Оптический канал оптронов

Качество оптрона очень зависит от эффективности передачи энергии от излучателя к фотоприемнику, т.е. от свойств оптического канала. Оптическая среда имеет три основных назначения:

1. Свести к минимуму потери при передаче энергии от излучателя к приемнику;

2. Обеспечить высокие значения параметров гальванической развязки;

3. Создать конструктивно целостный прибор, устойчивый при всех эксплуатационных воздействиях (механических, климатических, временных и др.).

При выборе оптического канала,в зависимости от применения оптрона, необходимо удовлетворить следующие требования:

- обеспечить заданный уровень электрической изоляции между излучателем и фотоприемником;

- материал оптического канала должен быть согласован с излучателем и фотоприемником спектрально, т.е. обладать высокой прозрачностью для излучения в рабочем диапазоне длин волн;

- потери на отражение на границах И-ОК, ОК-ФП должны быть минимальными.

Для уменьшения потерь на отражение необходимо создать среду, в которой показатели преломления оптического канала, материалов излучателя и фотоприемника были бы близки друг другу. Вообще, при распространении оптического излучения из среды с показателем преломления в среду с показателем преломления , часть излучения отражается от границы раздела и теряется. Эти потери называются френелевскими.

Коэффициент отражения определяется из выражения:

.

Коэффициент пропускания границы раздела сред будет равен:

.

Например, для кристалла излучателя на основе GaAs с =3,4, излучающего в оптическую среду с =1,5, коэффициент Т_фр будет определяться как:

.

Таким образом, только около 85% излучения, достигающего границы раздела И-ОК, проходит через нее. Аналогичная картина наблюдается и на границе раздела ОК-ФП.

Мерой согласования спектральных характеристик оптронной системы является коэффициент спектрального согласования. Он определяется интегрированием произведения спектров всех элементов, входящих в систему: , где Ф_е(l)/Ф_еmax– нормированная спектральная характеристика излучателя в относительных единицах; – спектральная характеристика фотоприемника; – спектральная характеристика оптического канала. Пределы интегрирования определяются границами спектра излучателя (рис. 3.2).

Рис. 3.2

В качестве оптической среды в оптронах в основном используются полимерные оптические клеи и лаки, обладающие высокой адгезией к полупроводниковым материалам, отличными диэлектрическими свойствами, эластичностью (это необходимо, т.к. не удается в полной мере обеспечить согласование элементов оптрона по коэффициентам термического расширения), простотой и низкой стоимостью. Однако коэффициенты преломления этих материалов (n=1,5) отличаются от коэффициентов преломления GaAs-излучателей и Si-фотоприемников. Поэтому потери на границах разделов значительны.

Спектральные характеристики полимеров в ближней инфракрасной области имеют много провалов, что может сказаться на передаче излучения. Кроме того, для многих полимерных материалов существенен эффект старения, способный вызвать нестабильность параметров оптронов во время эксплуатации. Перспективными оптическими средами оптронов являются незасыхающие вазелиноподобные силиконовые смазки.