6.1.1.  Элементы оптопары

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