Оптоэлектроника. Введение

1. ОПТОЭЛЕКТРОНИКА

Введение

2.

Объем мирового
рынка
оптоэлектроники
оценивался в 44,84
миллиарда долларов
США в 2022 году и,
по прогнозам,
вырастет с 46,88
миллиарда долларов
США в 2023 году до
73,83 миллиарда
долларов США к
2030 году,
демонстрируя
среднегодовой темп
роста 6,7% в
течение
прогнозируемого
периода. Северная
Америка
доминировала на
мировом рынке с
долей 55,66% в 2022
году.

3.

4.

ВОЗДЕЙСТВИЕ КОВИД-19
Низкий спрос на дисплеи повлиял на продажи дисплеев в краткосрочной
перспективе
Пандемия привела к замедлению роста мировой экономики, остановке
торговли и нарушению поставок, что привело к снижению продаж
электроники и полупроводников во всем мире. Падение производственной
деятельности из-за нехватки ресурсов повлияло на продажи технологий
отображения. Однако высокий спрос преодолел последствия пандемии и
подтолкнул продажи оптоэлектронных устройств.

5.

6.

7.

8.

9.

10.

ПОСЛЕДНИЕ
ТЕНДЕНЦИИ
В отрасли наблюдается большой переход от небольших устройств к
интеграции широкого уровня и крупномасштабной интеграции фотоники с
современными чипсетами. Кроме того, в отрасли оптической связи растет
потребность в более высокой пропускной способности оптических волокон.
Это стимулирует популярность фотонно-интегрированных чипсетов в
промышленной оптической связи, что способствует росту рынка
оптоэлектроники в долгосрочной перспективе.

11.

12.

Например, в октябре 2023 года компания STL, мировой
лидер в области оптических технологий и цифровых
решений, разработала самое тонкое оптическое волокно
толщиной 160 микрон. Оптическое волокно способно
обеспечить большую длину волны света, чем 250микронное волокно, и может сократить время
развертывания на 30%.

13.

Предпочтения клиентов:
• клиенты по всему миру все больше склоняются к
передовым технологиям и инновационным решениям.
• Оптоэлектронные устройства, такие как светодиоды, OLED
и фотоэлектрические элементы, предлагают множество
преимуществ, включая энергоэффективность,
долговечность и компактные размеры.
• Эти функции соответствуют предпочтениям клиентов,
которые ищут экологически чистые и
высокопроизводительные продукты.
• Спрос на оптоэлектронные устройства особенно высок в
отрасли бытовой электроники, где клиенты ищут
высококачественные дисплеи, эффективные решения
освещения и надежные датчики.

14.

Тенденции на рынке:
• Одной из заметных тенденций на мировом рынке
оптоэлектроники является растущее внедрение светодиодных
технологий. Светодиоды широко используются в осветительных
устройствах благодаря своей энергоэффективности и
длительному сроку службы. Спрос на светодиодное освещение
обусловлен необходимостью энергосбережения и растущим
осознанием экологической устойчивости.
• Кроме того, в автомобильной промышленности наблюдается
резкий рост внедрения оптоэлектронных устройств, таких как
светодиодные фары и задние фонари, для повышения
безопасности и эстетики дизайна.
• Еще одна тенденция на рынке – интеграция оптоэлектронных
устройств в сферу здравоохранения. В устройствах медицинской
визуализации, таких как рентгеновские аппараты, компьютерные
томографы и эндоскопы, используются оптоэлектронные
компоненты для точной диагностики и лечения. Спрос на
передовые решения для здравоохранения и растущее внимание к
точной медицине стимулируют рост оптоэлектроники в отрасли
здравоохранения

15.

Местные особые обстоятельства:
• во всем мире существуют определенные
местные особые обстоятельства, которые
способствуют развитию рынка
оптоэлектроники.
• Например, наличие мощной производственной
базы и технологического опыта в таких странах,
как Китай, Япония и Южная Корея, привело к
производству высококачественных
оптоэлектронных устройств по
конкурентоспособным ценам.
• Это привело к значительному увеличению
экспорта и сделало Worldwide ключевым
игроком на мировом рынке оптоэлектроники.

16.

Неон часто ассоциируется со
светящимися вывесками. В таком
качестве он и другие инертные
газы действительно используются,
но главное его применение сейчас
состоит в производстве
полупроводников. При помощи
неона возможно применение
фотолитографии в глубоком
ультрафиолете и работа
эксимерного лазера — тех
технологий, которые и позволяют
производить современные
полупроводники. Собственно,
закон Мура стал реальностью
именно благодаря использованию
всё более коротковолнового
излучения в фотолитографии.
Всего около 70% производящегося
на планете неона используется
именно в индустрии выпуска
микрочипов. В год отрасли нужно
около 540 т неона, причем
реальных альтернатив инертным
газам в этой индустрии нет и не
предвидится.

