при роботі в агресивному середовищі, щонайменше один додатковий шар оптичного покриття утворений з іншого матеріалу. Для підвищення ефективності роботи, оптопара додатково містить шар оптичного покриття, який виконує роль відбиваючої світлове випромінювання поверхні. Використання шару 6 покриття (фіг. 3), утвореного з матеріалу, який має більший показник заломлення, як матеріал шару 5 покриття, дозволяє збільшити в шарі 5 покриття величину світлового потоку випромінюючого 3 АЕ за рахунок збільшення коефіцієнта відбивання випромінювання на границі між шарами 5 і 6 покриття, що покращує передаючу характеристику оптичного середовища, а відповідно і ефективність роботи оптопари. Аналогічний результат одержується при використанні шару 6 покриття у вигляді дзеркальної плівки, яка виконує роль відбиваючої світлове випромінювання поверхні. Для розширення області використання, щонайменше один АЕ, утворений із напівпровідникового матеріалу, який має біполярну провідність. Як випромінюючий 3 АЕ можуть бути використані будь-які випромінюючі напівпровідникові поверхні (світлодіод, електролюмінісцентний випромінювач або напівпровідниковий лазер), а приймаючими 4 світлове випромінювання АЕ можуть бути використані будь-які фоточутливі напівпровідникові поверхні (фотодіод, фототранзистор, фоторезистор або фотоконденсатор). Для розширення області використання та підвищення ефективності роботи, оптопара містить різну кількість випромінюючих 3 АЕ та приймаючих 4 світлове випромінювання АЕ, які виконані з можливістю працювати на одній або різних довжинах хвиль в максимумі випромінювання та чутливості з однаковою або різною періодичністю та тривалістю часу. Використання декількох випромінюючих АЕ, які працюють на одній довжині хвилі в максимумі випромінювання, дозволяє збільшити величину світлового потоку, що надходить до шару 5 покриття та відповідно підвищити її ефективність. Використання декількох приймаючих світлове випромінювання АЕ, які працюють на різних довжинах хвиль в максимумі чутливості, дозволяє використати один з приймаючих світлове випромінювання АЕ як керуючий елемент. Для підвищення ефективності роботи, корпус і/або підкладка містить щонайменше одне відбиваюче заглиблення у формі зрізаного конуса або параболічної поверхні обертання з плоским дном, на якому розміщені випромінюючий та/або приймаючий світлове випромінювання АЕ. Наявність відбиваючих заглиблень у корпусі і/або підкладці приводить до збільшення потоку світлового випромінювання в шарах оптичного покриття, внаслідок чого підвищується величина електричного струму в колі, що відповідно підвищує ефективність роботи оптопари. 4 UA 115905 C2 5 10 15 Для розширення області використання та підвищення ефективності роботи, корпус або підкладка розміщені на додатково встановленому напівпровідниковому мікрохолодильнику. Таке розміщення оптопари дозволяє значно розширити температурний діапазон її надійної роботи, підвищити величину світлового потоку випромінюючого та чутливості приймаючого світлове випромінювання АЕ. Запропонована оптопара 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 WO2009025017. Semiconductor photodevice and transparent optical member, МПК C08L 83/06; H01L 33/56. Опуб. 26.02.2009. [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 G02 В 1/10, G03 С 1/015. Опуб. 25.02.2010. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 20 25 30 35 40 45 1. Оптопара, яка містить на одній підкладці випромінюючі та приймаючі світлове випромінювання активні елементи, що оптично з'єднані за допомогою оптичного ізолюючого покриття, яка відрізняється тим, що оптичне покриття утворене щонайменше з одного шару, отриманого з матеріалу халькогенідного склоподібного напівпровідника на основі багатокомпонентних систем, які містять Ge, Pb, Ga, As, Sb, S, Se, взятих у відповідних співвідношеннях, причому форма зовнішнього шару покриття виконана у вигляді півсфери або параболічної поверхні обертання, а щонайменше один випромінюючий та приймаючий світлове випромінювання активний елемент виконано з можливістю працювати на одній або різних довжинах хвиль в максимумі випромінювання та чутливості з однаковою або різною періодичністю та тривалістю часу. 2. Оптопара за п. 1, яка відрізняється тим, що кожен наступний шар оптичного покриття утворений із матеріалу, який має меншу температуру розм'якшення. 3. Оптопара за будь-яким з пп. 1, 2, яка відрізняється тим, що кожен наступний шар оптичного покриття утворений із матеріалу показник заломлення якого менший за показник заломлення попереднього матеріалу. 4. Оптопара за будь-яким з пп. 1-3, яка відрізняється тим, що містить щонайменше один шар оптичного покриття, який виконує роль оптичного фільтра. 5. Оптопара за будь-яким з пп. 1-3, яка відрізняється тим, що містить щонайменше один додатковий шар оптичного покриття, який утворений з іншого матеріалу. 6. Оптопара за будь-яким з пп. 1-4, яка відрізняється тим, що додатково містить шар оптичного покриття, який виконує роль відбиваючої світлове випромінювання поверхні. 7. Оптопара за будь-яким з пп. 1-6, яка відрізняється тим, що містить щонайменше один активний елемент, утворений із напівпровідникового матеріалу, який має біполярну провідність. 8. Оптопара за будь-яким з пп. 1-7, яка відрізняється тим, що містить різну кількість випромінюючих та приймаючих світлове випромінювання активних елементів. 9. Оптопара за будь-яким з пп. 1-8, яка відрізняється тим, що підкладка містить щонайменше одне відбиваюче заглиблення у формі зрізаного конуса або параболічної поверхні обертання з плоским дном, на якому розміщений активний елемент. 10. Оптопара за будь-яким з пп. 1-9, яка відрізняється тим, що підкладка розміщена на додатково встановленому напівпровідниковому мікрохолодильнику. 5 UA 115905 C2 6 UA 115905 C2 Комп’ютерна верстка Л. Ціхановська Міністерство економічного розвитку і торгівлі України, вул. М. Грушевського, 12/2, м. Київ, 01008, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 7