Оптопарой называется оптоэлектронный прибор, содержащий излучатели и фотоприемники, оптически и конструктивно связанные друг с другом.
Принцип действия оптопары основан на двойном преобразовании энергии. В излучателях энергия электрического сигнала преобразуется в оптическое излучение, а в фотоприемниках, наоборот, оптический сигнал вызывает электрический ток или напряжение. Таким образом, оптопара представляет собой прибор с электрическими входными и выходными сигналами, т.е. связь с внешней схемой электрическая. Внутри оптопары связь входа с выходом осуществляется с помощью оптических сигналов. В электрической схеме такой прибор выполняет функцию выходного элемента – фотоприемника с одновременной электрической изоляцией (гальванической развязкой) входа и выхода.
Однако сводить назначение оптопары только к обеспечению электрической изоляции было бы неверно. Введение с помощью оптопары оптического управления позволяет получить электронные устройства с исключительно своеобразными параметрами и характеристиками.
При выборе именно фотоприемник является определяющим элементом оптопары, а излучатель выбирается «под фотоприемник», а по конструктивно-технологическим характеристикам оба элемента – приемник и излучатель – являются «равноправными». Более того, излучателем в большинстве случаев определяются эффективность преобразования энергии и срок службы оптопары.
Принципиальные достоинства оптопар, обусловленные использованием фотонов в качестве носителей информации, заключаются в обеспечении высокой электрической изоляции входа и выхода, однонаправленности потока информации, отсутствии обратной связи с выхода на вход и широкой полосе пропускания.
Кроме того, важными достоинствами оптопар являются:
· возможность бесконтактного (оптического) управления электронными объектами и обусловленные этим разнообразие и гибкость конструкторских решений управления;
· невосприимчивость оптических каналов связи к воздействию электромагнитных полей, что в случае оптопар с протяженным оптическим каналом обусловливает высокую помехозащищенность, а также исключает взаимные наводки;
· возможность создания функциональных микроэлектронных устройств с фотоприемниками, характеристики которых под действием оптического излучения изменяются по заданному (сколь угодно сложному) закону;
· расширение возможностей управления выходным сигналом оптопары путем воздействия (в том числе и неэлектрического) на оптический канал и, как следствие этого, создание разнообразных датчиков и приборов для передачи информации.
Современным оптопарам присущи и определенные недостатки:
· низкий КПД, обусловленный необходимостью двойного преобразования энергии (электричество – излучение – электричество), и значительная потребляемая мощность;
· сильная температурная зависимость параметров;
· высокий уровень собственных шумов;
· конструктивно-технологическое несовершенство, связанное в основном с использованием гибридной технологии.
Перечисленные недостатки оптопар по мере совершенствования материалов, технологии, схемотехники постепенно устраняются. Широкое применение оптопар определяется прежде всего неповторимостью достоинств этих приборов.
Рассмотрим отдельные элементы оптопар подробнее (рис. 6.1).
Излучатель оптопары. Основным излучателем современных оптопар является инжекционный излучающий диод. В будущем – для создания сверхбыстродействующих оптопар (время переключения с) и мощных оптопар с протяженным оптическим каналом – применение полупроводниковых лазеров, характеризующихся высоким быстродействием и высокой направленностью излучения, может оказаться целесообразным и экономически оправданным.
Оптический канал. Качество оптопары в значительной степени зависит от эффективности передачи энергии от излучателя к приемнику, т.е. от свойств оптического канала. Для уменьшения потерь на отражение необходимо создать иммерсионную систему, в которой показатели преломления (п) оптической среды и материалов излучателя и фотоприемника были бы одинаковые. Така