17.

фото самой дорогой в мире (>120 млн евро)
технологической машины, называемой литограф, или
степпер, более точно EUV stepper.

18.

19.

• Неон не является редким полезным
ископаемым, присутствующим на
ограниченном количестве месторождений.
• Напротив, он в более или менее равной
пропорции распространен по всей атмосфере,
составляя около 0,002% от нее.
• Однако добывать его не намного легче, чем
извлекать литий или золото из морской воды.
• Большая часть инертных газов выпускается
как побочный продукт сталелитейного
производства. В этом смысле можно говорить,
что основные «месторождения» неона, аргона и
других подобных материалов находятся на
металлургических заводах.
• Но и это еще не всё. Не любые технологические
процессы способствуют выделению
благородных газов, а в основном применяемые
на «морально устаревших» производствах,
построенных еще в прошлом веке.

20.

21.

22.

Мировые производители неонового газа включают
Ingas, Cryoin, Iceblick, Air Products, Air Liquide,
Linde, Пекинский кислородный завод Шуган, HBIS,
TEMC, Nippon Sanso. Iceblick, Ingas и Cryoin
занимают 71,5% мирового рынка неонового газа.

23.

24.

Большую часть неона и аргона на своих производствах добывала
Россия, а очисткой занималась Украина, причем одно из двух
главных производств неона («Ингаз») находилось в Мариуполе,
другое — в Одессе. Вместе Россия и Украина обеспечивали около
50–55% поставок инертных газов для мирового рынка, а, скажем, в
США импорт с постсоветского пространства занимал более 90%.

25.

26.

27.

28.

Оптоэлектроника - раздел
науки и техники,
занимающийся вопросами
генерации, переноса (передачи
и приёма), переработки
(преобразования),
запоминания и хранения
информации на основе
использования двойных
(электрических и оптических)
методов и средств.

29.

Оптоэлектронными
называют приборы, которые
чувствительны к
электромагнитному
излучению в видимой,
инфракрасной и
ультрафиолетовой областях, а
также приборы, производящие
или использующие такое
излучение.

30. Излучатели -светодиоды

31. Излучатели – ПП инжекционные лазеры

32. Фотоприемники

33. Одноэлементные фотоприемники

34. КМОП и ПЗС

35. Солнечные батареи

36. Тепловизоры

37. Приемники ИК-излучения и пироэлектрические датчики

38. Волноводы

39. Оптическая память

40. Дисплеи

41. Оптоэлектронные датчики

42. Оптоэлектронные приборы

ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ
ПРИБОРЫ
Излучатели – светодиоды, полупроводниковые
инжекционные лазеры.
Фотоприемники – фотодиод (солнечная батарея),
фототранзистор, лавинный фотодиод, ПЗС, датчик образа,
телевизионная передающая трубка, фотоэлемент, ФЭУ,
пироэлектрический прибор;
Оптические волноводы – волоконно-оптический,
пленочный, волноводная линза;
Оптическая память – фотопленка, фотохромные
материалы, термопластики, аморфные ПП;
Дисплеи – светодиодные, электролюминесцентные,
фосфоресцентные, ЖК, электрохромные;
Модуляторы света и отклоняющие системы – системы
зеркал, электромагнитные, акустооптические системы;
Функциональные приборы – преобразователь
некогерентного образа в когерентный, оптический
бистабильный элемент, оптический вентиль, оптрон;
Интегральные схемы – оптические и оптоэлектронные.

43. Достоинства оптоэлектронных приборов:

Высокочастотность - рост пропускной способности;
Острая фокусировка –максимальная плотность записи оптической
информации – 4/λ2, т.е. 109…1010 бит/см2.
Направленность – угловая расходимость α на уровне десятков и
единиц угловых секунд.
Идеальная
электрическая
развязка
входа
и
выхода;
однонаправленность потока информации и отсутствие обратной
реакции приемника на источник; защита от помех оптических
каналов связи; скрытность передачи информации.
Визуализация.
Фоточувствительность в любой требуемой области оптического
спектра в отличие от человеческого глаза.
Пространственная модуляция открывает огромные возможности
для
параллельной
обработки
инфо
сверхпроизводительных вычислительных систем.
–
создание

44. Недостатки оптоэлектронных приборов:

Низкий КПД в лучших современных приборах (лазеры, светодиоды, p-i-
n-фотодиоды) не превышает 10-20 %, что ведет к росту
энергопотребления, затрудняет миниатюризацию – т.к. не удается
отвести выделяющееся тепло, снижает эффективность.
Гибридность – элементы ОЭ устройства изготавливаются из разных
материалов - дополнительное снижение КПД из-за поглощения
излучения в пассивных областях структур, отражения и рассеяния на
оптических границах, снижение надежности из-за различия
коэффициентов температурного расширения материалов,
разъюстировка при механических воздействиях, сложность
герметизации.
Деградация – снижение эффективности ОЭ приборов при воздействии
температуры, проникающей радиации и долговременной работе.
Исключительная чувствительность к нарушением оптической
однородности материалов и даже к субмикронным включениям. Почти
во всех излучателях при повышении температуры падает мощность
излучения, у фотоприемников возрастают темновые токи и уровень
шумов. Нарушения при воздействии проникающей радиации
необратимы. В большинстве случаев неизбежно помутнение оптических
сред и ухудшение светопропускания на границах разнородных
материалов.

45. Физические эффекты, лежащие в основе оптоэлектронных устройств

электрооптический,
акустооптический,
магнитооптический,
нелинейные оптические,
фотовольтаический,
фотоэлектрический,
люминесценция,
вынужденное излучение и усиление света.

46.

47. Люминесценция

48.

49. Электрооптический эффект

Изменение коэффициента преломления некоторых материалов
под действием электрического поля. Применяется для модуляции
света, изготовления быстродействующих оптических затворов (время
срабатывания порядка наносекунд), известных как затворы Керра, для
изготовления оптических отклоняющих систем, в оптической памяти, в
трехмерных модуляторах, в оптических бистабильных элементах.
1) коэффициент преломления линейно
зависит от силы поля, приложенного к
кристаллу, не имеющему внутренней
симметрии (например, пьезокристаллу) эффект Поккельса проявляется на
кристаллах KDP(KH2P04), DKDP(KD2P04),
0DP(NH4H2PO4), LiNb03;
2) коэффициент пропорционален квадрату
силы поля в веществах с внутренней
симметрией — эффект Керра можно
наблюдать
в
нитроглицерине,
сероуглероде и подобных им жидкостях.
Модуляция света на основе
электрооптического эффекта
Поккельса

50. Двойное лучепреломление

51. Акустооптический эффект

АКУСТООПТИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ
Явления дифракции,
преломления, отражения или
рассеяния света на периодических
неоднородностях среды (зонах с
разным показателем преломления),
вызванных упругими деформациями
при прохождении ультразвука.
Периодическое чередование
неоднородностей среды «работает»
как дифракционная решетка,
изменяющая направление светового
луча.
а) Дифракция Рамана-Ната - при низкой частоте ультразвука и
малой ширине фронта (длине взаимодействия) ультразвуковой волны.
Условие - 2πλL/(nΛ2)<1 .
б) Дифракция Брэгга - при высокой частоте ультразвука и большой
длине взаимодействия) ультразвуковой волны. Условие - 2πλL/(nΛ2)>4π .

52. Применение акустооптического эффекта

преобразование частоты оптического излучения, т. е. акустооптическая
модуляция света;
цифровая модуляция сигнала;
аналоговая амплитудная модуляция.
частотная модуляция.
Требования: рассеяние и поглощение
света должны быть незначительными,
постоянная
фотоупругости
и
коэффициент преломления велики,
поглощение звука и скорость звука
малы.
Размещение
акустооптического
прибора внутри оптической интегральной
схемы, в которой свет в оптическом
волноводе модулируется поверхностной
ультразвуковой волной.
Материалы:
• вода, используют в большинстве экспериментов.
•Халькогенидные и теллуровые стекла и такие кристаллы, как PbMoO4, TeO2, LiNbO3,
GaP. А в источниках ультразвука соединения типа PZT — Рb{ZrхТi1-х)О3, а также ZnO,
LiNbO3 работают как излучатели.

53. Магнитооптический эффект

Изменение оптических свойств (отражение, пропускание, поляризацию
света и др.) в зависимости от его намагниченности или от силы приложенного
к нему магнитного поля.
Магнитооптические материалы: ферримагнетики, имеющие в
структуре магнитные атомы, — Y3Fe5О12(YIG), CdFe3О12, а также ортоферриты,
образующие цилиндрические магнитные домены, — MnBi, EuO, CdTbFe.
1.
Эффект
Фарадея
–
вращение
плоскости поляризации из-за циклотронного
левостороннего
вращения
электронов
в
плоскости перпендикулярной магнитному полю.
Угол поворота θ: θ=VHl ,
где Н - напряженность магнитного поля, l путь, пройденный светом в веществе. V постоянная Верде.
Применение: оптические изоляторы – если магнитооптический
кристалл поворачивает плоскость поляризации точно на 45° за один проход, то
при попадании отраженного света во время обратного хода плоскость
поляризации поворачивается ровно на 90° и свет не может пройти сквозь
входной поляризатор

54. Магнитооптический эффект Керра

Намагниченность тонких пленок таких материалов, как MnBi,
ортоферриты, CdTbFe, перпендикулярна поверхности. Если малый участок
пленки, помещенный в магнитное поле, нагреть светом лазера до температуры
выше точки Кюри, то этот участок намагничивается (запись в точке Кюри), Когда
пленку с такой записью облучают линейно поляризованным светом, различие
углов поляризации света, отраженного от соседних участков с противоположной
намагниченностью, позволяет считывать записанную информацию, пропуская
отраженный свет через анализатор.

55. Нелинейные оптические эффекты

Генерация второй гармоники
Оптическое смещение –
многофотонное поглощение
Параметрическое излучение
Автофокусировка – возникновение
нелинейности показателя преломления

56. Эффект Рамана

ω0-ω - стоксово излучение
ω0+ω - антистоксово излучение.
Рассеяние
монохроматического излучения
в веществе, при котором в
спектре
рассеянного
света
появляются новые, характерные
для данного вещества линии,
отличающиеся от спектральной
линии источника
Эффект Рамана используют
для оценки структуры полупроводников,
в
том
числе
для
определения
ориентации кристаллической решетки
тонких
пленок,
выращенных
эпитаксиально;
для
оценки
механических
напряжений
в
поверхностном слое полупроводников и
концентрации носителей в них.

57. Хромизм

Фотохромные материалы – хлориды щелочей (KCl), фториды
типа CaF2 с присадками редкоземельных элементов или такие
вещества, как SrTiO3, CaTiO3, TiO2 с присадками металлов переходных
групп.
Электрохромные материалы – хлориды щелочей, оксиды
переходных металлов типа WO3, MoO3, а среди органики –
биологические материалы и их производные, а также имидазол,
дифталоцианины редкоземельных элементов.

58.

59. Умное стекло

60. Пироэлектрический эффект

Возникновение электрического заряда на поверхности
кристалла при нагреве или охлаждении
Пьезоэлектрический эффект –
поляризация
под
действием
механических напряжений
(∂D/∂θ)E=0 – пироэлектрическая
константа
Триглицинсульфат (NH2CH2COOHK-H2S04), иначе ТГС.
Пироэлектрическая константа - 3,5 10-4 Кл/(м2 К)

61. Зонная структура

Энергетическая диаграмма
Зоны:
Валентная – полоса разрешенных
состояний,
образованная
расщеплением верхнего валентного
уровня
Проводимости
полоса
разрешенных
состояний,
образованная расщеплением уровня
ионизованного атома
Запрещенная:
Eg<0 – металл, Eg=4-5 эВ –
диэлектрик, Eg=0,16-3,7 эВ
Отрицательная
кривизна
подзон
–
эффективная масса электрона отрицательна –
вводится понятие дырка.
ПП:
Прямозонные
–
переход
электрона
осуществляется без изменения импульса (GaAs,
InAs, ZnS, CdS).
Непрямозонные – для перехода необходимо
«третье тело» (Si, Ge, GaP, SiC)

62. Примесная проводимость ПП

Примеси: донорные и акцепторные
.
Примесные уровни:
Мелкие – отстоят от валентной зоны или зоны
проводимости на величину <kT;
глубокие
E
v
J E
n p qn n qn p

63. Фотопроводимость

Увеличение электропроводности полупроводника или изолятора под действием
света из-за возбуждением светом носителей в валентной зоне и зоне проводимости
называют фотопроводимостью или внутренним фотоэффектом.
Фотопроводимость
собственная
несобственная
Фоторезистор.
•ZnO, ZnS – УФ (200—400 нм),
•ZnSe, CdS, CdSe, Cd(S, Se) в видимой
области (400—750 нм),
•PbS, PbSe, PbTe, Ge(Au) в ИК (750—6000
нм).
Самое чувствительное в видимой области
соединение CdS, а в
инфракрасной области — PbS.

64. ФОТОЭДС

фотодиффузионный,
фотоэлектромагнитный
барьерный фотовольтаический эффект.